(精品)第四章电化学加工.ppt

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1、先进制造技术黄安贻 Mobile:18971174993Email:huang_ 教材：刘晋春等主编，特种加工（第五版），机械工业出版社，2008.3第4章 电化学加工4.1 电化学加工的原理与特点1.电化学加工的原理图示两片金属铜(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+。图4-1 电解(电镀)液中的电化学反应 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，C

2、u2+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。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。电化学加工有三种不同的类型。第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 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

3、阳极机械加工(其中还含有电火花放电作用)。2.电化学加工的分类表4-1 电化学加工分类3.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。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。4.2 电解加工1电解加工的原理及特点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。在工件(阳极)与工具(阴极)之间接上直流电源(1020V)，使工具阴极与工

4、件阳极间保持较小的加工间隙(0.10.8 mm)，间隙中通过高速流动的电解液。这时，工件阳极开始溶解。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，工件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形状，如此下去直至将工具的形状复制到工件上。电解加工原理图2)特点电解加工与其他加工方法相比较，它具有下列特点:(1)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510倍，在某些情况下，比切削加工的生

5、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0.21.25 m。(4)阴极工具在理论上不损耗，基本上可长期使用。电解加工当前存在的主要问题是加工精度难以严格控制，尺寸精度一般只能达到0.150.30 mm。此外，电解液对设备有腐蚀作用，电解液的处理也较困难。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。2.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

6、加工常用的直流电源为硅整流电源和晶闸管整流电源。表4-2 直流电源的特点及应用2)机床 电解加工机床的任务是安装夹具、工件和阴极工具，并实现其相对运动，传送电和电解液。电解加工过程中虽没有机械切削力，但电解液对机床主轴和工作台的作用力是很大的，因此要求机床要有足够的刚性；要保证进给系统的稳定性，如果进给速度不稳定，阴极相对工件的各个截面的电解时间就不同，影响加工精度；电解加工机床经常与具有腐蚀性的工作液接触，因此机床要有好的防腐措施和安全措施。3)电解液系统在电解加工过程中，电解液不仅作为导电介质传递电流，而且在电场的作用下进行化学反应，使阳极溶解能顺利而有效地进行，这一点与电火花加工的工作液

7、的作用是不同的。同时电解液也担负着及时把加工间隙内产生的电解产物和热量带走的任务，起到更新和冷却的作用。电解液可分为中性盐溶液、酸性盐溶液和碱性盐溶液三大类。其中中性盐溶液的腐蚀性较小，使用时较为安全，故应用最广。常用的电解液有NaCl、NaNO3、NaClO3 三种。NaCl 电解液价廉易得，对大多数金属而言，其电流效率均很高，加工过程中损耗小并可在低浓度下使用，应用很广。其缺点是电解能力强，散腐蚀能力强，使得离阴极工具较远的工件表面也被电解，成型精度难于控制，复制精度差；对机床设备腐蚀性大，故适用于加工速度快而精度要求不高的工件加工。NaNO3电解液在浓度低于30%时，对设备、机床腐蚀性很

8、小，使用安全。但生产效率低，需较大电源功率，故适用于成型精度要求较高的工件加工。NaClO3电解液的散蚀能力小，故加工精度高，对机床、设备等的腐蚀很小，广泛地应用于高精度零件的成型加工。然而，NaClO3是一种强氧化剂，虽不自燃，但遇热分解的氧气能助燃，因此使用时要注意防火安全。钢在钢在NaClNaCl水溶液中电解加工的电极反应水溶液中电解加工的电极反应 阳极反应阳极反应 FeFe2e Fe2e Fe+2+2FeFe3e Fe3e Fe+3+3 4OH4OH-4e O4e O2 2+2H+2H2 2O O 2CL2CL-2e CL2e CL2 2 Fe Fe+2+2+2OH+2OH-Fe Fe

9、（OHOH）2 2（墨绿色的絮状（墨绿色的絮状物物 ）沉淀为沉淀为 4Fe4Fe（OHOH）2 2+2H+2H2 2O+OO+O2 2 4Fe 4Fe（OHOH）3 3 （黄褐色沉淀）（黄褐色沉淀）按照电极反应的基本原理，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。电极电位最负的物质首先在阳极反应。阴极反应阴极反应 按可能性为按可能性为2H2H+2e H+2e H2 2NaNa+e+e Na Na 按照电极反应的基本原理，电极电位最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，在正的粒子将首先在阴极反应。因此，在阴极上阴极上只会析出氢气只会析出氢气，而，而不可

