电解加工的应用

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1、电化学加工技术 第二章 电解加工的应用第二章 电解加工的应用2.1 概述2.2 模具型面加工2.3 叶片型面加工2.4 型孔及小孔加工2.5 枪、炮管膛线加工2.6 整体叶轮加工2.7 电解去毛刺2.1.1 发展历程 1834-1950，从发现法拉第定律到用于电铸、电镀、电冶和电抛光，还未形成完整的加工方法 1950s，美国、苏联、中国相继开始了电解加工方法的试验研究，并开始正式应用 1960s-1970s中期，电解加工快速发展（难切削材料的加 工从1960年的15%增长到1975年的45%） 1970s-1990s，相对低谷阶段（精度及稳定性不足） 1990s中后期，应用范围大幅度扩张（计算

2、机和功率电子技术发展快速，使得特种加工成为可能。）2.1.2 选用电解加工工艺的基本原则v难切削材料v复杂结构零件v较大批量生产的工件v特殊的复杂结构电解加工的实际加工范围v实用加工形状为三维型面、型腔，二位型腔、型孔，深孔、小孔，薄壁腹板v实用加工尺寸（mm）为最大投影面积500cm2，最小加工孔径为0.05，最大深径比200，最薄腹板0.50，最长膛线7010，最长叶片1300，最大机匣 1400电解加工的实际加工范围（续）a) 实用加工材料：耐热合金、不锈钢、钛合金 、模具钢、硬质合金b) 实用加工精度为型面、型腔成型精度0.10- 0.30，小孔精度0.05，键槽0.05-0.15c)

3、 实用加工表面粗糙度（m）为Ra 6.3-Ra1.6d) 实用批量对于锻模型面为10套/年以上各类电解加工的应用比例分类项目应用比例按加工材料分高强度、高韧性耐热合金、钛合金及半导体等特种材料零件65%一般钢材35%按加工零件分叶片、整体叶轮、炮管膛线航空工业 34%其他工业6%打孔、开槽航空工业11%其他工业29%电解车、切割、去毛刺以及其他20%按加工精度分加工误差小于0.05mm30%加工误差小于0. 1mm30%低精度40%2.2 模具型面加工v模具型面电解加工的特点v生产率高、加工成本低v重复精度好v模具寿命长v总体精度0.05-0.20mm，表面粗糙度在Ra1.6-1.4mv精度和

4、棱边锐度不够高，工具阴极设计制造复杂，劳动量大、设备投资大的弱点v锻模硬度高、形状复杂，表面质量要求高，精度要求为中等，批量较大，适合电解加工的特点v锻模v一般锻模：模具的精度中等，各面之间圆滑转接，表面质量要求较高，材料硬度高，批量较大，适用电解加工当前发展水平，可以全面发挥其优势。中等精度锻模的电解加工得到广泛应用，特别是小倾角浅型腔模具v精密锻模：精度、表面质量要求均高，批量更大，只能采用精密电解加工。v玻璃模和食品模v型腔的表面粗糙度要求较低，而精度则要求不高，因轴对称，故流场均匀，较适应电解加工的特点压铸模v 形状较复杂、尺寸较大，流场控制及工具电极设计制造均较复杂 ，难度较高，但分

5、块式压铸模则较为简便。国外有局部应用冷镦模v 受力较大，对表面质量要求较高，精度则不甚高，可发挥电解加 工的优势，常用于中小零件模具加工橡胶轮胎模、注塑模等其他模具v 合模精度高、且批量较小，材料可切削性尚可，一般不宜采用电 解加工v工具阴极的制造v机械加工法v数控机床加工法v电火花加工法及电火花线切割加工法v电解反铐法v石墨电极加工v 电流模式v 常用的是直流电流电解加工，是一种连续加工。其加工效率高，但加工精度低，一般只用于预加工或精度要求不高的模具加工v 在反铐阴极和加工精度较高的模具时，通常采用脉冲电流。v 一般占空比为1:2-1:3，可以兼顾加工精度和生产率v 电解液v NaCl（早

6、期、传统），价格低、通用性好，电流效率高，但不具有非线性特点，杂散腐蚀大，加工间隙分布很不均匀，加工精度不高v NaNO3（ NaNO3 为基的复合电解液），显著改善间隙分布的不均匀性，加工中具有切断间隙，加工 精度较高(浓度10%-17%，最大效率IClF）或含氧酸盐(NaNO3、NaClO3、NaClO4)组成。2. 复合电解液中活性和钝性阴离子具有相互补偿作用，易达到均匀活化溶解或均匀超钝化溶解。合适的配比可改善性能。活化能力 ：NaCl+Br NaCl+NaClO3NaCl+ NaNO3（4）钛合金叶片电解加工技术3.含氧酸盐溶液在低溶度区活化效应较强，分解电 压低，活化时间短4.电解

