电化学加工

<2> 进给稳定 : 一般进给速度 变化量要求小于5%，爬行量 ＜0.03mm。
<3>防腐绝缘 <4>排氢防暴
2．直流电源 （1）低电压5-25V （2）大电流：1000-10000A，密度：100A/cm2 （3）常用电源：硅整流电源、晶闸管整流电源、脉冲电流加 工电源
3．电解液循环过滤系统
（1）组成：泵、电极液槽、过滤装置、管道、阀等 （2）多级离心泵：压力、流量稳定;密封、抗腐蚀； （3）净化：自然沉淀法，散热，多用水泥
③ 电解加工设备投资较高，占地面积较大。
④ 电解液对设备、工装有腐蚀作用，电解产物处理不好易 造成环境污染。
（二）电解加工设备 1．机床：立式，双柱龙门式 （1）作用：安装夹具，工件， 电极，实现相对运动，传递 电流，电解液 （2）特殊性： <1> 机床刚性好 : 电解液的压 强一般可达20～40kN。
（2）电流密度 i <1>V=ωi A tη <2>蚀除速度：v=V/t=ωi A η va=v/t=ωiη <3>i越大，加工效率越高，但i太高，火花，析出氯气，氧气等 <4>实际i决定于电源电压，间隙大小，电解液及其导电率
电解加工的平均电流密度约为10～100A/cm2，当电解液压力 和流速较高时，可以选用较高的电流密度。但电流密度过高， 将会出现火花放电，析出氯、氧等气体，并使电解液温度过高， 甚至在间隙内会造成沸腾气化而引起局部短路。
<5>浓度与温度： 电解液温度不宜超过60℃，一般在30～40℃范围内较为有利。 NaCl电解液的质量分数常为10%～15%，一般不超过20%， 当加工精度要求较高时，常小于10%。NaNO3电解液的质量 分数一般在20%左右，而NaClO3常用15%～35%。 <6>流速与电流密度配合：加工过程中电解液必须具有足够的 流速，以便及时将氢气、金属氢氧化物等电解产物和加工区 的大量热量带走。电解液的流速一般约在10m/s左右，电流密 度增大时，流速要相应增加。改变流速可通过调节电解液泵 的出水压力来实现。 <7>流动方向 ：电解液的流向有三种形式，即正向流动、反 向流动和横向流动
类别
加工原 理
加工方法 1．电解加工 2．电解抛光 1．电镀
应
用
范
围
I
阳 极 溶 解
用于形状、尺寸加工，如涡轮发动机叶片、三维 锻模加工等 用于表面光整加工、去毛刺等 用于表面加工、装饰及保护 用于表面局部快速修复及强化 用于表面强化、磨具制造
II
阴 极 沉 积
2．电刷镀 3．复合电镀
4．电铸
1．电解磨削 复 合 加 工 2．电解电火花复合 加工 3．电解电火花研磨 加工 4．超声电解加工等
1—电解液槽；2—过滤网；3—管道；4—泵用电机；5—离心泵； 6—加工区；7—过滤器；8—安全阀；9—压力表；10—阀门
（三）电解加工基本规律
1．生产率及其影响因素：mm3/min或g/min 电化学当量、电流密度、电解液及电极间隙等 （1）电化学当量： <1>电化学电量：电极上溶解或析出的物质多少与通过的电量成 正比，比例系数称为电化学当量； m0=k I t， k（g/(Ah)） m0 k V I t I t ω（mm3/(Ah)） <2>体积蚀除量： 0 <3>电流效率η：实际电解加工时，某些情况下在阳极上还可能 出现其它反应，如氧气或氯气的析出，或有部分金属以高价离 子溶解，从而额外地多消耗一些电荷量。
<4>常用配方
① NaCl电解液
活性Cl-离子，阳极工件表面不易生成钝化膜，所以具有较 大的蚀除速度，而且没有或很少有析氧等副反应，电流效率高， 加工表面粗糙度值也小。NaCl是强电解质，导电能力强，而且 适用范围广，价格便宜，所以是应用最广泛的一种电解液。 NaCl电解液的蚀除速度高，但其杂散腐蚀也严重，故复制 精度较差。NaCl电解液的质量分数常在20%以内，一般为 14%～18%，当要求较高的复制精度时，可采用较低的质量分 数（5%～10%），以减少杂散腐蚀。常用的电解液温度为 25～35℃，但加工钛合金时，必须在40℃以上。
4．标准电极电位：在25℃时，把金属放在此金属离子的有效 质量浓度为1g/L的溶液中，此金属的电极电位与标准氢电极 的电位之差，用U° 当离子质量浓度改变时，电极电位也随着改变 0.059 U ' U lg a n
U′——平衡电极电位差，V； U°——标准电极电位差，V； n—— 电极反应得失电子数，即 离子价数； a——离子的有效质量浓度。 式中“+”号用于计算金属， “—”号用于计算非金属的电极 电位 当金属浸入其它任何电解液中也会有双电层和电位差。
一、电化学加工的基本原理 （一）电化学加工过程 1．原电池 导线连：Fe加速溶解
电流 电子流
Fe
Cu
