電解加工和電解磨削電解加工和電解磨削1主要內容2.3.1電解加工的基本原理與規律2.3.2電解加工的特點及應用2.3.3電解磨削的基本原理2.3.4電解磨削的特點及應用主要內容2.3.1電解加工的基本原理與規律22.3.1電解加工的基本原理與規律

1、基本原理

電解加工是利用金屬在電解液中的“電化學陽極溶解”來將工件成型的。

電解加工原理圖2.3.1電解加工的基本原理與規律 1、基本原理3在工件（陽極）與工具（陰極）之間接上直流電源，使工具與工件間保持較小的加工間隙，間隙中通過高速流動的電解液。開始時，兩極之間的間隙大小不等，間隙小處電流密度大，陽極金屬去除速度快；而間隙大處電流密度小，去除速度慢。隨著工件表面金屬材料的不斷溶解，工具陰極不斷地向工件進給，溶解的電解產物不斷地被電解液沖走，工件表面逐漸被加工成接近于工具電極的形狀，直至將工具的形狀復制到工件上。

在工件（陽極）與工具（陰極）之間接上直流電源，使4電解質：溶于水后能導電的物質電解質溶液：電解質+水，簡稱電解液電解質電離：如，離子型晶體NaClNaCl→Na++Cl-

強電解質：在水中100%電離強酸、強堿、大多數鹽類弱電解質：僅有一部分電離氨(NH3)、醋酸(CH3COOH)

2電解液電解質：溶于水后能導電的物質2電解液5

中性：NaCl，NaNO3，NaClNO3酸性：HCl，HNO3，H2SO4堿性：

NaOH，KOH2電解液中性：NaCl，NaNO3，NaClNO32電解液63電解液及其特性1）電解液的作用作為導電介質，傳遞電流產生電化學反應排屑、散熱2）對電解液的要求有高的導電率低粘度和高的導熱性來保證加工精度和表面質量好的化學性能并能阻止工件表面上形成鈍化膜無腐蝕性或腐蝕性小，無毒最終產物為不溶性物質，便于排屑較好的經濟性3電解液及其特性1）電解液的作用7金屬的鈍化和活化

陽極鈍化：在電解加工中，使金屬陽極溶解過程的超電位升高和電解速度減慢的現象。

金屬鈍化的原因，主要有成相理論和吸附理論兩種。

成相理論認為，金屬與溶液作用后在金屬表面上形成了一層緊密的極薄的膜，通常是由氧化物、氫氧化物或鹽組成，從而使金屬表面失去了原來具有的活潑性質，使溶解過程減慢。

吸附理論認為，金屬的鈍化是由于金屬表面形成了氧的吸附層引起的。金屬的鈍化和活化陽極鈍化：在電解加工中，使金屬陽極8

金屬的活化：使金屬鈍化膜破壞的過程稱為活化。引起活化的因素很多，例如：把溶液加熱，通入還原性氣體或加入某些活性離子等等，也可以采用機械辦法破壞鈍化膜，電解磨削就是利用了這一原理。金屬的活化：使金屬鈍化膜破壞的過程稱為活化。9例：NaCl電解液NaCl電解液的特點：易溶解、電離度高→導電性好含有活化Cl-離子→鈍化膜小適應面廣、價廉雜散腐蝕嚴重，復制精度差例：NaCl電解液NaCl電解液的特點：1011電解加工中常用的電解液有NaCl、NaNO3和NaClO3三種溶液。下面僅介紹用10%~20%的氯化鈉水溶液作電解液加工低碳鋼時的主要化學反應：水溶液

H2

OH++OH-工件陽極反應

Fe–2eFe+2Fe+2+2OH-Fe(OH)24Fe（OH）2+2H2O+O24Fe（OH）3

（黃褐色沉淀）（墨綠色的絮狀物）11電解加工中常用的電解液有NaCl、NaNO3和NaClO1112工具陰極反應

2H++2e

H2從以Fe+2上反應可以看出，在電解加工過程中，由于外電源的作用，陽極鐵不斷失去電子，以Fe+2的形式與水溶液中的負離子化合生成Fe(OH)2而沉淀；陰極不斷得到電子，與水溶液中的H+結合而游離出氫氣。在電解過程中，工件陽極和水不斷消耗，而工具陰極和氯化鈉并不消耗。

按照電極反應的基本原理，電極電位最正的離子將首先在陰極反應。因此，在陰極上只會析出氫氣，而不可能沉淀出鈉。12工具陰極反應2H++2eH212電解加工和電解磨削課件134、影響電解加工生產率的因素

電解加工的生產率，以單位時間內去除的金屬量來衡量，用mm3/min或g/min表示。

（1）電流密度對生產率的影響影響電解加工生產率的因素很多，歸納起來主要有兩個方面，即電量和加工間隙。法拉第電解規律：電解時電極上溶解或析出物質的量（質量或是體積）與電解電流大小和電解時間成正比，亦與電量成正比。4、影響電解加工生產率的因素電解加工的生產率，以單位14

蝕除速度：蝕除速度與電流密度成正比，電流速度越高，生產率也越高。平均電流速度為10~100A/cm2。當電解液流速較高時，可以選用較高的電流密度。

電流密度越高，生產率越高，但在增加電流密度的同時，電壓也隨著增高，因此應以不擊穿加工間隙、引起火花放電、造成局部短路為度。實際的電流強度取決與電源電壓、電極間隙、及電解液的導電率。蝕除速度：蝕除速度與電流密度成正比，電流速度越高，生產率也15（2）加工間隙對生產率的影響一般來說，加工間隙越小，電解液的電阻越小，電流密度越大，蝕除速度也就越高。蝕除速度Va與電極間隙△成反比：Va=C/△。其中C稱之為雙曲線常數。（2）加工間隙對生產率的影響一般來說，加工間隙越小，電解液的1616平衡間隙：端面平衡間隙△b指在電解加工中，加工過程達到穩定時，兩極之間的間隙。但間隙太小會引起火花放電或間隙通道內電解液流動受阻、蝕除物排除不暢，以至產生局部短路，反而使生產率下降，因此間隙較小時應加大電解液的流速和壓力。平衡間隙：端面平衡間隙△b指在電解加工中，加工過程達到穩定1717

