特种加工第4章

11第4章电化学加工

(ElectrochemicalMachining简称ECM)南京航空航天大学机电学院南航刘志东主编南航刘志东主编224.1

概述

电化学加工（ElectrochemicalMachining—ECM）是指基于电化学作用原理而去除材料（电化学阳极溶解）或增加材料（电化学阴极沉积）的加工技术。早在1833年，英国科学家法拉第（Faraday）就提出了有关电化学反应过程中金属阳极溶解（或析出气体）及阴极沉积（或析出气体）物质质量与所通过电量的关系，即创建了法拉第定律，奠定了电化学学科和相关工程技术的理论基础。4.1.1

电化学加工的概念南航刘志东主编33电化学加工过程

图4-1电化学加工原理南航刘志东主编4

凡溶于水后能导电的物质叫做电解质，其水溶液称为电解液。电解液的重要参数：浓度；电离；pH值。

在阴、阳极电极表面发生得失电子的化学反应称为电化学反应。利用电化学作用为基础对金属进行加工的方法叫电化学加工。（二）电解质溶液（一）电化学加工过程南航刘志东主编5（三）电极电位原电池是化学能转变为电能的装置它由两个“半电池”所组成，而每一个半电池中有一个电极和相应的电解质溶液，例如：铜锌电池

Zn｜ZnSO4(m1)‖CuSO4(m2)｜Cu南航刘志东主编6电解池是利用电能发生氧化还原反应的装置。

在电解池中，与直流电源的负极相连的极叫做阴极，与直流电源的正极相连的极叫做阳极。南航刘志东主编7双电层的形成

◆金属的电极电位：在金属和其盐溶液之间的电位差。

◆平衡电极电位：当金属溶解和沉积互相平衡时的电极电位。

南航刘志东主编8双电层的形成金属/溶液界面双电层示意图南航刘志东主编9标准电极电位金属在其盐溶液中和标准氢电极之间的电位差。standardhydrogenelectrode（SHE）实际测量时需用电势已知的参比电极替代标准氢电极，如甘汞电极、氯化银电极等。saturatedcalomelelectrode（SCE）以标准氢电极作为基准，可以用公式计算。南航刘志东主编10标准电极电位南航刘志东主编1111电极氧化态/还原态

电极反应

电极电位（V）

电极氧化态/还原态

电极反应

电极电位（V）

Li+/LiRb+/RbK+/KBa2+/BaSr2+/SrCa2+/CaNa+/NaMg2+/MgU3+/UAl3+/AlMn2+/MnZn2+/ZnFe2+/FeCd2+/CdCo2+/CoNi2+/NiSn2+/SnLi++e⇆LiRb++e⇆RbK++e⇆KBa2++2e⇆BaSr2++2e⇆SrCa2++2e⇆CaNa++e⇆NaMg2++2e⇆MgU3++3e⇆UAl3++3e⇆AlMn2++2e⇆MnZn2++2e⇆ZnFe2++2e⇆FeCd2++2e⇆CdCo2++2e⇆CoNi2++2e⇆NiSn2++2e⇆Sn-3.01-2.98-2.925-2.92-2.89-2.84-2.713-2.38-1.80-1.66-1.05-0.763-0.44-0.402-0.27-0.23-0.14Pb2+/PbH+/H2S/H2SCu2+/CuO2/OH-Cu+/CuI2/I-As5+/As3+Fe3+/Fe2+Hg2+/HgAg+/AgBr2/Br-Mn4+/Mn2+Cr6+/Cr3+Cl2/Cl-Mn7+/Mn2+F2/F-

Pb2++2e⇆PbH++e⇆(1/2)H2S+2H++2e⇆H2SCu2++2e⇆CuH2O+(1/2)O2+2e⇆2OH-Cu++e⇆CuI2+2e⇆2I-H3AsO4+2H++2e⇆HAsO2+2H2OFe3++e⇆Fe2+Hg2++2e⇆HgAg++e⇆AgBr2+2e⇆2Br-MnO2+4H++2e⇆Mn2++2H2OCr2O72-+14H++6e⇆2Cr3++7H2OCl2+2e⇆2Cl-MnO4-+8H++5e⇆Mn2++4H2OF2+2e⇆2F-

-0.1260+0.141+0.340+0.401+0.522+0.535+0.58+0.771+0.7961+0.7996+1.065+1.208+1.33+1.3583+1.491+2.87表4-1常用电极的标准电极电位南航刘志东主编12=E°+

式中E

——平衡电极电位(V)；

E0——标准电极电位(V)；

R——摩尔气体常数(8.314J/mol·K)；

F——法拉第常数(96500C/mol)；

T——热力学温度(K)；

n——电极反应中得失电子数；

a——离子的活度(有效浓度)(mol/L)。

（四）平衡电极电位的计算南航刘志东主编13◆极化：当有电流通过电解池时，电极的平衡状态被破坏，阳极电位向更加正的方向移动，阴极的电位向更加负的方向移动，这一现象称为极化。◆过电位：极化后的电极电位与平衡电位的差值称为过电位。1．电极的极化（五）电极的极化南航刘志东主编14三种典型的阳极极化曲线南航刘志东主编15铁阳极的阳极极化曲线

