第九周电化学加工

1、6. 电化学加工（Electrochemical Machining)电化学加工的基本原理电化学加工的分类电解加工电解抛光电化学机械加工电铸技术电化学加工新技术6.1 电化学加工原理电子导体（金属）自由电子定向移动而形成电流离子导体（溶液）溶液中的正负离子移动而形成电流CuCu12VieCu+2H+1Cl-1OH-1 CuCl2溶液中的电化学反应6.1.1 电化学反应阳极：氧化 溶解CuCu+2 + 2e阴极：还原 沉积Cu+2 + 2e Cu电化学反应在阴、阳极表面发生得失电子的化学反应CuCu12VieCu+2H+1Cl-1OH-1 CuCl2溶液中的电化学反应6.1.2 电解质溶液电解质

2、：溶于水后能导电的物质电解质溶液：电解质+水，简称电解液电解质电离：如，离子型晶体NaClNaCl Na+ + Cl- 强电解质：在水中100%电离强酸、强碱、大多数盐类弱电解质：仅有一部分电离氨(NH3) 、醋酸(CH3COOH) 6.1.3 电极电位 金属原子结构 双电层现象动态过程 (活泼金属)Fe Fe+2 + 2eFe+2 + 2e Fe 电极电位产生在金属和它的盐溶液之间的电位差电位UUaUb距离- - - - -+ + + + + 活泼金属 Fe双电层FeFeCl2电极电位双电层现象动态过程(不活泼金属)Cu+2 + 2e CuCu Cu+2 + 2e标准电极电位以标准氢电极电位

3、为基准，测量各种元素的电极电位（表6-1） 原电池e+ +- - - - -+ + + +Fe+ + + +- - -+ + + +CuNaCl2+ + + + - - - - - - - - 不活泼金属 Cu双电层CuCuSO4+ +6.1.4 电极的极化(1)两极间无电流通过时：平衡电极电位两极间有电流通过时：阳极：电极电位向正移阴极：电极电位向负移极化现象：电流密度增大时，两极电位增大的现象超电位： 极化后的电极电位与平衡电极电位之差产生超电位的原因：浓差极化（在阳极）电化学极化（在阴极）+V-V电位i阳极阴极浓差极化（在阳极）阳极金属失去电子速度加快电流密度Cu +2产生速度扩散、迁移

4、速度Cu +2在阳极堆积阳极电位 - Cu+2CuCu12VieCuCl2溶液中的电化学反应电化学极化（在阴极）阴极电子量增大电流密度电子增加量2H + +2e H2反应中消耗量电子在阴极表面堆积阴极电位CuCu12VieCuCl2溶液中的电化学反应-e6.1.4 钝化现象成相理论在表面形成薄膜（氧化物、氢氧化物或盐类）吸附理论在表面形成氧的吸附层Ulgi钢在NaNO3中的极化曲线活化活化： 活化方法机械破坏物理活化（加热溶液）化学活化（还原性气体或活性离子Cl-）金属钝化膜破坏的过程电化学加工分类加工方法加工原理去除加工电解加工电解抛光阳极溶解电解磨削电解电火花复合加工阳极溶解+其他能量结合

5、加工电 镀电 铸涂 镀阴极沉积电解加工(Electrochemical Machining)电解加工原理常用电解液及其特性电解加工基本规律电解加工设备电解加工的应用6.3.1 电解加工原理电解液及其特性1. 电解液的作用作为导电介质，传递电流产生电化学反应排屑、散热2. 对电解液的要求电导率高，流动性好 （保证有足够的蚀除速度）电解质在溶液中的电离度和溶解度要大，具有负的标准电极电位，如Na+、K+等离子最终产物为不溶性物质，便于排屑性能稳定，操作使用安全价格低廉，适用性广，使用寿命长判断电解液的优劣标准加工时所达到的精度所达到的表面质量所达到的生产率电解液及其特性电解液的特性杂散腐蚀：是衡量

