精密与特种加工技术 第六章 电化学加工

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第6章电化学加工

精密与特种加工技术

6.1概

述

电化学加工(ElectrochemicalMachining,ECM)是特种加工的一个重要分支，目前已成为一种较为成熟的特种加工工艺，被广泛应用于众多领域。依据加工原理，电化学加工可分为以下三大类：(1)利用电化学阳极溶解的原理去除工件材料。(2)利用电化学阴极沉积的原理进行镀覆加工。(3)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。2

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6.2电化学加工基本原理6.2.1电化学反应过程假如将两铜片插入CuCl2水溶液中(见下列图),由于溶液中含有OH-和Cl-负离子及H+和Cu2+正离子，当两铜片分别连接直流电源的正、负极时，即形成导电通路，有电流流过溶液和导线。在外电场的作用下，金属导体及溶液中的自由电子定向运动，铜片电极和溶液的界面上将发生得失电子的电化学反应。其中，溶液中的Cu2+正离子向阴极移动，在阴极表面得到电子而发生还原反应，沉积出铜。在阳极表面，Cu原子失去电子而发生氧化反应，成为Cu2+正离子进入溶液。在阴、阳极表面发生得失电子的化学反应即称为电化学反应，利用这种电化学反应作用加工金属的方法就是电化学加工。其中，阳极上为电化学溶解，阴极上为电化学沉积。

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电化学反应过程图

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6.2.2电极电位1.电极电位的形成任何一种金属插入含该金属离子的水溶液中，在金属/溶液界面上都会形成肯定的电荷分布，从而形成肯定的电位差，这种电位差就称之为该金属的电极电位。2.标准电极电位所谓标准电极电位是指金属在给定的统一的标准环境条件下，相对一个统一的电位参考基准所具有的平衡电极电位值。5

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3.平衡电极电位可逆反应速度即氧化反应与还原反应的速度相等，金属/溶液界面上没有电流通过，也没有物质溶解或析出，即建立一个稳定的双电层。此种状况下的电极那么称为可逆电极，相应电极电位那么称为可逆电极电位或平衡电极电位。

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6.2.3电极的极化

1.浓差极化浓差极化是由于电解过程中电极/溶液界面处的离子浓度和本体溶液浓度差别所致。在电解加工时，金属离子从阳极表面溶解出并渐渐由阳极金属/溶液界面对溶液深处扩散，于是阳极金属/溶液界面处的阳极金属离子浓度比本体溶液中阳极金属浓度高，浓度差越大，阳极表面电极电位越高。

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2.电化学极化一个电极反应过程包括反应物质的迁移、传递，反应物质在电极/溶液界面上得失电子等。假如反应物质在电极/溶液界面上得失电子的速度，即电化学反应速度落后于其他步骤所进行的速度，那么造成电极表面电荷积累，其规律是使阳极电位更正，阴极电位

更负。将由于电化学反应速度缓慢而引起的电极极化现象称作电化学极化8

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3.电阻极化电阻极化是由于电解过程中在阳极金属表面生成一层钝化性的氧化膜或其他物质的掩盖层，使电流通过困难，造成阳极电位更正，阴极电位更负。由于这层膜是钝化性的，也由于这层膜的形成是钝化作用所致，故电阻极化又称钝化极化。

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6.2.4金属的钝化和活化

1)全部处于活化溶解状态[见图(a)]2)活化—钝化—超钝化的改变过程[见图(b)]3)活化—不完全钝化—超钝化状态[见图(c)]

(a)整个区域都是活化溶解

(b)存在钝化区

(c)存在不完全钝化区

三种典型的阳极极化曲线图

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6.3电解加工

电解加工是特种加工技术中应用最广泛的技术之一，尤其适合于难加工材料、外形繁复或薄壁零件的加工。

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6.3.1电解加工过程及其特点

1.电解加工的特点与其他加工方法相比，电解加工具有如下特点。(1)加工范围广。(2)生产率高，且加工生产率不径直受加工精度和表面粗糙度的限制。(3)加工质量好。(4)可用于加工薄壁和易变形零件。(5)工具阴极无损耗。12

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2.电解加工机理电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理将工件加工成形的一种特种加工方法。3.电解加工中的电极反应标准电极电位的高低决断在肯定条件下对应金属离子参加电极反应的顺次。

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6.3.2电解加工的基本规律1.电解加工生产率既能够定性分析,又能够定量计算，可以深刻揭示电解加工工艺规律的基本定律就是法拉第定律。金属阳极溶解时，其溶解量与通过的电量符合法拉第定律。2.电流效率法拉第定律可用于依据电量计算任何被溶解物质的数量，并在理论上不受电解液成分、浓度、温度、压力以及电极材料、外形等因素的影响。3.电解加工速度类似于一般机械加工，人们盼望掌控在工件被加工表面法线方向上的去除(加工)线速度。4.加工间隙加工间隙是电解加工的核心工艺要素，它径直影响加工精度、表面质量和生产率，也是设计工具阴极和选择加工参数的主要依据。

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6.3.3电解液1.电解液的作用、要求及分类1)电解液的作用电解液是电解池的基本组成部分，是产生电解加工阳极溶解的载体。正确地选用电解液是电解加工的最基本的条件。电解液的主要作用是：(1)与工件阳极及工具阴极组成进行电化学反应的电极体系，实现所要求的电解加工过程，同时所含导电离子也是电解池中传送电流的介质，这是其最基本的作用。(2)摒除电解产物，掌握极化，使阳极溶解能正常连续进行。(3)实时带走电解加工过程中所产生的热量

,使加工区不致过热而引起沸腾、蒸发，以确保正常的加工。

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2)对电解液的要求对电解液总的要求是加工精度和效率高、表面质量好、有用性强。但随着电解加工的进展，对电解液又不断提出新的要求。依据不同的出发点，有的要求可能是不同的甚至相互冲突的。对电解液的基本要求包括以下四个主要方面。(1)电化学特性方面。(2)物理特性方面。(3)稳定性方面。(4)有用性方面。

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2.常用电解液及其选择原那么1)电解液选择的原那么2)常用电解液目前生产实践中常用的电解液为中性电解液中的NaCl、NaNO3及NaClO3三种。3)低浓度复合电解液如前所述，近年开发的低浓度复合电解液在改善钛合金加工及镍基铸造合金的表面质量以及提高铁基合金或金属的加工精度上有显著的效果。17

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3.电解液的流淌形式

电解液的流淌形式图

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6.3.4电解加工设备1.电解加工设备的组成及基本要求1)电解加工设备的组成电解加工设备包括机床本体、整流电源、电解液系统三个主要实体以及相应的掌握系统。2)电解加工设备的基本要求(1)机床刚性强。(2)进给速度稳定性高。(3)设备耐腐蚀性好。(4)电气系统抗干扰性强。(5)大电流传导性好。(6)安全措施完备。

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2.电解加工机床1)电解加工机床的主要类型2)电解加工机床的主要部件3.电解加工电源电源是电解加工设备的核心部分，电解加工机床和电解液系统的规格都取决于电源的输出电流，同时电源调压、稳压精度和短路爱护系统的功能，影响着加工精度、加工稳定性