第四章电化学加工特种加工课件

§4电化学加工§4电化学加工§4.1电化学加工原理及分类§4.2电解加工§4.3电解磨削§4.4电铸、电镀及复合镀加工§4.1电化学加工原理及分类电化学加工（ElectrochemicalMachining：ECM）包括从工件上去除金属的电解加工和在工件上沉积金属的电铸加工两大类，属于通过电化学反应去除工件材料或在其上镀覆金属材料的非传统加工方法。§4.1电化学加工原理及分类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§4.1电化学加工原理及分类电解质溶液基本概念电解质：溶于水后能导电的物质，盐酸（HCl）、氢氧化钠（NaOH）、食盐（NaCl）、氯酸钠（NaClO3）等酸、碱、盐。电解质溶液：电解质与水形成的溶液。质量分数：电解液中所含电解质的多少。电离：物质溶解于水时，离解成自由移动的离子的过程。§4.1电化学加工原理及分类电极电位(a)活泼金属的双电层

(b)不活泼金属的双电层

U

Ub

Ua§4.1电化学加工原理及分类双电层的电位分布

U-金属与溶液间的双电层电位差；Ua-双电层紧密部分的电位差；Ub-双电层分散部分的电位差；a-紧密层；b-分散层；c-溶液§4.1电化学加工原理及分类金属的电极电位在金属和其盐溶液之间的电位差。当金属溶解和沉积互相平衡时的电极电位，又称为平衡电极电位。电极电位的测量25℃时，金属离子有效质量分数为1g/L，金属的电极电位与标准氢电极的电位差，成为标准电极电位。§4.1电化学加工原理及分类能斯特公式用于计算不同质量分数时的电极电位。§4.1电化学加工原理及分类原电池原理任何两种金属插入某一电解液中，两金属表面与电解液都形成双电层，两金属之间存在电位差，有导线连接时，有电流通过。通过原电池原理使金属溶解过程非常缓慢，可以利用外电场，促进电子移动过程的加剧。§4.1电化学加工原理及分类电极的极化平衡电极电位是没有电流通过电极时的情况，当有电流通过时，电极的平衡状态遇到破坏，使阳极电位正向移动（代数值增大）、阴极电位负向移动（代数值减小）。极化后的电极电位与平衡电位的差值成为超电位，电流密度增加，超电位也增加。§4.1电化学加工原理及分类电极的极化（续）§4.1电化学加工原理及分类电极的极化（续）极化：当有电流通过电解池时，电极的平衡状态被破坏，阳极电位向正移，阴极的电位向负移动，这一现象称为极化。超电位：极化后的电极电位与平衡电位的差值称为超电位。浓差极化&电化学极化§4.1电化学加工原理及分类浓差极化在外电场的作用下，如果阳极表面液层中金属离子的扩散与迁移速度较慢，来不及扩散到溶液中去，使阳极表面造成金属离子堆积，引起了电位值增大（即阳极电位向正移），这就是浓差极化。阴极的浓差极化较小。使浓差极化减小的措施（加速电极表面离子的扩散和迁移速度）提高电解液流速以增强其搅拌作用；升高电解液温度等§4.1电化学加工原理及分类电化学极化

