电化学加工(Electrochemical Machiining 简称ECM),包括

第四章电化学加工1电化学加工（ElectrochemicalMachiining简称ECM），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。第四章电化学加工第四章电化学加工24.1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、涂镀及复合加工第四章电化学加工34.1电化学加工原理及分类一、电化学加工的基本原理（一）.电化学加工的过程图1所示为电化学加工的原理。两片金属铜(Cu)板浸在导电溶液，例如氯化铜(CuCl2)的水溶液中，此时水(H2O)离解为氢氧根负离子OH－和氢正离子H+，CuCl2离解为两个氯负离子2Cl－和二价铜正离子Cu2+。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。溶液中的离子将作定向移动，Cu2+正离子移向阴极，在阴极上得到电子而进行还原反应，沉积出铜。第四章电化学加工4在阳极表面Cu原子失掉电子而成为Cu2+正离子进入溶液。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。这种利用电化学反应原理对金属进行加工(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)的方法即电化学加工。第四章电化学加工5图4-1电解(电镀)液中的电化学反应ieei211—阳极；2—阴极OH－Cl－H＋Cu2＋第四章电化学加工6（二）电解质溶液电解质：溶于水后能导电的物质。分为强电解质和弱电解质。电解液：电解质的水溶液。溶液中正负离子的电荷相等，所以整个溶液保持电的中性。第四章电化学加工7（三）.电极电位在电解质溶液中，活泼金属表面带负电，溶液带正电，形成双电层。由于双电层的存在，在金属和它的盐溶液之间形成电位差，成为金属的电极电位，由于它在金属和其盐溶液中的溶解和沉积相平衡时的电位差，又称为平衡电极电位。第四章电化学加工8第四章电化学加工9第四章电化学加工10（四）电极的极化极化现象：当有电流流过时，电极的平衡状态遭到破坏，阳极的电极电位正移，阴极的电极电位负移。超电位：极化后的极电位和平衡电位的差值。浓差极化电化学极化第四章电化学加工11（五）金属的钝化和活化钝化使金属阳极溶解过程的超电位升高，使电解速度减慢。活化：使金属膜破坏的过程称为活化。第四章电化学加工12二.电化学加工分类1.利用电化学阳极溶解进行加工：电解加工、电解抛光等；2.利用化学阴极沉积、涂覆进行加工：电镀、涂镀、电铸等；3.利用电化学加工和其他加工方法相结合的电化学复合加工：电解磨削等。第四章电化学加工13表4-1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电极磨削(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、精细的表面第四章电化学加工14一、电解加工过程及其特点电解加工（electrochemicalmachining，ECM）是利用金属在电解液中发生阳极溶解反应而去除工件上多余的材料、将零件加工成形的一种方法。4.2电解加工第四章电化学加工151-直流电源2-工具阴极3-工件阳极4-电解液泵5-电解液加工时，工件接电源正极（阳极），按一定形状要求制成的工具接负极（阴极），工具电极向工件缓慢进给，并使两极之间保持较小的间隙（通常为0.02～0.7mm），利用电解液泵在间隙中间通以高速（5～50m/s）流动的电解液。在工件与工具之间施加一定电压，阳极工件的金属被逐渐电解蚀除，电解产物被电解液带走，直至工件表面形成与工具表面基本相似的形状为止。第四章电化学加工16图中的细竖线表示通过阳极（工件）和阴极（工具）间的电流。竖线的疏密程度表示电流密度的大小加工开始时，工件阳极与工具阴极的形状不同，工件表面上的各点至工具表面的距离不等，因而各点的电流密度不等。阳极与阴极距离较近的地方通过的电流密度较大，电解液的流速也较高，阳极溶解的速度也就较快，而距离较远的地方，电流密度就小，阳极溶解就慢。由于工具相对工件不断进给，工件表面上各点就以不同的溶解速度进行溶解，电解产物不断被电解液冲走，直至工件表面形成与工具表面基本相似的形状为止。第四章电化学加工17１）加工范围广：不受材料本身强度、硬度和韧性的限制，可加工高强度、高硬度和高韧性等难切削的金属材料，如淬火钢、钛合金、硬质合金、不锈钢、耐热合金，可加工叶片、花键孔、炮管膛线、锻模等各种复杂的三维型面，以及薄壁、异形零件等。2）生产效率高：约为电火花加工的5～10倍以上，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质量的限制，故一般适宜于大批量零件的加工。3）表面质量好：加工中无切削力和切削热的作用，所以不产生由此引起的变形和残余应力、加工硬化、毛刺、飞边、刀痕等，可以达到较低的表面粗糙度（Ra1.25～0.2μm）和±0.1mm左右的平均加工精度。电解微细加工钢材的精度可达±10～70μm。适合于加工易变形或薄壁零件。4）加工过程中工具电极理论上无损耗，可长期使用。因为工具阴极材料本身不参与电极反应，其表面仅产生析氢反应，同时工具材料又是抗腐蚀性良好的不锈钢或黄铜等，所以除产生火花短路等特殊情况外，工具阴极基本上没有损耗。电解加工的特点第四章电化学加工18①不易达到较高的加工精度和加工稳定性。原因：影响间隙电场和流场稳定性的参数多，难控制。阴极设计制造困难，精度难保证。③附属设备多，占地面积大，机床要有足够的刚度和防腐性能。造价高，一次性投资大。②电极工具的设计修正比较麻烦，难适于单件生产。④电解液要妥善处理。