第四章、电化学加工

第四章电化学加工《精密与特种加工》Precisionandnon-traditionalmachining2主要内容4.1电化学加工的基本原理及分类4.2电解加工4.3电解磨削4.4电铸加工第四章电化学加工3第四章电化学加工4.1电化学加工的基本原理及分类ieei211—阳极；2—阴极OH－Cl－H＋Cu2＋图4-1电解液中的电化学反应1、电化学加工的原理（1）电化学加工过程电化学加工包括从工件上去除金属的电解加工和向工件上沉积金属的电镀、涂覆加工两大类。当两个铜片接上直流电形成导电通路时，导线和溶液中均有电流流过，在金属片（电极）和溶液的界面上就会有交换电子的反应，即电化学反应。4第四章电化学加工溶液中的离子将作定向移动：正离子移向阴极并在阴极上得到电子而进行还原反应；负离子移向阳极并在阳极上失去电子进行氧化反应（也可能是阳极金属原子失掉电子而成为正离子进入溶液。ieei211—阳极；2—阴极OH－Cl－H＋Cu2＋图4-1电解液中的电化学反应5第四章电化学加工ieei211—阳极；2—阴极OH－Cl－H＋Cu2＋图4-1电解液中的电化学反应溶液中正、负离子的定向移动称为电荷迁移。在阳、阴电极表面发生得失电子的化学反应称为电化学反应。利用电化学反应原理对金属进行加工的方法即电化学加工。（图4-1中阳极上为电解蚀除，阴极上为电镀沉积，常用以提炼纯铜）6第四章电化学加工（2）电解质溶液凡溶于水后能导电的物质叫做电解质。如盐酸(HCl)、硫酸（H2SO4）、氢氧化钠（NaOH）、氢氧化铵(NH4OH)食盐（NaCl）、硝酸钠（NaNO3）、氯酸钠(NaClO3)等酸、碱、盐都是电解质。电解质有强、弱之分。在水中能100%电离的，称为强电解质。水是弱电解质。电解质与水形成的溶液为电解质溶液，简称为电解液。由于溶液中正负离子的电荷相等，所以整个溶液仍保持电的中性。7第四章电化学加工（3）电极电位当把金属插入其盐溶液中时，金属表面的离子与溶液中极性水分子相互吸引而发生水化作用，即：一方面使金属表面上部分金属离子进入溶液而把电子留在金属表面上（金属溶解）；另一方面，溶液中的金属离子从金属表面上得到电子，还原为金属原子沉积在金属表面上（金属离子的沉积）。8第四章电化学加工化学性能较活泼的金属：金属失去电子的溶解速度大于金属离子得到电子的沉积速度，达到平衡时，金属带负电，溶液带正电。9第四章电化学加工溶液中的金属离子并不是均匀分布的，由于静电吸引，较多地集中在金属表面附近的液层中。这样在金属和溶液的界面上形成了双电层，产生电位差。10第四章电化学加工化学性能不活泼金属：金属离子的沉积速度大于金属的溶解速度，达到平衡时，金属带正电，溶液带负电。金属和溶液的界面上也形成双电层，产生电位差。11第四章电化学加工金属的电极电位：金属与其盐溶液界面上的电位差称为金属的电极电位。金属与溶液间电位差的大小，取决于金属的性质，溶液中离子的浓度和温度。金属越活泼，电位越低；越不活泼，电位越高。在同一种金属电极中，金属离子浓度越大，电位越高，浓度越小，电位越低。温度越高，电位越高，温度越低，电位越低。12第四章电化学加工标准电极电位：电极电位的绝对值是无法测定的，通常选定一个电极作为标准，将各种待测电极与它相比较，就可得到各种电极的电极电位相对值。国际应用化学协会（IUPAC）选定“标准氢电极”作为比较标准。规定25℃时，标准氢电极的电极电位为零。13第四章电化学加工双电层不仅在金属本身离子溶液中产生，当金属浸入其它任何电解液中也会产生双电层和电位差。用任何两种金属（如Fe和Cu）插入某一电解液（如NaCl）中时，该两金属表面分别与电解液形成双电层，两金属之间存在一定的电位差，其中较活泼Fe的电位负于较不活泼的金属Cu。当两金属电极间有导线接通时，即有电流流过。