电化学极化主要发生在阴极上，从电源流入的电子来不及转移给电解液中的阳离子，在阴极上积累过多的电子使阴极电位向负移，从而形成电化学极化。阳极上的电化学极化一般是很小的，但当阳极上产生析氧反应时，就会产生相当严重的电化学极化。电化学极化影响因素电化学极化仅仅取决于反应本身，即电极材料和电解液成分，此外还与温度、电流密度有关。温度升高，反应速度加快，电化学极化减小；电流密度愈高，电化学极化也愈严重。§4.1电化学加工原理及分类金属的钝化钝化：金属阳极溶解过程中超电位升高，电解速度减慢的现象。成相理论：阳极表面形成了一层紧密的极薄的由氧化物、氢氧化物或盐等物质组成的覆盖层。吸附理论：金属表面形成氧的吸附层。氧的吸附作用和致密薄膜层的共同作用造成了钝化现象。§4.1电化学加工原理及分类金属的活化利用阳极溶解原理的电化学加工时，若阳极溶解过程缓慢，会影响生产率。活化：使金属钝化膜破坏的过程称为活化。影响活化的因素加热电解液；通入还原性气体或某些活性离子（Cl-）；采用机械办法破坏钝化膜等。§4.1电化学加工原理及分类§4.2电解加工电解加工是继电火花加工之后发展较快、应用较广泛的一项新工艺。§4.2电解加工§4.2.1电解加工过程及特点§4.2.2电解加工时的电极反应§4.2.3电解液§4.2.4电解加工的基本规律§4.2.5提高电解加工精度的途径§4.2.6电解加工的基本设备§4.2.7电解加工工艺及其应用§4.2.1电解加工过程及特点电解加工利用金属在电解液中的电化学阳极溶解，将工件加工成形。电解加工示意图1-工具阴极2-工件阳极3-电解液泵4-电解液5-直流电源§4.2.1电解加工过程及特点电解加工成形原理图中细竖线的疏密程度表示两极间的电流密度的大小，在加工刚开始时，两极之间距离近的地方通过的电流密度较大，电解液流速也较高，阳极的溶解速度就比较快。当工具相对于工件不断进给，直至得到工件表面和阴极工作表面基本相似的形状。工具工件电流§4.2.1电解加工过程及特点电解加工的优点加工范围广（高硬度、高强度、高韧性、复杂型面）；生产率较高，约为电火花加工的5~10倍，且加工生产率不直接受到加工精度和表面粗糙度的限制；可达到较好的表面粗糙度Ra1.25~0.2µm和±0.1mm的平均精度；加工过程不存在机械切削力，无残余应力和变形，无飞边和毛刺；阴极工具不耗损，可长期使用。§4.2.1电解加工过程及特点电解加工的缺点不易达到较高的精度和加工稳定性，杂散腐蚀严重，难以实现窄缝、小孔的加工；电极工具设计与制造麻烦，难适应单件生产；附属设备较多，占地面积大，要求机床具有足够的刚度和防腐蚀性，造价高；电解液对环境有污染，需要无害化处理。§4.2.1电解加工过程及特点选择电解加工工艺的原则：难加工材料；复杂形状零件；大批量生产。同时满足上述三个原则时，选择电解加工比较合理。§4.2.2电解加工时的电极反应电极反应过程基本原理电极电位最负的物质首先在阳极反应；电极电位最正的物质首先在阴极反应。§4.2.2电解加工时的电极反应电能的利用加工电压是使阳极不断溶解的总能源。等于电解液电阻形成的欧姆电压与两极反应所必须的电压之和（由阴阳两极本身的电极电位和极化产生的各种超电位组成）；电解加工时的浓差极化一般不大，所以电压主要取决于电化学极化和钝化。阳极溶解不仅与加工电压有关，更加取决于电流效率。§4.2.2电解加工时的电极反应电能的利用（续）当阳极极化严重时，导致电极电位与溶液中某些阴离子相差不多，除产生阳极溶解外，还产生一些副反应，使得电流效率降低，例如阳极析氧。阳极钝化金属成为高价金属离子溶解§4.2.3电解液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§4.2.3电解液对电解液的要求具有足够的蚀除速度高的导电率阴离子具有较正的标准电极电位，以免产生析氧反应；具有较高的加工精度和表面质量阳离子具有较负的标准电极电位，以免在阴极上沉积，改变工具形状和尺寸；阳极产物为不溶性化合物§4.2.3电解液常用电解液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§4.2.3电解液常用电解液NaClO3、NaNO3钝化型电解液，非线性电解液ABCDE§4.2.3电解液NaCl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§4.2.3电解液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§4.2.3电解液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。电解液的流向正向、反向、横向§4.2.3电解液电解液出水口布局§4.2.4电解加工的基本规律（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§4.2.4电解加工的基本规律电化学当量与生产率电极溶解或析出物质的量与电荷量（Q＝It）成正比，比值成为电化学当量。（＝100％）§4.2.4电解加工的基本规律利用法拉第电解定律求金属的蚀除量

