第四章电化学加工

第四章电化学加工

1．从原理和机理上来分析，电化学加工有无可能发展成为“纳米级加工”或“原子级加工”技术？原则上要采用哪些措施才能实现？

答：由于电化学加工从机理上看，是通过电极表面逐层地原子或分子的电子交换，使之在电解液中“阳极溶解”而被去除来实现加工的，可以控制微量、极薄层“切削”去除。因此，电化学加工有可能发展成为纳米级加工或原子级的精密、微细加工。但是真的要实现它，从技术上讲还有相当难度。主要是由于电化学加工的实质是实现选择性阳极溶解或选择性阴极沉积，只要能把这种溶解或沉积的大小、方向控制到原子级上就可以了。但是由于它们的影响因素太多，如温度、成分、浓度、材料性能、电流、电压等，故综合控制起来还很不容易。

2．为什么说电化学加工过程中的阳极溶解是氧化过程，而阴极沉积是还原过程？

答：从电化学过程来说，凡是反应过程中原子失去电子成为正离子（溶入溶液）的，称为氧化，反之，溶液中的正离子得到电子成为中性原子（沉积在阴极上）的称为还原，即由正离子状态还原成为原来的中性原子状态。例如在精炼电解铜的时候，在电源正极上纯度不高的铜板上的铜原子在电场的作用下，失去两个电子成为Cu2+正离子氧化而溶解入CuCl2 溶液，而溶液中的Cu2+正离子在阴极上，得到两个电子还原成为原子而沉积在阴极上。

3．原电池、微电池、干电池、蓄电池中的正极和负极，与电解加工中的阳极和阴极有何区别？两者的电流（或电子流）方向有何区别？

答：原电池、微电池、干电池和蓄电池中的正极，一般都是较不活泼的金属或导电体，而其负极，则为较活泼的金属。例如干电池，正极为不活泼的石墨（碳）棒，负极为活泼金属锌，蓄电池的正极是不活泼的铅。金属与导电液体形成的微电池中的正极往往是不活泼的碳原子或杂质。两种活泼程度不同的金属（导电体）在导电溶液中发生电化学反应能产生电位差，电位较正的称为“正极”，流出电流（流入电子流），电位较低的流入电流（流出电子流）。电解加工时人为地外部加以电源，接电源正极称阳极，接电源负极的称阴极，阳极表面流出电流（流入电子流），阴极表面流入电流（流出电子流），两者的方向仍一致，见图4-1。

图4-1

4．举例说明电极电位理论在电解加工中有什么具体应用？答：电

极电位理论在研究、分析电解加工中有很重要的作用，具体应用在：

1）分析电极上电化学反应的产物在电解加工时，在阴阳两极都有电化学反应，可能参与反应的有电极金属材料、电解液中的有效成分以及水的电离产物H+、OH－。但真正能在电极上完成电化学反应的是什么？则需要应用电极电位理论加以分析判断。即：在阳极上，只有电极电位最“－”的离子才能参与反应。

2）估计某种金属材料电解加工的质量和可加工性每一种金属材料都是由不同元素所组成（真正由单一元素组成的材料极少），而在电解加工时，人们希望阳极金属的电解过程是均匀的。只有这样，加工表面的粗糙度值才会比较好，加工过程才能平稳。如果阳极金属材料的组成元素其电极电位相差很大，则在电解加工中会由于一些元素的电极电位较“＋”，而不能及时溶解，使加工表面形成一些凸出点，造成加工表面粗糙度值增大。更为严重的是这种凸出的质点会造成加工过程的短路、烧损电极，甚至使加工无法进行。例如铸铁和高碳钢中有C及Fe3C存在，它们的电极电位高达+0.37V，而Fe/Fe2+的电极电位仅为－0.59V，因此C及Fe3C在电解加工中几乎无法被阳极溶解而最终形成凸出质点，从而造成铸铁、高碳钢甚至渗碳钢的电解加工可加工性很差。

5．阳极钝化现象在电解加工中是优点还是缺点？举例说明。答：电极钝化现象的存在，使电解加工中阳极溶解速度下降甚至停顿。从生产率的角

度出发人们不希望选用能产生钝化现象的钝化型电解液。

但是，当采用NaCl 等非钝化型电解液工作时，虽然生产率很高，但因为杂散腐蚀严重，成形精度较差，严重影响了电解加工的应用。而当采用钝化型电解液加工时，尽管电极工具的非工作面没有绝缘，但当加工间隙达到一定尺寸后，对应的工件表面就会产生钝化膜，可以避免产生杂散腐蚀，提高加工精度，促进电解加工的推广应用。

电解磨削、电解研磨等加工方法也是利用了阳极钝化现象的存在而开发出来的。它们利用了钝化膜对金属表面的保护作用，采用机械去除钝化膜的方法，使金属微观表面凸点的钝化膜被刮除，并迅速电解，而低凹处的钝化膜起保护作用，使局部不被电解，最终使金属表面的整平作用加快，可实现精加工。

