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第六章第六章 电化学加工电化学加工一、电化学加工原理与特点一、电化学加工原理与特点1.1.电化学加工原理电化学加工原理当当两个铜片两个铜片接上直流电形成导电回路时，导线接上直流电形成导电回路时，导线和溶液中都有电流流过，和溶液中都有电流流过，在金属片在金属片(电极电极)和溶液界和溶液界面上就会有交换电子反应，即电化学反应面上就会有交换电子反应，即电化学反应。溶液中。溶液中离子将作定向移动，离子将作定向移动，Cu2+Cu2+正离子移向阴极，在阴极正离子移向阴极，在阴极上得到电子而进行还原反应，沉积出铜。上得到电子而进行还原反应，沉积出铜。第1页在在阳阳极极表表面面CuCu原原子子失失掉掉电电子子而而成成为为Cu2+Cu2+正正离离子子进进入入溶溶液液。溶溶液液中中正正、负负离离子子定定向向移移动动称称为为电电荷荷迁迁移移。在在阳阳、阴阴电电极极表表面面发发生生得得失失电电子子化化学学反反应应称称为为电电化化学学反反应应。这这种种利利用用电电化化学学反反应应原原理理对对金金属属进进行行加加工工(图图1)1)中中,阳阳极极上上为为电电解解蚀蚀除除，阴阴极极上上为为电电镀镀沉沉积积，(惯惯用用以以提提炼炼纯纯铜铜)方方法法即即电电化学加工。化学加工。图1 电化学反应CuCu第2页 当用当用10102020氯化钠作电解液，以铜氯化钠作电解液，以铜为工具加工碳钢时，电化学反应式以下：为工具加工碳钢时，电化学反应式以下：2H+2eH2Fe-2eFe+Fe+2OH-Fe(OH)2 阴极反应:NaCl Na+Cl-H2O H+OH-水溶液中:阳极反应:第3页电解池中电位分布电位分布原因电位分布原因Na+H+Cl-OH-FeFeH2Fe(OH)3第4页2.电化学加工分类电化学加工有三种不一样类型。第第类类是是利利用用电电化化学学反反应应过过程程中中阳阳极极溶溶解解来来进进行行加加工工，主主要要有有电电解解加加工工和和电电化化学学抛抛光光等等；第第类类是是利利用用电电化化学学反反应应过过程程中中阴阴极极沉沉积积来来进进行行加加工工，主主要要有有电电镀镀、电电铸铸等等；第第 类类是是利利用用电电化化学学加加工工与与其其它它加加工工方方法法相相结结合合电电化化学学复复合合加加工工工工艺艺进进行行加加工工，当当前前主主要要有有电电解解磨磨削削、电电化化学学阳阳极极机机械械加加工工(其其中中还还含含有有电电火火花花放放电电作作用用)。电电化化学学加加工工类类别别如如表表1 1所所表表示示。本本节节主主要要介介绍绍电电解解加加工工、电电铸铸成成型型、电电解解磨磨削削，其它电化学加工请参考相关资料。，其它电化学加工请参考相关资料。第5页表表1 1 电化学加工分类电化学加工分类第6页3.3.电化学加工适用范围电化学加工适用范围电电化化学学加加工工适适用用范范围围，因因电电解解和和电电镀镀两两大大类类工艺不一样而不一样工艺不一样而不一样。电电解解加加工工能能够够加加工工复复杂杂成成型型模模具具和和零零件件，比比如如汽汽车车、拖拖拉拉机机连连杆杆等等各各种种型型腔腔锻锻模模，航航空空、航航天天发发动动机机扭扭曲曲叶叶片片，汽汽轮轮机机定定子子、转转子子扭扭曲曲叶叶片片，炮炮筒筒内内管管螺螺旋旋“膛膛线线”(来来复复线线)，齿齿轮轮、液液压压件件内内孔孔电电解解去去毛毛刺刺及及扩扩孔孔、抛抛光等。光等。电镀、电铸能够复制复杂、精细表面。电镀、电铸能够复制复杂、精细表面。