例1

某厂用NaCl电解液电解一批零件，要求在64mm厚的低碳钢板上加工直径为25mm的通孔。已知中空电极内孔直径13.5mm，每个孔限5min加工完，求需要用多大电流？如果电解电流用5000A，求电解时间？（已知低碳钢的体积电化学当量为）§4.2.4电解加工的基本规律求电解一个孔的金属去除量：根据法拉第电解定律求需用电流：求当电流为5000A时单孔加工时间：§4.2.4电解加工的基本规律电流密度与生产率实际电流密度决定于电源电压、电极间隙、电解液导电率。§4.2.4电解加工的基本规律电极间隙与蚀除速度（与电解液温度和浓度有关）§4.2.4电解加工的基本规律电极间隙与蚀除速度§4.2.4电解加工的基本规律电极间隙与蚀除速度固定式阴极电解加工时，电解时间与加工间隙的关系推导。§4.2.4电解加工的基本规律例2用温度为30度，质量分数为15%的NaCl电解液（查表知其电导率为），对某一碳钢零件进行固定式阴极电解扩孔，起始间隙为0.2mm，电压为12V，求刚开始时的蚀除速度和间隙为1mm时的蚀除速度，并求间隙从0.2mm到1mm所需的时间。（已知钢的体积电化学当量为，假定阳极、阴极的压降之和为2V。）§4.2.4电解加工的基本规律电解液欧姆压降：开始的蚀除速度：间隙为1mm时的蚀除速度：这个过程需要的时间：§4.2.4电解加工的基本规律（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。§4.2.4电解加工的基本规律端面平衡间隙（续）任何时刻的加工间隙⊿与阴极进给距离L的关系§4.2.4电解加工的基本规律端面平衡间隙（续）根据曲线，可以利用查图表法求任何时刻的加工间隙。§4.2.4电解加工的基本规律法向平衡间隙§4.2.4电解加工的基本规律侧面间隙§4.2.4电解加工的基本规律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。§4.2.4电解加工的基本规律影响加工间隙的其他因素电流效率电导率加工电压加工间隙内工具形状，电场强度的分布状态电解液的流动方向§4.2.4电解加工的基本规律表面质量的影响因素工件材料（成分、金相组织、热处理状态等）工艺参数（电流密度、电解液流速和温度等）阴极电极表面质量（三）表面质量§4.2.5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§4.2.5提高电解加工精度的途径脉冲电流电解加工脉冲间隔时间内，利用电解液的流动和冲刷使加工间隙内电解液电导率基本均匀；由于使阴极析氢呈现脉冲状，对电解液起到搅拌作用，有利于电蚀产物的去除。脉冲电流－同步振动电解加工§4.2.5提高电解加工精度的途径小间隙电解加工端面——整平

