23电解加工和电解磨削及超声波加工解析课件.ppt
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1、2.3电解加工和电解磨削电解加工和电解磨削2.3.1 电解加工的基本原理与规律电解加工的基本原理与规律2.3.2 电解加工的特点及应用电解加工的特点及应用2.3.3 电解磨削的基本原理电解磨削的基本原理2.3.4 电解磨削的特点及应用电解磨削的特点及应用2.3.1 电解加工电解加工的基本原理与规律的基本原理与规律 1、基本原理电解加工是利用金属在电解液中的“电化学阳极溶解”来将工件成型的。12345VA1直流电源;2工具电极;3工件阳极;4电解液泵;5电解液 电解加工原理图 在工件(阳极)与工具(阴极)之间接上直流电源,使工具与工件间保持较小的加工间隙,间隙中通过高速流动的电解液。开始时,两极
2、之间的间隙大小不等,间隙小处电流密度大,阳极金属去除速度快;而间隙大处电流密度小,去除速度慢。随着工件表面金属材料的不断溶解,工具阴极不断地向工件进给,溶解的电解产物不断地被电解液冲走,工件表面逐渐被加工成接近于工具电极的形状,直至将工具的形状复制到工件上。电解质:电解质:溶于水后能导电的物质溶于水后能导电的物质电解质溶液:电解质溶液:电解质电解质+水,简称电解液水,简称电解液电解质电离:电解质电离:如,如,离子型晶体离子型晶体NaClNaClNaCl NaNaCl Na+Cl+Cl-强电解质:强电解质:在水中在水中100%100%电离电离强酸、强碱、大多数盐类强酸、强碱、大多数盐类弱电解质:
3、弱电解质:仅有一部分电离仅有一部分电离氨氨(NH(NH3 3)、醋酸、醋酸(CH(CH3 3COOH)COOH)2 电解液 中性:中性:NaCl,NaNO3,NaClNO3酸性:酸性:HCl,HNO3,H2SO4碱性:碱性:NaOH,KOH2 电解液3 电解液及其特性1)电解液的作用电解液的作用作为导电介质,传递电流作为导电介质,传递电流产生电化学反应产生电化学反应排屑、散热排屑、散热2)对电解液的要求对电解液的要求有有高的导电率高的导电率低粘度和高的导热性来低粘度和高的导热性来保证加工精度和表面质量保证加工精度和表面质量好的化学好的化学性能性能并能阻止工件表面上形成并能阻止工件表面上形成钝化
4、膜钝化膜无无腐蚀性腐蚀性或腐蚀性或腐蚀性小小,无毒,无毒最终产物为不溶性物质,便于排屑最终产物为不溶性物质,便于排屑较好的经济性较好的经济性金属的钝化和活化金属的钝化和活化 阳极钝化:在电解加工中,使金属阳极溶解过程的超电位升高和电解速度减慢的现象。金属钝化的原因,主要有成相理论和吸附理论两种。成相理论认为,金属与溶液作用后在金属表面上形成了一层紧密的极薄的膜,通常是由氧化物、氢氧化物或盐组成,从而使金属表面失去了原来具有的活泼性质,使溶解过程减慢。吸附理论认为,金属的钝化是由于金属表面形成了氧的吸附层引起的。金属的活化:使金属钝化膜破坏的过程称为活化。引起活化的因素很多,例如:把溶液加热,通
5、入还原性气体或加入某些活性离子等等,也可以采用机械办法破坏钝化膜,电解磨削就是利用了这一原理。例:例:NaCl电解液电解液特点:特点:易溶解、电离度高易溶解、电离度高导电性好导电性好含有活化含有活化Cl-离子离子钝化膜小钝化膜小适应面广、价廉适应面广、价廉杂散腐蚀杂散腐蚀严重,复制精度差严重,复制精度差11 电解加工中常用的电解液有NaCl、NaNO3和NaClO3三种溶液。下面仅介绍用10%20%的氯化钠水溶液作电解液加工低碳钢时的主要化学反应:水溶液 H2 O H+OH-工件阳极反应 Fe 2e Fe+Fe+2OH-Fe(OH)24Fe(OH)2+2H2O+O2 4Fe(OH)3(黄褐色沉