电解加工缺点和局限性第四章电化学加工19电解加工的优点和缺点都很突出，关于正确选择电解加工工艺，我国专家提出了三原则：适于加工难加工材料适于加工相对复杂零件的加工适于大批量另加加工。同时满足，可考虑使用电解加工。第四章电化学加工20二、电解加工的电极反应阳极处，电极电位最负的先反应。阴极处，电极电位最正的先反应。第四章电化学加工21例钢在NaCl水溶液中电解加工的电极反应①阳极反应Fe—2eFe+2E0=-0.59VFe—3eFe+3E0=-0.323V4OH-—4eO2↑+2H2OE0=0.867V2CL-—2eCL2↑E0=1.334V可见，Fe失去电子的反应先进行。但不可能产生三价铁离子和气体。Fe+2+2OH-Fe（OH）2↓（墨绿色的絮状物）沉淀为4Fe（OH）2+2H2O+O24Fe（OH）3↓（黄褐色沉淀）第四章电化学加工22②阴极反应按可能性为2H++2eH2↑E0=-0.42VNa++eNa↓E0=-2.69V按照电极反应的基本原理，电极电位最正的粒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。第四章电化学加工23电解加工过程中，由于水的分解消耗，电解液的浓度逐渐变大。而电解液中的Cl-和Na+仅起导电作用，本身并不消耗，因此对于NaCl电解液，只要过滤干净，适当添加水分，就可长期使用。工具也可长期使用。第四章电化学加工24三、电解液如何正确选用电解液很重要，否则不会得到满意的加工结果，有时配方保密。（一）电解液作用：①作为介质传递电流②在电场作用下进行化学反应，阳极溶解③带走加工产物，散热，冷却第四章电化学加工25对电解液要求：①具有足够的蚀除速度，即较高的生产率。②有较高的加工精度和表面质量。③阳极反应为不容向化合物。第四章电化学加工26（二）电解液分类：电解液可分为中性盐溶液、酸性溶液、碱性溶液三大类。中性盐溶液的腐蚀性小，使用时较安全，故应用最普遍。最常用的有NaCl、NaNO3和NaClO3三种电解液。NaCl：生产率高，成本低，安全，加工精度低。NaNO3：生产率低，成本高，加工精度高。NaClO3：生产率前两者中间，成本高，安全性差。电解液中使用添加剂可以改善电解液的性能。第四章电化学加工27第四章电化学加工28（三）电解液参数对加工过程的影响电解液浓度、温度、PH值、粘性对加工过程都有影响。浓度越大、温度越高、导电率高，腐蚀能力强。电解液温度受夹具、绝缘材料等限制，一般不超过60摄氏度。电解液质量分数和温度变化影响加工精度的稳定性。电解液粘度影响间隙中电解液流动特性。第四章电化学加工29（四）电解液的流速和流向电解液必须有足够的流速，把电解产物冲走，带走热量。有正向流动、反向流动和横向流动。第四章电化学加工30（五）电解液出水口的布局出口水的流向和出水口的布局影响加工效果。第四章电化学加工31四、电解加工的基本工艺规律电解加工生产率：单位时间内去除金属的量。影响因素：工件材料的电化学当量电流密度电解液其他参数（一）．生产率及其影响因素第四章电化学加工32（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。实际电蚀量为KItmItV第四章电化学加工33（２）电流密度对生产率的影响电流密度越高，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。第四章电化学加工34（３）加工间隙对生产率的影响加工间隙越小，电解液的电阻越小，电流密度越大，蚀除速度也就越高。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。第四章电化学加工35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。第四章电化学加工36（二）.精度成型规律1端面平衡间隙2法向平衡间隙3侧面平衡间隙4平衡间隙理论的应用5影响加工间隙的其他因素：电流效率、工具形状、电解液流向、电源电压波动第四章电化学加工371端面平衡间隙：垂直进给方向，加工过程达到稳定时阴极端面和工件间的间隙。第四章电化学加工382法向平衡间隙当工件端面和进给方向不垂直时，端面法线方向的间隙可表示为可见法向间隙大于端面平衡间隙。第四章电化学加工393侧面平衡间隙第四章电化学加工404平衡间隙理论的应用1）计算加工过程中各种电极间隙2）设计电极时计算阴极尺寸和修正量3）分析加工精度4）选择加工参数。第四章电化学加工41（三）.表面质量影响表面质量的主要因素1）工件材料的合金成分、金相组织及热处理状态对表面粗糙度影响很大。2)工艺参数对表面质量影响很大。3)阴极表面表面质量。第四章电化学加工42五、提高加工精度的主要措施如下：（１）脉冲电流电解加工（２）小间隙电解加工（３）改进电解液（４）混气电解加工第四章电化学加工43六.电解加工设备电解加工的基本设备包括直流电源、机床及电解液系统三大部分。1)直流电源电解加工常用的直流电源为硅整流电源和晶闸管整流电源。第四章电化学加工44分类特点应用场合硅整流电源1．可靠性、稳定性好；2．调节灵敏度较低；3．稳压精度不高国内生产现场占一定比例晶闸管电源1．灵敏度高，稳压精度高；2．效率高，节省金属材料；3．稳定性、可靠性较差国外生产中普遍采用，也占相当比例表直流电源的特点及应用第四章电化学加工452)机床要求机床要有足够的刚性；要保证进给系统的稳定性，要有好的防腐措施和安全措施。电解加工机床多采用伺服电极或直流电极无级调速进给系统实现自动控制。第四章电化学加工463)电解液系统组成有泵、电解液槽、过滤装置、管道和阀。第四章电化学加工471深孔扩孔加工深径比大于5的深孔，用传统切削加工方法加工，刀具磨损严重，表面质量差，加工效率低。目前采用电解加工方法加工φ4×2000mm、φ100×8000mm的深孔，加工精度高，表面粗糙度低，生产率高。电解加工深孔，按工具阴极的运动方式可分为固定式和移动式两种。七、电解加工工艺及其应用第四章电