电化学加工原理及应用总结
第四章：电化学加工
e
铁片
铜片
阳极铁片 e
e 阴极铜片
NaCl
NaCl
4 电极的极化
在电化学过程中通常发生两种极化现象：浓差极化和电化学极化
1）浓差极化：在电化学反应过程中，阳极金属不断溶解的条件之 一是生成的金属离子需要越过双电层，再向外迁移并扩散。然而， 离子迁移扩散的速度是有一定限度的。在外电场的作用下，如果 阳极表面的液层中的金属离子迁移扩散的速度较慢而来不及扩散 到溶液中去，就会在阳极表面造成离子堆积，引起电位值增大 （代数值增大），这就是浓差极化。
使金属钝化膜破坏的过程称为活化。金属活化后，新鲜的金属 表面露出，可以进一步的参与电解过程，从而使加工速度提高。
二 电化学加工的分类
第一类 电解加工 第二类 电镀，涂镀和电铸加工 第三类 电化学与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺， 例如 电解磨削，超声电解等
第二节 电解加工
一 电解加工的过程及特点
m KIt
V It
m KIt
V It
根据法拉第电解定律，电解溶解或析出的物质的量只与该物质的 电化学当量，电解电流和电解时间有关。在理论上不受电解液浓 度，温度，压力，电极形状等因素的影响，与上述诸因素无关。
实际金属蚀除量
理论计算蚀除量 100 %
因此上述公式需要修正为：
m KIt V It
1 修复零件磨损表面、恢复几何尺寸、实施超差补救。
2 填补零件表面的划伤、凹坑、斑蚀、空洞等缺陷。例如机床 导轨、活塞液压缸等表面的修补。
3 大型、复杂、单个小批工件的表面镀镍、铜、锌、金、银等 防腐层、耐腐层等，用以改善表面性能。
四 电铸和涂镀（电镀）加工有何异同点？
相同点：两者的加工原理完全一样。
电化学加工知识
第二节 电解加工工艺
1.电解加工的基本原理和特点 电解加工 （电化学加工）是利用金属在电解 液中产生阳极溶解的电化学反应原理，对金 属材料进行成形加工的一种方法。 电解加工时的化学反应是比较复杂的，它随 工件材料、电解液成分等不同而不同。 是在电解抛光工件表面的基础上发展起来的。 电解抛光只能进行抛光，不能改变工件原有 的形状、尺寸。
2.相关概念
溶于水能导电的物质叫电解质，如酸、碱、盐等。 电解质的水溶液称为电解质溶液（简称电解液） 电解液浓度：电解液中所含的电解质的多少， 一般以质量百分比浓度（％）表示，即指每100克溶液中所含 溶质的克数； 还有用物质的量浓度表示，即指一升溶液中的电解质的摩尔 数。 电解质溶液之所以能导电与其在水中的状态有关，因为水分子是 极性分子，可以与其它的带电粒子发生微观静电作用。 NaCl是一种结晶体，组成晶体的粒子不是分子而是相间排列 的Na＋离子和Cl－离子，叫做离子型晶体。 电解质水溶液中每个阴离子和阳离子的周围都吸引一些水分 子成为水化离子，这一过程称为电解质的电离。
（1）浓差极化
浓差极化是由于电解过程中电极附近溶液的浓度和本体溶 液（指离开电极较远，浓度均匀的溶液）浓度发生差别所 致，例如阳极溶解时，金属离子从阳极表面附近溶液扩散 缓慢，于是电极表面附近溶液的金属离子浓度比本体溶液 的浓度高，就好像电极侵入一个浓度较高的溶液中一样。 在阳极熔解过程中，金属不断熔解的条件之一是生成的金 属离子需要越过双电层，再向外迁移并扩散，然而扩散与 迁移的速度是有一定限度的，在外电场的作用下，如果阳 极表面液层中金属离子的扩散与迁移速度较慢，来不及扩 散到溶液中去，使阳极表面造成金属离子堆积，引起电位 值增大（即阳极电位向正极），这就是浓差极化。 浓度差别所引起的极化称为浓差极化。
电化学加工
电化学加工电化学加工包括两大类：去除金属的电解加工向工件上沉积金属的电镀第一节电化学加工原理及分类一、电化学加工的基本原理：（一）电化学加工过程以两片铜接上约10V的直流电源并插入CuCl2的水溶液为例。
