电化学加工公开课一等奖优质课大赛微课获奖课件.pptx
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1、电化学加工技术电化学加工技术第六章第六章 电化学加工技术电化学加工技术 第1页第1页电化学加工技术电化学加工技术 电化学加工(电化学加工(Electrochemical Machining Electrochemical Machining 简称简称ECMECM)包括从工件上清除金属电解加工和向工件上沉积金属电镀、包括从工件上清除金属电解加工和向工件上沉积金属电镀、涂覆加工两大类。涂覆加工两大类。几种基本概念:几种基本概念:电极电位电极电位电极极化电极极化钝化钝化电流密度电流密度电流效率电流效率第2页第2页电化学加工技术电化学加工技术图图1-1 电解液中电化学反应电解液中电化学反应第3页第3页
2、电化学加工技术电化学加工技术1.1 电化学加工原理与特点电化学加工原理与特点 1.电化学加工原理电化学加工原理 图图1-1所表示为电化学加工原理。两片金属铜所表示为电化学加工原理。两片金属铜(Cu)板浸在板浸在导电溶液,比如氯化铜导电溶液,比如氯化铜(CuCl2)水溶液中,此时水水溶液中,此时水(H2O)离解离解为氢氧根负离子为氢氧根负离子OH和氢正离子和氢正离子H+,CuCl2离解为两个氯离解为两个氯负离子负离子2Cl和二价铜正离子和二价铜正离子Cu+2。当两个铜片接上直流电。当两个铜片接上直流电形成导电通路时,导线和溶液中都有电流流过,在金属片形成导电通路时,导线和溶液中都有电流流过,在金
3、属片(电极电极)和溶液界面上就会有互换电子反应,即电化学反应。和溶液界面上就会有互换电子反应,即电化学反应。溶液中离子将作定向移动,溶液中离子将作定向移动,Cu+2正离子移向阴极,在阴极正离子移向阴极,在阴极上得到电子而进行还原反应,沉积出铜。上得到电子而进行还原反应,沉积出铜。第4页第4页电化学加工技术电化学加工技术在在阳阳极极表表面面Cu原原子子失失掉掉电电子子而而成成为为Cu+2正正离离子子进进入入溶溶液液。溶溶液液中中正正、负负离离子子定定向向移移动动称称为为电电荷荷迁迁移移。在在阳阳、阴阴电电极极表表面面发发生生得得失失电电子子化化学学反反应应称称为为电电化化学学反反应应。这这种种利
4、利用用电电化化学学反反应应原原理理对对金金属属进进行行加加工工(图图1-1中中阳阳极极上上为为电电解解蚀蚀除除,阴阴极极上上为为电电镀镀沉沉积积,惯惯用用以以提提炼纯铜炼纯铜)办法即电化学加工。办法即电化学加工。第5页第5页电化学加工技术电化学加工技术2.电化学加工分类电化学加工有三种不同类型。第类是利用电化学反应过程中阳极溶解来进行加工,主要有电解加工和电化学抛光等;第类是利用电化学反应过程中阴极沉积来进行加工,主要有电镀、电铸等;第 类是利用电化学加工与其它加工方法相结合电化学复合加工工艺进行加工,当前主要有电解磨削、电化学阳极机械加工(其中还含有电火花放电作用)。电化学加工类别如表1所表
5、示。第6页第6页电化学加工技术电化学加工技术表表1 电化学加工分类电化学加工分类第7页第7页电化学加工技术电化学加工技术3.电化学加工合用范围电化学加工合用范围,因电解和电镀两大类工艺不同而不同。电解加工能够加工复杂成型模具和零件,比如汽车、拖拉机连杆等各种型腔锻模,航空、航天发动机扭曲叶片,汽轮机定子、转子扭曲叶片,齿轮、液压件内孔电解去毛刺及扩孔、抛光等。电镀、电铸能够复制复杂、精细表面。第8页第8页电化学加工技术电化学加工技术1.2 电解加工电解加工 1电解加工原理及特点电解加工原理及特点1)基本原理基本原理电解加工是利用金属在电解液中电解加工是利用金属在电解液中“电化学阳极溶解电化学阳
