模具设计与数控加工模具制造工艺6

1、第5章 其他特种加工,5.1 电化学加工,电化学加工（Electrochemical Machining/ECM） 基本理论形成于19世纪末，工业规模应用在20世纪3050年代以后 1958年，第一台电解机床在美国Anocut公司面世；1962年，日本Japax公司也生产出电解机床；1960年代（又说1958），中国在火炮膛线、航空叶片等加工中有应用 两大类： （1）去除：从工件上去除金属的电解加工； （2）沉积：向工件上沉积金属的电镀、涂覆加工,5.1.1 电化学加工的基本原理,1. 电化学腐蚀 铝锅盛放盐、醋、酱油等食品会被腐蚀穿孔，钢铁等在潮湿的地方会生锈，这种现象就是电化学腐蚀，而纯铝、铁并不发生这种明显腐蚀 当金属中含有其他合金元素或杂质，与能导电的电解液接触后形成了原电池（微电池），并局部放电，产生了电化学腐蚀的结果。 电化学阳极溶解（图）,多年来，人们一直在努力防止或减少这种有害的电化学腐蚀现象。当人们掌握了其规律之后，可以因势利导，变有害为有利。 第一类导体：金属，靠自由电子在外电场作用下按一定方向移动，称为电子导体； 第二类导体：电解液，靠溶液中的正、负离子移动，离子

2、导体。 二者之间交换电子，就是电化学反应。,2. 电解质溶液,酸、碱、盐溶液 百分数表示浓度 克分子浓度 pH值 温度，导电能力；浓度（不能过高），导电能力 电解液的离解反应（均可逆） H2O = H+OH NaCl = Na+Cl,3. 电极电位 金属和它的盐溶液之间的电位差称为金属的电极电位。 活泼金属 不活泼金属,4. 电极反应,通电后阳极的主要反应： Fe2eFe+ Fe+2OHFe(OH)2 （氢氧化亚铁，墨绿色絮状物） 4Fe(OH)2+2H2O+O24Fe(OH)3 （氢氧化铁，黄褐色） 阴极的主要反应： 2H+2eH2 电解液中的水不断被消耗。,5. 极化与钝化,1）电极的极化 通电 浓差极化：离子扩散、迁移步骤缓慢 电化学极化：电化学反应缓慢 2）金属的钝化 氧化物、氢氧化物、盐 成相理论 吸附理论 活化措施：加热、通反原性气体、活性离子，机械作用,5.1.2 电解加工,5.1.2.1 电解加工的基本原理与特点 1. 基本原理,2. 电解加工的特点,优点 加工范围广，与被加工材料的机械性能无关 可加工硬、强、韧材料 可拷贝大而复杂的形状，能同时进行三维加工，类似于电火

3、花加工，但无热作用，可加工易变形件、薄件、韧性大的工件 生产效率高 为电火花加工的510倍（制造需要量较大的模具） 粗糙度小（0.1250.2），无残余应力，无飞边、毛刺 工具不损耗,局限性 1）加工稳定性不易控制，受十余项因素影响，电极设计制造比较费事，需多次试验修正 2）加工精度有限 一般为0.050.2，难于加工很细的窄槽、小孔、棱角 3）设备投资大 设备刚性要求高，附属设备多，必须重视防腐 4）污染环境 加工产物难于处理，限制使用,（要求电极材料电阻小；导热性好；熔点高；一定刚性耐液压；耐腐蚀；可加工。常用铜、黄铜、不锈钢）,可用于加工膛线、花键孔、内齿轮、链轮、叶片、异型零件，模具型孔、型腔、复杂型面、深小孔、套料（？），倒棱去毛刺、抛光、刻印等,电解加工与其它工业电化学过程比较有3个特点：,1）电极反应速度高，电流密度可达？500800A/cm2，远远高于一般工业电化学过程，为其数十倍至数百倍； 2）电极间距离甚小，一般为0.11.0mm；需及时进给（0.41.5mm/min） 3）电解液流速高（560m/s），流量大，以供给反应物，排除阳极溶解产物和大量的焦耳热。,5.1