6、电解液加工精度高低的指标。 NaCl电解液的生产率高，电解能力强 ，但杂散腐蚀大，成形精度低。 NaNO3，NaClO3等钝化性的电解液，杂散腐蚀小成形精度高。电流效率不同电解液的电流效率特点不同， NaCl的电流效率基本不随电流密度变化，而NaNO3，NaClO3的电流效率则随着电流密度的变化而变化根本原因在于不同的电解液会在阳极表面生成厚薄不同的钝化膜，阻碍阳极溶解。加工速度的非线性电解加工时加工速度与电流密度的关系曲线 如果电流效率变化，加工速度将不随电流密度呈线性变化加工速度公式切断电流密度切断间隙电解液及其特性3. 电解液的分类中性：NaCl，NaNO3，NaClO3酸性：HCl，H

7、 NO3， H2SO4碱性： NaOH，KOH NaCl电解液NaCl电解液的特点：易溶解、电离度高导电性好含有活化Cl-离子钝化膜小适应面广、价廉杂散腐蚀严重，复制精度差 杂散损失 NaNO3电解液 属于钝化型电解液 加工表面： 利用超钝化区，加工速度快 非加工表面： 利用钝化区，起保护作用 钝化型电解液的应用 NaClO3电解液 特性与NaNO3电解液相似 价格贵 强氧化剂 属于消耗性电解液： Cl-离子，杂散损失i 三种电解液的-i 曲线NaCl溶液：属于线性电解液NaNO3溶液：属于非线性溶液NaClO3溶液：属于非线性溶液100%iaib切断间隙：由于阳极钝化膜的作用，当加工间隙大于

8、某临界间隙时 电流效率为零，称该临界间隙为切断间隙切断电率密度：切断间隙下的电流密度三种电解液的性能对比特 点种 类NaCl电解液NaNO3电解液NaClNO3电解液加工速度高低较高加工精度较低较高较高腐蚀性大较小较小成 本低较高高安全性安全、无毒助燃（氧化剂）易燃（强氧化剂）应用范围精度要求不高的铁基、镍基合金有色金属、精度高的铁基、镍基合金电解扩孔、去毛刺 改善电解液性能的方法 NaNO3电解液+ NaCl 生产率 电解液+ 络合剂、光亮剂 Ra NaCl电解液+磷酸盐成型精度 电解液参数对加工过程的影响浓度导电率散蚀能力电解液的温度电解液的粘度粘度流动性不易排屑散热能力生产率加工效率加工

9、质量电解液的浓度 电解液的流动形式正向流动易于密封产物流过侧面间隙反向流动结构复杂加工性能好横向流动结构简单较浅的型腔加工电解液出水口的布局要求：流场均匀、无死角 电解加工的基本规律基本概念当量：表示某一反应中参与物质的相对含量电化学当量：在一个电极反应中，相当于1mol电子的参与反应物的质量法拉第第一定律：在电极的两相界面处，发生电化学反应物质的量与通过的电量成正比。法拉第第二定律：当相同的电量通过不同的电解液时，在电极上析出或溶解的物质的量与其化学当量 成正比。电解加工时，阳极电极被溶解或析出的金属量与通过的电流大小和电解时间成正比，即与电量成正比，其比例系数称为电化学当量。法拉第电解定律

10、： 电解加工时，阳极电极被溶解或析出的金属量与通过的电流大小和电解时间成正比，即与电量成正比，其比例系数称为电化当量阳极金属去蚀量与电荷量（Q=It)成正比理论蚀除量：W=KQ= KIt K-电化学当量 g/(Ah电流效率 ：实际蚀除量与理论蚀除量之比实际蚀除量 W:W= KQ= KIt加工速度（1）体积加工速度：单位时间内去除工件材料的体积量。根据法拉第定律可知：（2）深度加工速度 表示单位时间内工件深度上去除量，若加工面积是A，加工深度为h，则体积去除量V=Ah，阳极加工速度为：则对应的体积为，当、I均为常数时，体积加工速度影响加工速度的因素金属的电化学当量w= KQ= KIt电流密度成正

