《電化學加工論》word版

/本科課程論文題目電化學加工學院工程技術學院專業(yè)機械設計制造及其自動化年級xxxx學號姓名xxx指導教師xx成績2014年12月22日目錄TOC\o"1-3"\h\u34521前言 3106432電化學加工的特點 4260613電化學加工設備 5172933.1電化學加工設備簡史 5264153.2電化學加工的工藝設備 5105163.3電化學加工設備的應用 5293674電化學加工技術 6263104.1微細電化學加工技術 6232694.2電化學去毛刺 710464.2.1電化學去毛刺的意義 7216364.2.1電化學去毛刺的工作原理 7105334.3其他電化學加工技術 870904.3.1電解拋光 8276914.3.2電鍍 8220294.3.3電刻蝕 8193155總結 917232參考文獻 9電化學加工xxx指導老師xx西南大學工程技術學院xxxx級機械設計制造及其自動x班摘要：本文利用電化學進行加工的各種方法的研究。電化學加工是通過化學反應去除工件材料或在其上鍍覆金屬材料等的特種加工。近幾十年來，借助高新科學技術，在精密電鑄、復合電解加工、電化學微細加工等發(fā)展較快。目前電化學加工已成為一種不可缺少的微細加工方法。關鍵詞：電化學加工加工設備微細加工去毛刺1前言中國在20世紀50年代就開始應用電解加工方法對炮膛進行加工，現(xiàn)已廣泛應用于航空發(fā)動機的葉片，筒形零件、花鍵孔、內(nèi)齒輪、模具、閥片等異形零件的加工。近年來出現(xiàn)的重復加工精度較高的一些電解液以及混氣電解加工工藝,大大提高了電解加工的成型精度,簡化了工具陰極的設計，促進了電解加工工藝的進一步發(fā)展。利用電化學反應對金屬材料進行加工的方法。與機械加工相比，電化學加工不受材料硬度、韌性的限制，已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中。常用的電化學加工有電解加工、電磨削、電化學拋光、電鍍、電刻蝕和電解冶煉等。電化學加工的基本原理是用兩片金屬作為電電極，通電并浸入電解溶液中，形成通路。導線和溶液中均有電流通過。但是金屬導線和電解溶液是兩類性質(zhì)不同的導體，前者是靠自由電子在外電場大的作用下沿一定方向移動導電的：后者是靠溶液中正、負離子移動而導電的，是離子導體。當上述兩類導體形成通路時，在金屬片和溶液的界面上產(chǎn)生交換電子的反應，機電化學反應。2電化學加工的特點電化學反映具有很高的反應速度，反應速率遠遠高于其他的制造工藝,其電流密度達到10～500安/厘米；兩電極的距離很小，約為0.1～1毫米，且陰極對陽極被加工工件作相對運動；電解液在電極間隙高速通過,具有高液壓、高流速，帶走反應中產(chǎn)生的大量金屬溶解產(chǎn)物和氣體以及熱量。其流體動力學狀態(tài)至為復雜。電解加工工藝與一般的機制工藝相比較，具有以下特點：能同時進行三維的加工，一次加工出形狀復雜的型面、型腔、異形孔；由于加工中工件與刀具（陰極）不接觸,不會產(chǎn)生切削力和切削熱,不生成毛刺；與材料的機械性能(如硬度、韌性、強度)無關，因此可加工一般機制工藝難以加工的高硬度、高韌性、高強度材料，如硬質(zhì)合金、淬火鋼、耐熱合金、鈦合金，但與材料的電化學性質(zhì)、化學性質(zhì)、金相組織密切有關。[1]3電化學加工設備3.1電化學加工設備簡史1958年美國阿諾卡特公司首先研制出世界第一臺電解加工機床，用于葉片加工。此后，日本和西方各國相繼研究和生產(chǎn)了多種電解加工機床，使這一工藝得到日益廣泛的應用。中國電解加工工藝始于60年代初，首先用于航空工業(yè)中加工葉片，兵器工業(yè)加工大炮膛線，后來推廣到其他民用工業(yè)，如汽車、拖拉機制造業(yè)加工鍛模，汽輪機制造業(yè)加工整體葉輪，還用于花鍵、異形孔的加工。[2]3.2電化學加工的工藝設備工件和陰極分別接在直流電源的正負極。電解液由液泵經(jīng)管路高速通過工件和陰極之間狹小的間隙。通電后工件發(fā)生電化學陽極溶解，當陽極均勻進給時，工件就可按照陰極的形狀不斷溶解，形成和陰極相反的型面和型腔。