1、優點

電解加工與其他加工方法相比較，它具有下列特點:

1）加工范圍廣，能加工各種硬度和強度的材料。只要是金屬，不管其硬度和強度多大，都可加工。

2）生產率高，約為電火花加工的5～10倍，在某些情況下，比切削加工的生產率還高，且加工生產率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。3）表面質量好，電解加工無切削力和切削熱，不產生殘余應力和熱變形，又沒有飛邊、刀痕和毛刺。在正常情況下，表面粗糙度Ra可達0.2～1.25μm。4）陰極工具在理論上不損耗，基本上可長期使用。

5）不需要復雜的成型運動就可以加工復雜的空間曲面，且不會像傳統機械加工那樣，留下條紋痕跡。2.3.2電解加工的特點及應用1、優點2.3.2電解加工的特點及應用18

2、主要缺點和局限性

1）不能加工非導電材料，較難加工窄縫、小孔及尖角。2）復雜加工表面的電極工具的設計和修正比較麻煩，不利于單件小批量生產。3）電解加工的附局設備較多，占地面積較大，機床要有足夠的剛性和防腐性能，造價高。4）電解產物需進行妥善處理，否則將污染環境。2、主要缺點和局限性193、電解加工的選用原則適用于難加工材料的加工；適用于相對復雜形狀零件的加工；適用于批量大的零件加工。一般認為，三原則均滿足時，相對而言選擇電解加工比較合理。3、電解加工的選用原則204、電解加工的三個條件（1）工具與工件之間接上直流電源；（2）工具與工件之間保持較小的間隙；（3）工具與工件之間注入高速流動的電解液。4、電解加工的三個條件215、電解加工的應用22

目前電化學加工主要用于：(1)復雜三維曲面的端面和外圓加工；(2)刻模，特別是深窄的槽和孔；(3)靠模加工和特殊形狀仿形；(4)多孔加工；(5)拉孔；(6)去毛刺；(7)磨削；(8)珩磨；(9)切斷。5、電解加工的應用22目前電化學加工主要用于：22

4.3電解磨削

1、加工原理及特點

（1）加工原理

電解磨削是電解加工的一種特殊形式，是靠金屬的溶解(占95%～98%)和機械磨削(占2%～5%)的綜合作用來實現加工的。 4.3電解磨削電解磨削是電解加23電解加工和電解磨削課件24

電流從工件3通過電解液5而流向磨輪，形成通路，于是工件(陽極)表面的金屬在電流和電解液的作用下發生電解作用(電化學腐蝕)，被氧化成為一層極薄的氧化物或氫氧化物薄膜4，一般稱它為陽極薄膜。但剛形成的陽極薄膜迅速被導電砂輪中的磨料刮除，在陽極工件上又露出新的金屬表面并被繼續電解。這樣，由電解作用和刮除薄膜的磨削作用交替進行，使工件連續地被加工，直至達到一定的尺寸精度和表面粗糙度。電流從工件3通過電解液5而流向磨25（2）電解磨削與普通電解的比較

相同點——陽極溶解機理相同。不同點——陽極鈍化膜的去除原理不同。電解磨削中，陽極鈍化膜的去除是靠磨輪的機械加工去除的，電解液腐蝕力較弱；一般電解加工中的陽極鈍化膜的去除，是靠高電流密度去破壞（不斷溶解）或靠活性離子（如氯離子）進行活化，再由高速流動的電解液沖刷帶走的。（2）電解磨削與普通電解的比較相同26

①加工范圍廣，加工效率高。②加工精度和表面質量高。③砂輪的磨損量小。

④但電解磨削的機床、夾具等需采取防蝕防銹措施，還需增加吸氣、排氣裝置；而且需要直流電源、電解液過濾、循環裝置等附屬設備；此外，加工刀具刃口不易磨得非常鋒利。（3）與機械磨削的比較①加工范圍廣，加工效率高。（3）與機械磨削的比較27（4）電解磨削特點

1）磨削力小，生產率高。這是由于電解磨削具有電解加工和機械磨削加工的優點。

2）加工精度高，表面加工質量好。因為電解磨削加工中，一方面工件尺寸或形狀是靠磨輪刮除鈍化膜得到的，故能獲得比電解加工好的加工精度；另一方面，材料的去除主要靠電解加工，加工中產生的磨削力較小，不會產生磨削毛刺、裂紋等現象，故加工工件的表面質量好。

3）設備投資較高。其原因是電解磨削機床需加電解液過濾裝置、抽風裝置、防腐處理設備等。（4）電解磨削特點 1）磨削力小，生產率高。這是由于電解磨28電解磨削廣泛應用于平面磨削、成型磨削和內外圓磨削。下圖（a）、（b）分別為立式平面磨削、臥式平面磨削的示意圖。圖（c）為電解成型磨削示意圖，其磨削原理是將導電磨輪的外圓圓周按需要的形狀進行預先成型，然后進行電解磨削。（a）（b）（c）電解磨削示意圖2、電解磨削的應用電解磨削廣泛應用于平面磨削、成型磨削和內外圓磨削。下圖（29附加內容：電鑄加工

1、電鑄加工原理及特點（1）成型原理 與電鍍原理相似，電鑄成型是利用電化學過程中的陰極沉積現象來進行成型加工的，即在原模上通過電化學方法沉積金屬，然后分離以制造或復制金屬制品。但電鑄與電鍍又有不同之處，電鍍時要求得到與基體結合牢固的金屬鍍層，以達到防護、裝飾等目的。而電鑄則要電鑄層與原模分離，其厚度也遠大于電鍍層。

附加內容：電鑄加工1、電鑄加工原理30

電鑄原理如圖4-49所示，在直流電源的作用下，金屬鹽溶液中的金屬離子在陰極獲得電子而沉積在陰極原模的表面。陽極的金屬原子失去電子而成為正離子，源源不斷地補充到電鑄液中，使溶液中的金屬離子濃度保持基本不變。當母模上的電鑄層達到所需的厚度時取出，將電鑄層與型芯分離，即可獲得型面與型芯凹、凸相反的電鑄模具型腔零件的成型表面。

