第四章 电解加工的理论及应用

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νa ——阳极被加工表面的法向腐蚀速度,通常简称为工件加工速度 (cm/s);
ν ——工具阴极送进速度(cm/s); η ——电流效率
ω ——体积电化当量(crn3/A s)。
基于简化电场的成型规律描述——cosθ
加工间隙和电流线的瞬时变化示意图
工具阴极以v速度 向工件阳极送进, 在t时刻加工间隙 中电流线分布如图 所示。 电流线由阳极型面Sa点 自法向出发,到工具阴 极型面Sc点(法向)终止, 设电流线为l, 电流线不仅有长度,而且还具有空间方位,故采用矢量l表示。
电解加工间隙中的气液两相流动特性
电解加工过程中 大量电解液流过加工间隙 阴极析出氢气 阳极溶解而产生电解产物,有时还有氧气、氯气或二氧
化氮气体析出, 故电解加工间隙中所流过的介质是气、液、固三相流。 电解产物所占的体积比很小,可以忽略其对电解液电导 率及密度的影响,故可以将间隙中来自百度文库、液、固三相流问 题简化,近似为气、液两相流问题处理,
将阴极、阳极表面各视为不同电位的等位面。
即 阳极面上 a U
阴极面上 c 0
阳极加工面电解去除速度a i
阳极加工面电解去除速度与阴极垂直送进速度的
关系为:
a cos
边界条件
θ为阳极某处电解面的法向与阴极送进速度 的夹角;
a| 0| 0 i| 0
a0 0i0
i n
沿阳极表面各处法向的电位变化率为:
0 i0 cos n
电解加工间隙中电位分布的数学模型方程组
2 2 2 0
x2 y2 z2
阳极表面边界条件:
a
n
U 0
i0
cos
阴极表面边界条件: c 0
φ——电场中各点的电位,一般地φ = φ(x、y、z); U——阳极表面电位值; n——阳极表面各处的法向坐标;
θ——阴极送进速度与阳极表面法向之间的夹角;
3.气液两相介质的流动密度ρ
Q m Q gg Q Q 11g ( 1 )1 1 (1 g )
4.两相介质的真实密度ρCM
指流道中所研究截面上两相介质的实际密度,
C MgA gA 1A 1g(1)1
二、电解加工间隙中气液两相流动模型
(1)一维两相两成分均匀流型假设:气泡在液相中均匀分布, 液相不可压缩,而气相状态变化服从理想气体状态方程;相 间无质量转换,即不存在气液两相相互之间质量转换的情 况;沿流动方向的每一横截面上各相参数均匀分布。 (2)线性电场假设:阴、阳极表面均为等电位面,电极电位 在电极/溶液界面上的非线性突变以适当量的极化电位或近 似与分解电压等价;在电解液中,在垂直于电解液流动的方 向上,电位呈线性分布,即具有等电位梯度。 (3)平衡加工状态假设:电解加工处于平衡加工状态,各项参 数不随时间变化而只是几何位置的函数;阳极溶解速度与阴 极进给速度相等,加工间隙已达平衡间隙,不再随时间而变 化;电解液与阴、阳极间的热交换也处于热平衡状态。
泡率对电导率影响的指数,从n=1.5~2中选取,通常可取
n=1.5;Rg为氢气的气体状态常数;ηg为析氢的电流效 率;kg为析氢质量电化当量。
流场参数及加工间隙分布规律
d d p x 2 b g R gT u 1 [t 0 u 0 u p ]1 p n a T T x a T 1 0 u 0 p u 0 (1 )n u (1 n )b g R gx p
一、气液两相流的流动参数
气液两相流动参数,除每相各自的参数,例如各相流量、 流速、压力、温度等参数外,还有某些相互关联的流动参 数
1.气泡率β
2.截面含气率φ
3.气液两相介质的流动密度ρ 4.两相介质的真实密度ρCM
1.气泡率β
指单位时间内流过某一流通截面的两相流体总体积Q中气 相介质所占体积的比例,
成型规律的方程组
U R U E
i
UR
a i
在加工平衡状态:
b
UR
UR cos
b
cos
成型规律的方程组
δE——电解加工的阴、阳极电极电位值总和; UR ——间隙电解液中的电压降(V);
i——电流密度(A/cm2); к——电解液导电率1/Ωcm);
