第四章 电化学加工
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第四章 电化学加工2010
b．工件的加工精度和表面质量高 • 由于砂轮只起刮除阳极薄膜的作用，磨削 由于砂轮只起刮除阳极薄膜的作用， 力和磨削热都很小， 力和磨削热都很小，不会产生磨削裂纹和 烧伤现象， 烧伤现象，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Ra0.16µm。 工精度，一般表面粗糙度可优于 。
c．砂轮的磨损量小 • 普通刃磨时，碳化硅砂轮磨削硬质合金其磨损量 普通刃磨时， 为硬质合金质量的4～6倍，电解磨削时仅为硬质 为硬质合金质量的4 合金切除量的50% 100%； 50%～ 合金切除量的50%～100%；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它们的1/5 1/5～ 相比，电解磨削砂轮的损耗速度仅为它们的1/5～ 1/10，可显著降低成本。 1/10，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削 时效率提高2 而且大大节省金刚石砂轮， 时效率提高2～3倍，而且大大节省金刚石砂轮， 一个金刚石导电砂轮可用5 一个金刚石导电砂轮可用5～6年。
2. 电解加工的特点
（1）加工范围广，不受金属材料本身力学性能的限制， ）加工范围广，不受金属材料本身力学性能的限制， 可加工硬质合金、耐热合金等； 可加工硬质合金、耐热合金等； （2）电解加工的生产率高，约为电火花加工的 ）电解加工的生产率高，约为电火花加工的5~10倍； 倍 （3）加工过程中工具阴极理论上不耗损，可长期使用； ）加工过程中工具阴极理论上不耗损，可长期使用； (4）不易达到较高的精度和加工稳定性， (4）不易达到较高的精度和加工稳定性，难以实现窄 小孔的加工； 缝、小孔的加工； （5）电极工具设计与制造麻烦，工件必须是导电材料； ）电极工具设计与制造麻烦，工件必须是导电材料； （6）电解液对设备与环境有腐蚀和污染作用，需要防 ）电解液对设备与环境有腐蚀和污染作用， 腐和无害化处理。 腐和无害化处理。
精密加工第4章 电化学加工
3）电极极化
平衡电极电位是没有电流通过电极时的情况, 当有电流通过时,电极的平衡状态遭到破坏,使阳极 的电极电位向正移(代数值增大),阴极的电极电位 向负移(代数值减小),这种电极电位偏离了无电流 通过电极的电极电位情况称为电极极化. 极化后的电极电位与平衡电位的差值称为超电位 (过电位). i
1 2 电极极化曲线 -V 电位 +V i-电流密度;1-阴极;2-阳极
据电化学加工原理，可将电化学加工分为三类：
利用阳极溶解
电解：通过电化学反应从工件表面去除金属． 电解抛光：通过电化学反应从工件表面去除金属毛刺．
利用阴极上的沉积作用
电镀：在工件表面沉积金属：材料表面装饰保护．
电铸：在阴极上沉积实现附着加工． 电刷镀：
复合电镀：
复合加工
Fe+2 + 2e
Fe （沉积，还原反应）
随着金属表面负电荷的增多，溶液中Fe+2 返回金 属表面的速度逐渐增加。最后，这两种相反的过 程达到动态平衡。
对于化学性能比较活泼的金属（如铁），其表面 带负电，溶液带正电，形成一层极薄的“双电 层”，金属越活泼，这种倾向越大。
活泼金属的双电层
不活泼金属的双电层
电解磨削：
各种电化学方法的比较
工艺名称 电解加工 电解磨削 电铸加工 电镀与 电刷度
电化学 电化学 电化学 电化学 去除加工 去除加工 附着加工 附着加工 加工原理 机械磨削 阴极沉积 阴极沉积 作用 阳极溶解 剥取沉积 附着在表 电解作用 层 面
电化学方法与传统加工方法相比所具有的特点:
