电火花,电化学加工

这种方法还可以用于在斜面和曲面上 打孔，且孔的尺寸精度和形状精度较高。
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• （2）电火花线切割加工
•
电火花线切割加工是利用移动的细金属丝作工具
电极，按预定的轨迹进行脉冲放电切割。
• 电火花线切割按线电极移动的速度大小可分为高速走丝
线切割和低速走丝线切割。我国普遍采用高速走丝线切 割。 （1）高速走丝时，线电极是直径为0.02一0.3的高强度钼 丝；钼丝往复运动的速度为8—10m／s。
1世纪的技术 • 难加工材料：如钛合金、耐热不锈钢、高强钢、 复合材料、工程陶瓷、金刚石、红宝石、硬化玻 璃等高硬度、高韧性、高强度、高熔点材料。 • 难加工零件：如复杂零件三维型腔、型孔、群孔 和窄缝等的加工。 • 低刚度零件：如薄壁零件、弹性元件等零件的加 工。 • 以高能量密度束流实现焊接、切割、制孔、喷涂、 表面改性、刻蚀和精细加工。
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(a) 电火花加工产品 (b) 线切割加工产品 图2-5 加工产品实例
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二、 电解加工
一、电解加工过程及特点
电解加工是利用金属在电解液中的“阳极溶解” 将 工件加工成形的。
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化学反应 电解加工时的化学反应是比较复杂的 , 它随工 件材料、 电解液成分等不同而不同。当用氯化钠水溶 液作电解液加工低碳钢工件时 , 其主要电化学反应如 下: 1) 电解液在电场作用下离解
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• (2) 电极材料的熔化、气化热膨胀(如图 b.c)。
• 液体介质被电离、击穿，形成放电通道后，通道间带负电的粒 子奔向正极，带正电的粒子奔向负极，粒子间相互撞击，产生 大量的热能，使通道瞬间达到很高的温度。 •
通道高温首先使工作液液化，进而气化，然后高温向四周扩散， 使两电极表面的金属材料开始熔化直至沸腾气化。气化后的工 作液和金属蒸气瞬间体积猛增，形成了爆炸的特性。所以在观 察电火花加工时，可以看到工件与工具电极间有冒烟现象，并 听到轻微的爆炸声。
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• 特种加工优点：
• 1)可以完成传统加工难以加工的材料
• ( 如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、耐高温材料和 工业陶瓷、磁性材料等 )
• 2)可以完成精密、微细、形状复杂零件的加工。
• 在航空航天、电子、轻工等工业部门以及电机、电器、 仪表、 透平机械、汽车和拖拉机等行业中 , 已成为不 可缺少的加工方法。
物易溶于电解液。但对人的危害和对设备的腐蚀性
大，金属离子容易沉积在阴极处，且废液难以处理。 只用在高精度小间隙、细长孔以及锗、钼、铌 等难溶金属加工。 ◆碱性电解液：对人有害，会生成难溶性阳极薄 膜，只用于加工钨、钼等金属材料。 ◆中性电解液：使用时安全，对设备腐蚀性小，
使用比较普遍。
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4.电解液的流向及流速 流向：正向流动、反向流动和横向流动。
连续移动，使新的电极丝不断地补充和替换在电蚀加工区受 到损耗的电极丝，避免了电极损耗对加工精度的影响。
• (5) 从应用角度看，电火花加工可以加工通孔、盲孔，特别适
宜加工形状复杂的塑料模具等零件的型腔以及刻文字、花纹 等；而线切割加工只能加工通孔，能方便地加工出小孔、形 状复杂的窄缝及各种形状复杂的零件。
?工具电极与工件电极之间充满着液体介质液体介质中含有杂质及自由电子它们在强大的电场作用下形成了带负电的粒子和带正电的粒子电场强度越大带电粒子就越负粒子带粒子多最终导致液体介质电离击穿形成放电通道
第五章 特种加工
特种加工：不属于传统加工工艺范畴的加工 方法。 不使用刀具、磨具等直接利用机械能切除 多余材料, 而是将电、磁、声、光等物理 能量、化学能量或其组合直接施加在被加 工的部位上 , 从而使材料被去除、变形或 改变性能等。
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3、 电火花加工的分类 • 按工艺过程中工具与工件相对运动的特点和用途 不同，电火花加工主要分为：电火花成形加工、 电火花线切割加工、电火花表面强化等。 （1）电火花成形加工 • 电火花成形加工是通过工具电极相对于工件作 进给运动，将工件电极的形状和尺寸复制在工件 上，从而加工出所需要的零件，如图所示。
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• (4) 极间介质的消电离(如图e所示)。加工液流入放电 间隙，将电蚀产物及残余的热量带走，并恢复绝缘 状态。
• 若电火花放电过程中产生的电蚀产物来不及排除和扩散，产 生的热量将不能及时传出，使该处介质局部过热，局部过热 的工作液高温分解、积炭，使加工无法继续进行，并烧坏电 极。因此，为了保证电火花加工过程的正常进行，在两次放 电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排出，恢复放 电通道的绝缘性，使工作液介质消电离。