钛阳极的阳极极化曲线

南航刘志东主编16◆电解加工的阳极过程：

◆电解加工的阴极过程：南航刘志东主编17由于电化学反应缓慢而引起的电极极化称为电化学极化。

电极过程中如由于离子的扩散、迁移步骤缓慢而导致的电极极化称为浓差极化。◆电解加工中减少浓差极化的主要措施：提高电解液的流速；升高电解液温度。

ΔEe=a+blgi

塔费尔(Tafel)公式

（小电流密度）式中a、b为常数，与电极材料性质、电极表面状态、电解液成分、浓度、温度等因素有关

2.浓差极化（阳极为主）3.电化学极化（阴极为主）南航刘志东主编18阳极

失去电子电位越负

越容易发生氧化反应；阴极

得到电子电位越正

越容易发生还原反应。ΔER=IRd

式中：I为通过电极的电流；Rd为钝化膜电阻。ΔE=ΔES+ΔEe+ΔER

4.电阻极化（钝化极化）5.总超电压6.总结南航刘志东主编19

电解时，阳极电流密度增加至一定值后，溶解速度反而急剧下降，阳极表面呈不溶解状态，这一过程称为阳极钝化。（六）金属的钝化与活化南航刘志东主编20

主要活化手段：加热电解液；加入活性离子或还原剂；机械抛磨去除。

使金属钝化膜破坏而脱离钝化状态的过程称为活化。南航刘志东主编21214.1.2

电化学加工的分类

电化学阳极溶解类：

电解加工、电解抛光、电解去毛刺电化学阴极沉积类：

电铸、电镀、刷镀电化学复合加工类：

电解磨削、电解机械研磨、超声电解、电解电火花复合加工、激光辅助束流化学加工等。南航刘志东主编2222类别加工方法加工原理主要加工作用Ⅰ电解加工电化学阳极溶解从工件（阳极）去除材料，用于形状、尺寸加工电解抛光从工件（阳极）去除材料，用于表面加工、去毛刺Ⅱ电铸成形电化学阴极沉积向芯模（阴极）沉积而增材成形，用于制造复杂形状的电极，复制精密、复杂的花纹模具电镀向工件（阴极）表面沉积材料，用于表面加工、装饰电刷镀向工件（阴极）表面沉积材料，用于表面加工，尺寸修复复合电镀向工件（阴极）表面沉积材料，用于表面加工，磨具制造Ⅲ电解磨削电解与机械磨削的复合作用从工件（阳极）去除材料或表面光整加工，用于尺寸、形状加工，超精、光整加工、镜面加工电化学—机械复合研磨电解与机械研磨的复合作用对工件（阳极）表面进行光整加工超声电解电解与超声加工的复合作用改善电解加工过程以提高加工精度和表面质量，对于小间隙加工复合作用更突出电解—电火花复合加工电解液中电解去除与放电蚀除的复合作用力求综合达到高效率、高精度的加工目标表4-2电化学加工的分类表南航刘志东主编23234.1.3电化学加工的特点

电化学加工的主要优越性在于：

（1）可加工各种高硬度、高强度、高韧性等难切削的金属材料；（2）可加工各种具有复杂曲面、复杂型腔和复杂型孔等典型结构的零件；（3）加工表面质量好；（4）加工生产率高；（5）加工过程中工具阴极无损耗；（6）电化学加工的产物和使用的工作液对环境、设备会有一定的污染和腐蚀作用。南航刘志东主编2424

4.2

电解加工

4.2.1

电解加工概述电解加工（ElectrochemicalMachining—ECM），是对作为阳极的金属工件在电解液中进行阳极溶解而去除材料、实现工件加工成形的工艺过程。

电解加工系统如图基本构成与图4-1所示的电解池相同。南航刘志东主编25

（1）工件阳极和工具阴极(大多为成型工具阴极)间保持很小的间隙(称作加工间隙)，一般在0.1～1mm范围内。（2）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焦耳热，同时流动的电解液还具有减轻极化的作用。（3）工件阳极与工具阴极分别和直流电源(一般为10～24V)连接，在上述两项工艺条件下，则通过两极加工间隙的电流密度很高，高达（10～102）A/cm2数量级。电解加工为了能实现特定几何尺寸、几何形状的加工，还必须具备下列特定工艺条件：南航刘志东主编2626

由电解加工原理所决定，电解加工具有以下工艺特点：（1）加工范围广；（2）加工效率高；（3）加工表面质量好；（4）工具无损耗；（5）不存在机械切削力。

但是，电解加工也存在下列缺点和不足：（1）加工精度还不够高；（2）工具阴极设计制造的工作量较大；（3）设备一次投资大；（4）处理不当，对周围环境可能产生污染。电解加工的特点南航刘志东主编2727