6、极溶解”来来将工件成型。如图将工件成型。如图2-1所表示,在工件所表示,在工件(阳极阳极)与工具与工具(阴极阴极)之之间接上直流电源,使工具阴极与工件阳极间保持较小加工间间接上直流电源,使工具阴极与工件阳极间保持较小加工间隙隙(0.10.8 mm),间隙中通过高速流动电解液。这时,工件,间隙中通过高速流动电解液。这时,工件阳极开始溶解。开始时,两极之间间隙大小不等,间隙小处阳极开始溶解。开始时,两极之间间隙大小不等,间隙小处电流密度大,阳极金属清除速度快;而间隙大处电流密度小,电流密度大,阳极金属清除速度快;而间隙大处电流密度小,清除速度慢。清除速度慢。第9页第9页电化学加工技术电化学加工技术
7、伴随工件表面金属材料不断溶解,工具阴极不断地向伴随工件表面金属材料不断溶解,工具阴极不断地向工件进给,溶解电解产物不断地被电解液冲走,工件表面工件进给,溶解电解产物不断地被电解液冲走,工件表面也就逐步被加工成靠近于工具电极形状,如此下去直至将也就逐步被加工成靠近于工具电极形状,如此下去直至将工具形状复制到工件上。工具形状复制到工件上。图图2-1 电解加工原理图电解加工原理图第10页第10页电化学加工技术电化学加工技术第11页第11页电化学加工技术电化学加工技术2)特点特点电解加工与其它加工办法相比较,它含有下列特点电解加工与其它加工办法相比较,它含有下列特点:(1)能能加加工工各各种种硬硬度度
8、和和强强度度材材料料。只只要要是是金金属属,无无论论其其硬度和强度多大,都可加工。硬度和强度多大,都可加工。(2)生生产产率率高高,约约为为电电火火花花加加工工510倍倍,在在一一些些情情况况下下,比比切切削削加加工工生生产产率率还还高高,且且加加工工生生产产率率不不直直接接受受加加工工精度和表面粗糙度限制。精度和表面粗糙度限制。(3)表表面面质质量量好好,电电解解加加工工不不产产生生残残余余应应力力和和变变质质层层,又又没没有有飞飞边边、刀刀痕痕和和毛毛刺刺。在在正正常常情情况况下下,表表面面粗粗糙糙度度Ra可达可达0.21.25 m,平均加工精度,平均加工精度0.05mm左右左右。第12页
9、第12页电化学加工技术电化学加工技术 (4)阴极工具在理论上不损耗,基本上可长期使用。阴极工具在理论上不损耗,基本上可长期使用。电电解解加加工工当当前前存存在在主主要要问问题题是是加加工工精精度度难难以以严严格格控控制制,尺尺寸寸精精度度普普通通只只能能达达到到0.150.30 mm。另另外外,电电解解液液对对设设备有腐蚀作用,电解液处理也较困难。备有腐蚀作用,电解液处理也较困难。第13页第13页电化学加工技术电化学加工技术2.电解加工设备电解加工设备电解加工基本设备包括直流电源、机床及电解液系统电解加工基本设备包括直流电源、机床及电解液系统三大部分。三大部分。1)直流电源直流电源电解加工惯用
10、直流电源为硅整流电源和晶闸管整流电电解加工惯用直流电源为硅整流电源和晶闸管整流电源,其主要特点及应用见表源,其主要特点及应用见表2。第14页第14页电化学加工技术电化学加工技术新型功率半导体器件新型功率半导体器件功率MOSFET一个电流垂直流动双扩散MOS场效应管功率集成器件,电压控制型多数载流子器件,电压控制通断,开关频率高,驱动电路损耗小,驱动电路简朴,易于并联,可实现大电流通断。IGBT:绝缘栅双极晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一个N沟道增强型场控(电压)复合器件,它属于少子器件类,兼有功率MOSFET和双极性器件长处:输入阻抗高、
11、开关速度快、安全工作区宽、饱和压减少(甚至靠近GTR饱和压降)、耐压高、电流大。其缺点是不好并联。MCT:MOS控制晶闸管MCT(MOS-Controlled Thyristor)是一个新型MOS与双极复合型器件,它采用集成电路工艺,在普通晶闸管结构中制作大量MOS器件,通过MOS器件通断来控制晶闸管导通与关断。MCT既含有晶闸管良好关断和导通特性,又具备MOS场效应管输入阻抗高、驱动功率低和开关速度快长处,克服了晶闸管速度慢、不能自关断和高压MOS场效应管导通压降大不足第15页第15页电化学加工技术电化学加工技术新型功率半导体器件新型功率半导体器件IGCT:集成门极换流晶闸管IGCT(Int