圖4-49電鑄原理圖

1-電鍍槽；2-陽極；3-直流電源；

4-電鍍層；5-原模（陰極）；6-攪拌器；

7-電鑄液；8-過濾器；9-泵；10—加熱器 電鑄原理如圖4-49所示，在直流電源的作用下，金屬鹽溶液31能準確、精密地復制復雜型面和細微紋路，表面粗糙度Ra可達0.1μm，一般不需拋光即可使用。原模材料不限于金屬，可以是石膏、石蠟和環氧樹脂等，有時還可用制品零件直接作為母模。表面硬度可達35～50HRC，所以電鑄型腔使用壽命長。電鑄可獲得高純度的金屬制品，如電鑄銅，它純度高，具有良好的導電性能，十分有利于電加工。（2）特點能準確、精密地復制復雜型面和細微紋路，表面粗糙度Ra可達0.32電鑄時，金屬沉積速度緩慢，制造周期長。如電鑄鎳，一般需要一周左右。電鑄層厚度不易均勻，且厚度較薄，僅為4～8mm左右。電鑄層一般都具有較大的應力，所以大型電鑄件變形顯著，且不易承受大的沖擊載荷。這樣，就使電鑄成型的應用受到一定的限制。電鑄時，金屬沉積速度緩慢，制造周期長。如電鑄鎳，一般需要一周33

（1）電鑄槽 電鑄槽材料的選取以不與電解液作用引起腐蝕為原則。一般用鋼板焊接，內襯鉛板或聚氯乙烯薄板等。

（2）直流電源

電鑄采用低電壓大電流的直流電源。常用硅整流，電壓為6～12V左右，并可調。2、電鑄設備 電鑄設備主要包括電鑄槽、直流電源、攪拌和循環過濾系統、恒溫控制系統等。 （1）電鑄槽2、電鑄設備34

（3）攪拌和循環過濾系統

為了降低電鑄液的濃差極化，加大電流密度，減少加工時間，提高生產速度，最好在陰極運動的同時加速溶液的攪拌。攪拌的方法有循環過濾法、超聲波或機械攪拌等。循環過濾法不僅可以使溶液攪拌，而且在溶液不斷反復流動時進行過濾。（4）恒溫控制系統

電鑄時間很長，所以必須設置恒溫控制設備。它包括加熱設備（加熱玻璃管、電爐等）和冷卻設備（冷水或冷凍機等）。 （3）攪拌和循環過濾系統35 3、電鑄加工的工藝過程及要點

（1）主要工藝過程原模表面處理→電鑄過程→襯背和脫模處理→清洗干燥→成品

①原模表面處理：金屬材料進行鈍化處理，非金屬材料進行導電化處理。②電鑄過程：時間較長，電流密度不能太大。③襯背處理：塑料模具和印刷電路板。④脫模處理：敲擊錘打，加熱或冷卻脹縮分離，薄刀刃剝離，化學溶解，加熱熔化等。 3、電鑄加工的工藝過程及要點（1）主要工藝過程原模36

（2）電鑄過程要點

溶液必須連續過濾。必須攪拌電鑄鍍液，降低濃差極化。為使電鑄件厚薄均勻，凸出部分應加屏蔽，凹入部位要加裝輔助陽極。要嚴格控制鍍液成分、濃度、酸堿度、溫度、電流密度等。（2）電鑄過程要點溶液必須連續過濾。372.4超聲波加工1．超聲波加工的原理與特點1)加工原理

超聲波加工原理圖2.4超聲波加工1．超聲波加工的原理與特點超3838

超聲波加工是利用工具端面的超聲振動，通過磨料懸浮液加工脆硬材料的一種成型方法，加工原理如圖2-5所示。超聲波加工是利用工具端面的超聲振動，通過磨料懸浮液加工脆硬3939加工時，在工具頭9和工件11之間加入磨料懸浮液13，同時使工具以一定的力作用在工件上。超聲換能器1產生16kHz以上超聲波的縱向振動，并通過變幅桿4(連接換能器錐體6)把振幅放大到0.05-0.1mm。驅動工具端面作超聲振動，迫使磨料懸浮液中的磨粒以很大的加速度和速度不斷地錘擊、沖擊被加工表面，使工件材料被加工下來。與此同時，工作液受工具端面的超聲振動作用而產生的高頻、交變的液壓正負沖擊波和“空化”作用，加劇了機械破壞‘作用。加工時，在工具頭9和工件11之間加入磨料懸浮液13，同時使40

超聲加工是基于局部的撞擊作用，因此就不難理解，愈是脆硬的材料，受到的破壞愈大。相反，脆性和硬度不大的韌性材料則難以加工。因此，可以選擇合理工具材料，如用45鋼就是一種比較理想的超聲加工工具。超聲加工是基于局部的撞擊作用，因此就不難理解，41

超聲波加工的特點：

1)適合于加工各種硬脆材料，特別是不導電的非金屬材料，例如玻璃、陶瓷(氧化鋁、氮化硅等)、石英、鍺、硅、石墨、瑪瑙、寶石、金剛石等。對于導電的硬質金屬材料，如淬火鋼、硬質合金等，也能進行加工，但加工生產率較低。

2)由于工具可用較軟的材料，做成較復雜的形狀，故不需要使工具和工件作比較復雜的相對運動，因此超聲加工機床的結構比較簡單，操作、維修方便。

超聲波加工的特點：

1)適合于加工各種硬脆材料，特別是不導423)由于去除加工材料是靠極小磨料瞬時的局部撞擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應力、切削熱很小，不會引起變形及燒傷，表面粗糙度也較低，可達Ra=1—0．1μm，加工精度可達0．01—0．02mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度零件。3)由于去除加工材料是靠極小磨料瞬時的局部撞擊作用，故工件432

超聲波加工設備

超聲波加工設備又稱超聲加工裝置，它們的功率大小和結構形狀雖有所不同，但其組成部分基本相同，一般包括超聲發生器、超聲振動系統、機床本體和磨料工作液循環系統。其主要組成如下：2超聲波加工設備

