电化学加工技术的现状及发展趋势_特种加工

电化学加工技术研究现状及趋势郭旭东（大连科技大学机械自动化学院,大连，大连）（15级机械工程专业，2015023234321）摘要：与机械加工相比，电化学加工能加工出复杂的型面、腔孔，加工高硬度、高韧性、高强度材料，生产率高。电化学加工包含抛光、电镀、电刻蚀和电解磨削。与传统的加工方法相比，有很大的优势。而且未来电化学加工的更是朝着微系统、纳米材料合成方面发展，具有很高的应用前景。关键词：生产率；抛光；电镀；电刻蚀；电解磨削CurrentstatusandtrendofelectrochemicalmachiningtechnologyLIUDong(CollegeofMachineryandAutomation,WuHanUniversityofScienceandTechnology,HuBeiWuHan430074)Abstract:Comparedwithmachining,electrochemicalmachiningcanproducecomplexsurfaceandcavity,whichcanbeprocessedwithhighhardness,hightoughness,highstrengthmaterialsandhighproductivity.Electrochemicalmachiningincludespolishing,electroplating,electroetchingandelectrochemicalgrinding.Comparedwiththetraditionalprocessingmethods,thereisagreatadvantage.Andthefutureelectrochemicalprocessingistowardthedevelopmentofmicrosystem,nanomaterialssynthesis,hasaveryhighapplicationprospects.Keywords:efficiency;polishing;electroplating;electroetching;electrochemicalgrinding1、前言电化学加工的基本理论建立与19世纪末，但在工业上的大规模应用，还应该是在20世纪30~50年代。目前，电化学加工已经成为我国民用、国防工业中的一个不可或缺的加工手段。电化学加工是一种重要的特种加工方法,已被广泛应用于难加工金属材料、复杂形状零件的批量加工中。它利用金属的电解现象[1]，在通电的电解液[2-5]中，使离子从一个电极移向另一个电极，从而实现对工件材料的双向加工[6]，即阳极溶解去除(如电解、电化学抛光)和阴极沉积生长(如电镀、电铸)。无论材料的减少或增加，加工过程都是以离子的形式进行的，而金属离子的尺寸非常微小，因此，从原理上讲，电化学加工可以实现加工精度和微细程度在微米级甚至更小尺度的微加工。只要采取措施精确地控制电流密度和电化学反应发生的区域，就能实现电化学微加工[7-11]，达到对金属表面进行微量“去除”或“生长”加工的目的。电化学是一门古老而又年轻的学科，一般公认电化学起源于1791年意大利解剖学家伽伐尼发现解剖刀或金属能使蛙腿肌肉抽缩的“动物电”现象。1800年伏特制成了第一个实用电池，开始了电化学研究的新时代。在经历了一个多世纪以后，电化学科学的发展和成就举世瞩目，无论是基础研究还是技术应用，从理论到方法，都有许多重大突破。电化学科学的发展，推动了世界科学的进步，促进了社会经济的发展，对解决人类社会面临的能源、交通、材料、环保、信息、生命等问题，已经作出并正在作出巨大的贡献。[12]2、电化学加工研究现状2.1基本概念电化学加工(electrochemicalmachining)利用电化学反应（或称电化学腐蚀）对金属材料进行加工的方法。与机械加工相比，电化学加工不受材料硬度、韧性的限制，已广泛用于工业生产中。常用的电化学加工有电解加工[13-16]、电磨削[17-20]、电化学抛光[21-24]、电镀、电刻蚀和电解冶炼等。[25-26]2.2研究优缺点2.2.1电化学加工优点（1）能同时进行三维的加工，一次加工出形状复杂的型面、型腔、异形孔。（2）可以加工一般机制工艺难以加工的高硬度、高韧性、高强度材料，如硬质合金、淬火钢、耐热合金、钛合金。（3）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。（4）阴极工具在理论上不损耗，可长期使用。（5）产生的热量被电解液带走，工件基本上没有温升，适合于加工热敏性材料。（6）加工中工件与刀具（阴极）不接触，不会产生切削力，加工后零件表面无残余应力、无毛刺。（7）加工后零件表面质量好。表面粗糙度Ra可达0.2～1.25µm，加工精度：型孔或套料为±0.03～±0.05mm、模锻型腔为±0.05～±0.20mm、透平叶片型面为0.18～0.25mm。2.2.2电化学加工缺点(1)不易达到较高的加工精度和加工稳定性。因为影响电解加工的间隙电场和流场稳定性的参数很多，控制比较困难，加工精度难以严格控制，尺寸精度一般只能达到0.15-0.30mm;加工时杂散腐蚀也比较严重;(2)电极工具的的设计和修正比较麻烦，因而很难适用于单件生产;3、应用研究电化学加工的应用电化学加工有三种不同的类型。（1）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、电化学抛光等。（2）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。（3）第Ⅲ类是利用电化学加工与其它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。3.1电化学抛光和电解抛光电化学抛光是直接应用阳极溶解的电化学反应对机械加工后的零件进行再加工，以提高工件表面的光洁度电化学抛光比机械抛光效率高、精度高，且不受材料的硬度和韧性的影响，有逐渐取代机械抛光的趋势。