1、特种加工技术论文专业:机械设计制造及其自动化班级：09 级 5班姓名： 学号：200901163电化学加工论文摘要：本文主要论述了利用电化学进行加工的各种方法。电化学加工是通过化学反应去除工件材料或在其上镀覆金属材料等的特种加工。近几十年来，借助高新科学技术，在精密电铸、复合电解加工、电化学微细加工等领域发展较快。目前电化学加工已成为一种不可缺少的微细加工方法。关键词:电化学加工、加工设备、微细加工 、去毛刺 1.电化学加工的概述我 国 在 20 世 纪 50 年 代 就 开 始 应 用 电 解 加 工 方 法 对 炮 膛 进 行 加 工 ， 现 已广 泛 应 用 于 航 空 发 动 机 的
2、叶 片 、 筒 形 零 件 、 花 键 孔 、 内 齿 轮 、 模 具 、 阀 片 等异 形 零 件 的 加 工 。 近 年 来 出 现 的 重 复 加 工 精 度 较 高 的 一 些 电 解 液 以 及 混 气 电解 加 工 工 艺 ,大 大 提 高 了 电 解 加 工 的 成 型 精 度 ,简 化 了 工 具 阴 极 的 设 计 ， 促进 了 电 解 加 工 工 艺 的 进 一 步 发 展 。 利 用 电 化 学 反 应 对 金 属 材 料 进 行 加 工 的 方法 与 机 械 加 工 相 比 ， 电 化 学 加 工 不 受 材 料 硬 度 、 韧 性 的 限 制 ， 已 广 泛 用 于
3、工业 生 产 中 。 常 用 的 电 化 学 加 工 有 电 解 加 工 、 电 磨 削 、 电 化 学 抛 光 、 电 镀 、 电刻 蚀 和 电 解 冶 炼 等 。 电 化 学 加 工 的 基 本 原 理 是 用两片金属作为电电极，通电并浸入电解溶液中，形成通路，导线和溶液中均有电流通过。但是金属导线和电解溶液是两类性质不同的导体，前者是靠自由电子在外电场大的作用下沿一定方向移动导电的；后者是靠溶液中正、负离子移动而导电的，是离子导体。当上述两类导体形成通路时，在金属片和溶液的界面上产生交换电子的反应，电化学反应。2.电化学加工的特点电化学反应具有很高的反应速度，反应速率远远高于其他的制造工
4、艺,其电流密度达到 10500 安/厘米，两电极的距离很小，约为 0.11 毫米，且阴极对阳极被加工工件作相对运动。电解液在电极间隙高速通过,具有高液压、高流速，带走反应中产生的大量金属溶解产物和气体以及热量，其流体动力学状态极为复杂。电解加工工艺与一般的机制工艺相比较，具有以下特点： 能同时进行三维的加工，一次加工出形状复杂的型面、型腔、异形孔；由于加工中工件与刀具（阴极）不接触,不会产生切削力和切削热,不生成毛刺；与材料的机械性能(如硬度、韧性、强度)无关，因此可加工一般机制工艺难以加工的高硬度、高韧性、高强度材料，如硬质合金、淬火钢、耐热合金、钛合金，但与材料的电化学性质、化学性质、金相
5、组织密切有关。3.电化学加工设备简史：1958 年美国阿诺卡特公司首先研制出世界第一台电解加工机床，用于叶片加工。此后，日本和西方各国相继研究和生产了多种电解加工机床，使这一工艺得到日益广泛的应用。我国电解加工工艺始于 60年代初，首先用于航空工业中加工叶片，兵器工业加工大炮膛线，后来推广到其他民用工业，如汽车、拖拉机制造业加工锻模，汽轮机制造业加工整体叶轮，还用于花键、异形孔的加工。工件和阴极分别接在直流电源的正负极，电解液由液泵经管路高速通过工件和阴极之间狭小的间隙。通电后工件发生电化学阳极溶解，当阳极均匀进给时，工件就可按照阴极的形状不断溶解，形成和阴极相反的型面和型腔。由此可见，电解加
6、工的工艺设备包括三部分：电解加工机床、直流电源、电解液系统。对于电解加工机床的基本要求是进给速度均匀稳定、足够的刚性和必要的抗蚀性、排气措施。对于直流电源的要求是：高的稳压精度和迅速、可靠的短路保护装置。这是因为电解加工时电流很大，电极间隙小，为了保证加工精度和避免烧损短路，应该重视上述两项指标。对于电解液系统则要求供液稳定，并具有处理电解产物的能力。 4.电化学加工技术（1）微细电化学加工技术微细加工在许多工业领域中有着重要而广阔的应用前景，是当今最为活跃的研究领域之一。微细加工技术源于半导体集成电路制造工艺，但发展至今其内涵已经大大拓宽，不局限于IC工艺中的硅片刻蚀技术，LIGA、LIGA