6、淀)(黄褐色沉淀)(墨绿色的絮状物(墨绿色的絮状物)12 工具阴极反应 2H+2e H2 从以Fe+上反应可以看出,在电解加工过程中,由于外电源的作用,阳极铁不断失去电子,以Fe+的形式与水溶液中的负离子化合生成Fe(OH)2而沉淀;阴极不断得到电子,与水溶液中的H+结合而游离出氢气。在电解过程中,工件阳极和水不断消耗,而工具阴极和氯化钠并不消耗。按照电极反应的基本原理,按照电极反应的基本原理,电极电位最正的离子将首先电极电位最正的离子将首先在阴极反应。在阴极反应。因此,在阴极上只会析出氢气,而不可能沉因此,在阴极上只会析出氢气,而不可能沉淀出钠。淀出钠。4、影响电解加工生产率的因素 电解加工
7、的生产率,以单位时间内去除的金属量来衡量,用mm3/min或g/min表示。(1)电流密度对生产率的影响)电流密度对生产率的影响 影响电解加工生产率的因素很多,归纳起来主要有两影响电解加工生产率的因素很多,归纳起来主要有两个方面,即个方面,即电量电量和和加工间隙加工间隙。法拉第电解规律:法拉第电解规律:电解时电极上溶解或析出物质的量(质量或是体积)与电解电流大小电解时电极上溶解或析出物质的量(质量或是体积)与电解电流大小和电解时间成正比,亦与电量成正比。和电解时间成正比,亦与电量成正比。蚀除速度:蚀除速度与电流密度成正比,电流速度越高,生产率也越高。平均电流速度为10100A/cm2。当电解液
8、流速较高时,可以选用较高的电流密度。电流密度越高,生产率越高,但在增加电流密度的电流密度越高,生产率越高,但在增加电流密度的同时,电压也随着增高,因此应以不击穿加工间隙、同时,电压也随着增高,因此应以不击穿加工间隙、引起火花放电、造成局部短路为度。引起火花放电、造成局部短路为度。实际的电流强度取决与电源电压、电极间隙、及电解液的导电率。(2)加工间隙对生产率的影响)加工间隙对生产率的影响 一般来说,加工间隙越小,电解液的电阻越小,电流密度越大,蚀除一般来说,加工间隙越小,电解液的电阻越小,电流密度越大,蚀除速度也就越高。速度也就越高。蚀除速度蚀除速度Va与电极间隙与电极间隙成反比:成反比:Va
9、=C/。其中其中C称之为双曲线常称之为双曲线常数。数。平衡间隙平衡间隙:端面平衡间隙端面平衡间隙b指指在电解加工中,加电解加工中,加工 过 程 达 到 稳 定工 过 程 达 到 稳 定时,两极之间的间时,两极之间的间隙。隙。但间隙太小会引起火花放电或间隙通道内电解液流动但间隙太小会引起火花放电或间隙通道内电解液流动受阻、蚀除物排除不畅,以至产生局部短路,反而使受阻、蚀除物排除不畅,以至产生局部短路,反而使生产率下降,因此间隙较小时应加大电解液的流速和生产率下降,因此间隙较小时应加大电解液的流速和压力。压力。1、优点电解加工与其他加工方法相比较,它具有下列特点:1)加工范围广,能加工各种硬度和强
10、度的材料。只要是金属,不管其硬度和强度多大,都可加工。2)生产率高,约为电火花加工的510倍,在某些情况下,比切削加工的生产率还高,且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。3)表面质量好,电解加工无切削力和切削热,不产生残余应力和热变形,又没有飞边、刀痕和毛刺。在正常情况下,表面粗糙度Ra可达0.21.25 m。4)阴极工具在理论上不损耗,基本上可长期使用。5)不需要复杂的成型运动就可以加工复杂的空间曲面,且不会像传统机械加工那样,留下条纹痕迹。2.3.2 电解加工电解加工的特点及应用的特点及应用 2、主要缺点和局限性、主要缺点和局限性 1)不能加工非导电材料,较难加工窄缝、小孔及尖角