超聲波加工設備又稱超聲加工裝置，它們的44電解加工和電解磨削課件45（1）超聲波發生器超聲波發生器的作用是將工頻交流電轉變為有一定功率輸出的超聲頻振蕩，以提供工具端面往復振動的機械能。其基本要求是：可靠性好、效率高、結構簡單、成本低；其次是功率和頻率在一定范圍內連續可調，對共振頻率有自動跟蹤和自動微調功能。（1）超聲波發生器46圖2-33中4、5、6為聲學組件，安裝在一根能上下移動的導軌上，導軌由上下兩組滾動導輪定位，使導軌能靈活精密地上下移動。工具的向下進給及對工件施加壓力靠聲學組件的自重，為了能調節壓力大小，在機床后部可改變．平衡砝碼的重量，也有采用彈簧或液壓等其他方法。2.超聲波加工設備圖2-33中4、5、6為聲學組件，安裝在一根能上下移動的導軌471)高頻發生器2)聲學部件

幾種形式的變幅桿3)機床和磨料工作液1)高頻發生器幾種形式的變幅桿3)機床和磨料工作48482）機床及磨料工作液。工作液的空化作用對超聲加工是非常重要的。工作液還起著傳遞振動、冷卻(有效地帶走切削區的熱量)、輸送磨料、清除鈍化的磨料和切屑等作用。常用的工作液為水。為了提高表面質量，有時也使用煤油或機油。2）機床及磨料工作液。492.4.3超聲波加工的基本工藝規律

1、超聲波加工速度及其影響因素加工速度又稱材料去除率，是指單位時間內去除材料的多少，單位用g／min或mm3／min表示。影響加工速度的主要因素有：工具振動頻率、振幅、工具和工件之間的靜壓力、磨料的種類和粒度、懸浮液的濃度、供給及循環方式、工具與工件材料、加工面積和深度等。2.4.3超聲波加工的基本工藝規律

1、超聲波加工速度及其影50(1)工具的振幅和頻率的影響一般認為隨振幅的增大和頻率的提高使加工速度增加；但這樣會降低聲學系統的使用壽命，同時表面粗糙度也增大。因此，在超聲加工中；一般控制振幅在0．01~0．1mm，頻率在16—25kHz之間。(1)工具的振幅和頻率的影響51(3)施加靜載荷的影響切削速度隨作用在工具上的靜載荷的增加，而達到最大值。極值點隨著振動的振幅和工具的橫截面積的變化而移動。實驗發現，表面粗糙度很少受到靜載荷的影響。與預期的相反，用高的載荷沒有產生較大的表面粗糙度。實際上，由于高載荷把顆粒壓碎成小粒度，故表面粗糙度得到改善。(3)施加靜載荷的影響52(3)磨粒直徑的影響磨粒的大小，決定了超聲波加工中型腔輪廓的精度。由于磨料沿著孔的側面向工具的底面流動，所以加工出的孔要比工具大些。為了獲得精確和良好的表面粗糙度，最好是使用一套工具和不止一種尺寸等級的磨料，其等級如下：1級小于實際尺寸的工具，高的頻率，粗的磨粒。2級小于實際尺寸的工具，高的頻率，較細的磨粒。3級與實際尺寸一樣大小的工具，低的頻率，很細的磨粒。(3)磨粒直徑的影響53(4)懸浮液濃度、工具材料和工件材料的影響增加懸浮液的濃度可以提高切削速率。尼皮勒斯和福斯克特已經提出了材料和磨料特性對材料切除速率的影響的詳細資料。尼皮勒斯進一步確定了，當懸浮液混合物的磨料和水的體積分數為30％—40％時，就產生飽和現象(圖2—36)。實驗結果指出，材料切除速率隨粘度的增加而急劇下降。(4)懸浮液濃度、工具材料和工件材料的影響增加懸浮液的濃54懸浮液壓入切削區的壓力，對材料切除速率有顯著的影響。彭特蘭觀察到在超聲波鉆孔時，隨著改善懸浮液的循環，可使金屬切除速率成倍地增長。增大壓送懸浮液的壓力，材料切除速率甚至可增加十倍。工具表面的形狀，也影響切削速率的最大值。窄的矩形工具，比相同的橫截面積的正方形工具會產生更大的最大切削速率。梅特耳金(Metelkin)的研究結果指出，用圓錐形的工具來取代柱形的工具，切削速率增加50％。懸浮液壓入切削區的壓力，對材料切除速率有顯著的影響。55工件材料的脆性，在確定切削速率方面是重要的。脆性的非金屬材料，可用比韌性材料更高的切削速率切割。工件材料的脆性，在確定切削速率方面是重要的。脆性的非金屬材料562.4.3超聲波加工的基本工藝規律（1）加工速度及其影響因素1）工具的振幅和頻率的影響：采用大的振幅和高的頻率可以獲得大的加工能量，加工速度增加；2）進給壓力的影響：壓力過小，工具末端與工件加工表面之間的間隙增大，減少了磨粒對工件的撞擊；壓力過大，會使工具與工件加工表面之間的間隙減小，磨粒和工作液不能順利循環更新，二者都會導致生產率下降；3）磨料種類和粒度的影響：磨粒硬度越大，加工速度越大，磨粒粒度越粗，加工速度越快，精度和表面粗糙度越差；2.4.3超聲波加工的基本工藝規律57574）磨料懸浮液濃度的影響：磨粒懸浮液磨粒濃度低，加工間隙內磨粒少，加工速度下降；隨著懸浮液磨粒濃度增加，加工速度增加；但濃度太高時，磨料在加工區域的循環運動和對工件的撞擊運動受到影響，又會導致加工速度降低。一般采用濃度為磨料對水的質量比為0.5-1之間；5）工件材料的影響：材料越脆，則收成沖擊載荷的能力越低，越容易加工；反之韌性較好的材料則不易加工。4）磨料懸浮液濃度的影響：磨粒懸浮液磨粒濃度低，加工間隙內磨5858(2)加工精度及其影響因素超聲波加工的精度，除受機床、夾具精度影響之外，主要與磨料粒度、工具精度及其磨損程度、工具在橫向振動的大小、加工深度、被加工材料性質等因素有關。加工孔的尺寸精度一般為±0.02~0.05mm。(2)加工精度及其影響因素5959(3)表面質量及其影響因素超聲波加工具有較好的表面質量，不會產生表面燒傷和表面變質層。超聲波加工的表面粗糙度值也較小，一般可達Ra=1~0.1μm。超聲波加工的表面粗糙度取決于每顆磨粒每次撞擊工件表面后留下的凹痕大小，它與磨粒的直徑、被加工材料的性質、超聲波振動的振幅以及磨料懸浮工作液的成分等有關。(3)表面質量及其影響因素6060