第7页 第一节第一节 电解加工机理和基本规律电解加工机理和基本规律一一电解电解加工原理及特点加工原理及特点1 1基本原理基本原理电解加工是利用金属在电解液中电解加工是利用金属在电解液中“电化学阳极电化学阳极溶解溶解”来将工件成型来将工件成型。如图所表示，在工件。如图所表示，在工件(阳极阳极)与工具与工具(阴极阴极)之间接上直流电源，之间接上直流电源，使工使工具阴极与工件阳极具阴极与工件阳极间保持较小加工间隙间保持较小加工间隙(0.1(0.10.8 mm)0.8 mm)，间隙中经过，间隙中经过高速流动电解液高速流动电解液。这时。这时工件工件阳极开始溶解阳极开始溶解。开始时两极之间间隙大小。开始时两极之间间隙大小不等，间隙小处电流密度大，阳极金属去除速不等，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。度快；而间隙大处电流密度小，去除速度慢。第8页伴随工件表面金属材料不停溶解，工具阴极伴随工件表面金属材料不停溶解，工具阴极不停地向工件进给，不停地向工件进给，溶解电解产物不停地被溶解电解产物不停地被电解液冲走，工件表面也就逐步被加工成靠电解液冲走，工件表面也就逐步被加工成靠近于工具电极形状，如此下去直至将工具形近于工具电极形状，如此下去直至将工具形状复制到工件上。状复制到工件上。电解加工原理图第9页第10页n2)电解加工特点nn (1)能加工各种硬度和强度材料。只要是金属，不论其硬度和强度多大，都可加工。n(2)生产率高，约为电火花加工510倍，在一些情况下，比切削加工生产率还高，且加工生产率不直接收加工精度和表面粗糙度限制。n(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。第11页 (4)(4)阴阴极极工工具具在在理理论论上上不不损损耗耗，基基本本上上可长久使用。可长久使用。电电解解加加工工当当前前存存在在主主要要问问题题是是加加工工精精度度难难以以严严格格控控制制，尺尺寸寸精精度度普普通通只只能能到到达达0.150.150.30 0.30 mmmm。另另外外，电电解解液液对对设设备备有有腐腐蚀蚀作作用用，电解液处理也较困难。，电解液处理也较困难。第12页第二节第二节 电解加工设备电解加工设备电解加工基本设备包含电解加工基本设备包含直流电源、机床及电解液系统三大部分直流电源、机床及电解液系统三大部分。1)1)直流电源直流电源电解加工惯用电解加工惯用直流电源为硅整流电源直流电源为硅整流电源和晶闸管整流电源和晶闸管整流电源，其主要特点及应用见，其主要特点及应用见表表2 2。第13页表2 直流电源特点及应用第14页2)2)机床机床电电解解加加工工机机床床任任务务是是安安装装夹夹具具、工工件件和和阴阴极极工工具具，并并实实现现其其相相对对运运动动，传传送送电电和和电电解解液液。电电解解加加工工过过程程中中虽虽没没有有机机械械切切削削力力，但但电电解解液液对对机机床床主主轴轴和和工工作作台台作作用用力力是是很很大大，所所以以要要求求机机床床要要有有足足够够刚刚性性；要要确确保保进进给给系系统统稳稳定定性性，假假如如进进给给速速度度不不稳稳定定，阴阴极极相相对对工工件件各各个个截截面面电电解解时时间间就就不不一一样样，影影响响加加工工精精度度；电电解解加加工工机机床床经经常常与与含含有有腐腐蚀蚀性性工工作作液液接接触触，所所以以机机床床要要有有好好防防腐腐办办法法和和安安全全办办法法。第15页3)3)电解液系统电解液系统在在电电解解加加工工过过程程中中，电电解解液液不不但但作作为为导导电电介介质质传传递递电电流流，而而且且在在电电场场作作用用下下进进行行化化学学反反应应，使使阳阳极极溶溶解解能能顺顺利利而而有有效效地地进进行行，这这一一点点与与电电火火花花加加工工工工作作液液作作用用是是不不一一样样。