① 可对任何硬度、强度、韧性的金属材料进行加工，加工 难加工材料时，其优点更为突出。 ② 加工过程中不存在机械切削力和切削热作用，故加工后 表面无残余应力和冷硬层，也无毛刺 、棱边，表面质量 好。 ③ 大面积上可同时进行加工，也无需粗精分开，故一般具 有较高的生产率。 ④ 加工过程监测与自动控制、工具的准确设计、加工精度 的提高，以及电化学作用的产物（气体或废液）的处理 等都是亟待解决的问题。
第四章电化学加工
4.2 电解加工 一、电解加工过程及其特点 电解加工（electrochemical machining，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。
1-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。
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。
在工件及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。
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， 工件阳极及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。
3) 电解液系统 组成有泵、电解液槽、过滤装置、管道和阀。
七、电解加工工艺及其应用
1 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。
第四章 电化学加工
Fe
+ + + +
-
-
+ + + +
FeCl2
活泼金属 Fe双电层
第一节 电化学加工原理及分类
（三）电极电位
双电层现象 动态过程(不活泼金属) Cu2+ + 2e → Cu Cu→ Cu2+ + 2e 标准电极电位
-
+ +
Cu
+ +
+ + + +
CuSO4
-
不活泼金属 Cu双电层 e
形状和尺寸； b.根据工件的形状尺寸要求，设计工具阴极尺寸及修正量； c.分析加工误差产生的主要原因； d.选择合理的加工参数，如电极间隙、电源电压、进给速 度等。
• 平衡间隙理论的最重要的应用就是设计阴极尺寸。
⑤影响加工间隙的因素
△b=ηωσUR/Vc
• 1)电流效率η • 2)电导率σ
• 3)加工电压U
速度，加工电压要大于或等于两部分电势之和。一部 分是电解液电阻形成的欧姆电压；另一部分是进行阳 极反应和阴极反应所必须的电压，它由阴阳极本身的 电极电位和极化产生的各种超电位组成。
• 电压利用：5%-30%抵消极化产生的超电位；
70%-95%用于克服间隙电解液的电阻
。
• 电流效率：与阳极极化程度有关。
简化计算：
UR=U-2
• 蚀除速度与该处的电流效率、被电解物质的体积电化学当 量、电导率、电解质的欧姆电压成正比，而与加工间隙成 反比。
2.精度成形规律
①端面平衡间隙
vc vc
△0
设加工起始间隙为△0，如果 阴极不动，加工间隙逐渐增 加，蚀除速度逐渐减小。如果
特种加工技术第4章电化学加工
）没有电极损耗。4）工具和工件之间没有宏观作用力。5 ）无需分粗、精加工，生产率高。6）加工表面质量较好 。
局限性：1）加工稳定性和加工精度难以控制。2 ）杂散腐蚀严重。3）工具电极的设计和制造要求 高。4）设备投资大，设备的防腐、密封等要求较 高。5）电解产物处理困难，而且有许多影响环保 的因素。
图4-1 电化学加工原理
电化学加工原理
加工过程 活化和钝化 电极电位 电极极化 电解质溶液
将两片铜片作为电极，接上约12 V的直流电 ，并浸入CuCl2的水溶液中，电解质中的离子将 作定向运动，Cu2+离子将向阴极（负极）移动 ，并在阴极得到电子，还原成铜原子而沉积 在阴极表面。相反，在阳极表面不断有铜原 子失去电子，变成Cu2+离子而进入溶液（溶 解）。其实，任何两种不同的金属放入任何 导电的水溶液作，在电场的作用下都会有类 似的情况发生。阳极表面失去电子（氧化反 应）产生阳极溶解、蚀除，称为电解；阴极 得到电子（还原反应）金属离子还原成为原 子，沉积到阴极表面，称为电镀。