11、比，但过高时火花放电，10100A/cm3电极间隙 （ 双曲线关系 va= C/ ）va=C va已知条件：电导率为，加工间隙为，加工面积为A，则电阻R为：电流和电流密度分别为将电流密度代入深度加工速度公式得侧面非绝缘侧面绝缘将上式积分X方向溶解速度平衡间隙理论的应用计算端面、斜面、侧面的放电间隙设计电极尺寸和修正量分析加工精度选择加工参数加工间隙的基本要求间隙要均匀间隙大小要适中间隙要稳定电解加工参数和加工精度电解加工精度复制精度重复精度工件尺寸形状与电极的符合程度，主要与与沿工件加工表面的间隙分布均匀性有关一批零件之间的尺寸形状的相对误差，主要与沿极间间隙分布稳定性有关复制精度 获得较小平

12、衡间隙小工件形状电解液流向流程流速电流密度进给速度电解液浓度电流效率随电流密度变化明显提高复制精度 工件材料不同，电解液选择不同，或使用添加剂改变电解液对工件材料的适应性重复精度 成分电解液的电导率间隙电压稳定进给速度稳定，小于5%提高重复精度 流速稳定，阳极极化程度和电阻分布就稳定 浓度 温度 PH值 氯离子浓度加工表面质量与加工参数的关系表面粗糙度小间隙和高电流密度在小间隙和高电流密度基础上，采用低浓度电解液适当流速和均匀流场电解液温度控制在适当的范围选择与工件材料相适应的电解液加工表面质量与加工参数的关系表层物理化学性能晶间腐蚀，镍基合金， NaNO3好选择性腐蚀，铝合金， NaNO3好

13、 钝化点蚀不可避免显微裂纹出现在烧伤部位，流场设计不合理；加工间隙与电流密度或流速不匹配或过滤不良流纹和亮斑，电解液流场不均匀使加工表面极化程度不一致。流速低，极化效应强，溶解慢，形成波峰。反之形成波谷提高加工精度的途径绝缘阴极侧面改进电解液流场 提高加工精度的途径脉冲电流电解加工使加工间隙内电解液导电率分布均匀起到搅拌作用，易排除产物提高加工精度的途径脉冲电流电解加工增加电解液电阻率降低电解液粘度，改善流场表面质量及其影响因素表面质量表面粗糙度Ra1.250.16m无残余应力、冷作硬化、烧伤等影响表面质量的因素材料的合金成分、金相组织及热处理状态工艺参数阳极表面形貌（复制条纹、刻痕等） 电解

14、加工表面缺陷纵向条纹（流场分布不均匀） 麻点（电流过大，破坏薄膜） 电解加工表面缺陷毛瘤子（夹杂的不导电物）光瘤子（局部绝缘屏蔽）6.3.4 电解加工设备电源直流电源脉冲电源P0-+加工机床 电解液系统电解液的净化过滤方法自然沉淀法介质过滤法离心过滤法电解加工的特点（优点）加工范围广生产效率高电火花加工的510倍加工质量好Ra值：1.250.2m；加工精度：0.1mm无机械力作用无残余应力、无变形阴极工具理论上不损耗电解加工的特点（缺点）加工稳定性差，达不到高精度要求工具设计、制造难机床体积大环境污染问题第六节 电解加工工艺及其应用(1)固定式阴极电解扩孔1：电解液入口2：绝缘定位套3：工件4