电解加工对难切削材料、复杂形状零件的批量生产无疑是一项高效率、高表面质量、低成本的工艺技术。如果加工对象选择得当，技术经济分析合理，发挥电解加工的长处，克服其缺陷和不足，就能够获得良好的技术经济效果。我国的一些专家提出选用电解加工工艺的三条原则：电解加工适用于难切削材料的加工；电解加工适用于相对复杂形状零件的加工；电解加工适用于批量大的零件加工。一般认为，三条原则均满足时，相对而言选择电解加工比较合理。南航刘志东主编28284.2.2电解加工的基本规律

1．法拉第定律和电流效率

（1）法拉第定律1）在电极的两相界面处(如金属/溶液界面上)发生电化学反应的物质质量与通过其界面上的电量成正比。此称法拉第第一定律。2）在电极上溶解或析出一克当量任何物质所需的电量是一样的，与该物质的本性无关。此称法拉第第二定律。南航刘志东主编2929法拉第定律

M=kQ=kIt

南航刘志东主编3030金属密度ρ(g/cm3)相对原子质量A原子价n体积电化当量ω(cm3/A·min)铝2.7126.9830.0021钨19.2183.9250.0012铁7.8655.85230.00220.0015钴8.8658.94230.00210.0014镁1.7424.3220.0044锰7.454.94240.00230.0012铜8.9363.57120.00440.0022钼10.295.95460.00150.0010镍8.9658.69230.00210.0014铌8.692.91350.00220.0013钛4.547.940.0017铬7.1652.01360.00150.0008锌7.1465.3820.0028表4-3部分金属的体积电化当量南航刘志东主编3131合金密度ρ(g/cm3)体积电化当量ω(cm3/A·min)合金密度ρ(g/cm3)体积电化当量ω(cm3/A·min)GH33(ЭИ437Б)7.850.0021LY112.80.002GH37(ЭИ617)7.80.0020LY90.0022(ЭИ598)0.0019TC64.50.0021(ФН62ВМКЮ)7.850.0021TC85CrMiMo7.80.0022TC91Cr18Ni9Ti7.90.0021TC24.550.002630CrMnSiA7.850.0022(BT16)4.680.002330CrMnSiNiA7.77(BT20)4.450.002238Ni7.71(BT22)4.50.002338Ni7.750.002(BK8)14.350.00132Cr138.80.0018(T15K6)110.0015(ЭИ893)(T5K10)12.2注：表列括号中的合金牌号为苏联标准牌号表4-4部分合金体积电化当量南航刘志东主编3232

（2）电流效率

时，可能是由于：或阳极产生副反应。时，可能是由于：或阳极有机械剥离。影响电流效率η的主要因素有：加工电流密度i；阳极金属材料-电解液成分的匹配；甚至电解液浓度、温度等工艺条件。为利于工程实用，通常由实验得到η-i关系曲线。南航刘志东主编33331．法拉第定律和电流效率

实际体积电化当量与电流密度关系曲线南航刘志东主编34342.电解加工速度

考虑到实际电解加工条件下的电流效率

加工间隙的变化

南航刘志东主编3535

3.电解加工间隙

电解加工是有间隙加工，研究加工过程间隙变化规律对掌握电解加工工艺规律，保证加工过程的稳定从而控制加工精度有重要意义。

影响电解加工间隙的因素非常复杂。首先以最简单情况分析加工间隙的过渡过程，如图4-8所示将电极和工件均简化为平板。南航刘志东主编3636

将上式微分，并注意到Δ0、vc为常数，则可以得到：在dt时间内，阴极溶解深度dh与加工间隙的变化量d

之间的关系为（4-12）

因为dh=vadt=ηωκURdt/

，由式（4-11）及式（4-12）可得：

如前所述，令C=ηωκUR，且知C为常数，则可得：

南航刘志东主编3737（4-13）

上式就是阴极恒速进给时加工间隙变化的过渡过程基本微分方程。南航刘志东主编3838平衡间隙理论的应用

1）计算加工过程中各种间隙2）选择间隙、加工电压、进给速度等加工参数3）分析加工精度4）设计阴极为了提高阴极的设计精度，缩短阴极的设计和制造周期，可根据电解加工间隙理论利用计算机辅助设（CAD）、逆向工程数字化设计、制造等先进方法来设计制造阴极，有望解决电解加工中阴极设计制造的技术难题。南航刘志东主编3939

4．电解加工表面质量

（1）电解加工表面质量特点电解加工表面质量是指工件经电解加工后其表面及表面层的几何、物理、化学性能的变化，又称电解加工工件表面完整性。其内涵包括两部分：一是指加工后工件表面粗糙度、波纹度和几何纹理的改变；二是指工件表面层材料组织、性能的改变，即在加工过程中受机械、物理、化学、电、热和微观冶金过程的作用，使表面层材料组织、性能发生的变化。南航刘志东主编4040（2）影响电解加工表面粗糙度的主要因素如下：