3超聲波加工的應用超聲加工雖然生產率較低，但其加工精度、表面粗糙度都比較好，而且能加工半導體、非導體的脆硬材料如玻璃、石英、寶石、玉石、鎢及合金、瑪瑙、金剛石等，除此之外，如寶石軸承、拉絲模、噴絲頭還可以用于超聲拋光、光整加工、復合加工，也可用于清洗、焊接、醫療、電鍍、冶金等許多方面，3超聲波加工的應用超聲加工雖然生產率較低，但其加61

超聲加工目前在各工業部門中主要用于對脆硬材料加工圓孔、型孔、型腔、套料、微細孔等，如圖2-39所示。1、型孔、型腔加工

超聲加工目前在各工業部門中主要用于對脆硬材料加工圓孔、型孔62622、切割加工

用普通機械加工切割脆硬的半導體材料是很困難的，采用超聲切割則較為有效。圖2-40為用超聲加工法切割單晶硅片示意圖。用錫焊或銅焊將工具(薄鋼片或磷青銅片)焊接在變幅桿的端部。加工時噴注磨料液，一次可以切割10—20片。2、切割加工

用普通機械加工切割脆硬的半導體材料是很困難的，63電解加工和電解磨削課件64

圖2-41所示為成批切槽(塊)刀具，它采用了一種多刃刀具，即包括一組厚度為0.127mm的軟鋼刃刀片，間隔1.14mm，鉚合在一起，然后焊接在變幅桿上。刀片伸出的高度應足夠在磨損后可作幾次重磨。在最外邊的刀片應比其他刀片高出0.5mm，切割時插入坯料的導槽中，起定位作用。加工時噴注磨料液，將坯料片先切割成1mm寬的長條。然后將刀具轉過90°，使導向片插入另一導槽中，進行第二次切割以完成模塊的切割加工。圖2-41所示為成批切槽(塊)刀具，它采用了一種多刃刀具，653、超聲清洗超聲清洗的原理主要是基于超聲頻振動在液體中產生的交變沖擊波和空化作用。超聲波在清洗液(汽油、煤油、酒精、丙酮或水等)中傳播時，液體分子往復高頻振動產生正負交變的沖擊波。當聲強達到一定數值時，液體中急劇生長微小空化氣泡并瞬時強烈閉合，產生的微沖擊波使被清洗物表面的污物遭到破壞，并從被清洗表面脫落下來。即使是被清洗物上的窄縫、細小深孔、彎孔中的污物，也很容易清洗干凈。

3、超聲清洗超聲清洗的原理主要是基于超聲頻振動在液體中產生的66超聲波清洗裝置超聲波清洗裝置67電解加工和電解磨削電解加工和電解磨削68主要內容2.3.1電解加工的基本原理與規律2.3.2電解加工的特點及應用2.3.3電解磨削的基本原理2.3.4電解磨削的特點及應用主要內容2.3.1電解加工的基本原理與規律692.3.1電解加工的基本原理與規律

1、基本原理

電解加工是利用金屬在電解液中的“電化學陽極溶解”來將工件成型的。

電解加工原理圖2.3.1電解加工的基本原理與規律 1、基本原理70在工件（陽極）與工具（陰極）之間接上直流電源，使工具與工件間保持較小的加工間隙，間隙中通過高速流動的電解液。開始時，兩極之間的間隙大小不等，間隙小處電流密度大，陽極金屬去除速度快；而間隙大處電流密度小，去除速度慢。隨著工件表面金屬材料的不斷溶解，工具陰極不斷地向工件進給，溶解的電解產物不斷地被電解液沖走，工件表面逐漸被加工成接近于工具電極的形狀，直至將工具的形狀復制到工件上。

在工件（陽極）與工具（陰極）之間接上直流電源，使71電解質：溶于水后能導電的物質電解質溶液：電解質+水，簡稱電解液電解質電離：如，離子型晶體NaClNaCl→Na++Cl-

強電解質：在水中100%電離強酸、強堿、大多數鹽類弱電解質：僅有一部分電離氨(NH3)、醋酸(CH3COOH)

2電解液電解質：溶于水后能導電的物質2電解液72

中性：NaCl，NaNO3，NaClNO3酸性：HCl，HNO3，H2SO4堿性：

NaOH，KOH2電解液中性：NaCl，NaNO3，NaClNO32電解液733電解液及其特性1）電解液的作用作為導電介質，傳遞電流產生電化學反應排屑、散熱2）對電解液的要求有高的導電率低粘度和高的導熱性來保證加工精度和表面質量好的化學性能并能阻止工件表面上形成鈍化膜無腐蝕性或腐蝕性小，無毒最終產物為不溶性物質，便于排屑較好的經濟性3電解液及其特性1）電解液的作用74金屬的鈍化和活化

陽極鈍化：在電解加工中，使金屬陽極溶解過程的超電位升高和電解速度減慢的現象。

金屬鈍化的原因，主要有成相理論和吸附理論兩種。

成相理論認為，金屬與溶液作用后在金屬表面上形成了一層緊密的極薄的膜，通常是由氧化物、氫氧化物或鹽組成，從而使金屬表面失去了原來具有的活潑性質，使溶解過程減慢。

吸附理論認為，金屬的鈍化是由于金屬表面形成了氧的吸附層引起的。金屬的鈍化和活化陽極鈍化：在電解加工中，使金屬陽極75

金屬的活化：使金屬鈍化膜破壞的過程稱為活化。引起活化的因素很多，例如：把溶液加熱，通入還原性氣體或加入某些活性離子等等，也可以采用機械辦法破壞鈍化膜，電解磨削就是利用了這一原理。金屬的活化：使金屬鈍化膜破壞的過程稱為活化。76例：NaCl電解液NaCl電解液的特點：易溶解、電離度高→導電性好含有活化Cl-離子→鈍化膜小適應面廣、價廉雜散腐蝕嚴重，復制精度差例：NaCl電解液NaCl電解液的特點：7778電解加工中常用的電解液有NaCl、NaNO3和NaClO3三種溶液。下面僅介紹用10%~20%的氯化鈉水溶液作電解液加工低碳鋼時的主要化學反應：水溶液