由此可見，電解加工的工藝設備包括三部分：電解加工機床、直流電源、電解液系統(tǒng)。對于電解加工機床的基本要求是進給速度均勻穩(wěn)定、足夠的剛性和必要的抗蝕性、排氣措施。對于直流電源的要求是：高的穩(wěn)壓精度和迅速、可靠的短路保護裝置。這是因為電解加工時電流很大，電極間隙小，為了保證加工精度和避免燒損短路，應該重視上述兩項指標。對于電解液系統(tǒng)則要求供液穩(wěn)定，并具有處理電解產(chǎn)物的能力。[3]3.3電化學加工設備的應用以電化學去毛刺加工為例介紹。電化學去毛刺設備，屬于利用電化學原理去除工件多余金屬的電化學加工設備，配備不同的電極夾具可去除氣動、液動閥、泵體、轉(zhuǎn)子、齒輪及零件內(nèi)部交叉孔、窄縫、窄槽等整個金屬機械零件因金屬切削加工而產(chǎn)生的毛刺，并將去毛刺棱邊光整、精修加工為光滑圓弧，也可用于油泵、油嘴等零件盛油槽及直槽的成型加工以及軸類內(nèi)腔的擴孔與拋光等。更可用于熱處理后大批量精加工，使用非線性電解液對設備和人身無害。毛刺是金屬切削加工的必然產(chǎn)物，難以完全避免。毛刺的存在，不僅影響產(chǎn)品的外觀，而且影響產(chǎn)品的裝配、使用性能和壽命。隨著高科技的發(fā)展、產(chǎn)品性能的提高，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越嚴格，去除機械零件的毛刺就愈加重要。屬材料向高強、高硬、高韌方向的發(fā)展，機械產(chǎn)品中復雜整體構件日益增多，去毛刺的難度也隨之增大，傳統(tǒng)的手工去毛刺作業(yè)很難滿足上述發(fā)展對去毛刺的要求，各種機械化、自動化去毛刺新技術、新工藝應運而生。電化學去毛刺是一種先進的去毛刺技術，是電化學加工（電解加工）技術中發(fā)展較快、應用較廣的一項新工藝。[4]作為電化學加工一種特殊的應用形式，它對加工工件無機械作用力，容易實現(xiàn)自動化或半自動化，適合去除高硬度、高韌性金屬零件的毛刺，可以在工件的特定部位進行限定加工。電化學去毛刺設備己有系列化產(chǎn)品，在汽車發(fā)動機、通用工程機械、航空航天、氣動液壓等眾多行業(yè)得到廣泛應用，是電化學加工機床中生產(chǎn)批量較大，應用領域較廣的重要裝備。4電化學加工技術4.1微細電化學加工技術微細加工在許多工業(yè)領域中有著重要而廣闊的應用前景，是當今最為活躍的研究領域之一。微細加工技術源于半導體集成電路制造工藝，但發(fā)展至今其內(nèi)涵已經(jīng)大大拓寬，不局限于IC工藝中的硅片刻蝕技術，LIGA、LIGA—LIKE、微細電加工、微細束流加工及微細切削等多種加工技術已經(jīng)成為微細加工技術中的重要組成部分。南京航夸航天大學機電學院的朱荻，王明環(huán)，明平美，張朝陽開展了微細電化學加工技術的試驗研究工作，內(nèi)容包括微細電鑄和微細電解加工。討論了微細電化學加工的工藝特點和主要技術步驟。針對若干典型微結構，提出了相應的微細電化學加工方法和技術方案。他們從微細電鑄和微細電解加工兩個方面研究了微細電化學加工技術。首先是微細電鑄。電鑄是LIGA技術中一個重要的不可替代的組成部分。朱荻等幾位專家采取與LIGA技術類似的過程，進行了微小零件制造的研究。主要工藝步驟包括采用不銹鋼片作為基底材料，在其上均勻涂覆感光膠，然后進行曝光和蝕刻等步驟，在金屬基底上形成帶有特定圖案的感光膠層。將帶有圖案膠層的金屬模版放人電鑄槽內(nèi)進行電沉積，金屬離子在模版上襯底材料裸露處沉積，直至將其填滿；然后將金屬沉積物和感光膠層分離，得到的金屬結構就是所需的微細零件。采用該方法制備的微型銅齒輪在微細電鑄過程中，同時采用了高頻脈沖電流和高速沖液的方法，使電沉積在電化學極化度較高的情況下進行，從而細化了晶粒，獲得了致密的金屬沉積。另外，還試驗了壓力正負交變等措施，利用較強的壓力擾動，及時排除陰極上的吸附氣泡，消除了陰極吸附氣泡造成的針孔和麻點等問題。