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电极 工件 3
2 1— 工件；2— 脉冲电源； 3— 自动进给调节系统； 4— 工具；5— 工作液； 6— 过滤器；7— 工作液泵
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(b) 穿孔加工
5 6 7 电极 工件
1
(a) 电火花加工原理示意图
(c) 成型加工
电火花加工
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5 4 3 2 1
1— 绝缘底板； 2— 工件； 3— 脉冲电源； 4— 滚丝筒； 5— 电极丝
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2. 基本要求：
◆ 保证足够的蚀除速度 即电解质有较高的溶解
度和离解度
◆ 保证较高的精度和表面质量 即电解液中的金
属阳离子不应放电沉积到阴极工具上。
◆ 阳极反应的最终产物应是不溶性的化合物 。 ◆ 具有性能稳定、操作安全、价格便宜及对设
备腐蚀性小的特点。
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3. 常用的电解液：
◆酸性电解液：导电率高，蚀除速度快，电解产
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电火花加工、电火花线切割加工的特点
• 1．共同特点
• (1) 二者的加工原理相同，都是通过电火花放电产
生的热来熔解去除金属的，所以二者加工材料的难 易与材料的硬度无关，加工中不存在显著的机械切 削力。 • (2) 二者的加工机理、生产率、表面粗糙度等工艺
规律基本相似，可以加工硬质合金等一切导电材料。
（2）低速走丝时，多采用钢丝，线电极以小于0．02 m／
s的速度作单方向低速移动。
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电火花线切割的原理
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脉冲电源的一极接工件，另一极接缠绕金属丝的储 丝筒。电极丝穿过工件上预加工的工艺小孔，再经 导轮由储丝筒带动作正，反向的往复移动。工作台 在水平面两个坐标方向按各自预定的控制程序，根 据放电间隙状态作伺服进给移动，合成各种曲线轨 迹，把工件切割成形。与此同时，工作液不断喷注 在工件与钼丝之间，起绝缘、冷却和冲走屑末的作 用。
•
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2、电火花加工的特点
(1)可以加工任何高强度、高硬度、高韧性、高脆性以及 高纯度的导电材料。 (2)加工时无明显的机械力，故适用于低刚度工件和微细 结构的加工。 (3)脉冲参数可根据需要进行调节，因而可以在同一台机 床上进行粗加工、半精加工和精加工。 (4)在一般情况下生产效率低于切削加工。 (5)放电过程有部分能量消耗在工具电极上，从而导致电 极损耗，影响成形精度。
• 电解加工采用
• 低的工作电压 (6-24 V)
• 大的工作电流 ( 某些场合可高达 20000A)
• 狭小的加工间隙 (0.1-1mm)
• 高的电解液流速 (5-60m/s) 。
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电解液 1. 主要作用：
◆ 作为导电介质传递电流；
◆ 在电场作用下进行电化学反应；
◆ 及时带走加工间隙内产生的电解产物及量。
•
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• (3) 电极材料的抛出(如图d所示)。
• 正负电极间产生的电火花现象，使放电通道产生高温
高压。通道中心的压力最高，工作液和金属气化后不断 向外膨胀，形成内外瞬间压力差，高压力处的熔融金属 液体和蒸汽被排挤，抛出放电通道，大部分被抛入到工 作液中。仔细观察电火花加工，可以看到桔红色的火花 四溅，这就是被抛出的高温金属熔滴和碎屑。
气 (H2) 游离而出 。 • 在整个过程中 , 仅有工件 ( 阳极 ) 和水逐渐消耗 , 而 工具 ( 阴极 ) 和 NaCl 并不消耗。
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• 当工具阴极不断向工件进给时 , 在工件表面上 , 金属材料按阴极型面的形状不断地溶解 , 电解产 生物被高速电解液带走 , 于是在工件的相应表面 上就加工出和阴极型面近似相反的形状。
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流速：由电解液泵的出口压力决定，一般为 10m／s。电流密度大时，流速应适当调高。
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• 3、电解加工的特点
(1) 生产率高：能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的型面或 型腔 , 如锻模、叶片等。 (2) 加工范围广：可加工高硬度 及高强度和高韧性等难切削的金 属材料 , 如淬火钢、高温合金、钛合金等。 (3) 无机械切削力或切削热 ：适合于易变形或薄壁零件的加工。 (4) 加工后零件表面无剩余应力和毛刺： 表面粗糙度 Ra 值为 0.2-0.8 μ m。 (5) 工具阴极不损耗。 缺点：