H2

OH++OH-工件陽極反應

Fe–2eFe+2Fe+2+2OH-Fe(OH)24Fe（OH）2+2H2O+O24Fe（OH）3

（黃褐色沉淀）（墨綠色的絮狀物）11電解加工中常用的電解液有NaCl、NaNO3和NaClO7879工具陰極反應

2H++2e

H2從以Fe+2上反應可以看出，在電解加工過程中，由于外電源的作用，陽極鐵不斷失去電子，以Fe+2的形式與水溶液中的負離子化合生成Fe(OH)2而沉淀；陰極不斷得到電子，與水溶液中的H+結合而游離出氫氣。在電解過程中，工件陽極和水不斷消耗，而工具陰極和氯化鈉并不消耗。

按照電極反應的基本原理，電極電位最正的離子將首先在陰極反應。因此，在陰極上只會析出氫氣，而不可能沉淀出鈉。12工具陰極反應2H++2eH279電解加工和電解磨削課件804、影響電解加工生產率的因素

電解加工的生產率，以單位時間內去除的金屬量來衡量，用mm3/min或g/min表示。

（1）電流密度對生產率的影響影響電解加工生產率的因素很多，歸納起來主要有兩個方面，即電量和加工間隙。法拉第電解規律：電解時電極上溶解或析出物質的量（質量或是體積）與電解電流大小和電解時間成正比，亦與電量成正比。4、影響電解加工生產率的因素電解加工的生產率，以單位81

蝕除速度：蝕除速度與電流密度成正比，電流速度越高，生產率也越高。平均電流速度為10~100A/cm2。當電解液流速較高時，可以選用較高的電流密度。

電流密度越高，生產率越高，但在增加電流密度的同時，電壓也隨著增高，因此應以不擊穿加工間隙、引起火花放電、造成局部短路為度。實際的電流強度取決與電源電壓、電極間隙、及電解液的導電率。蝕除速度：蝕除速度與電流密度成正比，電流速度越高，生產率也82（2）加工間隙對生產率的影響一般來說，加工間隙越小，電解液的電阻越小，電流密度越大，蝕除速度也就越高。蝕除速度Va與電極間隙△成反比：Va=C/△。其中C稱之為雙曲線常數。（2）加工間隙對生產率的影響一般來說，加工間隙越小，電解液的8383平衡間隙：端面平衡間隙△b指在電解加工中，加工過程達到穩定時，兩極之間的間隙。但間隙太小會引起火花放電或間隙通道內電解液流動受阻、蝕除物排除不暢，以至產生局部短路，反而使生產率下降，因此間隙較小時應加大電解液的流速和壓力。平衡間隙：端面平衡間隙△b指在電解加工中，加工過程達到穩定8484

1、優點

電解加工與其他加工方法相比較，它具有下列特點:

1）加工范圍廣，能加工各種硬度和強度的材料。只要是金屬，不管其硬度和強度多大，都可加工。

2）生產率高，約為電火花加工的5～10倍，在某些情況下，比切削加工的生產率還高，且加工生產率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。3）表面質量好，電解加工無切削力和切削熱，不產生殘余應力和熱變形，又沒有飛邊、刀痕和毛刺。在正常情況下，表面粗糙度Ra可達0.2～1.25μm。4）陰極工具在理論上不損耗，基本上可長期使用。

5）不需要復雜的成型運動就可以加工復雜的空間曲面，且不會像傳統機械加工那樣，留下條紋痕跡。2.3.2電解加工的特點及應用1、優點2.3.2電解加工的特點及應用85

2、主要缺點和局限性

1）不能加工非導電材料，較難加工窄縫、小孔及尖角。2）復雜加工表面的電極工具的設計和修正比較麻煩，不利于單件小批量生產。3）電解加工的附局設備較多，占地面積較大，機床要有足夠的剛性和防腐性能，造價高。4）電解產物需進行妥善處理，否則將污染環境。2、主要缺點和局限性863、電解加工的選用原則適用于難加工材料的加工；適用于相對復雜形狀零件的加工；適用于批量大的零件加工。一般認為，三原則均滿足時，相對而言選擇電解加工比較合理。3、電解加工的選用原則874、電解加工的三個條件（1）工具與工件之間接上直流電源；（2）工具與工件之間保持較小的間隙；（3）工具與工件之間注入高速流動的電解液。4、電解加工的三個條件885、電解加工的應用89

目前電化學加工主要用于：(1)復雜三維曲面的端面和外圓加工；(2)刻模，特別是深窄的槽和孔；(3)靠模加工和特殊形狀仿形；(4)多孔加工；(5)拉孔；(6)去毛刺；(7)磨削；(8)珩磨；(9)切斷。5、電解加工的應用22目前電化學加工主要用于：89

4.3電解磨削

1、加工原理及特點

（1）加工原理

電解磨削是電解加工的一種特殊形式，是靠金屬的溶解(占95%～98%)和機械磨削(占2%～5%)的綜合作用來實現加工的。 4.3電解磨削電解磨削是電解加90電解加工和電解磨削課件91

電流從工件3通過電解液5而流向磨輪，形成通路，于是工件(陽極)表面的金屬在電流和電解液的作用下發生電解作用(電化學腐蝕)，被氧化成為一層極薄的氧化物或氫氧化物薄膜4，一般稱它為陽極薄膜。但剛形成的陽極薄膜迅速被導電砂輪中的磨料刮除，在陽極工件上又露出新的金屬表面并被繼續電解。這樣，由電解作用和刮除薄膜的磨削作用交替進行，使工件連續地被加工，直至達到一定的尺寸精度和表面粗糙度。電流從工件3通過電解液5而流向磨92（2）電解磨削與普通電解的比較