10、能沉淀出不可能沉淀出钠钠。电解加工过程中，由于水的分解消耗，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，而电解液中的电解液的浓度逐渐变大，而电解液中的ClCl-和和NaNa+仅起导电作用，本身并不消耗，仅起导电作用，本身并不消耗，因此对于因此对于NaClNaCl电解液，只要过滤干净，电解液，只要过滤干净，适当添加水，就适当添加水，就可长期使用可长期使用。工具也可长期使用工具也可长期使用。3.影响电解加工的工艺因素(1)影响加工速度的主要因素电解加工的加工速度是指阳极的溶解速度，可以用g/min或mm3/min来表示。（2）影响加工精度的主要因素在电解加工中加工间隙的大小、均匀性及稳

11、定性是影响加工精度的主要因素。（3）影响表面质量的主要因素电解加工是依靠电化学阳极溶解来去除金属，因此与切削加工的表面质量有所不同。工件材料的合金成分、金相组织及热处理状态、电解加工工艺参数（如电流密度等）、阴极表面质量（条纹、划痕）等都会影响电解加工工件表面质量。生产率及其影响因素生产率及其影响因素（）电化学当量对生产率的影响（）电化学当量对生产率的影响 电电化化学学当当量量愈愈大大，生生产产率率愈愈高高。实实际际电电蚀量为蚀量为或K为质量电化学当量；为体积电化学当量。（）电流密度对生产率的影响（）电流密度对生产率的影响 电流密度越高，生产率越高电流密度越高，生产率越高，但在，但在增加电流密

12、度的同时，电压也随着增高，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。电、造成局部短路为度。（）加工间隙对生产率的影响（）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

13、和压力。隙较小时应加大电解液的流速和压力。此外此外电源电压电源电压、电解液种类电解液种类、工件材料工件材料的化学成分的化学成分和和组织结构组织结构都对生产率有影响。都对生产率有影响。加工精度及其影响因素加工精度及其影响因素 不仅与不仅与加工间隙加工间隙有关，还与有关，还与机床、机床、工艺装备、工具阴极、工件、工艺参数工艺装备、工具阴极、工件、工艺参数等诸多因素有关。等诸多因素有关。提高电解加工精度的途径(1)脉冲电流电解加工采用脉冲电流电解加工，在脉冲间隔时间内，流动的电解液就可以把电解产物、气泡、热量等冲刷带走，使电极间电导率分布均匀性得到改善，从而使工件各处阳极溶解速度均匀，减小了加工误差

14、。(2)混气电解加工混气电解加工是将电解液和一定量的压缩气体(空气、二氧化碳、氮气)，在气液混合装置中均匀混合形成含有无数微小气泡的气液混合物，并将这种混有气体的电解液通入加工间隙参与电解加工。（3）小间隙电解加工 加工间隙越小越能提高加工精度。（4）改进电解液 采用复合电解液，主要在NaCl电解液中添加其他成分，既保持NaCl电解液的高效率，又提高加工精度。表面质量及其影响因素表面质量及其影响因素（）工件材料的合金成分、金相组织和热（）工件材料的合金成分、金相组织和热处理状态处理状态 （）工艺参数（）工艺参数 ：电流密度、电解液的流：电流密度、电解液的流速大小和温度高低速大小和温度高低（）工

15、具阴极的表面质量（）工具阴极的表面质量 （4 4）工件表面必须除油去锈）工件表面必须除油去锈（5 5）电解液必须经过滤沉淀，不含固体颗）电解液必须经过滤沉淀，不含固体颗粒杂质。粒杂质。日前，电解加工主要应用在深孔加工、叶片(型面)加工、锻模(型腔)加工、管件内孔抛光、各种型孔的倒圆和去毛刺、整体叶轮的加工等方面。(1)电解加工整体叶轮 图3，叶轮上的叶片是采用套料法逐个加工的。加工完一个叶片，退出阴极，经分度后再加工下一个叶片。4.电解加工应用图3 电解加工整体叶轮整体叶轮电解加工深孔加工连杆锻模电解加工端面进给式型孔加工1进水孔2阴极主体3绝缘层4工件电解去毛刺电解去毛刺 机机械械加加工工中

