第六章 电解加工

• 电流从工件3通过电解液5而流向 磨轮，形成通路，于是工件（阳 极）表面的金属在电流和电解液 的作用下发生电解作用（电化学 腐蚀），被氧化成为一层极薄的 氧化物或氢氧化物薄膜4（阳极 薄膜）。但阳极薄膜迅速被导电 砂轮中磨粒刮除，在阳极工件上 又露出新的金属表面并被继续电 解。这样电解作用和刮除薄膜的 磨削作用交替运行，工件被连续 加工，直至达到一定的尺寸精度 和表面粗糙度。
• （３）加工间隙对生产率的影响 • 加工间隙越小，电解液的电阻越小，电流 密度越大，蚀除速度也就越高。 • 但间隙太小会引起火花放电或间隙通道内 电解液流动受阻、蚀除物排除不畅，以至 产生局部短路，反而使生产率下降，因此 间隙较小时应加大电解液的流速和压力。
• 此外电源电压、电解液种类、工件材料的 化学成分和组织结构都对生产率有影响。
• 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 为硬质合金质量的4～6倍，电解磨削时仅为硬质 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 1/5～1/10，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2～3倍，而且大大节省金刚石砂轮， 一个金刚石导电砂轮可用5～6年。
• d．对机床、工具腐蚀相对较小 • 由于电解磨削是靠砂轮磨粒来刮除具有 一定硬度和粘度的阳极钝化膜，由此电 解液中不能含有活化能力很强的活性离 子（如Cl-离子），一般使用腐蚀能力较 弱的NaNO3、NaNO2等为主的电解液，以提 高电解成形精度和有利于机床、工具的 防锈、防蚀。
3. 复合电解磨削的应用
• 电解磨削由于集中了电解加工和机械磨削 的优点，生产中经常用来磨削一些高硬度 材料的零件。如：各种硬质合金刀具、量 具，挤压拉丝模，轧辊等，普通磨削难以 加工的小孔、深孔、薄壁筒、细长杆件等。
另：电火花加工
• 电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放 电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方 法，又称放电加工或电蚀加工，英文简称EDM 。 • 在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度 可高达一万摄氏度以上，压力也有急剧变化，从 而使这一点工作表面局部微量的金属材料立刻熔 化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中，迅速冷 凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。这时 在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电 短暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。 • 电火花加工液一般使用煤油、矿物油及合成油。
• 导电砂轮1与直流电源 的阴极相联，被加工工 件2（硬质合金车刀） 接阳极，它在一定的压 力下与导电砂轮相接触， 加工区域中送入电解液 3，在电解和机械磨削 的双重作用下，车刀的 后刀面很快被磨光。
电解磨削原理图
1磨料砂轮，2导电砂轮 结合剂铜或石墨，3工 件，4电解产物（阳极 钝化薄膜），5电解液
• 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，工件阳极与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。 • 阳极与阴极距离较近的地方通过的电流密度较大，电 解液的流速也较高，阳极溶解的速度也就较快，而距 离较远的地方，电流密度就小，阳极溶解就慢。由于 工具相对工件不断进给，工件表面上各点就以不同的 溶解速度进行溶解，电解产物不断被电解液冲走，直 至工件表面形成与工具表面基本相似的形状为止。
二、电解加工的特点
（１）加工范围广 不受材料本身强度、硬度和韧性的限制，可 加工高强度、高硬度和高韧性等难切削的金 属材料，如淬火钢、钛合金、硬质合金、不 锈钢、耐热合金， 可加工叶片、炮管膛线、锻模等各种复杂的 三维型面，以及薄壁、异形零件等。
• （２）能以简单的进给运动一次加工出 形状复杂的型面和型腔，进给速度可快 达0.3～15mm/min。
2．加工精度及其影响因素
• 不仅数等诸多因 素有关。