• 特种加工是近几十年发展起来的新工艺 , 是对 传统加工工艺方法的重要补充与发展 , 目前仍 在继续研究开发和改进。
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特种加工种类
• • • • • 电火花加工 电化学加工 激光加工 超声波加工 等离子弧加工
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一、电火花加工
1、电火花加工的原理与特点
利用脉冲放电产生的局部瞬时（10000℃） 去除材料 , 也有称放电加工或电蚀加工的。
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脉 冲 电 源
工 具 电 极
A B
(a)
工件电极
(b)
(c)
(d)
(e)
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• (1) 极间介质的电离、击穿，形成放电通道。(图a)
• • 工具电极与工件电极缓缓靠近，极间的电场强度增大，在 两极间距离最近处电场强度最大。 工具电极与工件电极之间充满着液体介质，液体介质中 含有杂质及自由电子，它们在强大的电场作用下，形成了带 负电的粒子和带正电的粒子，电场强度越大，带电粒子就越 多，最终导致液体介质电离、击穿，形成放电通道。由于通 道截面很小，通道内因高温热膨胀形成的压力高达几万帕， 高温高压的放电通道急速扩展，产生一个强烈的冲击波向四 周传播。在放电的同时还伴随着光效应和声效应，这就形成 了肉眼所能看到的电火花。
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• 电火花成形加工主要用于加工各类热锻模，压 铸模、挤压模，塑料模和胶木模的型腔。这类 型腔多为盲孔，内形复杂，各处深浅不同，加 工较为因难。
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• 近年来，在电火花穿孔加工中发 展了高速小孔加工，解决了小孔 加工中电极截面小，易变形，孔 的深径比大，排屑困难等问题， 工具电极在回转的同时作轴向进 给运动如图。这种方式适合于 0.3—3 mm的小孔。
(a) 加工示意图
(b) 线切割加工原理示意图
图 线切割加工
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2．不同特点
• （ 1 ）从加工原理看，电火花加工是将电极形状复制到工件
上。在实际中可以加工通孔（穿孔）和盲孔(成型加工）。
• 线切割加工是利用移动的细金属导线 ( 铜丝或钼丝 ) 做电极， 对工件进行脉冲火花放电，切割成型的一种工艺方法。 • (2) 从产品形状角度看，电火花加工必须先用数控加工等方 法加工出与产品形状相似的电极；线切割加工中产品的形状
是通过工作台按给定的控制程序移动而合成的，只对工件进
行轮廓图形加工，余料仍可利用。
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• (3) 从电极角度看，电火花加工必须制作成型用的电极(一般 用铜、石墨等材料制作而成)；线切割加工用移动的细金属导 线(铜丝或钼丝)做电极。 • (4) 从电极损耗角度看，电火花加工中电极相对静止，易损 耗，故通常采用多个电极加工；而线切割加工中由于电极丝
加工稳定性不好控制；不适合单件小批量生产； 设备投资大；产生环境污染。
4、电解加工和电火花加工的比较
在应用范围上有许多相似之处 , 所不同的是电解加工的生产率 较高 , 加工精度较低 , 且机床费用较高。 电解加工适用于成批和大量生产 电火花加工主要适用于单件小批生产 。 33
5、电解加工的应用 （1）电解整体叶轮 叶片是喷气发动机、汽轮机中的关键零件，它的形状复杂，精 度要求高，生产批量大。 机械加工方法制造叶轮时，叶片毛坯是精密铸造的，经过机械加 工和抛光，再分别镶入叶轮轮缘的榫槽中，最后焊接形成整体叶轮。 电解加工整体叶轮时，只要先将整体叶轮的毛坯加工好，可用 套料法加工。每加工完一个叶片，退出阴极，分度后再依次加工下 一个叶片。 不但可大大缩短加工 周期，而且可保证叶轮 电解加工的叶片型面 的整体强度和质量。不 受材料硬度和韧性的限 制，在一次行程中可加 工出复杂的叶片型面， 比机械加工有明显的优 越性。
物 , 时间一长 , 就逐渐被电解液及空气中的氧氧化 , 而
生成黄褐色的 Fe(OH)3( 即铁锈 ) 沉淀物 ,其反应如下 : • 4Fe(OH)2+2H2O +O2→ 4Fe(OH)3↓ • 沉淀物被高速流动的电解液带走 , 达到去除工件材料的 目的。
• 电解液中的 H+ 不断从工具 ( 阴极 ) 得到电子 , 形成氢
2) 工件 ( 阳极 ) 离解并与电解液反应
3) 工具极 ( 阴极 ) 反应
2H 2e H 2

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•
工件 ( 阳极 ) 的 Fe 原子失去电子 , 以 Fe+ +的形式与
电解液中的 OH- 化合生成 Fe(OH)2 而沉淀。由于
Fe(OH)2 在水中的溶解度很 小 , 起初为墨绿色的絮状