7、液对阳极钝化膜的活化能力随电压、温度的 提高而加强。低浓度电解液活化能力强而均匀，易 获得均匀光滑的加工面，非杂散腐蚀轻，也有利于 小间隙加工，获得较高的精度。4%NaCl+4%NaBr ，3%NaCl+5%NaClO3，2%NaCl+6% NaNO35.工作电压：20V,温度25oC6.大余量面先加工，余量均等后再同时加工小型精密叶片电解加工技术1. 叶身全方位电解成型2. 微秒级脉冲电流电解加工v集中蚀除能力提高v最小稳定加工间隙缩小v小型精密叶片采用平面辅助工艺基准或精密定位、自位夹紧解决了直接用榫齿定位、夹持的不稳定问题应用实例v68页表2-22.4 型孔及小孔加工v对于四方、六方、椭

8、圆、半圆、花瓣等形状的通孔或不通孔，若采用机械切削方法加工，往往需要非常复杂的刀具、夹具来进行插削、拉削或挤压，且加工精度和表面粗糙度不易保证。型孔加工的特点1. 型孔通常是在实心零件上直接加工出来的v常采用端面进给式阴极，在立式机床上进行加工v采用正流式加工（流入方向与进给方向一致，流阻随着加工深度的增加而增大，排出产物越难）1. 电解液直接冲向加工区域，对工具和阴极具有较大的冲击力。因此阴极体上的绝缘层要粘结得牢固可靠v型孔阴极的结构：工作端面、出水孔、绝缘 层和阴极体（如70页表2-3所示）阴极工作部位尺寸的选择v 对全对称的型孔，尺寸是将工件尺寸缩小一个等间隙值v 对有些型孔（半圆、椭

9、圆等），各处的间隙不一致，要根据情况来确定v 以10mm型孔为例，工作端环面宽度0.3-0.5mm,出水截面积加工间隙截面积。内圆锥面1.5-3.5mm，锥角70左右，绝缘层厚度0.15-0.2，非工作部位的厚度为0.3-0.5mm,抛光圈0.2-0.5mm避免出口短路的方法1. 当孔即将穿透时，及时停车，取掉凸起，再在工件下面放置一个用绝缘材料制成的反水垫板，继续加工2. 在工件下面预先放置一块金属附加板，并使其与工件的底面贴合良好3. 在工件下面预先放置弹性绝缘垫深小孔电解加工工艺阴极材料：v 一般采用不锈钢，当加工孔径很小，或深径比很大时，采用酸性电解液，材料选用耐腐蚀的钛合金阴极结构：

10、v 阴极型管的加工端，要有正确的几何形状和较高的尺寸精度。型管的内外径都有要求，以保证足够的供液和导电能力。阴极结构1. 阴极端面倒角。2. 阴极端面制成抛光圈3. 阴极片阴极绝缘涂层1. 对绝缘涂层的要求（结合牢固、均匀光滑、不含气孔或杂物，不得漏电）2. 绝缘涂层材料（高温陶瓷涂料0.02-0.05mm或环氧树脂0.3mm）（1）夹具结构（72页图2-15）（2）导向及防振机构 提高阴极导向精度（导向套要耐磨，以保证阴极及导向套间的间隙） 在阴极上配置防振结构（简单防振结构、液压防振结构、簧片防振结构）电解液要求：1、保持高度清洁、2、避免电解产物阻塞流道）v 通常采用具备溶解电解产物的无

11、机酸类水溶液（H2SO4、HCl、HNO3），浓度为10%-25%。v 工作压力：0.2-0.7MPav 工作电压：10-15V，通常为恒电压v 解决电解产物沉积在阴极的问题采用“周期反接电极”v 若酸性电解液不适用，那么采用加入络合剂来溶解金属v 小孔电液束加工1. 1960S，GE公司应用2. 1991年，Johnson公司加工深小孔3. R.R公司加工0.4mm，深15mm的小孔（高温涡轮叶片上）4. 德国加工深小孔、干涉孔等v电液束加工机理（示意图2-19）v电解液系统（较高压力的电解液由绝缘喷管形成一束射流喷向工件）v机床及其控制系统v高压直流电源（100-1000V）v特殊的电解作