1）工件材质;2）电解液的组成;3）电流密度;4）电解液流场;5）脉冲电流电解加工 针对不同工件材料选择合适的电解液组成，采用合理的工艺参数，如采用小间隙、高电流密度条件加工，合理设计流场，或采用脉冲电流或混气电解加工，都是降低工件表面粗糙度的有效措施。南航刘志东主编4141（3）电解加工可能产生的表面缺陷1.晶间腐蚀2.流纹3.麻点（点状腐蚀）南航刘志东主编42电解加工可能产生的表面缺陷南航刘志东主编4343（4）电解加工表面质量对疲劳强度的影响影响工件疲劳强度的因素包括工件材料特性及热处理状态、工件几何结构及尺寸、工件受载状态及变化、工件表面质量等因素。机械切削会在加工表面留下刀痕及刀具形成的微观不平，使疲劳强度降低；电解加工却可以去除前道工序遗留的原始刀痕，而使疲劳强度提高。电解加工表面不会产生冷作硬化和表面应力，对疲劳强度无显著影响，但如前道工序产生表面拉应力，而电解加工去除了表面拉应力，会对提高疲劳强度有利。同样条件下，电解加工工件的疲劳强度高于机械切削加工的疲劳强度，而低于磨削加工的疲劳强度。南航刘志东主编4444（5）提高电解加工工件疲劳强度的措施对不同材料，选择适当成分、浓度的电解液；

选择最佳工艺参数，如高电流密度，高电解液流速，适当的电解液温度等；对电解加工的工件表面进行机械抛光（如毡轮抛光、振动抛光等）或表面喷丸强化处理，都会使工件表面产生压应力，有利于提高疲劳强度；采用NaNO3电解液，脉冲电流电解加工高温耐热合金（如镍基合金、不锈钢等）以及模具钢，具有很好的表面质量，可获得较高的疲劳强度。

南航刘志东主编45

1）有较高的电导率、离解度；

2）阴离子不至产生阳极副反应，阳离子不至在阴极发生沉积反应；

3）阳极反应最终产物为不溶性沉淀；

4）性能稳定，对设备腐蚀性小，对人无危害，价格低廉，容易得到供应。

1）作为导电介质传递电流；

2）参与电化学反应；

3）及时带走电解产物及热量，起到更新极间介质状态及冷却的作用。对电解液的基本要求：

（一）电解液的主要作用：4.2.3

电解液

南航刘志东主编46（二）电解液类型按酸碱度分类按组成分类按浓度分类中性电解液：活性——卤素族盐，如NaCl钝性——含氧酸族盐，如NaNO3、NaClO3等单一组分电解液高浓度电解液酸性电解液：H2SO4、HCl等无机酸水溶液碱性电解液：NaOH复合电解液低浓度电解液（浓度≤10%）南航刘志东主编47（三）常用电解液1．NaCl溶液2．NaNO3溶液3．NaClO3溶液4．添加剂南航刘志东主编484.2.3

电解液

项目NaClNaNO3NaClO3常用浓度250g／L以内400g／L以内450g／L以内表面粗糙度一般为Ra=0.8～6.3μm在同样条件下低于NaCl电解液一般情况下低于NaCl和NaNO3电解液加工精度较低较高高表面质量加工镍基合金易产生晶间腐蚀，加工钛合金易产生点蚀一般不产生晶间腐蚀，但电流密度低时也会产生点蚀杂散腐蚀最小，一般也不会产生点蚀，已加工面耐蚀性较好腐蚀性强较弱弱安全性安全、无毒助燃（氧化剂）助燃（强氧化剂）稳定性加工过程较稳定，组分及性能基本不变加工过程pH值缓慢增加加工过程缓慢分解，C1-增加，C1O3-减少，相对成本NaCl:NaNO3:NaClO3=2:5:12应用范围精度要求不很高的铁基、镍基、钴基合金等，应用范围最广精度要求较高的铁基、镍基、钴基合金，有色金属（铜、铝等）加工精度要求较高的工件；固定阴极加工南航刘志东主编49NaNO3溶液南航刘志东主编50南航刘志东主编51

式中的称为切断间隙或截止间隙；对应的称为切断电流密度或截止电流密度。南航刘志东主编52Δα1Δα2图中:灰色为使用NaCl电解液加工孔形状示意

红色为使用NaNO3电解液加工孔形状示意南航刘志东主编5353

正向（行业称呼：正水)反向（行业称呼：反水）

1.电解液流动形式电解液流速：10m/s左右电解液流向：电解液常见出水口：窄槽（缝）；孔

侧向（行业称呼：侧流）

（四）流场设计南航刘志东主编54542.各种流动形式特点侧流正流反流备注流动特点在圆滑连接、截面变化平缓的通道中流动，速度、压力缓慢变化进、出口流道有较大的转折，速度、压力变化较大

1）钛合金加工对流场反应敏感，为使流场均匀，最好在出口处施加一定的背压；

2）适当设计通液口（槽），可将正流、反流方式应用于型面加工扩散流收敛流流场均匀性较好较差好防止空穴现象好较差好夹具设计制造复杂简单复杂加工型面时的阴极设计制造简单较复杂复杂对工件形状的适应性差中等好加工稳定性差较差好加工精度中等较差好流场分布的可控制性差较好好南航刘志东主编55553.确定流动形式的一般原则：1)根据加工对象的几何形状确定对于型面曲率变化不大的三维型面，如一般叶片型面、叶片锻模型腔等，可以采用侧流式。对于圆孔、型孔类工件，可采用正流式和反流式。对于深孔扩孔加工，可以采用轴向供液。在孔的固定阴极抛光中，也多采用轴向供液。切入式展成电解加工，采用电解液由阴极内部喷射供液；外表面光整展成电解加工，采用外部切向喷射供液。2)根据加工精度要求确定