15、：工具5：密封圈6：电解液出口移动式阴极电解扩孔型孔加工电解加工工艺及其应用花键孔加工（阴极固定式）对一些形状复杂、尺寸较小的四方、六方、椭圆、半圆等形状的通孔和不通孔，机械加工很困难，可采用电解加工。电解加工工艺及其应用整体叶片加工型面加工涡轮发动机、增压器、汽轮机等的叶片，叶身型面形状比较复杂、要求精度高，加工批量大，采用机械加工难度大，生产率低，加工周期长，而采用电解加工则不受叶片材料硬度和韧性的限制，在一次行程中就可加工出复杂的叶身型面，生产率高，表面粗糙度小，电解加工整体叶轮在我国已得到普遍应用。电解去毛刺机械加工中去毛刺的工作量很大，尤其是去除硬而韧的金属毛刺，需要很多的人力，电解

16、倒棱去毛刺可以大大提高工效。电解抛光技术（1） (Electrochemical polishing )加工原理（与电解加工的区别）加工间隙大电流密度小电解液一般不流动均匀去除表面材料（相对而言）在钝化区间进行电解抛光技术电解抛光的特点表面质量提高12级不改变尺寸不产生新的变质层、残余应力耐磨性提高表面易清洗第七节 电化学机械加工技术 (Electrochemical mechanical finishing )加工原理电化学腐蚀机械除除钝化膜和正整加工机理电流从工件3通过电解液5而流向磨轮，形成通路，于是工件（阳极）表面的金属在电流和电解液的作用下发生电解作用（电化学腐蚀），被氧化成为一层极

17、薄的氧化物或氢氧化物薄膜4（阳极薄膜）。但阳极薄膜迅速被导电砂轮中磨粒刮除，在阳极工件上又露出新的金属表面并被继续电解。这样电解作用和刮除薄膜的磨削作用交替运行，工件被连续加工，直至达到一定的尺寸精度和表面粗糙度。1磨料砂轮，2导电砂轮结合剂铜或石墨，3工件，4电解产物（阳极钝化薄膜），5电解液 电化学机械加工技术复合法电解磨削导电砂轮1与直流电源的阴极相联，被加工工件2（硬质合金车刀）接阳极，它在一定的压力下与导电砂轮相接触，加工区域中送入电解液3，在电解和机械磨削的双重作用下，车刀的后刀面很快被磨光。 电化学机械加工技术大直径内孔加工加工设备电化学机械加工技术管内壁加工效果平面加工效果电化

18、学机械加工技术特点a加工范围广、加工效率高 由于电解作用和工程材料的机械性能关系不大，因此，只要选择合适的电解液就可以用来加工任何高硬度、高韧性的金属材料。加工硬质合金时，与普通的金刚石砂轮磨削相比，电解磨削的加工效率要高35倍。b工件的加工精度和表面质量高 由于砂轮只起刮除阳极薄膜的作用，磨削力和磨削热都很小，不会产生磨削裂纹和烧伤现象，因而能提高加工表面质量和加工精度，一般表面粗糙度可优于Ra0.16m。c砂轮的磨损量小 普通刃磨时，碳化硅砂轮磨削硬质合金其磨损量为硬质合金质量的46倍，电解磨削时仅为硬质合金切除量的50%100%；与普通金刚石砂轮磨削相比，电解磨削砂轮的损耗速度仅为它们的

19、1/51/10，可显著降低成本。采用电解磨削加工不仅比单纯用金刚石砂轮磨削时效率提高23倍，而且大大节省金刚石砂轮，一个金刚石导电砂轮可用56年。d对机床、工具腐蚀相对较小 由于电解磨削是靠砂轮磨粒来刮除具有一定硬度和粘度的阳极钝化膜，由此电解液中不能含有活化能力很强的活性离子（如Cl-离子），一般使用腐蚀能力较弱的NaNO3、NaNO2等为主的电解液，以提高电解成形精度和有利于机床、工具的防锈、防蚀复合电解磨削的应用电解磨削由于集中了电解加工和机械磨削的优点，生产中经常用来磨削一些高硬度材料的零件。如：各种硬质合金刀具、量具，挤压拉丝模，轧辊等，普通磨削难以加工的小孔、深孔、薄壁筒、细长杆件等。第八节 阴极沉积加工加工方法加工原理去除加工电解加工电解抛光阳