如图所示：在金属片和溶液的界面上有交换电子的反应，即电化学反应电荷迁移：溶液中正负离子的定向移动金属正离子（铜离子）在阴极上得到电子发生还原反应，沉积出铜在阳极表面金属原子（铜原子）失掉电子而变成铜正离子进入溶液（溶解）在阴、阳极表面发生得失电子的化学反应称之为电化学反应。
利用这种电化学作用对金属进行加工的方法即电化学加工与这一反应过程密切相关的基本概念有：电解质溶液、电极电位、电极的极化、钝化、活化。
（二）电解质溶液电解质：凡溶于水能导电的物质如盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化氨(NH4OH)、食盐(NaCl)、硝酸钠(NaNO4)、氯酸钠（NaClO3）等酸、碱、盐都是电解质。
电解液：电解质与水形成的溶液电解质分为强电解质：在水中能100%电离。
强酸、强碱及大多数盐类都是强电解质弱电解质：在水中只有小部分电离成离子，大部分仍以分子状态存在比如水、氨、醋酸等由于电解质溶液中的正负离子的电荷数是相等的，所以溶液仍保持电的中性。
（三）电极电位当金属和它的盐溶液相接触时，即使在没有外接电源的情况下，也会发生金属与它的盐溶液之间的电子交换，从而产生金属溶解和电解质溶液中的金属离子返回金属表面的双向过程。
最终这两个相反过程达到动态平衡。
对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如图4-2、4-4所示。
活泼金属和不活泼金属双电层的区别。
金属的电极电位：由于双电层的存在，在正负电层之间，也就是金属与电解溶液之间形成电位差。
这个电位差称为金属的电极电位。
因为它是金属在本身盐溶液中的溶解和沉积相平衡时的电位差，所以又称为平衡电极电位。
注意：（1）金属的电极电位到目前为止还不能直接测量。
电化学加工
电 化 学 加 工
电 化 学 加 工
2、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、花键孔、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
电 化 学 加 工
电 化 学 加 工
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。
电解液可分：
中性盐溶液
腐蚀性小，使用时较安全，应用最普遍 最常用的有
NaCl：使用广泛、加工便宜、货源充足、复制精度差 NaNO3：钝化型电解液，成形精度高、腐蚀性小、安全、 价格便宜、电流效率低、生产效率低，有消耗 NaClO3：加工精度高、生产效率高、价格昂贵、强氧化 剂
极化后产生超电位
电 化 学 加 工
5、金属钝化和活化
钝化：
金属阳极溶解过程超电位升高，电解速度减
慢，直至形成稳定状态不溶解 钝化形成钝化膜
活化：
破坏金属钝化膜
方法：
加入还原性气体或活性离子 机械方法破坏钝化膜
电 化 学 加 工
6. 电 化 学 分 类
电化学加工原理及应用总结
电化学加工原理及应用电化学加工（Electrochemical Making），也称电解加工，是利用金属在外电场作用下的高速局部阳极溶解实现电化学反应，对金属材料进行加工的方法。
常用的电化学加工有电解加工、电磨削、电化学抛光、电镀、电刻蚀和电解冶炼等。
电化学加工的原理：电化学加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解来将工件成型的。
如图1 所示，工件接直流电源的正极为阳极，按所需形状制成的工具接直流电源的负极为阴极。
阳极表面铁原子在外电源的作用下放出两个电子，成为正的二价铁离子而溶解进入电解液中（Fe－2e＝Fe+2）。
溶入电解液中的Fe+2又与OH－离子化合，生成Fe(OH)2沉淀，随着电解液的流动而被带走。
Fe(OH)2 又逐渐为电解液中及空气中的氧氧化为Fe(OH)3红褐色沉淀。