对形状复杂且精度要求高的工件，可选用反流式或复合流动形式，但其夹具或阴极的设计制造比较困难。

南航刘志东主编5656轴向供液

分段供液

4.电解液流动形式(供液类型)南航刘志东主编5757双向供液

定向供液

换向供液

南航刘志东主编5858外部供液

内部供液

南航刘志东主编5959侧、径向组合供液

多孔组合供液

南航刘志东主编60605.流场均匀性设计(流线图)

绘制流线要遵循两条基本原则：

1）流体由进液槽流入加工区时，其流动方向与进液槽边垂直。

2）流体由进液槽经加工区直至流回贮液槽，应取流阻最小的路径，即流程最短。南航刘志东主编6161南航刘志东主编62626.流场均匀性设计(液流分离现象)南航刘志东主编63637.流场参数选择电解液流量、压力、温度、浓度、流速南航刘志东主编6464电解液流量、压力、温度、浓度、流速选择参考表工序种类流速（m/s）压力（0.1MPa）动压Pu粘滞阻力Pγ出口背压Pe入口压力P0叶片型面15～201.26～2.243.2～5.10～0.514.36～7.85小孔、型腔、叶型套形6～100.2～0.5610.2～15.31.02～1.5311.42～17.34南航刘志东主编65654.2.4电解加工精度

复制精度

研究成形规律、改善工艺条件重复精度机床设备精度、工艺参数的恒定

加工精度:是指加工后的实际几何参数与理想几何参数的符合程度。南航刘志东主编6666电解加工误差1）复制误差，即工件型面与阴极型面的差异；2）遗传误差，即加工过程中未完全纠正的毛坯型面的原（初）始误差；3）重复误差，即在同一工艺条件下加工尺寸的分散度。

电解加工的综合误差既包括工艺自身特点所引起的机理误差（电解加工误差），又包括外围条件所造成的误差。南航刘志东主编6767复制误差特性

由于阴极与工件之间存在间隙，使得二者尺寸上必然有差异；又由于间隙区电场、流场、电化学蚀除速度场分布不均匀，导致间隙分布不均匀，造成二者形状上的差异。1.电解加工的误差特性南航刘志东主编6868遗传误差特性影响成形过程整平比的主要因素是阳极溶解的集中蚀除能力或称定域能力集中蚀除能力越强，加工面最高点（余量最大处）与最低点（余量最小处）蚀除速度差值就越大，整平比就越高，遗传误差就越小。

南航刘志东主编6969重复误差特性重复误差就是平衡间隙值的分散度由于目前还无法直接采样来实测和控制加工间隙值，只能通过控制有关的宏观工艺参数来间接控制间隙，因此，工艺参数的分散度就直接影响间隙的分散度，从而影响加工尺寸的分散度。南航刘志东主编7070图4-26影响电解加工间隙的复杂因素电解加工工艺的核心问题是如何达到均匀、稳定的小间隙加工状态，这是获得高精度、高效能、高表面质量的最根本途径，也是电解加工技术发展所追求的目标。南航刘志东主编7171

电解加工间隙中，电化学、电场、流场诸参数不但相互关系十分复杂，并且随时间、空间不断变化，难以在加工过程中实时采样测试。所以，目前所进行的电解加工理论分析和计算均基于一定的简化及假设，由此给出的指导规律只能是定性的；对影响加工过程的诸多参数的测试、控制，也只限于依据加工间隙之外取得的宏观平均值。当然，这些平均值能够间接反映间隙内部参数的变化规律，所以仍然具有较大的工程实用价值。2．电解加工工艺参数及其对工艺指标的影响南航刘志东主编7272确定电解加工参数的顺序：先选定加工间隙、阴极进给速度，然后定电流密度，最后再选定相应的加工电压及电解液参数。

国外电解加工设备条件总体较好，且对加工效率要求较高，因而采用高参数加工居多；国内情况则相反，以低参数加工居多。

南航刘志东主编7373(1)小间隙电解加工3.提高电解加工精度的途径减小加工间隙可以提高加工精度。南航刘志东主编7474小间隙电解加工保障条件保证电解液的过滤质量；泵的出口压力需要更高一些，注意供液和流场设计合理；保证阴极刚性，防止振动；套型加工时使用铜钨合金阴极，并取消火花保护；加工型腔肘不允许产生火花，利用加背压或使出水端处于收敛状态来改善流场，能消除火花，并降低表面粗糙度。使用“高压腔”加工不仅能起到上述作用，还能平衡掉一部分反压；采用混气电解加工有利于缩小加工间隙提高加工稳定性；采用脉冲电流电解加工有利于缩小加工间隙。南航刘志东主编7575

