电化学光整加工的进展及其应用

Keywords： Electrochemistry； Finishing； Advance
电化学光整加工 （ Electrochemical Finishing） 是 一种有效利用电化学阳极溶解现象的零件终加工工艺 方法，图 1 所示为其基本工作原理示意图。当加工 时，恒直流或脉冲直流电源的正极和负极分别接工件 阳极和工具阴极； 同时，工件阳极与工具阴极之间的 间隙 Δ 内充满具有一定流速和压力的电解液。由于 有电流通过极间间隙内的电解液，构成极间电流场， 因此，依据法拉第电解定律，在工件阳极的表面上发 生电化学溶解，从而实现工件阳极的整平。
Abstract： Since having advantages over traditional finishing such as regardless of materials hardness，no tool wear，high material removal rate，smooth and bright surface，electrochemical finishing （ ECF） ，based on anodic electrochemical dissolution，is increasingly being paid attention in fields such as those of mold and dies industry where parts with difficult-to-cut materials and complex geometry are required，and developed rapidly． Therefore，a review，including power supply，design and advancement of cathode tool，electrolyte，was presented on current research，advancement and industrial practice in ECF，and the finishing mechanism of ECF and its hybrid processes were also concerned．
关键词： 电化学； 光整； 进展 中图分类号： TG662 文献标识码： A 文章编号： 1001 － 3881 （ 2011） 24 － 099 － 6
New Advances and Application in Electrochemical Finishing
Adayi Xieeryazidan1 ，Kulan Kulunkake1 ，Mamtimin Geni1 ，ZHOU Jinjin2 （ 1. School of Mechanical Engineering，Xinjiang University，Urumgi Xinjiang 830047，China； 2. School of Mechanical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian Liaoning 116024，China）
图 7 螺旋锥齿轮电化学光整加工原理
由此可见，虽然影响工具阴极设计的因素较多 （ 如电解液的导电率等） ，但由于无需针对每一种零 件制造专用的工具阴极，可利用由点、线、面 （ 平 面、圆柱面、球面） 构 成 的 通 用 电 极［12 － ， 14］ 并 结 合 工具阴极和工件阳极之间的相对运动关系，在展成或 包络出待光整工件表面形状，可显著地减少生产准备 的时间； 同时，由于实际加工面积大为缩小，可用小 电源加工大零件，降低了对电源容量的要求。因此，
虽然就数学意义而言，工具阴极的设计是拉普拉
斯方程的反求问题，但利用现有的数学理论及计算方
法只能获得工具阴极相关几何尺寸的近似值。尽管近
十几年来，计算机技术以及与计算方法等相关学科的
发展，已采用差分法、有限元法等数值求解电化学阳 极的溶解过程［4 －5］，但由于电化学阳极溶解过程过于
复杂，因此，仍需结合实验和实践经验对工具阴极进
柱直齿轮齿面实施电化学光整加工的示意图［7］。对该
图中的工具阴极结构的几何特征分析表明，该工具阴
极的设计除了在阳极与阴极之间保留稳定、均匀的极
间间隙以便获得稳定、均匀的电流场、电解液流场之 外，还具有平面特性［8 － 9］。
图 5 圆柱直齿轮电化学光整基本原理
图 5 中所示工具阴极的平面特征使得在圆柱直齿 齿轮齿面的电化学光整加工工艺方法的实施过程中， 齿轮与阴极之间除了分度运动之外还必须存在扫描运 动以便对整个齿面实施光整。考虑到齿轮的几何尺寸 及其在运动中的惯性等因素的影响，该工艺方法中的 扫描运动是由阴极的直线往复运动完成的，并且阴极 的扫描运动方向与直齿圆柱齿轮的轴线方向平行。正 是这种平面成型式阴极的扫描运动轨迹在形成直齿圆
行修正，使工具阴极的设计与制造仍十分繁琐。
为简化 工 具 阴 极 设 计 的 难
度、降低其制造成本，J A Mc-