16、中常常采采用用钳钳工工方方法法去去毛毛刺刺，这这不不但但工工作作量量大大，而而且且有有的的毛毛刺刺因因过过硬硬或或空空间间狭狭小小难难以以去去除除。而而采采用用电电解解去去毛毛刺刺，则则可可以以提提高高工工效效，节节约约费费用用。图图示示，采采用用电电解解法法去去除除齿齿轮轮毛刺。毛刺。利利用用电电解解加加工工，不不仅仅可可以以完完成成上上述述重重要要的的工工艺艺过过程程，而而且且还还可可以以应应用用于于深深孔孔的的扩扩孔孔加加工工、型孔加工以及抛光等工艺过程中。型孔加工以及抛光等工艺过程中。图4-394.3 电解磨削 电解磨削是利用电解作用电解磨削是利用电解作用(占95%98%)与机械磨削作

17、用相结合而进行加工的与机械磨削作用相结合而进行加工的复合加工。复合加工。电解磨削所用的电解磨削所用的阴极工具是含有磨粒的导阴极工具是含有磨粒的导电砂轮电砂轮。电解磨削过程中，金属电解磨削过程中，金属主要是靠电化学作主要是靠电化学作用腐蚀下来用腐蚀下来，导电砂轮起磨去电解产物阳导电砂轮起磨去电解产物阳极钝化膜和整平工件表面的作用极钝化膜和整平工件表面的作用。导电砂轮导电砂轮1 1与直流电源与直流电源的阴极相联，被加工的阴极相联，被加工工件工件2 2（硬质合金车刀）（硬质合金车刀）接阳极，它在一定的接阳极，它在一定的压力下与导电砂轮相压力下与导电砂轮相接触，加工区域中送接触，加工区域中送入电解液入

18、电解液3 3，在电解和，在电解和机械磨削的双重作用机械磨削的双重作用下，车刀的后刀面很下，车刀的后刀面很快被磨光。快被磨光。1.电解磨削的工作原理1.导电砂轮 2.电解液 3.工件1.普通砂轮 2.工件 3.电解液 4钝化膜 5.中间电极电解磨削加工过程 电流从工件电流从工件3 3通过电解液通过电解液5 5而流向而流向磨轮，形成通路，于是工件（阳极）磨轮，形成通路，于是工件（阳极）表面的金属在电流和电解液的作用表面的金属在电流和电解液的作用下发生下发生电解作用电解作用（电化学腐蚀），（电化学腐蚀），被氧化成为一层极薄的氧化物或氢被氧化成为一层极薄的氧化物或氢氧化物薄膜氧化物薄膜4 4（阳极薄膜

19、阳极薄膜）。但阳极）。但阳极薄膜迅速被导电砂轮中薄膜迅速被导电砂轮中磨粒刮除磨粒刮除，在阳极工件上又露出新的金属表面在阳极工件上又露出新的金属表面并被继续电解。这样电解作用和刮并被继续电解。这样电解作用和刮除薄膜的磨削作用除薄膜的磨削作用交替进行交替进行，工件，工件被连续加工，直至达到一定的被连续加工，直至达到一定的尺寸尺寸精度和表面粗糙度精度和表面粗糙度。1磨料砂轮，2导电砂轮结合剂铜或石墨，3工件，4电解产物（阳极钝化薄膜），5电解液 电解磨削与普通电解的比较p相同点阳极溶解机理相同。p不同点阳极钝化膜的去除原理不同。电解磨削中，阳极钝化膜的去除是靠磨轮的机械加工去除的，电解液腐蚀力较弱；

20、一般电解加工中的阳极钝化膜的去除，是靠高电流密度去破坏（不断溶解）或靠活性离子（如氯离子）进行活化，再由高速流动的电解液冲刷带走的。电解磨削与机械磨削的比较 加工范围广，加工效率高。加工精度和表面质量高。砂轮的磨损量小。但电解磨削的机床、夹具等需采取防蚀防锈措施，还需增加吸气、排气装置；而且需要直流电源、电解液过滤、循环装置等附属设备；此外，加工刀具刃口不易磨得非常锋利。电解磨削的特点1、加工范围广，加工效率高2、可以提高加工精度和表面质量3、砂轮磨损量小4、加工刀具的刃口不易磨得非常锋利；5、需要采取防腐蚀、防锈措施；6、需增加吸气、排气装置，支流电源、电解液过滤和循环装置。特点特点1 1：