1）改善流场特性，充分冲刷电解产物、气泡与热量，使电导率分布基本均匀。

2）间隙中存在压力波动，对电解液起搅拌作用，有利

于电解产物的去除。

3）电流效率一般高于直流加工，平均电流比直流加工时要低，所以加工去除速度低于直流加工。(2)脉冲电流电解加工南航刘志东主编7676复合型电解液；低浓度电解液（超纯水）。(3)改进电解液南航刘志东主编7777(4)混气电解加工1）由于气泡的可压缩性，增加了电解液的电阻率；2）电解液的黏度降低，改善了间隙内电解液流动特性，均匀了流场，增加了电解液流速。不足之处：增添了受控因素；生产率有一定下降；需附加装置等。气液混合比：混入电解液的气体流量与电解液流量之比。南航刘志东主编7878

4.2.5

电解加工设备

4.控制系统1.直流电源2.机床3.电解液系统（1）机床的刚性；（2）进给速度的稳定性；（3）防腐及绝缘；（4）抽风防爆。供液泵、贮液槽、过滤装置、加热及降温装置等一.电解加工设备南航刘志东主编7979

南航刘志东主编8080

南航刘志东主编8181

南航刘志东主编8282

二.电解加工设备的总体设计

进行总体设计时，首先必须确认设备的工作条件，加工对象的特点和基本要求。这是总体设计的基础和出发点；其次就是要确定设备主要部分的功能、组成、基本方案和相互间的匹配关系，在此基础上进行总体布局；然后根据设计任务书的要求计算、选定设备的总体规格、性能、技术要求；最后定出总体方案。

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三.电解加工设备的特殊工作条件工作环境较恶劣；大的加工电流；承受复杂的动态负荷；极间高速气液两相流；极间交变的强电磁场；小的动态变化的极间间隙；南航刘志东主编8484

设备的耐蚀性好；机床刚性强；进给速度特性硬、调速范围宽；较高的机床精度；大电流传导性好；电气系统抗干扰性强；安全、可靠；配套性好；较大的通用性。南航刘志东主编85854.2.6电解加工的应用

1．孔加工：固定阴极扩孔；三面进给扩孔。2．型孔加工3．型腔加工：锻模型腔成形。4．套料加工5．叶片型面成形6．电解去除毛刺（倒角）7．电解刻字8．电解抛光一.电解加工的应用分类:

南航刘志东主编8686美国：航空发动机制造（50%以上）、汽车部件制造；英国：航空发动机制造（拥有CNC电解加工自动线）、石油工业；俄罗斯：工艺世界领先航空发动机制造、汽车部件制造、汽轮机零件制造；德国：设备国际领先能源机械、机车制造、液压件制造、纺织、食品、医疗机械制造。二.电解加工在国外的应用南航刘志东主编8787航空航天：整体叶轮、异形零件；兵器：枪炮膛线、长孔；核工业：地面动力装置中的导风轮；汽车：连杆、摇臂、齿轮等锻模，发动机喷嘴；煤矿机械：锻模、链轮、花键；汽轮机：叶片。三.电解加工在我国的应用南航刘志东主编8888四.电解加工在航空工业中的应用1.叶片类叶片型面：耐热合金模锻毛坯件；整体方料毛坯件；钛合金模锻件。冷却孔：国产新机5×14×260

国外：Ø1.27×305；Ø0.5×100；Ø0.12×6

采用电液流加工方式Ø0.05×1.52.整体叶轮等截面叶型套料；扭转变截面叶型成形。南航刘志东主编89893.机匣：安装用凸台、叶型孔；内外环底型面；减重槽。4.起落架接头5.涡轮盘6.型孔：花键孔；轴承护圈矩形孔。7.去毛刺：涡轮盘榫齿去毛刺；火焰筒去毛刺。南航刘志东主编9090南航刘志东主编9191南航刘志东主编9292南航刘志东主编9393五.叶片型面电解加工技术经济效果：加工效率高、生产周期大为缩短、手工劳动力大幅度减少。机遇和挑战：高强、高韧、高硬度材料，薄壁、高精度、特型结构的叶片越发需要采用电解加工，给电解加工的应用和发展带来新的机遇；精密毛坯技术，数控铣削、特别是数控高速铣削技术的发展，使得其在叶片型面加工的应用也越来越多；这都是对应用电解加工叶片的挑战

20世纪80年代以来叶片电解加工技术虽有了较大的提高和发展，但仍未能出现飞跃性的变革，还跟不上产品发展的需要。南航刘志东主编9494南航刘志东主编9595南航刘志东主编9696南航刘志东主编9797南航刘志东主编9898六.型腔、型面电解加工生产率高、加工成本低：单方向进给、一次成型；工具阴极无损耗；表面粗糙度低、没毛刺、无再铸层及冷作硬化层。重复精度好：工具阴极无损耗。模具寿命高：表面粗糙度低、圆角过度、流线型好；没有冶金缺陷层，无残余应力和显微裂纹，故耐高温疲劳性能好。

