现代加工技术04电化学加工市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx
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1、哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术电化学加工电化学加工1贾宝贤贾宝贤(5687026Electrical Chemical MachiningECM第第1页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术课程内容纲领课程内容纲领21 1绪论绪论2 2电火花加工电火花加工3 3电火花线切割加工电火花线切割加工4 4电化学加工电化学加工5 5超声波加工超声波加工6 6磨料与水喷射加工磨料与水喷射加工7 7激光加工激光加工8 8快速快速原原型型制造制造9 9电子束、离子束加工电子束、离子束加工1010化学、等离子体、磁性磨料加工化学、等离子体、磁性磨料加工、挤压珩磨、挤压珩磨第第2页
2、页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术本讲内容本讲内容33.1电化学加工原理、特点及分类电化学加工原理、特点及分类3.2电化学加工设备电化学加工设备3.3电化学加工基本规律电化学加工基本规律3.4提升电化学加工精度路径提升电化学加工精度路径3.5电化学加工应用电化学加工应用3.6电铸和涂镀加工电铸和涂镀加工3.7电化学磨削电化学磨削3.8电化学抛光电化学抛光3.9电化学辅助在线削锐磨削电化学辅助在线削锐磨削3.10微精电化学加工微精电化学加工第第3页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术第第3 3章章 电化学加工电化学加工4 电电化化学学加加工工最最初初试试验验是是出出
3、前前办办联联人人进进行行。但但因因为为当当初初技技术术水水平平限限制制,难难以以发发展展。战战后后,为为对对喷喷气气发发动动机机及及人人造造卫卫星星等等所所使使用用,含含有有高高硬硬度度和和高高韧韧性性耐耐热热钢钢等等难难加加工工材材料料进进行行加加工工,美美国国对对电电化化学学加加工工进进行行重重新新估估价价,研研制制出出了了最最早早电电化化学学加加工工机机。电电化化学学加加工工现现己己用用于于打打孔孔、切切槽槽、雕雕模模、去去毛毛刺刺等等方方面面。是是应应用用范范围围很广加工方法。很广加工方法。第第4页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术3.13.1 电化学加工原理、特点及分
4、类电化学加工原理、特点及分类5一、电化学加工原理一、电化学加工原理利利用用金金属属在在电电解解液液中中产产生生阳阳极极溶溶解解电电化化学学原原理理对对工工件件进进行行成成形形加加工工一一个个工工艺艺方方法法。电电解解加加工工原理如图原理如图1-21所表示。所表示。加加工工时时,工工件件接接直直流流稳稳压压电电源源正正极极,工工具具接接负负极极,两两极极间间保保持持0.11mm间间隙隙,含含有有一一定定压压力力(0.52.5Mpa)电电解解液液从从两两极极间间隙中高速(隙中高速(560m/s)流过。)流过。第第5页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术一、电化学加工原理6电电 化化
5、学学 中中 惯惯 用用 电电 解解 液液 有有 NaCl、NaNO3和和NaClO3三三种种溶溶液液。下下面面仅仅介介绍绍用用10%20%氯氯化化钠钠水水溶溶液液作作电电解解液液加加工工低低碳碳钢钢时时主主要要化化学学反反应:应:水溶液水溶液H2OH+OH-工件阳极反应工件阳极反应Fe2eFe+Fe+2OH-Fe(OH)2第第6页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术一、电化学加工原理7工具阴极反应工具阴极反应2H+2eH2从从以以Fe+上上反反应应能能够够看看出出,在在电电解解加加工工过过程程中中,因因为为外外电电源源作作用用,阳阳极极铁铁不不停停失失去去电电子子,以以Fe+形形
6、式式与与水水溶溶液液中中负负离离子子化化合合生生成成Fe(OH)2而而沉沉淀淀;阴阴极极不不停停得得到到电电子子,与与水水溶溶液液中中H+结结合合而而游游离离出出氢氢气气。在在电电解解过过程程中中,工工件件阳阳极极和和水水不不停停消消耗耗,而工具阴极和氯化钠并不消耗。而工具阴极和氯化钠并不消耗。电化学加工电化学加工1 1分分44.mp444.mp4第第7页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术一、电化学加工原理8加加工工过过程程中中,工工具具阴阴极极凸凸出出部部分分与与工工件件阳阳极极电电极极间间隙隙最最小小,此此处处电电流流密密度度最最大大,单单位位时时间间内内消消耗耗电电量量最