电解抛光的基本原理与电解加工相同，但电解抛光的阴极是固定的，极间距离大（1.5～200mm），去除金属量少。电解抛光时，要控制适当的电流密度。电流密度过小时金属表面会产生腐蚀现象，且生产效率低；当电流密度过大时，会发生氢氧根离子或含氧的阴离子的放电现象，且有气态氧析出，从而降低了电流效率。[27]3.2电镀图1汽车表面的电镀电镀是用电解的方法将金属沉积于导体（如金属）或非导体（如塑料、陶瓷、玻璃钢等）表面，从而提高其耐磨性，增加其导电性，并使其具有防腐蚀和装饰功能。对于非导体制品的表面，需经过适当地处理（用石墨、导电漆、化学镀处理），使其形成导电层后，才能进行电镀。电镀时，将被镀的制品接在阴极上，要镀的金属接在阳极上。电解液是用含有与阳极金属相同离子的溶液。通电后，阳极逐渐溶解成金属正离子，溶液中有相等数目的金属离子在阴极上获得电子随即在被镀制品的表面上析出，形成金属镀层。例如在铜板上镀镍，以含硫酸镍的水溶液作电镀液。通电后，阳极上的镍逐渐溶解成正离子，而在阴极的铜板表面上不断有镍析出。[28]3.3电刻蚀图2利用电刻蚀刻出的图案电刻蚀是应用电化学阳极溶解的原理在金属表面蚀刻出所需的图形或文字。由于电刻蚀所去除的金属量较少，因而无需用高速流动的电解液来冲走由工件上溶解出的产物。加工时，阴极固定不动。[29]电刻蚀有以下四种加工方法。（1）按要刻的图形或文字，用金属材料加工出凸模作为阴极，被加工的金属工件作为阳极，两者一起放入电解液中。接通电源后，被加工件的表面就会溶解出与凸模上相同的图形或文字。（2）将导电纸（或金属箔）裁剪或用刀刻出所需加工的图形或文字，然后粘贴在绝缘板材上，并设法将图形中各个不相连的线条用导线在绝缘板背面相连，作为阴极。适于图形简单，精度要求不高的工件。（3）对于图形复杂的工件，可采用制印刷电路板的技术，即在双面敷铜板的一面形成所需加工的正的图形，并设法将图形中各孤立线条与敷铜板的另一面相连，作为阴极。不适于加工精细且不相连的图形。（4）在待加工的金属表面涂一层感光胶，再将要刻的图形或文字制成负的照相底片覆在感光胶上，采用光刻技术将要刻除的部分暴露出来。这时阳极仍是待加工的工件，而阴极可用金属平板制成。3.4电解磨削图3电解磨削工作简图电解磨削是电解作用和机械磨削相结合的加工过程。导电磨削时，工件接在直流电源的阳极上，导电的砂轮接在阴极上，两者保持一定的接触压力，并将电解液引入加工区。当接通电源后，工件的金属表面发生阳极溶解并形成很薄的氧化膜，其硬度比工件低得多，容易被高速旋转的砂轮磨粒刮除，随即又形成新的氧化膜，又被砂轮磨去。如此进行，直至达到加工要求为止。[30]4、电化学加工发展趋势21世纪，由于材料、能源、信息、生命、环境对电化学技术的要求，电化学新体系和新材料的研究将有较大的发展。目前可预见的有：1）纳米材料的电化学合成；2）纳米电子学中元器件、集成电路板、纳米电池、纳米光源的电化学制备；3）微系统、芯片实验室的电化学加工以及界面动电现象在驱动微液流中的应用；4）电动汽车的化学电源和信息产业的配套电源；5）氢能源的电解制备；6）太阳能利用实用化中的固态光电化学电池和光催化合成；7）消除环境污染的光催化技术和电化学技术；8）玻璃、陶瓷、织物等的自洁、杀菌技术中的光催化和光诱导表面能技术；9）生物大分子、活性小分子、药物分子的电化学研究；10）微型电化学传感器的研制。[31]5、总结电化学加工技术在制造业领域的重要地位日益突出，尤其是在深孔加工、型面加工、型腔加工﹑异形孔和薄壁零件加工、表面光整加工等方面的效果十分显著。将电化学加工技术与传统加工方法进行有机的结合，进一步提高了零件质量、改善零件使用性能和延长使用寿命，对于提高我国机械制造业在国际上的竞争力，促进我国经济的发展都具有重要的意义。参考文献[1]邹坚.内电解现象及其应用[J].电镀与涂饰,2010,(2):26-29.[2]王至尧.中国材料工程大典(第24卷第4篇)[M].北京:化学工业出版社，2009.[3]范植坚，李新忠，王天诚.电解加工与复合电解加工[M]北京:国防工业出版社，2008．[4]RajurkarKP，ZhuDi.NewDevelopmentsinElectro-chemicalMicro-machining[J].AnnalsoftheCIRP,2010,48(2):567.[5]王天诚，刘长书.硝酸钠复合电解液加工性能探讨[J].电加工，2008,(1):16.[6]明平美，包晓慧，郝巧玲.电铸-电解组合法加工双向喇叭孔阵列[J].航空学报，2014,(7):84-90.[7]BhattacharyyaB,MundaJ,MalapatiM.AdvancementinElectro-chemicalMicro-machining[J].InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,2014,44(15):1577-1589.[8]MohanS,ShanHS.AReviewofElectro-chemicalMacro-toMicro-holeDrillingProcess[J].InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,2012,45(2):137-152.[9]BhattacharyyaB,MitraS,BoroAK.Electro-chemicalMachining:NewPossibilitiesforMicromachining[J].RoboticsandComputer-InterratedManufacturing,2012,18(3/4):283-289.[10]王建业，徐家文.电解加工原理及应用[M].北京:国防工业出版社，2012.[11]DattaM,LandoltD.FundamentalAspectsandApplicationsofElectrochemicalMicr