12、ergrated Gate Commutated Thyristors)是一个用于巨型电力电子成套装置中新型电力半导体器件。IGCT使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大进展,给电力电子成套装置带来了新奔腾。IGCT是将GTO芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起,再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接,结合了晶体管稳定关断能力和晶闸管低通态损耗长处,在导通阶段发挥晶闸管性能,关断阶段呈现晶体管特性。IGCT含有电流大、电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点,并且造成本低,成品率高,有较好应用前景。IEGT:电子注入增强栅晶体管IEGT(
13、Injection Enhanced Gate Transistor)是耐压达4KV以上IGBT系列电力电子器件,通过采用增强注入结构实现了低通态电压,使大容量电力电子器件取得了奔腾性发展。IEGT含有作为MOS系列电力电子器件潜在发展前景,含有低损耗、高速动作、高耐压、有源栅驱动智能化等特点。功率MOSFET一个电流垂直流动双扩散MOS场效应管功率集成器件,电压控制型多数载流子器件,电压控制通断,开关频率高,驱动电路损耗小,驱动电路简朴,易于并联,可实现大电流通断。第16页第16页电化学加工技术电化学加工技术表表2 直流电源特点及应用直流电源特点及应用第17页第17页电化学加工技术电化学加工
14、技术2)机床机床电解加工机床任务是安装夹具、工件和阴极工具,并电解加工机床任务是安装夹具、工件和阴极工具,并实现其相对运动,传送电和电解液。它与普通金属切削机实现其相对运动,传送电和电解液。它与普通金属切削机床相比,有其特殊要求:床相比,有其特殊要求:(1)有足够刚性)有足够刚性 (2)稳定进给速度)稳定进给速度 (3)防腐绝缘与好安全办法)防腐绝缘与好安全办法第18页第18页电化学加工技术电化学加工技术3)电解液系统在电解加工过程中,电解液不但作为导电介质传递电流,而且在电场作用下进行化学反应,使阳极溶解能顺利而有效地进行,这一点与电火花加工工作液作用是不同。同时电解液也担负着及时把加工间隙
15、内产生电解产物和热量带走任务,起到更新和冷却作用。电解液可分为中性盐溶液、酸性盐溶液和碱性盐溶液三大类。其中中性盐溶液腐蚀性较小,使用时较为安全,故应用最广。惯用电解液有NaCl、NaNO3、NaClO3 三种。第19页第19页电化学加工技术电化学加工技术钝化性电解液钝化性电解液常见种类有:NaNO3,NaSO4对于钝化原因至今还有不同看法,其中最主要有成相膜理论和吸附力理论。(1)成相膜理论:金属钝化是因为在表面生成了一层紧密、完整地、有一定厚度(普通为20到100埃)钝化膜。这层膜是一个独立相,将金属与溶液机械隔离开,致使金属溶解速度大大下降。(2)吸附理论:当电极电位足够正时,电极表面上
16、形成了O离子或OH离子吸附层,这层吸附层增加了金属氧化为金属离子过程活化自动焓,降低了金属阳极溶解过程互换电流密度,使电极进入钝态。第20页第20页电化学加工技术电化学加工技术影响活化钝化主要原因影响活化钝化主要原因(1)金属性质:金属性质:对于铁族金属来说,在同样条件下,镍最容易钝化,另一方面是钴,最后是铁。(2)电解液成份和电解液成份和PH值值:电解液中含有氧化剂时,如碘酸盐、锘酸盐、氯酸盐、硝酸盐等都能促使金属钝化。电解液中含有氯离子和其它卤离子时,则促使金属活化。电解液PH值队钝化、活化有很大影响。锘和铁族金属在碱性溶液中比酸性溶液中较易钝化,而钼和钨则相反。(3)工艺参数工艺参数:电
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