择加工参数的重要基础。 绝对精度是指工件的形状和尺寸相对其 设计图纸要求的偏差量。它取决于阴极
型面精度和加工间隙大小及均匀性。
重复精度是指用同一阴极加工出来的一
批零件的形状和尺寸的偏差量。它取决于 加工间隙的稳定性，工件和工具的安装误 差也有影响。
对粗糙度的影响：工件材料、工具电极、电 解液等。一般可达Ra1.25-0.016 mm。 1）工件材料成分越复杂、组织越疏松、晶 粒越粗大，则加工表面粗糙度越差。
一种金属与其盐溶液之间的电极 电位无法直接测量，但是盐桥法 可以测量出两种不同电极电位的 差。元素在25℃时的标准电极电 位，把金属放在此金属离子的有 效质量浓度为1 g/L的溶液中，此 电极的电位与标准氢电极的电位 差，作为标准电极电位，用U0表
局限性：1）加工稳定性和加工精度难以控制。2 ）杂散腐蚀严重。3）工具电极的设计和制造要求 高。4）设备投资大，设备的防腐、密封等要求较 高。5）电解产物处理困难，而且有许多影响环保 的因素。
图4-1 电化学加工原理
电化学加工原理
加工过程 活化和钝化 电极电位 电极极化 电解质溶液
将两片铜片作为电极，接上约12 V的直流电 ，并浸入CuCl2的水溶液中，电解质中的离子将 作定向运动，Cu2+离子将向阴极（负极）移动 ，并在阴极得到电子，还原成铜原子而沉积 在阴极表面。相反，在阳极表面不断有铜原 子失去电子，变成Cu2+离子而进入溶液（溶 解）。其实，任何两种不同的金属放入任何 导电的水溶液作，在电场的作用下都会有类 似的情况发生。阳极表面失去电子（氧化反 应）产生阳极溶解、蚀除，称为电解；阴极 得到电子（还原反应）金属离子还原成为原 子，沉积到阴极表面，称为电镀。
择加工参数的重要基础。 绝对精度是指工件的形状和尺寸相对其 设计图纸要求的偏差量。它取决于阴极
型面精度和加工间隙大小及均匀性。
重复精度是指用同一阴极加工出来的一
批零件的形状和尺寸的偏差量。它取决于 加工间隙的稳定性，工件和工具的安装误 差也有影响。
对粗糙度的影响：工件材料、工具电极、电 解液等。一般可达Ra1.25-0.016 mm。 1）工件材料成分越复杂、组织越疏松、晶 粒越粗大，则加工表面粗糙度越差。
一种金属与其盐溶液之间的电极 电位无法直接测量，但是盐桥法 可以测量出两种不同电极电位的 差。元素在25℃时的标准电极电 位，把金属放在此金属离子的有 效质量浓度为1 g/L的溶液中，此 电极的电位与标准氢电极的电位 差，作为标准电极电位，用U0表
先进制造技术4电化学加工
三、电解液 三种常用的电解液
（1）NaCl电解液 其电解液中Cl-为活性离子，阳极工件表面不易产生 钝化膜，具有导电能力强、加工速度高、表面粗糙 度值小、价格便宜等优点。使用最为广泛。 其主要缺点是杂散腐蚀严重，故复制精度低。 （2）NaNO3电解液 是一种钝化型电解液，其阳极极化曲线如图4-5所示。 B E lg i C D
U O 钢在NaNO3电解液中的钝化 图4-5 钢在
A
三、电解液
与NaCl相比，NaNO3具有成型精度高，对机床腐蚀 小等优点。其主要缺点是电流效率和生产率都低， 使用中 NaNO3有消耗。
a) Nacl电解液加工 电解液加工
NaNO3电解液加工
图4-6 杂散腐蚀能力比较
三、电解液
（3）NaClO3电解液 是一种钝化型电解液，具有加工精度高，对机床设 备等锈蚀作用很小的优点，而且还具有同NaCl相近 高的加工效率等优点。其主要缺点是价格贵（是 NaCl的5倍），使用时应注意防火。 （4）电解液中加添加剂 采用在电解液中添加添加剂的方法改变其缺点，如 在NaCl溶液中加入少量磷酸盐，可提高其加工精度， 在NaNO3 溶液中加入少量NaCl可提高加工生产率。
一、电解加工过程及其特点
一、电解加工过程及其特点 电解加工与其他加工方法相比较， 电解加工与其他加工方法相比较，具有下述特点