21、加工范围广、加工效率高：加工范围广、加工效率高由于由于电解作用和工程材料的机械性能关电解作用和工程材料的机械性能关系不大系不大，因此，只要选择合适的电解液，因此，只要选择合适的电解液就可以用来加工任何高硬度、高韧性的就可以用来加工任何高硬度、高韧性的金属材料。金属材料。加工硬质合金时，与普通的金刚石砂轮加工硬质合金时，与普通的金刚石砂轮磨削相比，电解磨削的加工效率要高磨削相比，电解磨削的加工效率要高3 35 5倍。倍。特点2：工件的加工精度和表面质量高工件的加工精度和表面质量高 由于由于砂轮只起刮除阳极薄膜的作用，磨砂轮只起刮除阳极薄膜的作用，磨削力和磨削热都很小，不会产生磨削裂削力和磨削热都

22、很小，不会产生磨削裂纹和烧伤现象纹和烧伤现象，因而能提高加工表面质，因而能提高加工表面质量和加工精度，一般表面粗糙度可优于量和加工精度，一般表面粗糙度可优于Ra0.16mRa0.16m。特点特点3 3：砂轮的磨损量小：砂轮的磨损量小普通刃磨时，普通刃磨时，碳化硅砂轮磨削硬质合金其磨损碳化硅砂轮磨削硬质合金其磨损量为硬质合金质量的量为硬质合金质量的4 46 6倍倍，电解磨削时仅为，电解磨削时仅为硬质合金切除量的硬质合金切除量的50%50%100%100%；与普通金刚石；与普通金刚石砂轮磨削相比，电解磨削砂轮的损耗速度仅为砂轮磨削相比，电解磨削砂轮的损耗速度仅为它们的它们的1/51/51/101/

23、10，可显著降低成本。，可显著降低成本。采用电解磨削加工不仅比单纯用金刚石砂轮磨采用电解磨削加工不仅比单纯用金刚石砂轮磨削时效率提高削时效率提高2 23 3倍，而且大大节省金刚石砂倍，而且大大节省金刚石砂轮，一个金刚石导电砂轮可用轮，一个金刚石导电砂轮可用5 56 6年。年。特点特点4 4：对机床、工具腐蚀相对较小：对机床、工具腐蚀相对较小 由于由于电解磨削是靠砂轮磨粒来刮除具电解磨削是靠砂轮磨粒来刮除具有一定硬度和粘度的阳极钝化膜有一定硬度和粘度的阳极钝化膜，由此电，由此电解液中不能含有活化能力很强的活性离子解液中不能含有活化能力很强的活性离子（如（如ClCl-离子），一般使用腐蚀能力较弱的

24、离子），一般使用腐蚀能力较弱的NaNONaNO3 3、NaNONaNO2 2等为主的电解液，以提高电等为主的电解液，以提高电解成形精度和有利于机床、工具的防锈、解成形精度和有利于机床、工具的防锈、防蚀。防蚀。电解磨削的应用 电解磨削广泛应用于平面磨削、成型磨削和内外圆磨削。下图（a）、（b）分别为立式平面磨削、卧式平面磨削的示意图。图（c）为电解成型磨削示意图，其磨削原理是将导电磨轮的外圆圆周按需要的形状进行预先成型，然后进行电解磨削。（a）（b）（c）电解磨削示意图（a）（b）（c）电解磨削示意图 电解珩磨1.珩磨头 2.直流电源 3.工件 4.泵 5.电解液电解研磨4.4 电铸加工电铸加工

25、 1、电铸加工原理及特点 （1）成型原理）成型原理 与电镀原理相似，电铸成型是利用电化学过程中的阴极沉积现象来进行成型加工的，即在原模上通过电化学方法沉积金属，然后分离以制造或复制金属制品。但电铸与电镀又有不同之处，电镀时要求得到与基体结合牢固的金属镀层，以达到防护、装饰等目的。而电铸则要电铸层与原模分离，其厚度也远大于电镀层。1-电镀槽；2-阳极；3-直流电源；4-电镀层；5-原模（阴极）；6-搅拌器；7-电铸液；8-过滤器；9-泵；10加热器电铸原理如图所示，在直流电源的作用下，金属盐溶液中的金属离子在阴极获得电子而沉积在阴极原模的表面。阳极的金属原子失去电子而成为正离子，源源不断地补充到