相同點——陽極溶解機理相同。不同點——陽極鈍化膜的去除原理不同。電解磨削中，陽極鈍化膜的去除是靠磨輪的機械加工去除的，電解液腐蝕力較弱；一般電解加工中的陽極鈍化膜的去除，是靠高電流密度去破壞（不斷溶解）或靠活性離子（如氯離子）進行活化，再由高速流動的電解液沖刷帶走的。（2）電解磨削與普通電解的比較相同93

①加工范圍廣，加工效率高。②加工精度和表面質量高。③砂輪的磨損量小。

④但電解磨削的機床、夾具等需采取防蝕防銹措施，還需增加吸氣、排氣裝置；而且需要直流電源、電解液過濾、循環裝置等附屬設備；此外，加工刀具刃口不易磨得非常鋒利。（3）與機械磨削的比較①加工范圍廣，加工效率高。（3）與機械磨削的比較94（4）電解磨削特點

1）磨削力小，生產率高。這是由于電解磨削具有電解加工和機械磨削加工的優點。

2）加工精度高，表面加工質量好。因為電解磨削加工中，一方面工件尺寸或形狀是靠磨輪刮除鈍化膜得到的，故能獲得比電解加工好的加工精度；另一方面，材料的去除主要靠電解加工，加工中產生的磨削力較小，不會產生磨削毛刺、裂紋等現象，故加工工件的表面質量好。

3）設備投資較高。其原因是電解磨削機床需加電解液過濾裝置、抽風裝置、防腐處理設備等。（4）電解磨削特點 1）磨削力小，生產率高。這是由于電解磨95電解磨削廣泛應用于平面磨削、成型磨削和內外圓磨削。下圖（a）、（b）分別為立式平面磨削、臥式平面磨削的示意圖。圖（c）為電解成型磨削示意圖，其磨削原理是將導電磨輪的外圓圓周按需要的形狀進行預先成型，然后進行電解磨削。（a）（b）（c）電解磨削示意圖2、電解磨削的應用電解磨削廣泛應用于平面磨削、成型磨削和內外圓磨削。下圖（96附加內容：電鑄加工

1、電鑄加工原理及特點（1）成型原理 與電鍍原理相似，電鑄成型是利用電化學過程中的陰極沉積現象來進行成型加工的，即在原模上通過電化學方法沉積金屬，然后分離以制造或復制金屬制品。但電鑄與電鍍又有不同之處，電鍍時要求得到與基體結合牢固的金屬鍍層，以達到防護、裝飾等目的。而電鑄則要電鑄層與原模分離，其厚度也遠大于電鍍層。

附加內容：電鑄加工1、電鑄加工原理97

電鑄原理如圖4-49所示，在直流電源的作用下，金屬鹽溶液中的金屬離子在陰極獲得電子而沉積在陰極原模的表面。陽極的金屬原子失去電子而成為正離子，源源不斷地補充到電鑄液中，使溶液中的金屬離子濃度保持基本不變。當母模上的電鑄層達到所需的厚度時取出，將電鑄層與型芯分離，即可獲得型面與型芯凹、凸相反的電鑄模具型腔零件的成型表面。

圖4-49電鑄原理圖

1-電鍍槽；2-陽極；3-直流電源；

4-電鍍層；5-原模（陰極）；6-攪拌器；

7-電鑄液；8-過濾器；9-泵；10—加熱器 電鑄原理如圖4-49所示，在直流電源的作用下，金屬鹽溶液98能準確、精密地復制復雜型面和細微紋路，表面粗糙度Ra可達0.1μm，一般不需拋光即可使用。原模材料不限于金屬，可以是石膏、石蠟和環氧樹脂等，有時還可用制品零件直接作為母模。表面硬度可達35～50HRC，所以電鑄型腔使用壽命長。電鑄可獲得高純度的金屬制品，如電鑄銅，它純度高，具有良好的導電性能，十分有利于電加工。（2）特點能準確、精密地復制復雜型面和細微紋路，表面粗糙度Ra可達0.99電鑄時，金屬沉積速度緩慢，制造周期長。如電鑄鎳，一般需要一周左右。電鑄層厚度不易均勻，且厚度較薄，僅為4～8mm左右。電鑄層一般都具有較大的應力，所以大型電鑄件變形顯著，且不易承受大的沖擊載荷。這樣，就使電鑄成型的應用受到一定的限制。電鑄時，金屬沉積速度緩慢，制造周期長。如電鑄鎳，一般需要一周100

（1）電鑄槽 電鑄槽材料的選取以不與電解液作用引起腐蝕為原則。一般用鋼板焊接，內襯鉛板或聚氯乙烯薄板等。

（2）直流電源

電鑄采用低電壓大電流的直流電源。常用硅整流，電壓為6～12V左右，并可調。2、電鑄設備 電鑄設備主要包括電鑄槽、直流電源、攪拌和循環過濾系統、恒溫控制系統等。 （1）電鑄槽2、電鑄設備101

（3）攪拌和循環過濾系統

為了降低電鑄液的濃差極化，加大電流密度，減少加工時間，提高生產速度，最好在陰極運動的同時加速溶液的攪拌。攪拌的方法有循環過濾法、超聲波或機械攪拌等。循環過濾法不僅可以使溶液攪拌，而且在溶液不斷反復流動時進行過濾。（4）恒溫控制系統

電鑄時間很長，所以必須設置恒溫控制設備。它包括加熱設備（加熱玻璃管、電爐等）和冷卻設備（冷水或冷凍機等）。 （3）攪拌和循環過濾系統102 3、電鑄加工的工藝過程及要點

（1）主要工藝過程原模表面處理→電鑄過程→襯背和脫模處理→清洗干燥→成品

①原模表面處理：金屬材料進行鈍化處理，非金屬材料進行導電化處理。②電鑄過程：時間較長，電流密度不能太大。③襯背處理：塑料模具和印刷電路板。④脫模處理：敲擊錘打，加熱或冷卻脹縮分離，薄刀刃剝離，化學溶解，加熱熔化等。 3、電鑄加工的工藝過程及要點（1）主要工藝過程原模103

（2）電鑄過程要點

溶液必須連續過濾。必須攪拌電鑄鍍液，降低濃差極化。為使電鑄件厚薄均勻，凸出部分應加屏蔽，凹入部位要加裝輔助陽極。要嚴格控制鍍液成分、濃度、酸堿度、溫度、電流密度等。（2）電鑄過程要點溶液必須連續過濾。1042.4超聲波加工1．超聲波加工的原理與特點1)加工原理