Geough 等直接采用电火花成型
电极作为工具阴极，见图 4 所 示，并 取 得 了 良 好 的 整 平 效 果［6］。
图 4 成对式工具 阴极结构
虽然图 4 中所示工具阴极的几何结构仍十分复
参数名称
工艺方法
电抛光
电化学光整
电压 /V 电流密度 / （ A·cm － 2 ）
2 ～ 60 0. 01 ～ 0. 5
10 ～ 25 50 ～ 150
极间间隙 / mm
100 ～ 150
0. 1 ～ 1
典型电解液
H2 SO4 HNO3 HCl
NaCl NaNO3 NaClO3
1 工具阴极的设计
对电化学光整加工而言，首要的问题是工具阴极
丝，向工件 阳 极 与 工 具 阴 极 之 间 的 间 隙 内 喷 射 电 解
液，利用 工 具 阴 极 与
工件 阳 极 之 间 的 相 对
运动 在 展 成 出 工 件 阳
极表 面 的 同 时，实 现
了对 微 细 轴 表 面 的 电
图 6 微细轴的电化
化学光整加工，如图 6 所示［10］。
学光整加工
这种利用由简单几何形状 （ 如线、面） 构成的
的设计与制造。在早期的电化学光整加工的应用中，
成对式工具阴极的设计曾占据了主导地位。其设计思
路基本上与电化学加 工
的成型式工具阴极的设
计思 路 相 似，即 根 据 零
件的几何形状，结合图 3
中所 示 边 界 条 件，并 利
用拉普拉斯方程通过 求
出极 间 电 位 势 的 分 布 从 图 3 成型式工具阴
（ 1. 新疆大学机械工程学院，新疆乌鲁木齐 830047； 2. 大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024）
摘要： 基于电化学阳极溶解的电化学光整加工方法，因其具有工具无损耗、不受工件阳极表面硬度影响、可获得光滑 的表面轮廓等特性而备受关注，并得到迅速发展。从工具阴极的设计、电源设计研究、整平机理以及复合工艺等角度，探 讨目前电化学光整加工的研究及其应用现状。
（ BS080134） 作者简介： 阿达依 · 谢 尔 亚 孜 旦 （ 1963—） ， 男， 博 士， 副 教 授，主 要 研 究 方 向 为 机 械 设 计 理 论， 非 传 统 加 工 技 术。
E － mail： adayxj@ 126. co电化学抛光实物图片 针对电化学抛光工艺方法的不足，在结合电化学 加工（ Electrochemical Machining，ECM） 优势的基础上， 提出了电化学光整加工工艺方法。相关研究的分析表 明： 电化学光整加工是一种有效地利用小间隙条件下 的电化学阳极溶解现象对零件实施整平的工艺方法。 虽然，电化学光整加工可被认为是电化学加工在 光整加工领域中的应用，是电化学加工应用范围的拓 展，但由于加工目的不同，因此，电化学光整加工工 艺方法有其自身的规律，不仅与电化学抛光体现在工 艺参数的不同 （ 见表 1） ，而且还与电化学加工工具 阴极设计也存在不同之处。因此，作者从工具阴极设 计、电解液、电源以及整平机理等方面讨论电化学光 整加工的新近进展及其应用现状。 表 1 电抛光与电化学光整加工主要工艺参数对比
展成式工具阴极将是工具阴极设计与应用的重要发展
方向。
2 电解液
电解液是各种电化学阳极溶解应用形式的基本构
成要素之一，是产生电化学阳极溶解的载体。因此，
电解液的研究与应用受到广泛关注。
图 1 电化学光整加工原理示意图
将电化学阳极溶解现象用于工件阳极整平，最初 是以工件阳极表面抛光为目的而应用的，并在此基础 上逐步演绎为采用酸性电解液的电化学抛光 （ Electrochemical Polishing，简称电抛光） 工艺方法［1］。
虽然电化学抛光方法可改善零件的表面质量，但 由于电解液为酸性溶液且几乎不流动； 同时，电极之 间的间隙较大，因此，电化学抛光工艺方法有其局限 性。这主要表现在： 受工件阳极原始表面质量的影响 较大，零件表面粗糙度只能在原有的基础上提高 1 ～ 2 级［2］，加工精度的可控差； 存在酸性电解液对设备的 腐蚀，对环境的影响等问题。
而确定工具阴极的轮 廓 形状［3］。
极的设计方法
在图中，U 表 示 加 工 电 压，Ea 表 示 阳 极 电 位， Ec 表示阴极电位，k 表示电解液导电率，KV 表示电
化学体积当量，vf 表示进给速度，n 表示阳极表面的 法向，θ 表示阳极法线与进给速度之间的夹角， 表
示电势，Ω 表示极间电解液离子导体的电阻。
然而，由于在提高复杂结构零件表面质量方面具 有一定的 优 势，如 工 具 阴 极 的 结 构 设 计 及 其 制 造 简 单，因此，目前电化学抛光仍是提高零件表面质量的 重要手段之一。图 2 所示为经电化学抛光的一复杂结 构零件的实物图片。
收稿日期： 2010 － 11 － 04 基金项目： 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 （ 50965017 ） ； 新 疆 教 育 厅 项 目 （ XJEDU2008106 ） ； 新 疆 大 学 博 士 启 动 基 金 项 目