正的H+被吸收到阴极表面，从电源得到电子而析出氢气（2H+＋2e=H2↑）。
电解液从两极间隙（0.1～0.8 mm）中高速（5～60 m/s）流过。
当工具阴极向工件进给并保持一定间隙时即产生电化学反应，在相对于阴极的工件表面上，金属材料按对应于工具阴极型面的形状不断地被溶解到电解液中，随着工件表面金属材料的不断溶解，工具阴极不断地向工件进给，溶解的电解产物不断地被电解液冲走，工件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形状，如此下去直至将工具的形状复制到工件上。
电化学加工的应用：电化学加工应用主要有电解加工、电化学抛光、电镀、电铸、电解磨削等方面。
具体应用于发动机叶片加工、火炮膛线加工、加工锻模型腔、深孔、小孔、长键槽、等截面叶片整体叶轮以及零件去毛刺、难导电硬脆材料加工等。
航空发动机叶片加工----相对于叶片的几何结构及采用的材料, 电解加工能充分发挥其技术特长。
尽管由于叶片精密锻造、精密铸造、精密辊轧技术的提高而有更多的叶片采用精密成形, 使电解加工叶片的数量有一些减少, 但随着叶片材料向高强、高硬、高韧性方向发展和钛合金、钴镍超级耐热合金的采用, 以及超精密、超薄、大扭角、低展弦比等特殊结构叶片的出现, 对电解加工又提出了新的、更高的要求, 电解加工依然是优选工艺方法之一。
第三章 电化学加工
电化学加工
（1）浓差极化 在阳极极化过程中，金属不断溶解的条件之一是生成
的金属离子需要越过双电层，再向外迁移并扩散。然而扩 散与迁移的速度是有一定限度的，在外电场的作用下，如 果阳极表面液层中金屑离子的扩散与迁移速度较慢，来不 及扩散到溶液中去，使阳极表面造成金属离子堆积，引起 了电位值增大(即阳极电位向正移)，这就是浓差极化。 （2）电化学极化
– 2）电解加工的生产率较高，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 。 一 般 表 面 粗 糙 度 为 Ra1.25 ～ 0.2μm和±0.1mm左右的平均加工精度。
电化学加工
– 4）加工过程中不会产生残余应力和变形，没有飞边毛 刺。
钝化原因：成相理论和吸附理论 。 ➢ 成相理论认为，金属与溶液作用后在金属表面上形成了 一层紧密的极薄的膜，通常是由氧化物、氢氧化物或盐 组成，从而使金属表面夫去了原来具有的活泼性质，使 溶解过程减慢。
电化学加工
➢ 吸附理论认为，金属的钝化是由于金属表面形成了 氧的吸附层引起的。
活化：使金属钝化膜破坏的过程。 活化的方法： 1）把溶液加热； 2）通入还原性气体或加入某些活性离子等； 3）采用机械办法破坏钝化膜； 4）电源反接 。
电化学加工
电化学加工
4.电极的极化
以上讨论的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)，这种现象 称为极化，如图4—5所示。
极化后的电极电位与平衡电位的差 值称为超电位，随着电流密度的增加， 超电位也增加。
电化学加工精简版
(2)阳极工件 工件材料的性质，必须是良 导体。装夹工件的夹具由绝缘材料制成，环氧树 脂或玻璃纤维是电化学加工理想的夹具材料。这 些材料具有良好的热稳定性和低湿性。
(3)电解液系统 电解液系统主要有泵、 电解液槽、过滤器、管道及阀等。
电化学加工的泵一般都是离心泵，它的轴承 与泵腔是分开的。
电化学加工对电解液的要求：(1)具有足够 的蚀除速度，即生产效要高，要求电解质在溶液 中有较强的溶解度和离解度，具有很高的电导率。
电解液混入气体之后增加了电解液的电阻率， 减少了杂散腐蚀，降低了电解液的密度和粘度， 增加流速，均匀流场。
混气电解液的主要缺点是，由于其电流密度 的下降，使生产率比不混气下降了1/3～1/2。
第二章 电化学加工基本原理