提高加工精度的主要措施如下：
• • • • （１）脉冲电流电解加工 （２）小间隙电解加工 （３）改进电解液 （４）混气电解加工
3．表面质量及其影响因素
• （１）工件材料的合金成分、金相组织和 热处理状态 • （２）工艺参数 ：电流密度、电解液的 流速大小和温度高低 • （３）工具阴极的表面质量 • （4）工件表面必须除油去锈 • （5）电解液必须经过滤沉淀，不含固体颗 粒杂质。
三、电解加工的基本工艺规律
1．生产率及其影响因素
• （１）电化学当量对生产率的影响 • 电化学当量愈大，生产率愈高。 • 实际电蚀量为
m KIt
• （２）电流密度对生产率的影响 • 电流密度越高，生产率越高，但在增加电 流密度的同时，电压也随着增高，因此应 以不击穿加工间隙、引起火花放电、造成 局部短路为度。
• • • • •
②阴极反应 按可能性为 2H++2e → H2↑ 在阴极上只会析出氢气。 ③电解液 电解液可以分为活性电解液（NaCl）和 钝化电解液（NaNO3或NaClO3）
• 电解加工过程中，由于水的分解消耗，电 解液的浓度逐渐变大，而电解液中的Cl-和 Na+仅起导电作用，本身并不消耗，因此对 于NaCl电解液，只要过滤干净，适当添加 水分，就可长期使用。 • 工具也可长期使用。
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。 在工件与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。
• （５）加工生产率高 • 约为电火花加工的5～10倍以上，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质量的限制，故一 般适宜于大批量零件的加工。
电解加工缺点：
• 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 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 产物的处理和回收困难。
第六章
电解加工
一、电解加工的原理 二、电解加工的特点 三、电解加工的基本工艺 四、电解加工的应用 五、复合电解磨削
一、电解加工的原理
• 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。
2.复合电解磨削的特点
• a．加工范围广、加工效率高 • 由于电解作用和工程材料的机械性能关系 不大，因此，只要选择合适的电解液就可 以用来加工任何高硬度、高韧性的金属材 料。 • 加工硬质合金时，与普通的金刚石砂轮磨 削相比，电解磨削的加工效率要高3～5倍。
• 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 力和磨削热都很小，不会产生磨削裂纹和 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Ra 0.16μm。
• （３）表面质量好 • 加工中无切削力和切削热的作用，所以不产生由 此引起的变形和残余应力、加工硬化、毛刺、飞 边、刀痕等，可以达到较低的表面粗糙度（Ra 1.25～0.2μm）和±0.1mm左右的平均加工精度。 电解微细加工钢材的精度可达±10μm。 • 适合于加工易变形或薄壁零件。
• （４）加工过程中工具电极理论上无损耗，可长 期使用。 • 因为工具阴极材料本身不参与电极反应，其表面 仅产生析氢反应，同时工具材料又是抗腐蚀性良 好的不锈钢或黄铜等，所以除产生火花短路等特 殊情况外，工具阴极基本上没有损耗。
四、电解加工的应用
五、 复合电解磨削
• 复合电解磨削是利用电解作用与机械磨 削作用相结合而进行加工的复合加工。
1.复合电解磨削的基本原理
• 复合电解磨削所用的阴极工具是含有磨粒 的导电砂轮。 • 电解磨削过程中，金属主要是靠电化学作 用腐蚀下来，导电砂轮起磨去电解产物阳 极钝化膜和整平工件表面的作用。
• 电解液可分为中性盐溶液、酸性溶液、碱 性溶液三大类。 • 中性盐溶液的腐蚀性小，使用时较安全， 故应用最普遍。最常用的有NaCl、NaNO3和 NaClO3三种电解液，
钢在NaCl水溶液中电解加工的电极反应
• • • • • • ① 阳极反应 Fe-2e→Fe2+ Fe-3e → Fe3+ 4OH--4e → O2↑+2H2O 2Cl--2e → Cl2 ↑ Fe2++2OH- → Fe（OH）2↓ （墨绿色的絮状 物） • 沉淀为 4Fe（OH）2+2H2O+O2 → 4Fe（OH） 3↓ （黄褐色沉淀）