电化学加工就是根据这个原理，利用外加电场，促使电子移动过程的加剧和铁离子溶解速度的加快。14第四章电化学加工（4）电极的极化电极极化的概念：阳极的电极电位向正移（代数值增大）、阴极的电极电位向负移（代数值减小）的现象，称为电极的极化。超电位：极化后的电极电位与平衡电位的产值称为超电位。浓差极化：离子的扩散、迁移步骤缓慢引起的电极极化。主要发生在阳极上。电化学极化：由电化学反应缓慢引起的电极极化。主要发生在阴极上。15第四章电化学加工（5）金属的钝化和活化阳极钝化：在电解加工中，使金属阳极溶解过程的超电位升高和电解速度减慢的现象。金属钝化的原因，主要有成相理论和吸附理论两种。成相理论认为，金属与溶液作用后在金属表面上形成了一层紧密的极薄的膜，通常是由氧化物、氢氧化物或盐组成，从而使金属表面失去了原来具有的活泼性质，使溶解过程减慢。吸附理论认为，金属的钝化是由于金属表面形成了氧的吸附层引起的。16第四章电化学加工金属的活化：使金属钝化膜破坏的过程称为活化。引起活化的因素很多，例如：把溶液加热，通入还原性气体或加入某些活性离子等等，也可以采用机械办法破坏钝化膜，电解磨削就是利用了这一原理。172、电化学加工的分类第四章电化学加工第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)。18表4-2电化学加工分类类别加工方法及原理应用Ⅰ电解加工(阳极溶解)电化学抛光(阳极溶解)用于形状尺寸加工用于表面加工Ⅱ电镀(阴极沉积)电铸(阴极沉积)用于表面加工用于形状尺寸加工Ⅲ电解磨削(阳极溶解、机械磨削)电解放电加工(阳极溶解、电火花蚀除)用于形状尺寸加工用于形状尺寸加工第四章电化学加工193、电化学加工的适用范围电化学加工的适用范围，因电解和电镀两大类工艺的不同而不同。第四章电化学加工电解加工可以加工复杂成型模具和零件，例如汽车、拖拉机连杆等各种型腔锻模，航空、航天发动机的扭曲叶片，汽轮机定子、转子的扭曲叶片，炮筒内管的螺旋“膛线”(来复线)，齿轮、液压件内孔的电解去毛刺及扩孔、抛光等。电镀、电铸可以复制复杂、精细的表面。204.2电解加工一、电解加工的原理及特点第四章电化学加工1、基本原理电解加工是利用金属在电解液中的“电化学阳极溶解”来将工件成型的。12345VA1—直流电源；2—工具电极；3—工件阳极；4—电解液泵；5—电解液－＋图4-6电解加工原理图21在工件（阳极）与工具（阴极）之间接上直流电源，使工具与工件间保持较小的加工间隙，间隙中通过高速流动的电解液。开始时，两极之间的间隙大小不等，间隙小处电流密度大，阳极金属去除速度快；而间隙大处电流密度小，去除速度慢。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，工件表面逐渐被加工成接近于工具电极的形状，直至将工具的形状复制到工件上。第四章电化学加工22电解加工的三个条件（1）工具与工件之间接上直流电源；（2）工具与工件之间保持较小的间隙；（3）工具与工件之间注入高速流动的电解液。第四章电化学加工232、特点电解加工与其他加工方法相比较，它具有下列特点:1）加工范围广，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和变质层，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。第四章电化学加工244）阴极工具在理论上不损耗，基本上可长期使用。3、主要缺点和局限性1）不易达到较高的加工精度和加工稳定性。2）电极工具的设计和修正比较麻烦。3）电解加工的附局设备较多，占地面积较大，机床要有足够的刚性和防腐性能，造价高。4）电解产物需进行妥善处理，否则将污染环境。