同同时时电电解解液液也也担担负负着着及及时时把把加加工工间间隙隙内内产产生生电电解解产产物物和和热热量量带带走走任任务务，起起到到更更新新和和冷冷却却作作用。用。电电解解液液可可分分为为中中性性盐盐溶溶液液、酸酸性性盐盐溶溶液液和和碱碱性性盐盐溶溶液液三三大大类类。其其中中中中性性盐盐溶溶液液腐腐蚀蚀性性较较小小，使使用用时时较较为为安安全全，故故应应用用最最广广。惯惯用用电解液有电解液有NaClNaCl、NaNONaNO3 3、NaClONaClO3 3 三种三种。n 第16页NaCl NaCl 电解液价廉易得，对大多数金属而言，其电电解液价廉易得，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。用，应用很广。其缺点是电解能力强，散腐蚀能力强，其缺点是电解能力强，散腐蚀能力强，使得离阴极工具较远工件表面也被电解使得离阴极工具较远工件表面也被电解，成型精度难成型精度难于控制，复制精度差于控制，复制精度差；对机床设备腐蚀性大，故适合；对机床设备腐蚀性大，故适合用于加工速度快而精度要求不高工件加工。用于加工速度快而精度要求不高工件加工。NaNONaNO3 3电电解解液液在在浓浓度度低低于于30%30%时时，对对设设备备、机机床床腐腐蚀蚀性性很很小小，使使用用安安全全。但但生生产产效效率率低低，需需较较大大电电源源功功率，故适合用于成型精度要求较高工件加工率，故适合用于成型精度要求较高工件加工。NaClONaClO3 3电电解解液液散散蚀蚀能能力力小小，故故加加工工精精度度高高，对对机机床床、设设备备等等腐腐蚀蚀很很小小，广广泛泛地地应应用用于于高高精精度度零零件件成成型型加加工工。然然而而，NaClONaClO3 3是是一一个个强强氧氧化化剂剂，虽虽不不自自燃燃，但但遇热分解氧气能助燃，所以使用时要注意防火安全。遇热分解氧气能助燃，所以使用时要注意防火安全。电解平衡常数第17页 横向流动结构横向流动结构:用于叶片等零件加工和浅模腔修复。用于叶片等零件加工和浅模腔修复。2)2)工具电极结构工具电极结构(电解液循环电解液循环)正向流动结构正向流动结构:密封装置简单，加工精度较低；密封装置简单，加工精度较低；反向流动结构反向流动结构:密封装置复杂，加工精度较高。密封装置复杂，加工精度较高。正向正向反向反向横向横向第18页第三第三 节节 电解加工工艺应用电解加工工艺应用 当当前前，电电解解加加工工主主要要应应用用在在深深孔孔加加工工、叶叶片片(型型面面)加加工工、锻锻模模(型型腔腔)加加工工、管管件件内内孔孔抛抛光光、各各种种型型孔孔倒倒圆圆角角和和去去毛毛刺刺、整整体体叶轮加工等方面。叶轮加工等方面。图图3 3是是用用电电解解加加工工整整体体叶叶轮轮，叶叶轮轮上上叶叶片片是是采采取取套套料料法法逐逐一一加加工工。加加工工完完一一个个叶叶片片，退出阴极，经分度后再加工下一个叶片。退出阴极，经分度后再加工下一个叶片。第19页图3 电解加工整体叶轮第20页 可用于加工各种可用于加工各种复杂型腔、型孔、型面复杂型腔、型孔、型面(如如叶片叶片)以及深孔和套料等，在大批大量生产中可以及深孔和套料等，在大批大量生产中可用来去毛刺。用来去毛刺。第21页 第四节第四节 电解磨削电解磨削1 1加工原理及特点加工原理及特点1)1)加工原理加工原理电电解解磨磨削削是是电电解解加加工工种种特特殊殊形形式式，是是电电解解与与机机械械复复合合加加工工方方法法。