7、最多多。依依据据法法拉拉第第定定律律,金金属属阳阳极极溶溶解解量量与与经经过过电电量量成成正正比比。所所以以,工工件件上上与与工工具具阴阴极极凸凸起起部部位位对对应应处处比比其其它它部部位位溶溶解解更更加快。加快。伴伴随随工工具具阴阴极极不不停停迟迟缓缓地地向向工工件件进进给给,工工件件则则不不停停地地按按工工具具端端部部型型面面溶溶解解,电电解解产产物物则则不不停停被被高高速速流流动动电电解解液液带带走走,最最终工具电极形状就终工具电极形状就“复制复制”在工件上。在工件上。第第8页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术9电解加工电解加工7 7分分05.mp405.mp4第第9页页
8、哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术两种方法10第第10页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术二、电化学加工特点11电电化化学学加加工工主主要要优优点点之之一一是是它它能能够够加加工工复复杂杂三三维维曲曲面面,而而不不像像普普通通金金属属切切削削那那样样留留下下刀刀痕痕。采采取取不不锈锈钢钢制制造造阴阴极极工工具具,能能够够把把许许多多初初步步成成形形零零件件加加工工到到含含有有极极高高外外形形尺尺寸寸。其其特点是:特点是:第第11页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术二、电化学加工特点-优点12(1)无应力加工;工件不变形无应力加工;工件不变形(2)无
9、毛刺加工;表面质量好无毛刺加工;表面质量好(3)工具和工件不接触,工具无磨损。工具和工件不接触,工具无磨损。生产效率高,是电火花加工生产效率高,是电火花加工510倍。倍。加工范围广,不受材料硬度限制。加工范围广,不受材料硬度限制。第第12页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术工艺特点131凡是导电材料,不论硬度、强度、韧性多高,凡是导电材料,不论硬度、强度、韧性多高,均可加工;均可加工;2复杂形状零件一次成型复杂形状零件一次成型,生产率高;生产率高;3表面质量好,不变形,无飞边毛刺,无残表面质量好,不变形,无飞边毛刺,无残余余应力;应力;4工具阴极原理上不消耗工具阴极原理上不消耗
10、;5生产率、表面质量之间无相互制约关系生产率、表面质量之间无相互制约关系第第13页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术二、电化学加工特点-应用场所14当前电化学加工主要用于:当前电化学加工主要用于:(1)复杂三维曲面端面和外圆加工;复杂三维曲面端面和外圆加工;(2)刻模,尤其是深窄槽和孔;刻模,尤其是深窄槽和孔;(3)靠模加工和特殊形状仿形;靠模加工和特殊形状仿形;(4)多孔加工;多孔加工;(5)拉孔;拉孔;(6)去毛刺;去毛刺;(7)磨削;磨削;(8)珩磨;珩磨;(9)切断。切断。第第14页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术二、电化学加工特点-缺点15电电化化学
11、学加加工工主主要要缺缺点点是是不不能能加加工工非非导导电电材材料料以以及及有有尖尖锐锐内内角角(r0.2mm),因因为为在在尖尖点点上上电流密度很大。电流密度很大。在在实实心心材材料料上上不不能能一一步步加加工工出出盲盲孔孔(工工作作液液流流动动)。电化学加工设备腐蚀和生锈问题。电化学加工设备腐蚀和生锈问题。第第15页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术三、电化学加工分类16电化学加工按其作用原理可分为三大类:电化学加工按其作用原理可分为三大类:第第类类是是利利用用电电化化学学反反应应过过程程中中阳阳极极溶溶解解来来进行加工,主要有电解加工和电化学抛光等。进行加工,主要有电解加工
12、和电化学抛光等。第第类类是是利利用用电电化化学学反反应应过过程程中中阴阴极极沉沉积积来来进行加工,主要有电镀、电铸等。进行加工,主要有电镀、电铸等。第第类类是是利利用用电电化化学学加加工工与与其其它它加加工工方方法法相相结结合合电电化化学学复复合合加加工工工工艺艺进进行行加加工工,当当前前主主要要有有电电解解磨磨削削、电电化化学学阳阳极极机机械械加加工工(其其中中还还含含有有电电火火花放电作用花放电作用)。第第16页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术三、电化学加工分类17第第17页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术3.23.2 电化学加工设备电化学加工设备18一
