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立式超声微细电化学加工机床机械系统设计1绪论1.1电解加工技术概述1.1.1电解加工基本原理电解加工（ElectrochemicalMachining，ECM）是基于电解过程中的阳极溶解原理，并借助于阴极将工件按一定形状和尺寸加工成形的工艺方法。加工中，工件和工具阴极分别接直流电源正极和负极，工件和阴极间保持很小的加工间隙，一般在0.1～1mm范围内。电解液从加工间隙中不断高速（6～30m/s）流过，以保证带走阳极溶解产物和电解电流通过电解液时所产生的热量，并去极化。加工过程中工具阴极和工件阳极不接触，具有加工不受材料强度和硬度限制、工具阴极无损耗、不会产生加工变形和应力以及加工质量好、生产率高等优点。因此自电解加工问世以来，就受到制造业的广泛重视，被应用于加工机械加工困难的整体叶轮、叶片、炮管膛线等零件以及难加工材料成分的零件，还在锻模、齿轮和各种型孔以及去毛刺等方面取得广泛的应用。随着整个制造业向精密化、微细化发展，工业产品设计中大量的微细结构对其制造精度和制造工艺提出了越来越严格的要求，电解加工技术面临新的发展机遇和挑战，在扩展新的应用领域、提高加工精度和稳定性、与其它加工技术的复合应用等方面，各国的研究人员都在进行更深入的探讨和研究。电解加工的基本原理是电化学阳极溶解，如图1-1所示。此种加工技术要求被加工的工件必须为导电材料，工具通常为紫铜、黄铜或不锈钢材料。加工时，工件接电源正极，工具接电源负极，电源电压通常为5～20V，加工电流密度为20～200A/cm2。工具电极向工件低速进给，使阴极和阳极之间保持较小的加工间隙（0.1～0.8mm），同时，使具有一定压力（0.5～2MPa）的电解液从间隙中流过，这时阳极工件的金属材料被逐渐溶解，电解产物被高速流动的电解液带走，从而将工件加工成型。(—)(+)1vf(—)(+)vf234(a)加工开始(b)加工终止图1-1电解加工原理简图Figure1-1SchemeofECM1—电解加工电源；2—工具阴极；3—工件阳极；4—电解液根据法拉第第二定律，推导出电解加工中阳极工件成型规律的方程组，可写作：（1-1）上式中—间隙电解液中的欧姆压降（）；—阴、阳极之间的电压（）；—电解加工的阴、阳极电极电位值总和（）；—电流密度（）；—电解液的电导率（）；—电解加工间隙（）；—工件的加工速度（）；—电流效率；—被电解物质的体积电化学当量（）。1.1.2电解加工的工艺特点与常规的切削加工方法相比，切削加工是依靠硬的工具挤压软的工件，使工件上多余的金属脱离工件基体到达成型目的。然而，在电解加工中，阴、阳极是不接触的，在阳极上发生电化学溶解反应，阳极的金属原子一个一个地脱离阳极表面，在阴极上发生析氢反应。因此，电解加工具有如下特点：（1）加工范围广。电解加工是一种非接触式加工，工具材料可以是较软的易加工的金属材料，电解加工不受被加工材料的强度、硬度、韧性的限制，几乎可以加工所有的导电材料，加工后工件材料的金相组织基本不发生变化。因此，它常用于加工硬质合金、高温合金、淬火钢、不锈钢等难切削加工材料以及薄壁、易变形工件。（2）加工效率高。常规的切削加工需要多次切削才能达到零件的尺寸精度，然而，电解加工通过简单的进给运动，一次进给加工出复杂的型面、型腔等，而且加工速度可以随电流密度成比例地增加。据统计，电解加工的加工效率是电火花加工的5～10倍。美国Sermatech公司使用电解加工工艺加工发动机部件，提高了生产效率，使得加工时间降低为传统切削加工时间的一半。而且电解加工速度不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。（3）加工质量好。型面和型腔的加工精度可达0.05～0.20mm；型孔和套料的加工精度可达0.03～0.05mm；对于一般中、高碳钢和合金钢，可稳定地达到Ra1.6～0.4μm。（4）无工具阴极损耗。在电解加工过程中，工具阴极上只发生析氢反应，而不发生金属溶解反应。（5）进给运动简单。电解加工的进给运动通常是直线运动，而没有复杂的曲线运动。（6）对难加工材料复杂形状工件的批量生产，电解加工是一种低成本的工艺。尽管电解加工具有诸多的优点，但是也存在一些局限性，主要表现为：（1）加工精度和加工稳定性不高。电解加工中，影响加工精度和稳定性的因素较多，包括电解液流场、加工间隙电场、加工电源电压、进给速度等10多个因素。（2）工具阴极的设计和修正比较麻烦，周期长，因而电解加工只适合大批量生产。对于单件小批量生成，成本较高。（3）电解加工所需的附属设备较多，占地面积较大，而且机床需要足够的刚性和防腐蚀性能，造价较高。电解产物需进行妥善处理，否则将污染环境。综上所述，电解加工对难加工材料、复杂形状零件的批量生产是一种高效、高表面质量、经济的工艺方法，只要加工对象选择得当