7、LIKE、微细电加工、微细束流加工及微细切削等多种加工技术已经成为微细加工技术中的重要组成部分。研究人员从微细电铸和微细电解加工两个方面研究了微细电化学加工技术。首先是微细电铸。电铸是LIGA技术中一个重要的不可替代的组成部分专家采取与LIGA技术类似的过程，进行了微小零件制造的研究。主要工艺步骤包括采用不锈钢片作为基底材料，在其上均匀涂覆感光胶，然后进行曝光和蚀刻等步骤，在金属基底上形成带有特定图案的感光胶层，将带有图案胶层的金属模版放人电铸槽内进行电沉积，金属离子在模版上衬底材料裸露处沉积，直至将其填满，然后将金属沉积物和感光胶层分离，得到的金属结构就是所需的微细零件。采用该方法制备的微型
8、铜齿轮，在微细电铸过程中同时采用了高频脉冲电流和高速冲液的方法，使电沉积在电化学极化度较高的情况下进行，从而细化了晶粒，获得了致密的金属沉积层。另外，还试验了压力正负交变等措施，利用较强的压力扰动，及时排除阴极上的吸附气泡，消除了阴极吸附气泡造成的针孑L和麻点等问题。采取了低应力工作液，并对过程参数进行优化，控制了沉积应力，避免了变形。在微细电解加工方面。在脉冲电解加工的基础上，采取工具往复运动方式。在加工周期中，先施加一个对刀电压，工具电极进给至工件阳极，进行零位对刀；然后工具电极回退，使间隙至所需要的数值，施加相对较高的加工电压进行加工，加工后切断加工电压，工具电极回退到较大间隙，进行充分
9、的电解液冲刷以排出加工产物，同时采用超短脉宽脉冲电流，以提高加工的定域性，利于微细加工，并将超短脉冲电流、低浓度电解液及加工间隙的实时检测和调整等技术结合，实现微米级精度的加工。（2）电化学去毛刺电化学去毛刺是一种先进的去毛刺技术，是电化学加工技术中发展较快、应用较广的一项新工艺。作为电化学加工一种特殊的应用形式，它对加工工件无机械作用力，容易实现自动化或半自动化，适合去除高硬度、高韧性金属零件的毛刺，可以在工件的特定部位进行限定加工。对于手工难以处理、可达性差的复杂内腔部位，尤其是交叉孔相贯线的毛刺，利用电化学去毛刺有着明显的优势。电化学去毛刺对加工棱边可取得较高的边缘均一性和良好的表面质量
10、，具有去除毛刺效果好、安全可靠、高效等优点，一般情况和传统工艺相比，效率可提高10倍以上。所以为了获得高质量的齿轮，应用电化学光整加工工艺对齿轮齿面进行光整加工去除毛刺的基础研究,对于提高我国机械制造业在国际上的竞争力,促进我国经济的发展,有着重要的意义。零件与直流电源的正极相连,称为阳极,而由黄铜制作的管状工具与电源负极相连,称为阴极,其外表面涂绝缘层, 两极之间保持一定的间隙让循环的电解液从间隙中通过。 当阳极和阴极浸入溶液并通入直流电后,在直流电场作用下,随着阳极的溶解,在工件表面上形成一层电阻较大而电导率较小的粘性液膜,亦称钝化膜, 覆盖在工件表面的低凹处,使该处的工件表面不受或少受电
11、化学溶解腐蚀,而锐边毛刺部位由于突出在工件表面,受电场、温度场及流场作用的影响,加速了离子的扩散与迁移过程,此处难以形成钝化膜,且突出的毛刺部位的电流密度很大,毛刺很快被溶解,迅速形成圆角, 调整加工时间可控制圆角 R 小于四分之一。 研究人员将脉冲电化学光整加工技术应用于齿轮齿面的光整加工中，来改善齿轮表面质量，提高其使用性能及寿命指标。从脉冲电化学光整加工机理出发，研究和探讨了加工间隙、电流密度、电解液成份、脉冲参数(脉冲频率、脉冲宽度及占空比等)等工艺参数对脉冲电化学光整加工过程所产生的影响，得到了相关参数对零件加工精度及表面质量的影响规律，研究齿轮的脉冲电化学光整加工技术。结合脉冲电化
12、学光整加工工艺特性及齿轮生产中的特点，设计了多种齿轮脉冲电化学光整加工方案，并选择齿轮式阴极展成法作为最终试验方案。建立了齿轮式阴极展成法齿轮脉冲电化学光整加工间隙变化规律模型，实验研究了齿轮脉冲电化学光整加工过程。研究和应用脉冲电化学齿轮光整加工技术，必须有高频、窄脉冲、大功率脉冲电源作为保证条件。研究人员还根据现代电力电子技术发展状况，研制出了一种基于新型高频开关器件(IGBT)的高频大功率脉冲电源。电源的频率最高可达 20KHz，电源的频率与占空比分别独立可调，具有数字控制与调节功能，电源的结构简单、性能稳定可靠，符合研究脉冲电化学齿轮光整加工技术应用条件。研究齿轮脉冲电化学光整加工过程