总体精度约在±0.05～±0.20mm之间。表面粗糙度在Ra1.6～0.4μm之间。南航刘志东主编9999南航刘志东主编100100南航刘志东主编101101图4-43群孔电解加工样件和电极南航刘志东主编102102旋转柱状电极柱状电极螺旋状电极微孔电解加工不同电极设计示意图南航刘志东主编103103南航刘志东主编104104南航刘志东主编105105南航刘志东主编106106南航刘志东主编107107a－悬臂梁；b－直径125，深150微孔阵列；c－微型铜凸台微细电解加工出的金属微结构南航刘志东主编108108南航刘志东主编109109电解铣削方法加工的微结构南航刘志东主编110110南航刘志东主编111111微型凹坑南航刘志东主编112112南航刘志东主编113113南航刘志东主编114114南航刘志东主编115115南航刘志东主编116116南航刘志东主编117117七.选用电解加工工艺的基本原则精度要求适当

可以达到的经济加工精度是：型面、型腔0.10-0.30mm；花键通孔0.03-0.10mm；整体转子叶片套型0.02-0.10mm。

主要用于难加工金属材料，复杂形状或薄壁零件的加工

电解加工工艺只是机械加工的一种补充，凡是常规机械加工能解决的就没有必要采用电解加工)。要有一定批量南航刘志东主编1181184.3

电沉积加工

电沉积（Electrodeposition）是金属或合金从其化合物水溶液、非水溶液或熔盐中电化学沉积的过程。电沉积加工是电化学加工中阴极沉积材料类加工技术，是电镀、电铸、电解冶炼、电解精炼等加工过程的统称。南航刘志东主编1191194.3.1电沉积原理及工艺

电沉积金属质量计算式中，m-阴极上析出物质的质量，g；k-析出物质的质量电化当量，g/A·s、min、h；i-电沉积电流，A；t-电沉积时间，s、min、h。南航刘志东主编120120电沉积时，通过阴极的电量为式中，ic-阴极电流密度（取平均值），A/dm2；S-阴极原模沉积作用面积，dm2。当不考虑电流效率，可以计算出电沉积的金属质量南航刘志东主编121

121多数情况下，电沉积过程通过阴极的电流都不会完全用于沉积金属,副反应会消耗部分电量，所以电铸中也提出电流效率的概念:或考虑到阴极电流效率，电沉积金属的质量表示为：南航刘志东主编122

1221.电沉积工艺分析

在电沉积过程中，阴极的形状对电场分布的均匀性影响非常大。阴极的锐角和尖棱部位存在“边缘效应”，常形成树枝状金属沉积物——“结瘤”，严重时甚至会造成沉积层“烧焦”；而在低凹处则相反，受周边部位屏蔽电力线的影响，沉积速度最慢，甚至有时根本几乎没有沉积效应，使得低凹处沉积反应很难进行。南航刘志东主编123

123在电沉积工艺中，电沉积液是另一个对电场影响非常重要的因素，为了评定一种电沉积液所能获得电沉积层厚度的均匀性，提出了“分散能力”的概念。 分散能力好的电镀液，深镀能力一般也很好，但深镀能力好的电镀液，分散能力却不一定好。南航刘志东主编124

1242.改善电铸液分散能力措施加入电导率高的强电解质，如在CuSO4溶液内添加H2SO4，用于铜电铸；加入添加剂，如在电铸镍溶液中添加无机金属盐或某些有机化合物；添加络合物，如焦磷酸盐络合物、柠檬酸盐络合物等。

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1253.阴极沉积作用面切向流速方法

应用机械装置或者压缩空气强烈搅拌电沉积液；阴极作直线往复移动或转动；阴极作一定频率的振动，或者将超声振动源置于电沉积槽内；采取喷射方式输送电沉积液；迫使电沉积液以高速在阴、阳极间隙内流动，并保持为紊流状态。南航刘志东主编126

1264.脉冲电沉积的主要优点

能改变沉积层的组织结构，使得沉积的金属结晶致密；改善分散能力；显著降低沉积层的孔隙率，提高制品抗蚀性；降低沉积层的内应力。南航刘志东主编127

1274.3.2电镀加工

1805年意大利化学家LuigiV.Brugnatelli用电极进行了第一次电沉积，但在这之后并没有在一般的工业中应用。直到1839年，英国和俄罗斯科学家各自独立设计了类似于Brugnatelli的金属电沉积工艺，用于印刷电路板的镀铜。 1840年，Wright的同事乔治埃尔金顿和亨利埃尔金顿被授予第一个电镀专利，他们两人在伯明翰创建了电镀工厂，从此该技术开始在世界各地广泛传播。南航刘志东主编128

1281.电镀原理

电镀(Electroplating)就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程，是利用电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的工艺从而起到防止腐蚀，提高耐磨性、导电性、反光性及增进美观等作用。南航刘志东主编129

1292.界面结合及镀层性能电镀的目的是在待镀工件表面牢固的均匀沉积一层能改变基材表面性质及尺寸的金属层，通过该涂层增强基体的抗腐蚀性、耐磨损性，提高导电性、润滑性、耐热性等。南航刘志东主编130