它它是是靠靠金金属属溶溶解解(占占95%95%98%)98%)和和机机械械磨磨削削(占占2%2%5%)5%)综综合合作作用用来来实实现现加加工工。加加工工原原理理如如图图6 6所所表表示示。加加工工过过程程中中，磨磨轮轮(砂砂轮轮)不不停停旋旋，磨磨轮轮上上凸凸出出砂砂粒粒与与工工件件接接触触，形形成成磨磨轮轮与与工工件件间间电电解解间间隙隙。电电解解液液不不停停供供给给，磨磨轮轮在在旋旋转转中中，将将工工件件表表面面由由电电化化学学反反应应生生成成钝钝化化膜膜除除去去，继继续续进进行行电电化化学学反反应应，如如此此重复不停，直到加工完成重复不停，直到加工完成。第22页电电解解磨磨削削阳阳极极溶溶解解机机理理与与普普通通电电解解加加工工阳阳极极溶溶解解机机理理是是相相同同。不不一一样样之之处处于于于于：电电解解磨磨削削中中，阳阳极极钝钝化化膜膜去去除除是是靠靠磨磨轮轮机机械械加加工工去去除除，电电解解液液腐腐蚀蚀力力较较弱弱；而而普普通通电电解解加加工工中中阳阳极极钝钝化化膜膜去去除除，是是靠靠高高电电流流密密度度去去破破坏坏(不不停停溶溶解解)或或靠靠活活性性离离子子(如如氯氯离离子子)进进行行活活化化，再再由由高高速速流流动动电电解解液液冲冲刷刷带走。带走。第23页图 6 电解磨削加工原理图第24页n2)特点n(1)磨削力小，生产率高。这是由于电解磨削具有电解加工和机械磨削加工优点。n(2)加工精度高，表面加工质量好。因为电解磨削加工中，一方面工件尺寸或形状是靠磨轮刮除钝化膜得到，故能获得比电解加工好加工精度；其次，材料去除主要靠电解加工，加工中产生磨削力较小，不会产生磨削毛刺、裂纹等现象，故加工工件表面质量好。n(3)设备投资较高。其原因是电解磨削机床需加电解液过滤装置、抽风装置、防腐处理设备等。第25页2 2电解磨削应用电解磨削应用 电电解解磨磨削削广广泛泛应应用用于于平平面面磨磨削削、成成型型磨磨削削和和内内外外圆圆磨磨削削。图图7(a)7(a)、(b)(b)分分别别为为立立轴轴矩矩台台平平面面磨磨削削、卧卧轴轴矩矩台台平平面面磨磨削削示示意意图图。图图8 8为为电电解解成成型型磨磨削削示示意意图图，其其磨磨削削原原理理是是将将导导电电磨磨轮轮外外圆圆圆圆周周按按需需要要形形状状进进行行预预先先成成型型，然然后进行电解磨削。后进行电解磨削。第26页图7 平面磨削示意图 第27页 图 8 电解成型磨削原理图第28页二二 电铸成型电铸成型1电铸成型原理及特点电铸成型原理及特点1)成型原理成型原理 与大家熟知与大家熟知电镀原理相同电镀原理相同，电铸成型是利电铸成型是利用电化学过程中阴极沉积现象来进行成型加工用电化学过程中阴极沉积现象来进行成型加工，即在即在原模上经过电化学方法沉积金属，然后分原模上经过电化学方法沉积金属，然后分离以制造或复制金属制品离以制造或复制金属制品。但电铸与电镀又有。但电铸与电镀又有不一样之处，不一样之处，电镀时要求得到与基体结合牢靠电镀时要求得到与基体结合牢靠金属镀层金属镀层，以到达防护、装饰等目标。而，以到达防护、装饰等目标。而电铸电铸则要电铸层与原模分离，其厚度也远大于电镀则要电铸层与原模分离，其厚度也远大于电镀层。层。第五节第五节 阴极沉积加工阴极沉积加工第29页 电铸原理如图所表示，在直流电源作用下，金属盐溶液中金属离子在阴极取得电子而沉积在阴极母模表面。阳极金属原子失去电子而成为正离子，源源不停地补充到电铸液中，使溶液中金属离子浓度保持基本不变。当母模上电铸层到达所需厚度时取出，将电铸层与型芯分离，即可取得型面与型芯凹、凸相反电铸模具型腔零件成型表面。