在微細電解加工方面，在脈沖電解加工的基礎上，采取工具往復運動方式，在加工周期中，先施加一個對刀電壓，工具電極進給至工件陽極，進行零位對刀；然后工具電極回退，使間隙至所需要的數(shù)值，施加相對較高的加工電壓進行加工；加工后切斷加工電壓，工具電極回退到較大間隙，進行充分的電解液沖刷以排出加工產(chǎn)物，同時采用超短脈寬脈沖電流，以提高加工的定域性，利于微細加工，并將超短脈沖電流、低濃度電解液及加工間隙的實時檢測和調(diào)整等技術結合，實現(xiàn)微米級精度的加工。4.2電化學去毛刺4.2.1電化學去毛刺的意義電化學去毛刺是一種先進的去毛刺技術，是電化學加工技術中發(fā)展較快、應用較廣的一項新工藝。作為電化學加工一種特殊的應用形式，它對加工工件無機械作用力，容易實現(xiàn)自動化或半自動化，適合去除高硬度、高韌性金屬零件的毛刺，可以在工件的特定部位進行限定加工。對于手工難以處理、可達性差的復雜內(nèi)腔部位，尤其是交叉孔相貫線的毛刺，利用電化學去毛刺有著明顯的優(yōu)勢。電化學去毛刺對加工棱邊可取得較高的邊緣均一性和良好的表面質(zhì)量，具有去除毛刺效果好、安全可靠、高效等優(yōu)點，一般情況和傳統(tǒng)工藝相比，效率可提高10倍以上。所以為了獲得高質(zhì)量的齒輪，應用電化學光整加工工藝對齒輪齒面進行光整加工去除毛刺的基礎研究,對于提高我國機械制造業(yè)在國際上的競爭力,促進我國經(jīng)濟的發(fā)展,有著重要的意義。[5]4.2.1電化學去毛刺的工作原理零件與直流電源的正極相連,稱為陽極,而由黃銅整理的管狀工具與電源負極相連,稱為陰極,其外表面涂絕緣層,兩極之間保持一定的間隙讓循環(huán)的電解液從間隙中通過。當陽極和陰極浸入溶液并通入直流電后,在直流電場作用下,隨著陽極的溶解,在工件表面上形成一層電阻較大而電導率較小的粘性液膜,亦稱鈍化膜,覆蓋在工件表面的低凹處,使該處的工件表面不受或少受電化學溶解腐蝕,而銳邊毛刺部位由于突出在工件表面,受電場、溫度場及流場作用的影響,加速了離子的擴散與遷移過程,此處難以形成鈍化膜,且突出的毛刺部位的電流密度很大,毛刺很快被溶解,迅速形成圓角,調(diào)整加工時間可控制圓角R小于四分之一。4.3其他電化學加工技術4.3.1電解拋光電解拋光是以被拋工件為陽極，不溶性金屬為陰極，兩極同時浸入到電解槽中，通以直流電而產(chǎn)生有選擇性的陽極溶解，從而達到工件表面光亮度增大的效果。電解拋光比機械拋光效率高，精度高，且不受材料的硬度和韌性的影響，有逐漸取代機械拋光的趨勢。[6]電解拋光的基本原理與電解加工相同，但電解拋光的陰極是固定的,極間距離大,去除金屬量少。電解拋光時，要控制適當?shù)碾娏髅芏?。電流密度過小時金屬表面會產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，且生產(chǎn)效率低；當電流密度過大時，會發(fā)生氫氧根離子或含氧的陰離子的放電現(xiàn)象，且有氣態(tài)氧析出，從而降低了電流效率。4.3.2電鍍電鍍是用電解的方法將金屬沉積于導體(如金屬)或非導體(如塑料、陶瓷、玻璃鋼等)表面，從而提高其耐磨性,增加其導電性,并使其具有防腐蝕和裝飾功能。對于非導體制品的表面，需經(jīng)過適當?shù)靥幚?，使其形成導電層?才能進行電鍍。電鍍時,將被鍍的制品接在陰極上，要鍍的金屬接在陽極上。電解液是用含有與陽極金屬相同離子的溶液。通電后，陽極逐漸溶解成金屬正離子，溶液中有相等數(shù)目的金屬離子在陰極上獲得電子隨即在被鍍制品的表面上析出，形成金屬鍍層。例如在銅板上鍍鎳，以含硫酸鎳的水溶液作電鍍液。通電后，陽極上的鎳逐漸溶解成正離子，而在陰極的銅板表面上不斷有鎳析出。4.3.3電刻蝕電刻蝕又稱電解刻蝕。應用電化學陽極溶解的原理在金屬表面蝕刻出所需的圖形或文字。其基本加工原理與電解加工相同。由于電刻蝕所去除的金屬量較少，因而無需用高速流動的電解液來沖走由工件上溶解出的產(chǎn)物。加工時,陰極固定不動。5總結近階段,電解加工的研究重點及應用領域主要會集中在以下幾個方向:(1)電化學微精加工的深入研究電化學加工技