13、、电化学加工设备组成一、电化学加工设备组成电化学加工设备主要包含三大部分。电化学加工设备主要包含三大部分。l1.1.机床机床l2.2.电源电源l3.3.工具、工件及电化学加工液循环系统工具、工件及电化学加工液循环系统第第18页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术一、电化学加工设备组成一、电化学加工设备组成19l机机床床电电解解加加工工机机床床作作用用是是安安装装夹夹具具、工工件件和和阴阴极极,并并实实现现其其相相对对运运动动。要要求求机机床床有有足足够够刚刚性性,以以确确保保进进给给系系统统稳稳定定性性,有有较较宽宽调调速速范范围围,以以适适应应多多品品种种加加工工;配配置置汇汇
14、流流排排和和导导液液系系统统,以以实实现现供电和供液供电和供液;好防腐安全办法,足够抗干扰能力。;好防腐安全办法,足够抗干扰能力。l电电源源与与机机床床配配套套,提提供供适适当当额额定定电电压压和和电电流流,足够稳压精度和抗干扰能力。足够稳压精度和抗干扰能力。l电电解解液液系系统统作作为为导导电电介介质质,参参加加电电化化学学反反应应,起到起到排除反应产物和冷却工件排除反应产物和冷却工件作用。作用。第第19页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术二、电化学加工机床二、电化学加工机床2010000A卧式电解加工机床(昆仑机械厂)卧式电解加工机床(昆仑机械厂)第第20页页哈工大哈工大(
15、威海威海)现代加工技术现代加工技术二、电化学加工机床二、电化学加工机床21第第21页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术电化学加工机床电化学加工机床22日本三菱日本三菱5kA立式电解加工机床立式电解加工机床第第22页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术三、工具、工件和工作液三、工具、工件和工作液23 1 1阴阴极极工工具具 其其形形状状尺尺寸寸精精度度直直接接影影响响到到工工件件加加工工精精度度,一一样样,工工具具表表面面租租糙糙度度对对加加工工后后工工件件表表面面粗粗糙度也有影响。糙度也有影响。对工具材料要求对工具材料要求1)导电性好)导电性好减小温升和热变形;减
16、小温升和热变形;2)力学性能好)力学性能好确保阴极形状精度;确保阴极形状精度;3)耐烧蚀和可焊性;)耐烧蚀和可焊性;4)耐腐蚀)耐腐蚀。在在电电化化学学加加工工中中,广广泛泛使使用用工工具具材材料料有有铝铝、黄黄铜、青铜、紫铜、石墨、不锈钢、镍铜合金等。铜、青铜、紫铜、石墨、不锈钢、镍铜合金等。第第23页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术1 1阴极工具阴极工具 24 上述材料工具轻易加工成需要形状,制造这些上述材料工具轻易加工成需要形状,制造这些工具方法普通采取冷锻和电镀成型。工具方法普通采取冷锻和电镀成型。1)传统方法)传统方法设计,试验,修改;设计,试验,修改;2)开发)开
17、发CAD/CAM应用软件,对复杂型面、型腔应用软件,对复杂型面、型腔零件发展数字化制造技术。零件发展数字化制造技术。第第24页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术2 2阳极工件阳极工件25工工件件材材料料必必须须是是良良导导体体,其其化化学学特特征征对对材材辑辑切切除除速速率率有有影影响响。去去除除速速度度与与工工件件材材料料原原子子量量成成正正比比,与其原子价成反比。与其原子价成反比。装装夹夹工工件件夹夹具具由由绝绝缘缘材材料料制制成成,环环氧氧树树脂脂或或玻玻璃璃纤纤维维是是电电化化学学加加工工理理想想夹夹具具材材料料。在在某某此此场场所所,也也可可用用便便宙宙材材料料如如有
18、有机机玻玻璃璃和和聚聚氯氯乙乙烯烯。这这些些材材料料含含有良好热稳定性和低湿性。有良好热稳定性和低湿性。第第25页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术3 3电解液系统电解液系统26电电解解液液主主要要组组成成有有泵泵、电电解解液液槽槽、过过滤滤器器、管管道道及及阀阀等等,如图所表示。如图所表示。第第26页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术4 4电解液电解液27(1)(1)对电解液基本要求对电解液基本要求1)1)有有足足够够蚀蚀除除速速度度。即即生生产产率率高高,要要求求电电解解质质在在溶溶液液中中有有较强溶解度和离解度,有很高电导率。较强溶解度和离解度,有很高电导
19、率。2)2)有有较较高高加加工工精精度度和和表表面面质质量量。电电解解液液中中金金属属阳阳离离子子不不应应在在阴阴极极上上产产生生放放电电反反应应而而沉沉积积到到阴阴极极工工具具上上,以以免免改改变变工工具具形状尺寸。形状尺寸。3)3)阳阳极极反反应应最最终终产产物物品品不不溶溶性性化化合合物物,这这主主要要是是便便于于处处理理,不不会会影影响响到到阴阴极极工工具具尺尺寸寸。通通常常被被加加工工工工件件主主要要组组成成元元素素氢氢氧氧化化物物大大都都难难溶溶于于中中性性盐盐溶溶液液。但但在在加加工工小小孔孔时时要要求求阳阳极极反反应应物物是是可可溶溶性性。除除此此之之外外,还还要要求求电电解解