11、。2)复杂加工表面的电极工具的设计和修正比较麻烦,不利于单件小批量生产。3)电解加工的附局设备较多,占地面积较大,机床要有足够的刚性和防腐性能,造价高。4)电解产物需进行妥善处理,否则将污染环境。3、电解加工的选用原则、电解加工的选用原则 适用于难加工材料的加工;适用于相对复杂形状零件的加工;适用于批量大的零件加工。一般认为,三原则均满足时,相对而言选择电解加工比较合理。4、电解加工的三个条件 (1)工具与工件之间接上直流电源;(2)工具与工件之间保持较小的间隙;(3)工具与工件之间注入高速流动的电解液。5、电解加工的应用22 目前电化学加工主要用于:(1)复杂三维曲面的端面和外圆加工;(2)
12、刻模,特别是深窄的槽和孔;(3)靠模加工和特殊形状仿形;(4)多孔加工;(5)拉孔;(6)去毛刺;(7)磨削;(8)珩磨;(9)切断。4.3 电解磨削电解磨削 1、加工原理及特点 (1)加工原理 电解磨削是电解加工的一种特殊形式,是靠金属的溶解(占95%98%)和机械磨削(占2%5%)的综合作用来实现加工的。电流从工件3通过电解液5而流向磨轮,形成通路,于是工件(阳极)表面的金属在电流和电解液的作用下发生电解作用(电化学腐蚀),被氧化成为一层极薄的氧化物或氢氧化物薄膜4,一般称它为阳极薄膜。但刚形成的阳极薄膜迅速被导电砂轮中的磨料刮除,在阳极工件上又露出新的金属表面并被继续电解。这样,由电解作
13、用和刮除薄膜的磨削作用交替进行,使工件连续地被加工,直至达到一定的尺寸精度和表面粗糙度。(2)电解磨削与普通电解的比较 p相同点阳极溶解机理相同。p不同点阳极钝化膜的去除原理不同。电解磨削中,阳极钝化膜的去除是靠磨轮的机械加工去除的,电解液腐蚀力较弱;一般电解加工中的阳极钝化膜的去除,是靠高电流密度去破坏(不断溶解)或靠活性离子(如氯离子)进行活化,再由高速流动的电解液冲刷带走的。加工范围广,加工效率高。加工精度和表面质量高。砂轮的磨损量小。但电解磨削的机床、夹具等需采取防蚀防锈措施,还需增加吸气、排气装置;而且需要直流电源、电解液过滤、循环装置等附属设备;此外,加工刀具刃口不易磨得非常锋利。
14、(3)与机械磨削的比较(4)电解磨削特点1)磨削力小,生产率高。这是由于电解磨削具有电解加工和机械磨削加工的优点。2)加工精度高,表面加工质量好。因为电解磨削加工中,一方面工件尺寸或形状是靠磨轮刮除钝化膜得到的,故能获得比电解加工好的加工精度;另一方面,材料的去除主要靠电解加工,加工中产生的磨削力较小,不会产生磨削毛刺、裂纹等现象,故加工工件的表面质量好。3)设备投资较高。其原因是电解磨削机床需加电解液过滤装置、抽风装置、防腐处理设备等。电解磨削广泛应用于平面磨削、成型磨削和内外圆磨削。下图(a)、(b)分别为立式平面磨削、卧式平面磨削的示意图。图(c)为电解成型磨削示意图,其磨削原理是将导电
15、磨轮的外圆圆周按需要的形状进行预先成型,然后进行电解磨削。(a)(b)(c)电解磨削示意图(a)(b)213451绝缘层;2磨轮;3喷嘴;4工件;5加工电源2、电解磨削的应用附加内容:附加内容:电铸加工电铸加工 1、电铸加工原理及特点 (1)成型原理)成型原理 与电镀原理相似,电铸成型是利用电化学过程中的阴极沉积现象来进行成型加工的,即在原模上通过电化学方法沉积金属,然后分离以制造或复制金属制品。但电铸与电镀又有不同之处,电镀时要求得到与基体结合牢固的金属镀层,以达到防护、装饰等目的。而电铸则要电铸层与原模分离,其厚度也远大于电镀层。电铸原理如图4-49所示,在直流电源的作用下,金属盐溶液中的
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