（1）加工范围广 不受金属材料本身力学性能的限制，可加工硬质合 金、淬火钢、不锈钢、耐热合金等高硬度、高强度 及韧性金属材料，并可加工叶片、锻模等复杂型面。 （2）生产率较高 约为电火花加工的5 ~ 10 5 10倍，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 精度和表面粗糙度的限制。 （3）可以达到较好的表面粗糙度（Ra 1.25 ~ 0.2 µm）和±0.1 mm左右的平均加工精度。 （4）不存在机械切削力 不会产生残余应力和变形，无热影响，无飞边毛刺。 （5）阴极工具在理论上不会损耗，可长期使用
第4章_电化学加工
1）加工范围广
不受金属材料本身力学性能的限制，可以加工硬质合金、淬火钢、 不锈钢、耐热合金等高硬度、高强度及韧性金属材料，并可加工 叶片、锻模等各种复杂型面。
2) 生产率高
约为电火花加工的5～10倍，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精度和表面粗糙度的限制。
3) 加工表面质量好
金属的电化学当量与生产率的关溶解，从而多消耗了一些电
荷。所以引入电流效率：
实际金属蚀除量
理 论 计算蚀 除 量100 %
➢ 为此，实际蚀除量为： 质量 m = KIt 体积 V = It
表4-5 一些常见金属的电化学当量
金属名称
铁
第4章 电化学加工
电化学加工(Electrochemical Machining，ECM) 是特种加工的一个重要分支，目前已成为一种较为 成熟的特种加工工艺，被广泛应用于众多领域。
根据加工原理，电化学加工可分为以下三大类： (1) 利用电化学阳极溶解的原理去除工件材料。 (2) 利用电化学阴极沉积的原理进行镀覆加工。 (3) 利用电化学加工与其他加工方法相结合的电
两极间无电流通过时：平衡电极电位 两极间有电流通过时：
阳极：电极电位→向正移 阴极：电极电位→向负移
极化现象：电流密度增大时，两极电位增 大的现象
❖ 超电位： 极化后的电极电位与平衡电极 电位之差
产生超电位的原因：
浓差极化（在阳极） 电化学极化（在阴极）
阴极 -V
i
电位
阳极 +V
钝化现象
电解加工的基本规律
（一）生产率及其影响因素
1.金属的电化学当量 2.电流密度 3.电极间隙大小和蚀除速度的关系
（二）精度成形规律
不受金属材料本身力学性能的限制，可以加工硬质合金、淬火钢、 不锈钢、耐热合金等高硬度、高强度及韧性金属材料，并可加工 叶片、锻模等各种复杂型面。
2) 生产率高
约为电火花加工的5～10倍，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精度和表面粗糙度的限制。
3) 加工表面质量好
金属的电化学当量与生产率的关溶解，从而多消耗了一些电
荷。所以引入电流效率：
实际金属蚀除量
理 论 计算蚀 除 量100 %
➢ 为此，实际蚀除量为： 质量 m = KIt 体积 V = It
表4-5 一些常见金属的电化学当量
金属名称
铁
第4章 电化学加工
电化学加工(Electrochemical Machining，ECM) 是特种加工的一个重要分支，目前已成为一种较为 成熟的特种加工工艺，被广泛应用于众多领域。
根据加工原理，电化学加工可分为以下三大类： (1) 利用电化学阳极溶解的原理去除工件材料。 (2) 利用电化学阴极沉积的原理进行镀覆加工。 (3) 利用电化学加工与其他加工方法相结合的电
两极间无电流通过时：平衡电极电位 两极间有电流通过时：
阳极：电极电位→向正移 阴极：电极电位→向负移
极化现象：电流密度增大时，两极电位增 大的现象
❖ 超电位： 极化后的电极电位与平衡电极 电位之差
产生超电位的原因：
浓差极化（在阳极） 电化学极化（在阴极）
阴极 -V
i
电位
阳极 +V
钝化现象
电解加工的基本规律
（一）生产率及其影响因素
1.金属的电化学当量 2.电流密度 3.电极间隙大小和蚀除速度的关系
（二）精度成形规律
电化学加工
间隙中流过，这时阳极工件的金属被逐渐电解腐蚀，电解 产物高速（5～50m/s）的电解液带走。