△——电解加工间隙(c cm ); θ——阴极送进速度ν与工件阳极表面法向之问的夹角; △θ——对应θ处的法向平衡加工间隙(cm); △ b——对应处的平衡加工间隙,通常又称端面平衡间隙(cm);
第二节 电解加工基本原理
⒈电解质溶液: 凡溶于水之后能导电的物质就是电解质, 电解质溶液即为电解液。 NaCl 、NaNO3、NaClO3 水是一种弱电解质,只能有很少一部分离 解成[H]+及[OH]- 水是极性分子,吸附电解质正、负离子。 水化离子
⒉电极电位
⒉电极电位
电位差 平衡电极电位:溶解、沉淀平衡 标准氢电极为基准 能斯特公式:
间隙进口处的距离; β为气泡率;p为压力;u为流速;T为
温度;τ为粘性剪切力;△为加工间隙;к为电解液的
电导率(以上参数有下标“0”则为间隙进口处参数,未加 下
标则为流程x横截面上的参数);UR为加工间隙△方向上 电解液的欧姆压降;i为加工电流密度;ρl为电解液密 度;Cl为电解液热容;ξ为电导率温度系数;n为考虑气
i E i与电场强度E的关系为
电流总是由高电位流向低电位方向的 用电流线和等位面对导电媒质中的电场进行直观的几何 描述。 电场中各点的电流线总是与通过该点的等位面正交,而 电力线正向指向电位降低的方向。
电解加工间隙中的电场分布
间隙中充满高速流动的电解液, 在电场作用下 电解液中 正离子→工具阴极
电解加工间隙中的电场特性理论
分析电解加工间隙电场中的电位、电流分 布及其对电解加工成型规律的影响
电场分为三种: 静电场 导电媒质中的电场 有电流通过的导电媒质周围介质中的
电场。
一、导电媒质中的电场
导电媒质的主要特征是媒质的电导率>0, 某媒质内有电场存在时,就有电流流动,电流场的分布 特征用电流密度i来表示。
Ra0.2μm ⑷不产生残余应力、变形、
毛刺(飞边) ⑸理论上工具电极不损耗
缺点:
⑴成型精度低
⑵杂散腐蚀严重
⑶工具电极的设计与修 正
⑷污染:
Cr6+
铬基
NaCl排放
⑸设备贵
⑹腐蚀
⒊采用电解加工的条件(三原则)
⑴难加工材料 ⑵难加工形状 ⑶有一定的批量
第二节 电解加工基本原理
⒈电解质溶液 ⒉电极电位 ⒊电极的极化 ⒋金属的钝化 ⒌电解加工时的电极反应
侧流式矩形加工间隙模型
气液两相流动的质量、动量、能量方程以 及电解加工间隙表达式
(1)u0u0
p RgT
u
ggix
d d p x p d d x1 0 u 0d d u x 2gg iu
T
T0
URi
10u0C1
x
U R i0[1(TT0)](1)n
x为电解液流程长度或简称流程,即所研究流道横截面距
Qg Qg
Q Qg Q1
Qg为流过某一流通截面的气相体积流量,Ql为液相体积流 量;Q为两相总体积流量。
2.截面含气率φ 指所研究流通截面上气相所占截面积Ag与气液两相总流 通截面积A之比,
Ag Ag Q g/ug
A AgA1 Q g/ugQ 1/u1
Q为体积流量;u为流速;注脚g为气相,注脚l为液相
⒈电解加工过程 ⒉电解加工特点 ⒊采用电解加工的条件(三原则)
第一节 电解加工过程和特点
⒈电解加工过程
1000A~10000A 10~200A∕㎝2 20000A 0.1~1㎜
15~20V
0.5~2MPa 5~50m∕s
20%NaCl 30~40℃
⒉电解加工特点
优点: ⑴加工范围广 ⑵生产率高 ⑶ 表 面 粗 糙 度 小 Ra0.8μm ,
负离子→工件阳极 工件阳极→工具阴极的正向电流 →构成了电流场。 电解加工过程进入平衡加工状态 电场参数均不随时间变化,只是位置的函数, 间隙电场属于稳恒电流场,而且是无源的稳恒电流场; 电位分布符合拉普拉斯方程
2 0
2
x2
2
y2
2
z2
0
边界条件
边界条件:
将电极与电解液接触界面上的电位分布(大部分 为极化电位)归结为阴、阳极极化电位总和 (通常 又简化为一常量即分解电压);
基于电场分布的电解加工成型规律的研究
根据所要电解加工的零件图而设计工具阴极; 根据工具阴极的几何形状预测被加工工件阳极的形状 成型规律,即加工间隙的时、空分布受多种因素的影响 简化电场、近似处理的成型规律