2．电化学反应：金属片和溶液的界面上交换电子的反应， 阴极：得电子，还原反应；阳极：失电子，氧化反应 3．电化学加工：以电化学反应为基础的加工方法
4．分类：
（1）阳极溶解：电解加工，电化学抛光 （2）阴极沉积：电镀，电铸 （3）电化学+其他加工方法：电解磨削，电解放电加工
（4）特点： <1>与材料硬度，强度，韧性的无关
<2>直线运动，一次可加工出复杂型腔
<3>效率高，电火花加工的 5-10倍，不 受精度、 Ra 的限制。进给速度可快达 0.3～15mm/min <5> 表面质量好，无毛刺，变质层， Ra1.25-0.2
<6>缺点： ① 电解加工影响因素多，技术难度高，不易实现稳定加工 和保证较高的加工精度。 ② 工具电极的设计、制造和修正较麻烦，因而很难适用于 单件生产。
（ 3 ）由极化后的电极电位判断电化学加工时哪种物质先反应：
*阳极：电极电位↓→失电子容易→首先反应 *阴极：电极电位↑→得电子↑→还原反应
*只有当首先反应的物质由于电化学极化或浓差极化时 阳极电位向正移，阴极电位向负移，并接近其他物质的 电极电位时，其他物质才反应。 2．金属钝化 （1）阳极钝化：在电化学加工过程中，阳极表面形成一层薄 膜（氧化物、氢氧化物）使阳极溶解减速，电极电位上升，称 为阳极钝化。 （2）活化：使金属钝化膜破裂的过程 影响因素：加热，通入还原性气体，加入活性离子等，机械法 去膜 常用活性离子：ClBrI-
二、电解加工 （一）电解加工的基本原理 1．基本原理： （1）电化学阳极溶解 （2）电解抛光：电极与工件距离较大（100mm），电解液静 止不动，易在阳极形成钝化膜，所以只能对工件表面进行普 遍腐蚀，抛光，不影响尺寸。 （3）电解加工：
* 条 件 ： 工 件 接 正 ， 工 具 接 负 ， 工 具 恒 速 缓 进 给 （ 0.41.5mm/min ），电解液流动 (5-50m/s) ，压力 P： 0.49-1.96MPa ， 电压：6-24V *原理：最终使各极间距离趋近一致
§3.3电化学加工
电化学加工（Electrochemical Machining简称ECM）是 指通过电化学反应从工件上去除或在工件上镀覆金属材料的 特种加工方法。早在1834年，法拉第就发现了电化学作用原 理，以后人们先后开发出电镀、电铸、电解加工等电化学加 工方法，并在20世纪30～50年代以后开始在工业上获得较为 广泛的应用。近十几年来，借助于高新技术，在精密电铸、 电解复合加工、脉冲电流电解加工、电化学微细加工及数控 电解加工等方面取得较快发展。目前，电化学加工已成为一 种不可缺少的去除或镀覆金属材料及进行微细加工的重要方 法，并被广泛应用于兵器、汽车、医疗器材、电子和模具行 业之中。
② NaNO3电解液 是一种钝化型电解液， NaNO3电解液在质量分数为 30%以下时，成型精度高，而且对设备腐蚀性小，使用安全， 价格也不高（为NaCl的一倍）。它的主要缺点是电流效率低， 生产率也低，另外加工时在阴极上有氨气析出，所以NaNO3 会有所消耗。
③ NaClO3电解液
该电解液加工精度高。当加工间隙达1.25mm以上时， 阳极溶解几乎完全停止，且有较小的表面粗糙度值。其在 20℃时溶解度达49%（此时NaCl为26.5%），因而导电能力 强，可达到与NaCl电解液相近的生产率。另外，它对设备的 腐蚀作用很小。但不足的是其价格较贵（为NaCl的5倍）， 而且由于它是一种强氧化剂，使用时要注意防火安全。
（二）电解质溶液 ห้องสมุดไป่ตู้．电解液：电解质的水溶液 NaCl→Na++ClH2O→H++OH-
2．PH值 PH=-lg[H+] 3．电解液性质：导电性和浓度、温度有关 （三）电极电位 1．双电层：化学性质较活泼的金属表面带负电，外层溶液有 一层带正电的离子，金属愈活泼，倾向愈大。 2．电极电位：产生在金属和他的盐溶液之间的电位差称为电 极电位，（平衡电极电位）。 3．反的双电层
③ 阳极反应的最终产物应是不溶性化合物
④ 要求电解液具有良好的综合性能 及价格便宜等。 如加工范围广、性能稳定、安全性好
<2>参数：种类，浓度，压力，流速，流向，导电率，电解产 物含量等 <3>分类：中性，酸性，碱性 *酸性电解液除用在高精度、小间隙、细长孔以及锗、钼、铌 等难溶金属加工外，一般很少选用。 *碱性电解液对人身体也有损害，且会生成难溶性阳极薄膜， 因此仅用于加工钨、钼等金属材料。 *中性盐溶液腐蚀性小，使用时较安全，故应用最普遍。
另外：Fe++2OH－→Fe(OH)2↓ 墨绿色絮状物 4Fe(OH)2+2H2O+O2→4F(OH)3↓ 黄褐色沉淀 （2）阴极反应 2H++2e→H2↑ E=－0.42V Na++e→Na↓ E=－2.67V