12、用和强烈的化学腐蚀，以及其他未知加工作用的复合加工的结果绝缘玻璃管及阴极结构（图2-20）v材料为石英玻璃，由本体（可无）、过渡段（可无） 、毛细管三部分组成，毛细管内有一金属（铂）丝或金属管作为阴极。v玻璃电极不送进法加工时（电喷射加工）： 可加工直径很小的微孔（0.025mm）（不受电极直径尺寸限制）v缺点：毛细管电极极易破损，对装夹和伺服进给控制系统有较高的要求电液束加工工艺特点1. 电液束加工方法可达性好2. 可实现无再铸层、无微裂纹的小孔加工，为长寿命发动机叶片加工提高了良好的工艺手段。（冷态加工法，不会产生再铸层和微裂纹）3. 用电液束加工的孔进出口光滑、无毛刺，加工表面粗糙度值低

13、，因而气动性好，可省去激光打孔后去毛刺和再铸层的精整加工工序4. 与传统电解加工工艺相比，可以加工出更小的孔采用电液束送进法加工的小孔直径可达0.125mm（普通的金属管型电极加工的小孔直径0.8mm），采用不送进法加工的小孔直径可达0.025mm5. 电液束加工是无应力切削方法，可实现对薄璧零件的加工6. 缺点：玻璃管电极易碰碎。电液束加工工艺特点（续）电液束加工的应用及我国研究进展1.研制了1000V、50A高压直流电源及耐酸、稳压、高精过滤 输液系统2.研究制造了各种玻璃管电极3.对多种金属盒高温合金定向结晶、单晶材料进行了电液束 加工工艺试验，并进行了电液束各种加工液的选择试验4.研究

14、了加工电参数，加工溶液参数、进给速度、玻璃管电 极尺寸等对电液束加工小孔孔径的影响规律5.进行了电液束无应力切割薄板试验6.对新机出现的干涉孔和横向椭圆连通孔加工方案、电极结 构、尺寸加工参数进行了研究目前的国内研究成果1. 加工出了孔的轴心线与加工表面成8o夹角的斜孔2. 在新机高温叶片上加工出了孔轴心线与叶身表面夹 角很小的叶片干涉孔，达到了新机设计要求。3. 在加工主通道之间横向连通孔方面，加工除了圆形 横向连通孔，还用圆形电极加工出了新机叶片主通 道横向椭圆连通孔。4. 用电液束加工的最小孔径为0.125mm。孔加工表 面进口光滑、无毛刺、表面粗糙度为Ra0.8-3.2m 。加工表面无

15、再铸层和无微裂纹、无晶间腐蚀5. 已研制出带有直流、脉冲两用电源的CNC三坐标数控加工机床，用于新机试制， 6. 采用机拉法制造玻璃管电极，确保了电极加工尺寸精度 7. 研制了具有一定特点的组合电极，该电极具有易制造、精度 高、刚性强、流阻小、流量大、加工速度快等优点，为新机 制造了专用电极 8. 研制了排孔电极。用排孔电极进行了多孔加工工艺的研究， 解决了在叶片不同异形截面上同时加工尺寸梯度孔的技术难 题，提高了加工效率目前的国内研究成果（续）2.5 枪、炮管膛线加工2.5 枪、炮管膛线加工传统的枪管膛线制造工艺为挤线法，该法生产效 率高，但挤线冲头制造困难，而且为了保证在挤 制膛线的过程中

16、产生均匀一致的塑性变形，枪管 外壁只能采用等径圆钢，挤线以后再按枪管外形 尺寸去除多余的金属，因而毛坯材料损耗严重， 且校正、电镀、回火等一系列辅助工序较多，生 产周期长膛线电解加工工艺工具阴极结构是膛线电解加工工艺的技术核心 及关键环节。移动式阴极主要由阴极本体、引导/支撑部件 和电解液流道三大部分组成（固定式阴极仅有阴 极本体）阴极本体：黄铜制造、环氧树脂为绝缘材料、O型橡胶圈密封圈1. 圆柱形阴极（78页图2-23）：加工根部圆角较大 的等齐膛线，其工作部位圆柱形，长度为工作部 分的长度，绝缘片的数目和缠度与工件膛线的根 数与缠度相同，后引导套、出液套与阴极工作部 分连接段加工出相应的螺旋槽。主要缺点：加工间隙变化较大，前端起始间隙小， 后部间隙大，流场呈扩散状，阴极真正的工作面 较短，因而线型和表面质量均较差工具阴极的结构形式（移动式）工具阴极的结构形式（移动式）v圆锥形阴极（78页图2-24）：加工等齐膛线、不等齐膛线、混合膛线 ，其工作部位圆锥形。为改善流场，采用较长的导流段和斜的进液孔。v主要优点：加工间隙从前端到后部逐渐缩