在阴、阳极表面发生得失电子的化学反应即称为 电化学反应，利用这种电化学反应作用加工金属 的方法就是电化学加工。其中，阳极上为电化学 溶解，阴极上为电化学沉积。
4.1 电解加工 4.1.1 电解加工的原理
电解加工的基本原理就是将电镀中阳极金属 的溶解现象应用于金属加工。
电解加工使用具有一定形状的工具或电极， 工具接阴极，工件接阳极。电解液由泵送到工件 和工具的狭小间隙，该间隙为初始间隙，工具电 极按规定的形状尺寸制定，与工件表面对置。当 电解液以5～20m/s的速度流经它们的初始间隙时， 在工具阴极和工件阳极间接通一定的直流电压， 就有电流经电解液流过，使工件与阴极接近的部 分开始电解。同时阴极以一定的速度向工件进给， 达到预定的加工深度时，就获得所需要的加工形 状。
电化学加工技术
电化学加工技术
一、电化学加工的概述 二、电化学加工的原理 三、电化学加工的设备及组成 四、电化学加工的分类介绍 五、电化学加工的发展前景
电化学加工
电化学加工（ECM）是一种基于电解原理的加工技术。
加工时，工具用作阴极，与直流电源的负极相连，而工件用作阳极，与直流电源的正极相连。
电解质中的阴极与工件之间发生电荷交换，阳极工件溶解。
ECM技术的优点是：1）不论硬度和强度如何，都可以加工具有不同硬度和强度的材料；2）生产效率高，约为电火花加工的5-10倍，在某些情况下比切削加工要高。
3）表面质量好，无残余应力和变质层，无飞边，刀痕和毛刺，表面粗糙度可达Ra 0.05μm；4）工具电极在理论上没有任何损失，基本上可以长期使用。
目前，ECM技术的主要问题是加工精度难以严格控制，尺寸一般只能达到0.15-0.3mm。
在ECM的基础上，德国EMAG自主开发的精密ECM技术不仅可以满足越来越小的零件的需求，而且使加工精度小于20μm，同时使产品的表面质量更高完善。
如今，电化学加工已广泛应用于航空航天，汽车制造，精密医疗器械制造，显微镜和能源技术。
不论是镍基，钛合金零件还是淬火零件等超硬超级合金材料，电化学加工技术都可以用于经济有效的精密加工。
02飞机发动机ECM机加工整体叶片整体式叶片盘是高级航空发动机设计中典型的整体结构部件，其材料主要由先进的复合高温镍基合金制成。
传统的加工技术很难处理具有复杂刀片轮廓，高精度和切削力后变形大的部件。
因此，寻求更好的质量，高效率，高精度和低成本的加工方法已成为各国航空制造企业的目标。
ECM加工技术作为实现高温合金叶轮加工的重要方法，已经成为大型航空发动机公司研发的关键技术。
凭借其在该领域的多项专利技术，Emake成为世界上第一家为航空发动机提供ECM电解机床的欧洲设备制造商。
最终的叶片轮廓精度为≤0.06mm，超级合金材料的表面粗糙度ra≤0.2μm。
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电化学加工原理及应用
电化学加工（Electrochemical Making），也称电解加工，是利用金属在外电场作用下的高速局部阳极溶解实现电化学反应，对金属材料进行加工的方法。
常用的电化学加工有电解加工、电磨削、电化学抛光、电镀、电刻蚀和电解冶炼等。
电化学加工的原理：
电化学加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解来将工件成型的。
如图1 所示，工件接直流电源的正极为阳极，按所需形状制成的工具接直流电源的负极为阴极。
阳极表面铁原子在外电源的作用下放出两个电子，成为正的二价铁离子而溶解进入电解液中（Fe－2e＝Fe+2）。
溶入电解液中的Fe+2又与OH－离子化合，生成Fe(OH)2沉淀，随着电解液的流动而被带走。
Fe(OH)2 又逐渐为电解液中及空气中的氧氧化为Fe(OH)3红褐色沉淀。
正的H+被吸收到阴极表面，从电源得到电子而析出氢气（2H+＋2e=H2↑）。
