特种加工-总复习-第五章-电化学加工

第五章电化学加工2电化学是研究两类导体形成的带电界面现象及其上所发生之变化的科学。电化学研究对象应当包括三部分：电子导体，离子导体，两类导体的界面及其上所发生的一切变化。电子导体----物理学----引用结论离子导体----电解质溶液理论----经典电化学两类导体界面及变化----近代电化学电化学加工定义电化学加工（ElectrochemicalMachining：ECM）是指通过电化学反应从工件上去除或在工件上镀覆金属材料的特种加工方法。1833年法拉第发现电化学作用原理后，逐渐开发出电解、电镀、电铸加工等。目前电化学加工成为一种必不可少的去除或镀覆金属材料及进行微细加工的重要方法，并被用于兵器、医疗、电子及模具行业中。

电化学加工的分类电化学加工有三种不同的类型。第Ⅰ类是利用电化学反应过程中的阳极溶解来进行加工，主要有电解加工和电化学抛光等；第Ⅱ类是利用电化学反应过程中的阴极沉积来进行加工，主要有电镀、电铸等；第Ⅲ类是利用电化学加工与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺进行加工，目前主要有电解磨削、电化学阳极机械加工(其中还含有电火花放电作用)。表5-1电化学加工分类5.2电化学加工基本原理1.电化学加工基本过程

1－阳极；2-电解液；3-阳离子；4-电流方向；5-电子流方向；6-阴离子；7-阴极5.3电解加工1．电解 所谓电解，是指在一定外加电压下，将直流电流通过电解池，在两极分别发生氧化反应和还原反应的电化学过程。电解池由两个金属导体分别插入电解质溶液（简称电解液）构成。如图，以电解铁为例。当用10％～20％氯化钠作电解液，以铜为工具加工碳钢时，仔细观察电解过程，可以发现：在阳极铁片附近，先是有墨绿色絮状物出现，继而又逐渐变化为黄褐色沉淀物；在阴极铜片附近，则有气泡产生并逐渐逸出。

随着工件表面金属材料的不断溶解，工具阴极不断地向工件进给，溶解的电解产物不断地被电解液冲走，工件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形状，如此下去直至将工具的形状复制到工件上。电解加工示意图1-直流电源2-工具阴极3-工件阳极4-电解液泵5-电解液电解加工成型原理2)特点 电解加工与其他加工方法相比较，它具有下列特点:(1)能加工各种硬度和强度的材料。只要是金属，不管其硬度和强度多大，都可加工。(2)生产率高，约为电火花加工的5～10倍，在某些情况下，比切削加工的生产率还高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。

(3)表面质量好，电解加工不产生残余应力、变质层，又没有飞边、刀痕和毛刺。在正常情况下，表面粗糙度Ra可达0.2～1.25μm。

(4)加工过程中无切削力和切削热，工件不产生内应力和变形，适合于加工易变形和薄壁类零件；(5)阴极工具在理论上不损耗，基本上可长期使用。 电解加工当前存在的主要问题是加工精度难以严格控制，加工精度一般不如电火花加工和超声波加工高，尺寸精度一般只能达到0.15～0.30mm；加工复杂型腔和型面时，工具的制造费用较高，一般不适合于单件和小批量生产；电解加工设备占地面积大、附属设备多、初期投资较大；此外，电解液对设备有腐蚀作用，电解液的处理也较困难。3.电极反应基本原理在前述阳极溶解铁的电解池中，写出了在阳极一边溶解铁、在阴极一边析出氢气的电极反应方程式，即：①阳极反应Fe—2eFe+2Fe+2+2OH-Fe（OH）2↓（墨绿色的絮状物）4Fe（OH）2+2H2O+O24Fe（OH）3↓（黄褐色沉淀）

②阴极反应2H++2eH2↑是否还可能进行其他电极反应？例如，带负电的OH-、CL-被阳极吸引，能否在阳极一边有氧气、氯气析出，而在阴极，还吸引带正电的Na+，则是否还能进行Na沉积的电极反应呢？即：4OH-—4eO2↑+2H2O（氧化反应）2CL-—2eCL2↑