26、电铸液中，使溶液中的金属离子浓度保持基本不变。当母模上的电铸层达到所需的厚度时取出，将电铸层与型芯分离，即可获得型面与型芯凹、凸相反的电铸模具型腔零件的成型表面。（2）特点）特点能准确、精密地复制复杂型面和细微纹路，表面粗糙度Ra可达0.1 m，一般不需抛光即可使用。原模材料不限于金属，可以是石膏、石蜡和环氧树脂等，有时还可用制品零件直接作为母模。表面硬度可达3550HRC，所以电铸型腔使用寿命长。电铸可获得高纯度的金属制品，如电铸铜，它纯度高，具有良好的导电性能，十分有利于电加工。电铸时，金属沉积速度缓慢，制造周期长。如电铸镍，一般需要一周左右。电铸层厚度不易均匀，且厚度较薄，仅为48 mm

27、左右。电铸层一般都具有较大的应力，所以大型电铸件变形显著，且不易承受大的冲击载荷。这样，就使电铸成型的应用受到一定的限制。（1）电铸槽电铸槽 电铸槽材料的选取以不与电解液作用引起腐蚀为原则。一般用钢板焊接，内衬铅板或聚氯乙烯薄板等。（2）直流电源直流电源电铸采用低电压大电流的直流电源。常用硅整流，电压为612 V左右，并可调。电铸设备主要包括电铸槽、直流电源、搅拌和循环过滤系统、恒温控制系统等。2、电铸设备（3）搅拌和循环过滤系统）搅拌和循环过滤系统为了降低电铸液的浓差极化，加大电流密度，减少加工时间，提高生产速度，最好在阴极运动的同时加速溶液的搅拌。搅拌的方法有循环过滤法、超声波或机械搅拌等

28、。循环过滤法不仅可以使溶液搅拌，而且在溶液不断反复流动时进行过滤。（4）恒温控制系统）恒温控制系统 电铸时间很长，所以必须设置恒温控制设备。它包括加热设备（加热玻璃管、电炉等）和冷却设备（冷水或冷冻机等）。3、电铸加工的工艺过程及要点 （1）主要工艺过程）主要工艺过程原模表面处理电铸过程衬背和脱模处理清洗干燥成品 原模表面处理：金属材料进行钝化处理，非金属材料进行导电化处理。电铸过程：时间较长，电流密度不能太大。衬背处理：塑料模具和印刷电路板。脱模处理：敲击锤打，加热或冷却胀缩分离，薄刀刃剥离，化学溶解，加热熔化等。（2）电铸过程要点）电铸过程要点 溶液必须连续过滤。必须搅拌电铸镀液，降低浓差

29、极化。为使电铸件厚薄均匀，凸出部分应加屏蔽，凹入部位要加装辅助阳极。要严格控制铸液成分、浓度、酸碱度、温度、电流密度等。4、电铸的应用电铸具有极高的复制精度和良好的机械性能，已在航空、仪器仪表、精密机械、模具制造等方面发挥日益重要的作用。图例为刻度盘模具型腔电铸过程。其中图(a)为电铸过程中的阴极母模简图，图(b)为母模进行引导线及包扎绝缘处理图，图(c)为电铸，图(d)为电铸产品后处理图。注：课后阅读教材“电动剔须刀网罩”电铸刻度盘模具型腔电铸过程电刷镀的原理、特点、应用原理：电化学阴极沉积特点：1）设备简单，操作方便；2）可镀金属种类多；3）镀层与基体结合牢固；镀速高于槽镀；4）手工操作，难以实现自动化。应用：1）修复零件，超差补救；2）填补零件缺陷；3）改善零件表面性能。作业欢迎大家对教学工作提出宝贵意见！1）试述电化学加工的机理。）试述电化学加工的机理。2）电解加工时的电极间隙与电火花加工时的电极间隙在特性上有何不同？3）简述电解磨削的基本原理和特点。