4、.2.2 电解加工设备,1. 机床 1）刚性要求好 2）进给稳定， 3）防腐、绝缘 4）安全措施 氢气有爆炸危险 类型：立式（C型，框型）， 卧式（单面，双面），固定阳极式,2. 直流电源 要求： 大功率 低电压（624）V，大电流（103104）A，电流密度一般为4050A/cm2，甚至100A/cm2 合适的容量范围， 良好的稳压精度 可靠的短路保护、火花保护、事故保护 类型：硅整流电源；晶闸管整流电源；脉冲电源（过去不用，现在用）,3. 电解液循环过滤系统 构成：泵，槽，过滤器，管，阀等,5.1.2.3 电解加工的基本规律,1. 生产率 1）金属的电化学当量 法拉第电解定律 m0=kIt v0=It 理论上不受电解液浓度、温度、压力、电极材料及形状等因素的影响，实际上 v=v0=It 接近100%，有时大于100%（晶间腐蚀）,2）电流密度i 电流密度i不能过大，否则，将出现火花，析出Cl2、O2等，温度上升，短路 I=i A 体积加工速度va=V/t= A I 3）电极间隙 间隙，蚀除速度 间隙过小，将引起火花放电或电解产物（特别是H2）排泄不畅，降低蚀除速度或易被脏物堵死而引

5、起短路,（4）电解液 电解液的作用： a）传递电流 b）进行电化学反应（在电场作用下），使阳极溶解能顺利而有控制地进行 c）更新、冷却 及时地把加工间隙内产生的电解产物及热量带走 压力0.491.96MPa；速度？75m/s 560 m/s 对电解液的基本要求： 具有足够的蚀除速度 高导电率 具有较高的加工精度和表面质量 分散能力低 阳极反应的最终产物应是不溶性物质 不含能在阴极上沉积的离子 性能稳定 操作安全，无毒 腐蚀性小 价廉,常用电解液（此3种为中性，还有酸性或碱性电解液）： a）NaCl 1418%，2535 b）NaNO3 散蚀能力小得多，腐蚀作用小，安全 缺点：电流效率低，生产率低，有氨气析出，NaNO3会消耗，价格为NaCl的2倍 c）NaClO3（氯酸钠） 导电能力强，生产率与NaCl相近，腐蚀作用小， 缺点：价格为NaCl的5倍，要注意防火,表5.1 常用电解液的特点比较,表5.2 常见金属材料电解加工使用的电解液,添加剂 电解加工的电压：1020V 进给速度：等截面穿孔加工 210mm/min，变截面的型面、型腔 0.55mm/min 电解液的流动方式：平行流动（

6、正、反、侧），径向流动（正、反）,2. 加工精度 平衡间隙 工件蚀除速度=阴极进给速度 一般为0.120.8 mm，最好为0.250.3 mm,3. 表面质量 粗糙度，表面层物理化学性质 表面缺陷有：流纹，烧伤，晶界腐蚀 影响因素： 工艺参数 电流密度i，电解液流速（快、慢），温度（高、低） 工件材料 合金成分，金相组织，热处理状态 阴极的表面质量,5.1.2.4 提高电解加工精度的途径,1. 混气加工 1）增加了电解液的电阻率，减少了杂散腐蚀 2）改变电解液的流动特性 2. 小间隙电解加工 3. 脉冲电流电解加工 电解产物将有足够的时间排除，使加工区的电解液迅速更新，从而改善流场，提高加工稳定性 4. 改进电解液,5.1.2.5 电解加工工艺及应用,1. 型腔加工 增液孔 2. 拉丝模扩孔 3. 电化学抛光 特别适合于复杂表面和内表面,5.1.3 电解磨削,5.1.3.1 基本原理（图） 阳极溶解+机械磨削 （扒去氧化膜）,5.1.3.2 电解磨削的特点,1）与机械磨削比，加工范围广，生产效率高 2）与电解加工比，加工精度高，表面质量好 3）砂轮损耗小 缺点：磨刃口不易锋利，需防锈,

7、5.1.3.3 电解磨削在模具加工中的应用,1）磨削难加工的材料 2）减少粗加工 3）提高加工效率 4）抛光,电解抛光工场,5.1.4 电铸成形,电铸加工的特点可概括为“微、脆、慢” 1）能准确、精密地复制复杂型面和细微纹路。做皮纹 2）能获得尺寸精度高、表面粗糙度值Ra小于0.1微米的复制品，用同一原模生产多个电铸件时，形状、尺寸的一致性好。 3）可把复杂零件的内表面复制为外表面，然后再电铸复制。反之亦然，适应性广。 4）金属制品纯度高。 5）加工速度慢（0.020.05mm/h）、效率低。 6）能获得的制件厚度不大（48mm），且不够均匀，存在较大内应力，强度不高，性能较脆。,电铸加工的应用,唱片模、工艺美术品模、印刷版（纸币、证券、邮票等）； 注塑模、电火花成形电极； 复杂、高精度的空心薄壁件（如波导管）； 表面粗糙度标准样块、反光镜、表盘、异型孔喷嘴等特殊零件,电铸工艺过程,（1）第一种 产品图纸母模设计制造金属母模去油、镀脱模层电沉积（电铸）加固脱模机械加工成品 或 产品图纸母模设计制造非金属母模清洗、防水处理镀导电膜电沉积（电铸）加固脱模机械加工成品,（2）第二种 用于大量