超聲波加工原理圖2.4超聲波加工1．超聲波加工的原理與特點超105105

超聲波加工是利用工具端面的超聲振動，通過磨料懸浮液加工脆硬材料的一種成型方法，加工原理如圖2-5所示。超聲波加工是利用工具端面的超聲振動，通過磨料懸浮液加工脆硬106106加工時，在工具頭9和工件11之間加入磨料懸浮液13，同時使工具以一定的力作用在工件上。超聲換能器1產生16kHz以上超聲波的縱向振動，并通過變幅桿4(連接換能器錐體6)把振幅放大到0.05-0.1mm。驅動工具端面作超聲振動，迫使磨料懸浮液中的磨粒以很大的加速度和速度不斷地錘擊、沖擊被加工表面，使工件材料被加工下來。與此同時，工作液受工具端面的超聲振動作用而產生的高頻、交變的液壓正負沖擊波和“空化”作用，加劇了機械破壞‘作用。加工時，在工具頭9和工件11之間加入磨料懸浮液13，同時使107

超聲加工是基于局部的撞擊作用，因此就不難理解，愈是脆硬的材料，受到的破壞愈大。相反，脆性和硬度不大的韌性材料則難以加工。因此，可以選擇合理工具材料，如用45鋼就是一種比較理想的超聲加工工具。超聲加工是基于局部的撞擊作用，因此就不難理解，108

超聲波加工的特點：

1)適合于加工各種硬脆材料，特別是不導電的非金屬材料，例如玻璃、陶瓷(氧化鋁、氮化硅等)、石英、鍺、硅、石墨、瑪瑙、寶石、金剛石等。對于導電的硬質金屬材料，如淬火鋼、硬質合金等，也能進行加工，但加工生產率較低。

2)由于工具可用較軟的材料，做成較復雜的形狀，故不需要使工具和工件作比較復雜的相對運動，因此超聲加工機床的結構比較簡單，操作、維修方便。

超聲波加工的特點：

1)適合于加工各種硬脆材料，特別是不導1093)由于去除加工材料是靠極小磨料瞬時的局部撞擊作用，故工件表面的宏觀切削力很小，切削應力、切削熱很小，不會引起變形及燒傷，表面粗糙度也較低，可達Ra=1—0．1μm，加工精度可達0．01—0．02mm，而且可以加工薄壁、窄縫、低剛度零件。3)由于去除加工材料是靠極小磨料瞬時的局部撞擊作用，故工件1102

超聲波加工設備

超聲波加工設備又稱超聲加工裝置，它們的功率大小和結構形狀雖有所不同，但其組成部分基本相同，一般包括超聲發生器、超聲振動系統、機床本體和磨料工作液循環系統。其主要組成如下：2超聲波加工設備

超聲波加工設備又稱超聲加工裝置，它們的111電解加工和電解磨削課件112（1）超聲波發生器超聲波發生器的作用是將工頻交流電轉變為有一定功率輸出的超聲頻振蕩，以提供工具端面往復振動的機械能。其基本要求是：可靠性好、效率高、結構簡單、成本低；其次是功率和頻率在一定范圍內連續可調，對共振頻率有自動跟蹤和自動微調功能。（1）超聲波發生器113圖2-33中4、5、6為聲學組件，安裝在一根能上下移動的導軌上，導軌由上下兩組滾動導輪定位，使導軌能靈活精密地上下移動。工具的向下進給及對工件施加壓力靠聲學組件的自重，為了能調節壓力大小，在機床后部可改變．平衡砝碼的重量，也有采用彈簧或液壓等其他方法。2.超聲波加工設備圖2-33中4、5、6為聲學組件，安裝在一根能上下移動的導軌1141)高頻發生器2)聲學部件

幾種形式的變幅桿3)機床和磨料工作液1)高頻發生器幾種形式的變幅桿3)機床和磨料工作1151152）機床及磨料工作液。工作液的空化作用對超聲加工是非常重要的。工作液還起著傳遞振動、冷卻(有效地帶走切削區的熱量)、輸送磨料、清除鈍化的磨料和切屑等作用。常用的工作液為水。為了提高表面質量，有時也使用煤油或機油。2）機床及磨料工作液。1162.4.3超聲波加工的基本工藝規律

1、超聲波加工速度及其影響因素加工速度又稱材料去除率，是指單位時間內去除材料的多少，單位用g／min或mm3／min表示。影響加工速度的主要因素有：工具振動頻率、振幅、工具和工件之間的靜壓力、磨料的種類和粒度、懸浮液的濃度、供給及循環方式、工具與工件材料、加工面積和深度等。2.4.3超聲波加工的基本工藝規律

1、超聲波加工速度及其影117(1)工具的振幅和頻率的影響一般認為隨振幅的增大和頻率的提高使加工速度增加；但這樣會降低聲學系統的使用壽命，同時表面粗糙度也增大。因此，在超聲加工中；一般控制振幅在0．01~0．1mm，頻率在16—25kHz之間。(1)工具的振幅和頻率的影響118(3)施加靜載荷的影響切削速度隨作用在工具上的靜載荷的增加，而達到最大值。極值點隨著振動的振幅和工具的橫截面積的變化而移動。實驗發現，表面粗糙度很少受到靜載荷的影響。與預期的相反，用高的載荷沒有產生較大的表面粗糙度。實際上，由于高載荷把顆粒壓碎成小粒度，故表面粗糙度得到改善。(3)施加靜載荷的影響119(3)磨粒直徑的影響磨粒的大小，決定了超聲波加工中型腔輪廓的精度。由于磨料沿著孔的側面向工具的底面流動，所以加工出的孔要比工具大些。為了獲得精確和良好的表面粗糙度，最好是使用一套工具和不止一種尺寸等級的磨料，其等級如下：1級小于實際尺寸的工具，高的頻率，粗的磨粒。2級小于實際尺寸的工具，高的頻率，較細的磨粒。3級與實際尺寸一樣大小的工具，低的頻率，很細的磨粒。(3)磨粒直徑的影響120(4)懸浮液濃度、工具材料和工