电解液从两极间隙（0.1～0.8 mm）中高速（5～60 m/s）流过。
当工具阴极向工件进给并保持一定间隙时即产生电化学反应，在相对于阴极的工件表面上，金属材料按对应于工具阴极型面的形状不断地被溶解到电解液中，随着工件表面金属材料的不断溶解，工具阴极不断地向工件进给，溶解的电解产物不断地被电解液冲走，工件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形状，如此下去直至将工具的形状复制到工件上。
电化学加工的应用：
电化学加工应用主要有电解加工、电化学抛光、电镀、电铸、电解磨削等方面。
具体应用于发动机叶片加工、火炮膛线加工、加工锻模型腔、深孔、小孔、长键槽、等截面叶片整体叶轮以及零件去毛刺、难导电硬脆材料加工等。
航空发动机叶片加工----相对于叶片的几何结构及采用的材料, 电解加工能充分发挥其技术特长。
尽管由于叶片精密锻造、精密铸造、精密辊轧技术的提高而有更多的叶片采用精密成形, 使电解加工叶片的数量有一些减少, 但随着叶片材料向高强、高硬、高韧性方向发展和钛合金、钴镍超级耐热合金的采用, 以及超精密、超薄、大扭角、低展弦比等特殊结构叶片的出现, 对电解加工又提出了新的、更高的要求, 电解加工依然是优选工艺方法之一。
如空心冷却涡轮叶片和导向器叶片上的许多小孔, 特别是深小孔和呈多向不同角度分布的小孔,用普通机械钻削方法特别困难, 甚至不能加工;而用电火花、激光加工又有表面再铸层问题, 且加工孔深也有限;采用电解方法则加工效率、加工质量明显提高, 加工孔深大大增加, 还可以采用复合多孔加工方式, 使加工效率提高几倍、十几倍。
为了满足第三代、第四代飞机高推重比、高可靠性的要求, 各类新型航空、航天发动机相继采用整体叶轮、整体叶盘结构。
电解加工与数控技术的结合，是可望解决难切削材料整体叶盘的优质、高效、低成本加工问题的有效途径。
火炮膛线加工----随着兵器技术的发展，对火炮身管的要求也越来越高。
随
着炮管材料变硬，膛线数目增多，槽线变深，缠角变大，机械拉削难以实现膛线的加工；因电解加工具有一次成型、加工效率高，离子级溶解、表面质量好，工具损耗小、无残余应力的优点，在深孔和膛线加工中尤为突出。
因此，电解加工膛线变得不可或缺。
零件去毛刺----去毛刺是机械加工最后阶段必须进行的一项重要的技术，对
于可达性差、与主孔垂直的内部交叉阵列孔毛刺，一般的加工方法难以实现对其去除。
目前国内主要采用手工的方法进行去除，该方法存在去除效率低、成本高的缺点，故需寻求一种去除效率高、自动化程度高的加工方法。
电化学去毛刺是金属在电解液中发生基于电化学作用的阳极溶解而去除零
件毛刺的加工工艺方法，这是一种先进的去毛刺技术，是电化学加工中发展较快、应用较广的一项工艺，它具有去除毛刺质量好、安全可靠、高效等优点，且能去除可达性差的复杂内腔部位的毛刺，现已在汽车发动机、航空航天、气动液压等领域得到运用。
在汽车转向器中的螺杆轴上内交叉阵列小孔毛刺去除的实例实验验证中得到了良好的加工效果。
难导电硬脆材料加工----因半导体、光学玻璃、工程陶瓷等难导电硬脆材料
具有耐磨性强、硬度高等优良性能，故在电子、光学等领域得到了广泛应用。
但难导电硬脆材料的脆性大，采用传统机械加工方法成本高、效率低，且易产生微裂纹，从而严重影响表面质量和性能。
电加工是依靠电能、热能而不是机械能实现加工的，可以加工任何硬、脆、韧、软及高熔点的导电材料，而难导电硬脆材料一般不能直接采用电加工方法加工。
郭永丰等研究了基于绝缘陶瓷辅助电火花加工原理在煤油中对绝缘陶瓷的电火花磨削加工，但加工效率较低。
黑松彰雄研究了机械电解电火花复合磨削技术，该技术能实现对非导电陶瓷的高效精密加工，但仍存在放电难以控制和电能利用率低等问题。
刘永红等提出了双电极同步伺服电火花机械复合磨削技术，实现了对非导电陶瓷的磨削加工，但辅助电极送给及控制系统较为复杂，导致放电状态难以精确控制。