一、简化电场、近似处理的成型规律的研究
(1)沿电流线方向,电位梯度不变;换言之,在同一电流 线上,有相同的电场强度。
d△/dt =νa(t, Sa) – ν d △ =[νa(t, Sa) – ν ] dt
揭示了由于工具阴极相对工件阳极的送进速度不同,则 引起电场分布,或者说加工间隙分布随时间、空间的变
化而变化 ; 如果νa(t, Sa) = ν ,则显见,进入加工平衡状态,电场 分布、间隙分布均进入稳恒状态,不再随时间而变化 。
η——电流效率,一般地η = η(i);
η0——θ=0处的η ;
i——电流密度,一般认为,间隙中沿阳极表面同一法线
上各点的i相同,故可写作i= i(θ) i 0——θ=0处阳极表面法向上的电流密度;
к——电解液的导电率,一般地,受电解液浓度、温度和
电解液中含气率的影响, к = к(θ)
电解加工间隙中的电场分布
(2)从阳极等位面(φa=U)开始,到阴极等位面(φc=0)止,电 位逐渐减小,等位面与电流线正交,电流线由阳极指 向阴极。
(3)取电流效率为常数(对NaCl电解液在任何电流密度条件 下可取为常数;对NaNO3电解液在高于一定的电流密 度条件下可近似为常数);在同一电流线上取电解液导 电率相同。
简化电场、近似处理的成型规律的研究
令阳极Sa点处的l (t, Sa)=0, 则阴极型面Sc点处l (t, Sc)= l; 设Sa点处电解 速度有ν(t, Sa) 且沿型面法向指向型面内。
电流线在t时刻变化的微分方程
d l/dt = νa(t, Sa) – ν d l =[νa(t, Sa) – ν ] dt
取电流线l作为加工间隙,则有:
在同一电流线上,电流密度相同; 约定加工处于平衡状态,且电解加工间隙很小(0.1~ 1mm), 在工件被加工表面法向与工具阴极表面法向间夹角不大 的情况下,近似认为电流线同时垂直工件及阴极表面, 取电力线的直线长度替代实际呈弧线形状的电力线。 求解电解加工之间隙长度问题就转化为求解相应处电力 线长度的问题,可采用欧姆定律建立起近似(即直线)电流 线长度与加工电压的关系; 基于法拉第电解定律导出阳极表面电解速度的大小以及 最终阴、阳极型面相互之间的几何关系。
微分方程在νa方向上投影的标量形式
取上述矢量在方向、即阳极型面法向上的投影
dl/dt a(t,Sa)cos dl [a(t,Sa)cos]dt
dd /d[ta(t,aS(ta,)Sa)cosco]sdt
上列方程表明,在不同θ处,电流线、加工间隙的变化
率不同。 模拟加工过程能否收敛到平衡加工状态的问题,有限元 法在网格划分和边界条件处理
三、基于实际电场分布的阴极设计方法
电位分布方程组
2 2
0 x2 y2
阳极边界上: a 1 U
i0 cos n
泛函为极小
I()1 2 x 2 y 2 dxdy2 i0cosds
电解加工间隙中的流场特性
流场影响电场,电场也影响流场,流场电场的分 布又都直接影响电化学溶解速度场,并由此影响 电解加工间隙的分布。 研究电解加工间隙中的流场特性,是研究电解加 工成型规律的基础。 电解加工间隙中的气液两相流动特点
1/(1n)111 nn •1(1p )u2
流场参数及加工间隙分布规律
T T0 aTx
bgRgTx
bgRgTx0u0 p
0 1 (T T 0 )(1 )n
u 0u0
(1 )
aT
URi
10u0C1
bg ggi
0
U R0
i
流场参数及加工间隙沿流程的分布
第一节 电解加工过程和特点
第四章 电解加工的理论及应用
电化学加工:
阳极溶解: 电解加工、电解磨削、 电化学抛光、电解珩磨、 电解研磨
阴极沉积: 电铸、电镀、电刷镀(涂镀)
电解加工: 是利用电化学的阳极溶解来将工件加工成形的。
电解加工的理论基础
电解加工诸要素及相互关系
电解加工的理论基础
电解加工间隙中的电化学阳极溶解理论 电解加工间隙中的电场理论 电解加工间隙中的流场理论
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