电解加工的成形原理如图4－7所示，图中的细竖线表示通 过阴极与阳极间的电流，竖线的疏密程度表示电流密度的 大小。在加工刚开始时，阴极与阳极距离较近的地方通过 的电流密度较大，电解液的流速也非常高，阳极溶解也就 较快，见图4－7a。由于工具相对工件不断进给，工件表 面就不断被电解，电解产物不断被电解液冲走，直至工件 表面形成与阴极工作面相似的形状为止，如图4－7b。
Ua－阳极压降 UR－欧姆压降 Uc－阴极压降 电解加 工时的浓差极化一般不大，所以Ua 、Uc主要取决于电化 学极化和钝化。
一般来说，当用氯化钠电解液加工铁基合金时，电流效率 η ＝95％～100％，加工镍基合金和钛合金的电流效率η ＝70％～80％。当采用NaNO3、NaClO3等电解液加工时，电 流效率随电流密度、电解液的浓度和温度剧烈变化。 三、电解液 （一）对电解液的基本要求 （1）具有足够的蚀除速度 （2）具有较高的加工精度和表面质量 （3）阳极反应的最终产物应是不溶性的化合物 还有性能稳定、操作安全，对设备的腐蚀性小以及价 格便宜。 （二）三种常用电解液 中性盐溶液腐蚀性小，使用时较安全，应用普遍，常 用NaCl、NaNO3、NaClO3三种电解液。
z
q1
混合比越高，非线性性能越好。但混合比过高，增加了压 缩空气的消耗量，而且由于含气量过多，间隙电阻过大， 电解作用过弱还会产生短路火花。 气压：0.4～0.45MPa，液压：0.05MPa
电解加工的特点： 1）加工范围广，可以加工硬质合金、淬火钢、不锈钢、 耐热合金等高硬度、及韧性金属材料，并可以加工叶片、 锻模等各种复杂型面。 2）电解加工的生产率较高，约为电火花加工的5～10倍。 3）表面粗糙度较好（Ra1.25～0.2µm）和±0.1mm左右 的平均加工精度。 4）没有机械切削力，所以不会有残余应力和变形，没有 飞边毛刺。 5）加工过程中阴极工具理论上不会损耗，可长期使用。 电解加工的主要缺点和局限性： 1）不易达到较高的加工精度和加工稳定性。 2）电极工具的设计和修正较麻烦，难适用于单件生产。
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一、名词解释
1．混气电解加工
2．电极的极化
3．电化学当量
4．钝化和活化
二、选择题
1．电解加工中常用电解液的净化方法是（）
A．自然沉淀法和介质过滤法Ｂ．介质过滤法和离心过滤法
Ｃ．自然沉淀法和离心过滤法Ｄ．离心过滤法
2．需加工一批叶片型面，精度为0.1mm，表面粗糙度R a<0.4μm，应选用（，，）A．电火花成形加工B．三维线切割加工
C．电解加工D．化学加工
3．一批不锈钢内齿轮，需去除插齿时留在端面上的毛刺，应选用（）
A．电解去毛刺B．磨削喷射去毛刺
C．挤压珩磨去毛刺D．液力加工去毛刺
4．下列特种加工方法中，工具不．损耗的加工方法是（，，）
A．电火花加工厂B．电解磨削
C．超声加工D．离子束加工
5．下列特种加工方法中，属于电化学加工范畴的是（）
A．电解加工、电铸Ｂ．电解研研磨、光刻
Ｃ．蚀刻、涂镀Ｄ．表面改性、电解磨削
6．电解加工( )
A．生产效率较低
B．加工表面质量较差
C．加工精度不太高
D．工具电极损耗
三、填空题
1．工件为铁，工具为铜，在NaCl电解液中进行电解加工时，阳极生成，阴极生成H2，但电解液内最终生成物是
2．电解加工中钝化现象产生的原因中，主要的是和两种。
3．电化学加工包括从工件上去除金属的和向工件上沉积金属的两大类。
4．电解磨削的原理是和。
5．电解加工常用的直流电源为和。
四、简答题
1．用NaCl电解液加工低合金钢（体积电化当量ω=2.22mm3/A·min），当电流为900A时，加工4min，求工件去除体积V是多少？
2．对电解加工机床有什么特殊要求
3．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？
4．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？。