13、中电极间相对滑动速度的变化规律。在此基础上，提出了变角速度控制齿轮脉冲电化学光整加工技术方案，设计了基于单片机控制的齿轮脉冲电化学光整加工系统，为进一步提高齿轮加工精度及解决有关修形问题创造了条件。（3）其他电化学加工技术电 解 抛 光 是 以 被 抛 工 件 为 阳 极 ， 不 溶 性 金 属 为 阴 极 ， 两 极 同 时 浸 入 到 电解 槽 中 ， 通 以 直 流 电 而 产 生 有 选 择 性 的 阳 极 溶 解 ， 从 而 达 到 工 件 表 面 光 亮 度增 大 的 效 果 。 电 解 抛 光 比 机 械 抛 光 效 率 高 ， 精 度 高 ， 且 不 受 材 料 的 硬 度 和
14、 韧性 的 影 响 ， 有 逐 渐 取 代 机 械 抛 光 的 趋 势 。 电 解 抛 光 的 基 本 原 理 与 电 解 加 工 相同 ， 但 电 解 抛 光 的 阴 极 是 固 定 的 ,极 间 距 离 大 ,去 除 金 属 量 少 。 电 解 抛 光 时 ，要 控 制 适 当 的 电 流 密 度 ， 电 流 密 度 过 小 时 金 属 表 面 会 产 生 腐 蚀 现 象 ， 且 生 产效 率 低 ； 当 电 流 密 度 过 大 时 ， 会 发 生 氢 氧 根 离 子 或 含 氧 的 阴 离 子 的 放 电 现 象 ，且 有 气 态 氧 析 出 ， 从 而 降 低 了 电 流 效 率 。电
15、 镀 是 用 电 解 的 方 法 将 金 属 沉 积 于 导 体 (如 金 属 )或 非 导 体 (如 塑 料 、 陶瓷 、 玻 璃 钢 等 )表 面 ， 从 而 提 高 其 耐 磨 性 ,增 加 其 导 电 性 ,并 使 其 具 有 防 腐 蚀和 装 饰 功 能 。 对 于 非 导 体 制 品 的 表 面 ， 需 经 过 适 当 地 处 理 ， 使 其 形 成 导 电 层后 ,才 能 进 行 电 镀 。 电 镀 时 ,将 被 镀 的 制 品 接 在 阴 极 上 ， 要 镀 的 金 属 接 在 阳 极上 。 电 解 液 是 用 含 有 与 阳 极 金 属 相 同 离 子 的 溶 液 。 通 电
16、 后 ， 阳 极 逐 渐 溶 解 成金 属 正 离 子 ， 溶 液 中 有 相 等 数 目 的 金 属 离 子 在 阴 极 上 获 得 电 子 随 即 在 被 镀制 品 的 表 面 上 析 出 ， 形 成 金 属 镀 层 。 例 如 在 铜 板 上 镀 镍 ， 以 含 硫 酸 镍 的 水 溶液 作 电 镀 液 。 通 电 后 ， 阳 极 上 的 镍 逐 渐 溶 解 成 正 离 子 ， 而 在 阴 极 的 铜 板 表 面上 不 断 有 镍 析 出 。 电 刻 蚀 又 称 电 解 刻 蚀 。 应 用 电 化 学 阳 极 溶 解 的 原 理 在 金 属 表 面 蚀 刻 出 所需 的 图 形 或 文
17、字 ， 其 基 本 加 工 原 理 与 电 解 加 工 相 同 。 由 于 电 刻 蚀 所 去 除 的 金属 量 较 少 ， 因 而 无 需 用 高 速 流 动 的 电 解 液 来 冲 走 由 工 件 上 溶 解 出 的 产 物 ，加 工 时 ,阴 极 固 定 不 动 。5.总 结近阶段,电解加工的研究重点及应用领域主要会集中在以下几个方向:(1) 电化学微精加工的深入研究电化学加工技术具有加工机理的独特优势以及在微精甚至在纳米加工领域进一步研究探索的空间,但还必须在自身工艺规律认识和完善的基础上不断创新。具体应关注: 进一步完善硬件系统,如微进给系统及微控工作台的性能及可靠性的提升，加工过程
18、自动检测与适应控制研发的深化。微精加工机理的研究，尤其是中、高频率脉冲电流条件下,微精加工电化学反应系统动力学等方面的深入研究。(2) 脉冲电源的深化研发微秒级脉冲电源的工程化完善以及在工业领域的大力推广应用。纳秒级脉冲电源、群脉冲电源、逆变式脉冲电源的性能完善。(3) 理论成果向实际应用的转化。诸如加工间隙的检测与控制、阴极数字化设计、电解加工过程的模拟与仿真等均是电化学加工的关键技术,不能仅仅在各种基金支持下获得理论成果即束之高阁,而应尽快由实验室向工业生产现场转移。参 考 文 献 ：1.曾繁章，郭钟宁，刘江文。微细电化学加工技术机电工程技术2.朱 荻，王明环，明平美，张朝阳。微细电化学加工技术纳米技术与精密工程3.朱保国，王振龙。微细轴的电加工技术电加工与模具4.李小海，王振龙，赵万生。微细电化学加工研究新进展电加工与模具5.陈远龙，杨涛，万胜美，王天霁。电化学加工技术的概况与展望电加工与模具6.王丹等。基于 CPLD的纳秒级微细电化学加工脉冲的研究电加工与模具