第30页电铸成型原理Cu第31页2)特点特点 (1)(1)复复制制精精度度高高，能能够够做做出出机机械械加加工工不不可可能能加加工工出出细细微微形形状状(如如微微细细花花纹纹、复复杂杂形形状状等等)，表表面面粗糙度粗糙度RaRa可达可达0.1 m0.1 m，普通不需抛光即可使用。，普通不需抛光即可使用。(2)(2)母母模模材材料料不不限限于于金金属属，有有时时还还可可用用制制品品零零件直接作为母模件直接作为母模。(3)(3)表表面面硬硬度度可可达达353550HRC50HRC，所所以以电电铸铸型型腔腔使用寿命长。电铸使用寿命长。电铸FeFe (4)(4)电铸可取得高纯度金属制品电铸可取得高纯度金属制品，如电铸铜，如电铸铜，它纯度高，含有良好导电性能，十分有利于电加它纯度高，含有良好导电性能，十分有利于电加工。工。第32页(5)(5)电电铸铸时时，金金属属沉沉积积速速度度迟迟缓缓，制制造造周周期长期长。如电铸镍，普通需要一周左右。如电铸镍，普通需要一周左右。(6)(6)电电铸铸层层厚厚度度不不易易均均匀匀，且且厚厚度度较较薄薄，仅仅为为4 48 8 mmmm左左右右。电电铸铸层层普普通通都都含含有有较较大大应应力力，所所以以大大型型电电铸铸件件变变形形显显著著，且且不不易易承承受受大大冲冲击击载载荷荷。这这么么，就就使使电电铸铸成成型型应应用用受受到一定限制。到一定限制。2 2电铸设备电铸设备电电铸铸设设备备(如如图图所所表表示示)主主要要包包含含电电铸铸槽槽、直直流流电电源源、搅搅拌拌和和循循环环过过滤滤系系统统、恒恒温温控控制制系系统等。统等。第33页电铸槽、直流电源、搅拌和循环过滤系统、恒温控制系统等第34页1)电铸槽电铸槽电铸槽材料选取以不与电铸槽材料选取以不与电解液作用引发腐蚀为标准电解液作用引发腐蚀为标准普普通用钢板焊接，通用钢板焊接，内衬铅板或聚氯乙烯薄板内衬铅板或聚氯乙烯薄板等。等。2)直流电源直流电源电电铸铸采采取取低低电电压压大大电电流流直直流流电电源源。惯惯用用硅硅整整流流，电电压压为为6 612 V12 V左右，左右，并可调。并可调。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为了降低电铸液浓差极化浓差极化，加大电流密度，降低加工加大电流密度，降低加工时间，提升生产速度时间，提升生产速度，最好在，最好在阴极运动同时加速溶液阴极运动同时加速溶液搅拌搅拌。搅拌。搅拌方法有循环过滤法、超声波或机械搅拌等方法有循环过滤法、超声波或机械搅拌等。循环过滤法不但能够使溶液搅拌，而且在循环过滤法不但能够使溶液搅拌，而且在溶液不停重溶液不停重复流动时进行过滤复流动时进行过滤。第35页n4)恒温控制系统 n电铸时间很长，所以必须设置恒温控制设备。它包含加热设备(加热玻璃管、电炉等)和冷却设备(冷水或冷冻机等)。n3电铸应用n电铸含有极高复制精度和良好机械性能，已在航空、仪器仪表、精密机械、模具制造等方面发挥日益主要作用。n第36页课后习题课后习题2、3、4第37页图 刻度盘模具型腔电铸过程图(a)为电铸过程中阴极母模简图，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。下列图为刻度盘模具下列图为刻度盘模具型腔电铸过程。其中型腔电铸过程。其中图图(a)为电铸过程中阴为电铸过程中阴极母模简图，图极母模简图，图(b)为为母模进行引导线及包母模进行引导线及包扎绝缘处理图，图扎绝缘处理图，图(c)为电铸，图为电铸，图(d)为电铸为电铸产品后处理图。产品后处理图。第38页