6．在厚度为64mm的低碳钢钢板上用电解加工方法加工通孔，已知阴极直径φ24mm，端面平衡间隙?b＝0.2mm。

求：（1）当阴极侧面不绝缘时，加工出的通孔在钢板上表面及下表面其孔径 各是多少？

（2）当阴极工具侧面绝缘，且阴极侧面工作圈高度 b =1mm 时，所加工出的 孔径是多少？ 答：（1）当阴极侧面不绝缘时，加工出的孔是

喇叭口状，其孔纵剖面侧壁为一抛物线（见图 4-2），

设其上部直径为D 1，下部尺寸为D 2，则：

D 1 = d + 2 ?s = d + 2 ?b

2h + 1 ?b = (24 + 2 × 0.2 = 34.1mm

2 × 64 )mm 0.2

图 4-2 D 2= d +2?b =(24+2×0.2)mm =24.4mm

（2）当阴极工具侧面绝缘，并有 b =1mm 的

工作圈时，上、下孔的尺寸为：

D = d + 2 ?s = d + 2 ?b

2b + 1 = (24 + 2 × 0.2 ?b

2 × 1 + 1 )mm ≈ 25.33mm 0.2

7．电解加工（如套料、成形加工等）的自动进给系统和电火花加工的自动 进给系统有何异同？为什么会形成这些不同？

答：一般电解加工自动进给系统主要是控制均匀等速的进给速度，它的大小是事先设 定的。进给速度的大小与端面平衡间隙有直接关系（双曲线关系），而端面平衡间隙又直接 影响到阴极形状（成形加工时）。在正常电解加工时，主要依照电流的大小来进行控制，但 在电极开始进入或即将退出工件时，由于加工面积的变化，则不能按照电流的大小进行控制。

电火花加工的自动进给控制系统的目的是保证某一设定加工间隙（放电状态）的稳定， 它是按照电极间隙蚀除特性曲线和调节特性曲线来工作的，它的进给速度不是均匀等速的。

之所以形成这种不同的进给特性，主要是电解加工中存在平衡间隙，进给速度大，平衡 间隙变小。在进给方向、端面上不易短路；而电火花加工中不存在平衡间隙，进给速度稍大 于蚀除速度，极易引起短路，所以必须调节进给速度以保证放电间隙。

8．电解加工时，何谓电流效率？它与电能利用率有何不同？如果用 12V 的 直流电源(如汽车蓄电池)作电解加工，电路中串联一个滑杆电阻来调节电解加工 时的电压和电流(例如调到两极间隙电压为 8V)，问：这样是否会降低电解加工 时的电流效率？为什么？

答：电解加工时的电流效率是指按照法拉第电解定律所计算出的理论金属蚀除量与实 际金属蚀除量之比。由于在电解加工阳极溶解的同时，还会出现如析氧等副反应，因此电解 加工时电流效率一般小于 1。 电能利用率是指电源输入的总能量在电解加工中用了多少，在

其它方面（如线路损耗）

又用了多少。如题所示，利用滑杆电阻可以调节电解加工时的输入电流、电压，而滑杆电阻 本身产生的热损耗与电解加工无关。滑杆电阻的热损耗愈大，电能利用率愈低。而经过滑杆 电阻调节电压、电流之后进行电解加工时，它的电流效率并没有变化，仍然是按照法拉第电 解定律计算，与其它因素无关。

n

9．电解加工时的电极间隙蚀除特性与电火花加工时的电极间隙蚀除特性有 何不同？为什么？

答：电解加工时，电极间隙蚀除特性曲线是一条双曲线，即υ a ? = C

（常数）如图 4-3a

所示；而电火花加工的蚀除特性曲线则是一条蚀除速度在起点和终点都为零的上凸二次曲 线，如图 4-3b 所示。

电解加工电极间隙

Δ

Δs a)

b) 图 4-3

电解加工时，只要电极不发生短路，电极间隙愈小，阳极工件的蚀除速度就愈高，生产 率就愈高；反之，当电极间隙变大时，蚀除速度将下降。

电火花加工时，当放电间隙为零时，蚀除速度也为零。其实，当放电间隙很小时，排屑 困难，短路率增加，蚀除速度将大大下降，甚至无法正常加工；而当放电间隙过大时，间隙 无法击穿，蚀除速度也为零（相当于非线性电解液中电解加工时有一“切断间隙”）。

10．如何用电极间隙的理论进行电解加工阴极工具的设计？

答：电解加工时的蚀除速度应遵循双曲线规律，即υa ? = C 。对平板电极而言，当电 极进给速度与阳极蚀除速度相等时，电极间隙相对平衡不变，称为端面平衡间隙。对于曲面 电极各法线方向的平衡间隙等于： ? = ?b cos θ

式中 Δn ——法向平衡间隙； Δb ——端面平衡间隙；

θ ——法线方向与进给方向的夹角。

由此，在已知端面平衡间隙Δb 的情况下，法）

设计电极。

步骤如下： 已知工件形状及端面

平衡间隙Δb

1）在工件轮廓线上取A 1、A 2…点；

2）过A 1、A 2…作法线及与进给方向相平行的直线；

3）在与进给方向相平行的线上取A 1C 1＝A 2C 2＝…＝Δb ；

4）过C1，C2，…作垂线，与各点法线的交点为B1，B2，…；5）连接B1，B2，…即为阴极工具轮廓。