第四章电化学加工254、电解加工的选用原则适用于难加工材料的加工；适用于相对复杂形状零件的加工；适用于批量大的零件加工。一般认为，三原则均满足时，相对而言选择电解加工比较合理。第四章电化学加工26第四章电化学加工二、电解加工的电极反应（钢在NaCl水溶液中电解加工的电极反应）1、阳极反应Fe-2eFe+2U’=-0.59VFe-3eFe+3U’=-0.323V4OH--4eO2↑+2H2OU’=0.867V2CL--2eCL2↑U’=1.334VFe2++2OH-Fe（OH）2↓（墨绿色的絮状物）4Fe（OH）2+2H2O+O24Fe（OH）3↓（黄褐色沉淀）按照电极反应的基本原理，电极电位最负的物质首先在阳极反应。27第四章电化学加工2、阴极反应2H++2eH2↑U’=-0.42VNa++eNa↓U’=-2.69V按照电极反应的基本原理，电极电位最正的离子将首先在阴极反应。因此，在阴极上只会析出氢气，而不可能沉淀出钠。28三、电解加工的基本规律第四章电化学加工1、生产率及其影响因素电解加工的生产率，以单位时间内去除的金属量来衡量，用mm3/min或g/min表示。（1）电化学当量对生产率的影响电化学当量愈大，生产率愈高。理论电蚀量实际电蚀量KItmItV（K-质量化学当量；W-体积化学当量）KItmItV29（２）电流密度对生产率的影响iAtVItViVa电流密度越高，生产率越高，但在增加电流密度的同时，电压也随着增高，因此应以不击穿加工间隙、引起火花放电、造成局部短路为度。第四章电化学加工30（３）加工间隙对生产率的影响一般来说，加工间隙越小，电解液的电阻越小，电流密度越大，蚀除速度也就越高。蚀除速度Va与电极间隙△成反比：Va=C/△。其中C称之为双曲线常数。RUC第四章电化学加工31但间隙太小会引起火花放电或间隙通道内电解液流动受阻、蚀除物排除不畅，以至产生局部短路，反而使生产率下降，因此间隙较小时应加大电解液的流速和压力。电解加工中，加工间隙的变化有如下规律：202tUR第四章电化学加工32例：用温度30℃、质量分数为15%的NaCl电解液，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（单边，下同），电压为12V。求刚开始的蚀除速度和间隙为1mm时的蚀除速度，并求间隙由0.2mm扩大到1mm所需的时间。CtmmCVmmUCCVaRa2/)(1/1/2020所需的时间：间隙扩大到时的速度：间隙为双曲线常数：初始速度：第四章电化学加工33（4）其他因素对生产率的影响第四章电化学加工此外电源电压、电解液种类、工件材料的化学成分和组织结构都对生产率有影响。34（1）端面平衡间隙2、精度成形规律端面平衡间隙△b指在电解加工中，加工过程达到稳定时，两极之间的间隙。cRbvU第四章电化学加工35第四章电化学加工36电解加工中，任何时刻的加工间隙△可根据阴极进给距离L、起始间隙△o和端面平衡间隙△b按下式计算：)ln(bobboctvLb，bLt，（△’表示△向△b趋进的程度）（t’表示△向△b趋近到什么程度的一个条件）第四章电化学加工37第四章电化学加工38（2）法向平衡间隙工具的端面与进给方向不垂直，成斜角θ。coscosbncRnvU第四章电化学加工则法向平面间隙为：39（3）侧面间隙阴极工具侧面不绝缘时，工件型孔侧壁始终处在被电解状态，势必形成“喇叭口”。）（）（）（204.........2194.........2184.........2222bbsbbsobsbhxhx第四章电化学加工40（4）平衡间隙理论的应用计算加工中的各种电极间隙，如端面、斜面、侧面的间隙；设计电极时计算阴极尺寸及修正量；分析加工精度；选择加工参数，如电极间隙、电源电压、进给速