（氧化反应）Na++eNa↓（还原反应）要回答上述问题，则必须掌握有关电极反应的基本原理或基本条件，即电极电位高低与电极反应顺序的关系。电极电位的高低决定电极反应的顺序可查常用电极的标准电极电位表可以发现：电极电位的高低、即电极电位代数值的大小，与金属的活泼性与非金属的惰性密切相关。代数值低，对应金属的活泼性大，反之亦然。在一定条件下，标准电极电位越低的金属，越容易失去电子被氧化，而越高的，则越容易得到电子被还原。也就是说，标准电极电位的高低，将决定在一定条件下对应金属离子参与电极反应的顺序。阳极一侧可能进行的电极反应及相对应标准电极电位值为：由于第一个反应式的E最低，故最容易并首先在阳极一侧进行铁被阳极溶解的电极反应，这就是电解加工的基本理论依据。类似地，考查在阴极一侧可能进行的电极反应并列出相应标准电极电位值为：显然，在阴极只有氢气逸出而不会发生钠沉积的电极反应，这是在电解加工中选择Na+、K+等活泼性金属离子中性盐水溶液作为电解液的重要理论依据。Fe—2eFe+2（E=-0.44V）4OH-—4eO2↑+2H2O

（E=+0.401V）2CL-—2eCL2↑

（E=+1.3583V）2H++2eH2↑（E=0V）Na++eNa↓（E=-2.713V）

5.4电解液1.电解液的主要作用导电提供电化学反应的场所及时带走电解产物和冷却3.常用电解液NaCl电流效率近100%几乎完全电离，导电能力强价格、货源有优势，应用最广泛杂散腐蚀较严重常用电解液NaClO3、NaNO3钝化型电解液，非线性电解液ABCDENaCl与NaClO3、NaNO3的对比电流效率生产效率阴极会有氨气析出NaClO3较贵Cl－的杂散腐蚀作用4.电解液的参数选择质量分数杂散腐蚀（NaCl）非线性（NaClO3、NaNO3

）加工过程电解质消耗引起的质量分数变化温度30～40℃较合适控制电解液PH值控制电解液的粘度5.电解液的流速需要具有足够的流速，带走电解产物（氢气和金属氢氧化物等）和热量，10m/s左右；电流密度增加时，流速要相应增加。6.电解液的流向正向、反向、横向7.电解液出水口布局

5.5电解加工的基本工艺规律（一）生产率及其影响因素生产率用单位时间去除的金属量来衡量（mm3/min，g/min）法拉第电解定律影响因素：电化学当量、电解电流、电解时间、电解液（二）精度成形规律端面平衡间隙：加工过程达到稳定时的加工间隙。工件蚀除速度等于阴极进给速度时的加工间隙。端面平衡间隙与阴极进给速度成反比。端面平衡间隙在0.25~0.3mm左右较合适。端面平衡间隙（续）

任何时刻的加工间隙⊿与阴极进给距离L的关系法向平衡间隙侧面间隙平衡间隙理论的应用根据阴极形状推算加工后工件的形状和尺寸；根据工件形状和尺寸设计电极形状和尺寸；分析加工精度；选择加工间隙、电压、进给速度等加工参数。

5.6提高电解加工精度的途径脉冲电流电解加工小间隙电解加工改进电解液混气电解加工混气电解加工提高精度的原因使电解液向非线性转化小间隙处压力高、气泡体积小、电解液

电阻率低、电解作用强；大间隙处压力低、气泡体积大、电解液

电阻率高、电解作用弱；降低电解液粘度，增加流速、均匀流场。气液混合比

电解加工设备就是电解加工机床，主要由机床本体、直流电源和电解液系统三大部分组成。

5.7电解加工的基本设备

电解加工设备组成1-直流电源2-电流表3-电压表4-床身5-工具6-管道7-溢流阀8-泵9-回流管10-滤网11-纱网12-工件13-电解液池

近年来电解加工工艺的应用研究有很大发展，除了在加工各种炮膛膛线外，在花键孔、深孔、内齿轮、链轮、叶片、异形零件及模具等方面获得广泛的应用。由于机床费用较高，一般在加工难加工材料、型面复杂、批量大的零件时选用，而单件小批生产多采用电火花加工。

5.8电解加工的应用1.电铸成型原理及特点

1)成型原理 与大家熟知的电镀原理相似，电铸成型是利用电化学过程中的阴极沉积现象来进行成型加工的，即在原模上通过电化学方法沉积金属，然后分离以制造或复制金属制品。但电铸与电镀又有不同之处，电镀时要求得到与基体结合牢固的金属镀层，以达到防护、装饰等目的。而电铸则要电铸层与原模分离，其厚度也远大于电镀层。

5.9电铸加工图5-40电铸成型的原理1-电镀槽；2-阳极；3-直流电源；4-电镀层；5-原模（阴极）；6-搅拌器；7-电铸液；8-过滤器；9-泵；10—加热器1.加工原理及特点1)加工原理 电解磨削是电解加工的—种特殊形式，是电解与机械的复