8、生产或电铸电极 产品图纸母模设计制造标准母模反制阴模再反制母模电铸前处理电沉积（电铸）加固脱模机械加工成品 母模设计要点： 形状相反；需考虑收缩率；粗糙度愈小愈好；必要时应有脱模斜度；边缘适当加大（后去除）；凹、凸不能相差太大，尽量避免尖角 母模材料：金属或非金属,5.2 化学加工,利用酸、碱、盐等化学溶液与金属发生化学反应，使金属溶解，改变工件尺寸和形状 5.2.1 化学蚀刻（化铣） （以门板模具制造为例） 5.2.2 照相化学腐蚀加工,蚀刻工序,利用相片和电脑技术制成图案底片(菲林)； 将底片粘贴到涂有光阻介质涂层且干净的工件表面； 将工件置于紫外线灯照射下，并在显影液中显影，将曝光部位清除； 将工件浸入酸液(硝酸或氯化铁？)池中或将酸液喷雾至工件表面，控制时间，清洗,5.3 超声波加工,跨机械、电、光3个学科 1950年代起步（日本），我国50年代末开始,5.3.1 超声波加工基本原理与特点,次声波 16Hz（次/s） 声波 162104Hz 超声波 2104107Hz蝙蝠、狗、鲸、海豚等可闻 特超声波（微波超声）0.5109Hz 超声振动驱动磨粒撞击脆性工件，实现加工（穿孔、切

9、割等） 特点： 1）加工脆性不导电材料(陶瓷、玻璃、宝石等) ； 2）工具简单，通用？设备结构简单 3）对工件作用力小,5.3.2 设备 超声波发生器 5.3.3 基本工艺规律 5.3.4 应用 切削，磨削，光整加工，塑性加工，磨料冲击加工，焊接,5.4 激光加工,1960年代开始发展起来,5.4.1 原理与特点 能量高度集中，局部高温达104，功率密度达1081010w/cm2,特点： 1）不需要工具，不存在工具损耗，无接触加工（无力的作用），能量及其移动速度均可调，可实现多种加工目的 2）几乎能加工任意材料，特别适用于高硬度、高脆性、高熔点的材料 3）加工速度快，效率高，热影响区小，加工质量稳定 4）适合加工小孔、窄缝，光斑可聚焦到微米级 5）可穿越透明材料，如对真空管内部进行焊接,特点： 6）与电子束加工等比较，装置简单，不要求抽真空系统 7）需反复试验，寻找合理参数，为减少反射，工件应色化、打毛 8）操作者应佩戴防护眼镜 危害：损伤眼睛、皮肤组织；危害眼睛、皮肤。 伴随危害：电气污染；大气污染；辐射；使用了低温致冷剂；噪声；爆炸；火灾等,5.4.2 设备 激光器 气体（CO2，占2/3），固体（YAG，占1/3），液体，半导体 电源 光学与机械系统/可数字控制 5.4.3 工艺规律 影响加工的主要因素有：焦距，焦点位置，输出能量与照射时间，光斑内的能量分布，多次照射，工件材料等,5.4.4 应用 打孔，最小可达10微米 切割， 金属名片 焊接，快速制模 雕刻（以雕刻印章为例）,ROFIN laser micro welding,特种加工还有： 涂镀（电化学能，金属离子阴极沉积） 磨粒流加工（挤压珩磨） 用于铝型材挤压模 高压水射流切割 岩石，金属 光化学加工 光刻 高能束加工： 电子束加工（电能、热能，熔化、气化，切割、打孔、焊接）； 离子束加工（电能、动能，离子撞击，蚀刻、镀覆、注入）； 等离子弧加工（电能、热能，熔化焊接、气化涂覆、切割喷镀） （激光加工）等,

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