130例如经电镀硬铬处理过的模具，其硬度可达到HRC60~65，耐高温性能可以提高到600~800℃，模具的耐腐蚀和光洁度进一步提高，易脱模、不粘模，从而延长使用寿命、提高品质、降低材料成本、提高生产效率。

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1313.电镀的基体材料

电镀的基体材料除铁基的铸铁、钢和不锈钢外，还有非铁金属，如ABS树脂、聚丙烯及酚醛塑料等，但在塑料上电镀前，必须经过特殊的活化和敏化处理。镀层大多是单一金属或合金，如锌、铬、金、银、镍、铜、铜锌合金（黄铜）、铜锡合金（青铜）、铅锡合金、镍磷合金、金银合金等。

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1324.电镀的方式电镀具有挂镀、滚镀、连续镀、刷镀和喷镀等形式，主要与待镀件的尺寸和批量有关。挂镀适用于一般尺寸的制品，如汽车的车身、保险杠等；滚镀适用于小件，如紧固件、垫圈、销子等；连续镀适用于成批生产的线材和带材；刷镀和喷镀适用于局部镀或表面修复。南航刘志东主编133

133镀铬零件

车身挂镀生产过程

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1345.电镀分类

从电镀层的使用功能考虑，镀层分为装饰保护性镀层和功能性镀层两类。轮毂镀镍装饰旧银器镀银修复南航刘志东主编135耐磨及耐腐蚀镀层南航刘志东主编136

1366.复合电镀

通过电化学法使金属离子与均匀悬浮在溶液中的不溶性非金属或其他金属微粒同时沉积而获得复合镀层的过程。这种电沉积过程形成的复合结构由金属主相与弥散固体微粒相构成，研究和应用较多的金属相是镍、铬、钴、金、银、铜等几种金属。碳-银复合电镀南航刘志东主编137

137落砂法共沉积过程示意图电镀金刚石工具南航刘志东主编138

1384.3.3电铸加工

1.电铸原理

电铸成形（Electroforming）是电化学加工技术中的一项精密、增材制造技术，其电化学原理与电镀基本一致，同为电化学阴极沉积过程，即在作为阴极的原模（芯模）上，不断还原、沉积金属正离子而逐渐成形电铸件。电铸是利用金属的电沉积原理来精确复制某些复杂或特殊形状工件的特种加工方法。南航刘志东主编139

139电铸加工原理示意图

南航刘志东主编140

1402.电铸优点

具有超高精度的复制能力，能够准确、精密地复制复杂型面和细微纹路，这是其它加工工艺难以比拟的；能够获得尺寸精度非常高、表面粗糙度Ra0.1μm的复制品，由同一原模生产的电铸制品一致性好；借助石膏、蜡、环氧树脂、低熔点合金、不锈钢和铝等材料，可以方便、快捷地把复杂工件的内、外表面复制变换成对应的“反”面，便于实施电铸工艺，并大大拓展了电铸工艺的适用范围；南航刘志东主编141容易得到由不同材料组成的多层、镶嵌、中空等异形结构的制品；能够在一定范围调节沉积金属的物理性质。可以通过改变电铸件、电铸液组分的方法，来调节沉积金属的硬度、韧性和拉伸强度等；还可以采用多层电铸、合金电铸、复合电铸等特殊方法，使成形的工件具有其它工艺方法难以获得的理化性质；可以用电铸方法连接某些难以焊接的特殊材料。

141南航刘志东主编142

1423.电铸不足目前，电铸工艺存在的主要不足之处是电铸速度低、成形时间长；此外，当参数控制不当时，某些金属电铸层的内应力有可能使制品在电铸过程中途或者在与原模分离时变形、破损，甚至根本无法脱模；对于形状、尺寸各异的电铸对象，需要具有较丰富实践经验和熟练技能的操作人员具体分析处理、操作，有一定难度。南航刘志东主编143

1434.电铸速度提高措施

快速液流法

通过电铸液的快速流动，提高转质速度，加强原模与电铸液交界面的流场运动，降低扩散层厚度，从而提高允许的极限电流密度，加快金属沉积效应。常用的方法有平行液流法和喷射液流法。平行液流法流场示意图南航刘志东主编144

144阴极原模运动法

这种方法目的就是通过阴极原模的运动，提高原模与电铸液交界面的相对运动速度，降低扩散层厚度，从而提高允许的极限电流密度，加快金属沉积效应。

南航刘志东主编145

145辅助摩擦法

在电铸过程中，使用固体绝缘颗粒连续或间歇摩擦阴极原模沉积作用面，也能减小或消除扩散层，使阴极原模沉积作用面迅速得以补充金属离子，从而提高沉积速度。同时，这一方法还能增强阴极原模活化，改善整平作用，消除结瘤及树枝状沉积层的生成。最常用的摩擦阴极原模沉积作用面法是美国Norton公司发明的NET法，主要分为两种：NET-Ⅰ法与NET-Ⅱ法。南航刘志东主编146

1465.电铸应用举例

阴极原模脱