20、液液含含有有:高高电电导导率率:低低粘粘应应和和高高比比热热容容,很很好好化化学学稳稳定定性性;无无腐腐蚀蚀和和毒毒性性,价价廉廉而轻易得到。而轻易得到。第第27页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术4 4电解液电解液28(2)(2)三三种种惯惯用用电电解解液液 电电解解液液可可分分为为中中性性盐盐溶溶液液、酸酸性性溶溶液液与碱性溶液三大类,表与碱性溶液三大类,表3-23-2为一些惯用电解液及其特征。为一些惯用电解液及其特征。第第28页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术3.33.3电化学加工基本规律电化学加工基本规律29一、生产率及其影响原因一、生产率及其影响原因
21、4.3.3.1基本概念基本概念l生产率:单位时间内蚀除金属量(生产率:单位时间内蚀除金属量(g/min)l法拉第电解定律:法拉第电解定律:阳极金属去蚀量阳极金属去蚀量M与电荷量(与电荷量(Q=It)成正比成正比理论蚀除量:理论蚀除量:M=KQ=KItK-电化学当量电化学当量g/(Ahl电流效率电流效率:实际蚀除量与理论蚀除量之比:实际蚀除量与理论蚀除量之比l实际蚀除量实际蚀除量M:M=KQ=KIt第第29页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术一、生产率及其影响原因30金属电化学当量金属电化学当量KM=KQ=KIt电流密度电流密度I成正比,但过高时火花放电,成正比,但过高时火花放电
22、,10100A/cm3电极间隙电极间隙(双曲线关系双曲线关系va=C/)第第30页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术二、精度成型规律二、精度成型规律31蚀蚀除除速速度度与与加加工工间间隙隙相相关关。实实际际电电化化学学加加工工中中,进进给给速速度度会会影影响响到到加加工工间间隙隙大大小小,一一样样影影响响工工件件尺尺寸寸和和成成型精度。型精度。第第31页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术图图4-18中,设电解加工开始起始间隙为中,设电解加工开始起始间隙为则此时蚀除速度则此时蚀除速度设设阴阴极极以以恒恒定定速速度度向向工工件件进进给给,则则加加工工间间隙隙逐逐步步
23、降降低低,而而蚀蚀除除速速度度对对应应增增大大。设设工工件件足足够够厚厚,伴伴随随时时间间推推移移,总总会会有有工工件件蚀蚀除除速速度度与与阴阴极极进进给给速速度度相等。相等。1端面平衡间隙端面平衡间隙第第32页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术1.端面平衡间隙端面平衡间隙第第33页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术2.法向平衡间隙法向平衡间隙第第34页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术b3.侧面间隙侧面间隙第第35页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术4.平衡间隙理论应用平衡间隙理论应用计计算算加加工工中中各各种种电电极极间间隙隙
24、,如如端端面面、斜斜面面、侧侧面间隙;面间隙;设计电极时计算阴极尺寸及修正量;设计电极时计算阴极尺寸及修正量;分析加工精度;分析加工精度;选选择择加加工工参参数数,如如电电极极间间隙隙、电电源源电电压压、进进给给速度等。速度等。第第36页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术三、表面质量三、表面质量37包含表面粗糙度和表面物理化学性质改变两方面。包含表面粗糙度和表面物理化学性质改变两方面。(1)工件材料合金成份、金相组织及热处理状态;)工件材料合金成份、金相组织及热处理状态;(2)工艺参数,如电流密度、电解液流速与温度等;)工艺参数,如电流密度、电解液流速与温度等;(3)阴阴极极表
25、表面面质质量量,如如条条纹纹、刻刻痕痕都都会会复复印印到到工工件件上上去。去。第第37页页哈工大哈工大(威海威海)现代加工技术现代加工技术3.43.4提升电化学加工精度路径提升电化学加工精度路径38当前生产中提升电化学加工精度主要路径有:当前生产中提升电化学加工精度主要路径有:1脉冲电流加工脉冲电流加工1)消消除除加加工工间间隙隙内内电电解解液液电电导导率率不不均均匀匀。采采取取脉脉冲冲电电流流加加工工可可在在两两个个脉脉冲冲间间隔隔时时间间内内,经经过过电电解解液液流流动动与冲刷,使间隙内电解液电导率分布均匀。与冲刷,使间隙内电解液电导率分布均匀。2)脉脉冲冲电电流流加加工工使使阴阴极极在在
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