加工间隙越小，则突出部位去除越快，整平效果越好。侧面——孔的成形精度§4.2.5提高电解加工精度的途径改进电解液钝化性电解液和复合电解液低质量分数电解液（加工效率低）§4.2.5提高电解加工精度的途径混气电解加工用混气装置将一定压力的气体与电解液混合，使电解液成为包含无数气泡的气液混合物，进行电解加工。提高成形精度，简化电极设计§4.2.5提高电解加工精度的途径混气电解加工装置§4.2.5提高电解加工精度的途径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§4.2.6电解加工的基本设备电解加工包括三大部分：直流电源（脉冲电源）机床（刚度、进给稳定性、安全性）电解液系统（净化）§4.2.7电解加工工艺及其应用深孔扩孔加工固定式移动式§4.2.7电解加工工艺及其应用型孔加工用于形状复杂、尺寸较小的四方、六方、椭圆等形状的通孔和盲孔。一般采用端面进给法。§4.2.7电解加工工艺及其应用型孔加工喷油嘴内圆弧的槽加工§4.2.7电解加工工艺及其应用型腔加工阴极的设计问题较突出；复杂型腔表面加工时，在阴极上加工增液孔、增液缝，保持电解液流场的均匀性。§4.2.7电解加工工艺及其应用套料加工§4.2.7电解加工工艺及其应用叶片加工§4.2.7电解加工工艺及其应用其他电解加工电解倒棱去毛刺电解刻字电解抛光数控展成电解加工§4.3电解磨削§4.3.1电解磨削的基本原理和特点§4.3.2影响电解磨削生产率和加工质量的因素§4.3.3电解磨削用电解液及其设备§4.3.4电解磨削的应用§4.3.1电解磨削的基本原理和特点电解磨削（ElectrochemicalGrinding）20世纪50年代初美国人研究发明的复合加工。利用阳极金属电化学腐蚀作用和机械磨削作用相结合的加工方法，主要依靠电化学作用蚀除金属（95%~98%），机械作用主要是去除电解产物阳极钝化膜。比电解加工更好的加工精度和表面质量；比机械磨削更高的效率。§4.3.1电解磨削的基本原理和特点电解磨削原理——电解作用和磨削作用的交替进行工件接直流电源的正极，导电砂轮接负极。磨削时，两者之间保持一定的磨削压力，凸出于磨轮表面的非导电性磨料使工件表面与磨轮导电基体之间形成一定的电解间隙（约0.02～0.05毫米），同时向间隙中供给电解液。在直流电的作用下，工件表面金属发生电解作用，生成阳极膜。这些电解产物不断地被砂轮刮除，在阳极工件露出新的金属表面并被继续溶解。§4.3.1电解磨削的基本原理和特点电解磨削的特点与机械磨削对比加工范围广、效率高：高硬度、高韧性的材料；较高的加工精度和表面质量；砂轮磨损量小；不易达到锋利的刃口，机床、夹具需防蚀防锈，需要附加设备。§4.3.1电解磨削的基本原理和特点电解磨削的特点与电解加工对比依靠砂轮磨削作用去除和活化钝化膜，因此，所需电解液压力、流量较小；采用钝化型电解液。§4.3.2影响生产率和加工质量的因素影响生产率的主要因素电化学当量电流密度磨轮与工件间的导电面积磨削压力§4.3.2影响生产率和加工质量的因素影响加工精度的因素电解液成分（形成钝化膜的疏密程度）阴极导电面积和磨粒轨迹被加工材料的性质（各种金属同时溶解）机械因素（磨轮、夹具精度，机床成形精度等）§4.3.2影响生产率和加工质量的因素影响表面粗糙度的因素电参数（电压不能过低或者过高，电流密度同电压）电解液（钝化型或者半钝化型的电解液）被加工材料的性质机械因素（磨粒粒度、磨削压力等）§4.3.3电解磨削用电解液及其设备电解液的选择原则能够使金属生成结构紧密、粘附力强的钝化膜；导电性好，以获得高生产率；不锈蚀机床和夹具；对人体无害；经济。§4.3.3电解磨削用电解液及其设备电解磨削用设备直流电源：与电解加工设备通用。电解液系统小型离心泵，过滤、沉淀装置等。电解磨床特别制造的导电砂轮；（铜基、石墨）电解磨床也可由一般磨床改装。§4.3.4电解磨削的应用硬质合金刀具、轧辊的电解磨削不仅能够提高磨削效率，而且可以大大减少砂轮消耗，降低成本。§4.3.4电解磨削的应用电解珩磨对小孔、深孔、薄壁筒等零件进行电解珩磨，能够达到较高的生产效率和较好的表面粗糙度。§4.3.4电解磨削的应用电解研磨采用钝化型电解液，利用机械研磨去除工件表面微观不平度各高点的钝化膜，使得金属裸露再次形成钝化膜，从而实现镜面加工。§4.3.4电解磨削的应用电解在线修整（ElectrolyticIn-processDressing:ELID）磨削§4.4电铸、电镀及复合镀加工电铸加工的原理利用电镀液中金属正离子在电场的作用下，镀覆沉积到阴极上去的过程。§4.4电铸、电镀及复合镀加工电铸加工的特点能准确、精密地复制复杂型面和细微纹路；能获得尺寸精度高、表面粗糙度小于Ra0.1µm的复制品，电铸件一致性极好；适应性广泛。§4.4电铸、电镀及复合镀加工电铸加工的应用范围复制精细表面轮廓花纹；复制注塑用模具、电火花型腔加工用电极；制造复杂、高精度的空心零件和薄壁零件；制造表面粗糙度标准样块、反光镜、表盘、异形孔喷