第六章 电化学加工.doc

第六章 电化学加工一、电化学反应过程图1-1所示为电化学加工的原理两片金属铜(Cu)板浸在导电溶液，例如氯化铜(CuCl2)的水溶液中，此时水(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Cu+2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，Cu+2正离子移向阴极，在阴极上得到电子而进行还原反应，沉积出铜在阳极表面Cu原子失掉电子而成为Cu+2正离子进入溶液溶液中正、负离子的定向移动称为电荷迁移在阳、阴电极表面发生得失电子的化学反应称为电化学反应这种利用电化学反应原理对金属进行加工(图1-1中阳极上为电解蚀除，阴极上为电镀沉积，常用以提炼纯铜)的方法即电化学加工电解质：溶于水后能导电的物质，盐酸（HCl）、氢氧化钠（NaOH）、食盐（NaCl）、氯酸钠（NaClO3）等酸、碱、盐 电解质溶液：电解质与水形成的溶液 质量分数：电解液中所含电解质的多少电离：物质溶解于水时，离解成自由移动的离子的过程电化学加工有三种不同的类型第Ⅰ类是利用电化学反应过程中的阳极溶解来进行加工，主要有电解加工和电化学抛光等；第Ⅱ类是利用电化学反应过程中的阴极沉积来进行加工，主要有电镀、电铸等；第 Ⅲ 类是利用电化学加工与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺进行加工，目前主要有电解磨削、电化学阳极机械加工(其中还含有电火花放电作用)。

第一节 电解加工一、电解加工的原理电解加工的过程如图加工时,工件接直流电源的正极(阳极)，按形状要求制成的工具接负极(阴极) 两极间保持0.1~1mm的间隙，具有一定压力（0.5~2.5Mpa）的电解液从两极间隙中高速(5~60m/s)流过 接通直流电源后，工具阴极的凸出部分与工件阳极的电极间隙最小，此处的电流密度最大，单位时间内消耗的电量最多根据法拉第定律，金属阳极的溶解量与通过的电量成正比因此工件上与工具阴极凸起部位的对应部位比其他地方溶解迅速,并随即被高速的电解液冲走同时工具阴极以一定速度(0.5~3mm/min ) 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二、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（硬度、强度）的限制，可加工高硬、高强度及韧性的导电材料和各种复杂形面及用于成批生产具有复杂形状的型腔、型面和型孔以及难切削材料等其种类繁多如电解磨削、充气电解加工等2）电解加工的生产率高，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3）加工过程中工具阴极只发生氢气和沉淀而无溶解作用，理论上不耗损，可长期使用4）可获得较好的表面粗糙度，不易达到较高的精度和加工稳定性，难以实现窄缝、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（6）电解液对设备与环境有腐蚀和污染作用，需要防腐和无害化处理 (7) 能以简单的进给运动一次加工出形状复杂的型面和型腔 (8) 加工中无机械切削力和切削热的作用工件不会产生残余应力、变形及加工变质层，也没有飞边毛剌 ，适合于加工易变形或薄壁零件9)加工精度可达0.1mm至0.01mm；表面粗糙度Ra值一般可达0.8μm，最小Ra值可达0.1μm (10) 电解加工的附属设备多，造价高，占地面积大，加工稳定性不高电解液对机床有腐蚀作用， 电解产物有污染，也应引起重视电解液电解产物的处理和回收困难三、电解加工的应用（1）型孔加工四方孔、六方孔及多边孔、椭圆、半圆等异形孔无论是通孔还是盲孔，都不便采用常规的机械加工方法加工，如果采用电解加工、则是很容易实现的，既可保证型孔的形状精度，又能满足生产率的要求型孔的加工一般采用端面进给方式，为了避免孔壁锥度可以将阴极工具的侧面绝缘绝缘层与阴极要粘结牢固，以防止电解液的冲刷力将绝缘层冲坏常用绝缘材料是环氧树脂，国外也有使用合成橡胶做绝缘层绝缘层的厚度：工作部分0.15～0.2mm；非工作部分0.3～0.5mm。

当电解液正向流动时，绝缘层与阴极工具刃边的间隙必须大于0.25～2mm，如果刃边的间隙等于零，电解液排出阻力大，容易造成底部间隙突然扩大，这种现象会随着加工深度的增加而更加突出2）型腔加工电解加工可以使用成型阴极工具对复杂型腔一次成型锻模等消耗量大、精度要求不太高的零件已经广泛采用电解加工技术制造，取得了良好的技术和经济效果型腔的成型表面比较复杂，阴极工具的设计制造是关键当采用硝酸钠、氯酸钠等成型精度好的电解液加工，或采用混气电解技术加工时，加工间隙好控制，可以采用反拷法制造阴极，阴极设计比较容易但采用氯化钠电解液而又不混气时，则较复杂采用平衡间隙理论设计阴极，根据被加工工件的图纸，合理确定各处间隙的大小，并在制造过程中依据电场、流场的情况修正阴极的形状和尺寸，以保证所加工零件的精度，一般要经过修正、试验的反复过程、才能收到满意的效果3）型面的加工叶片和发动机机匣等外表成形的零件，也可以用电解加工技术加工叶片是航空发动机、汽轮机的重要零件，以往叶片的加工是在铣床上用靠模进行铣削，效率非常低，特别对于一些小型转子，需要在铣床上分别加工好叶片和轮体，然后装配成一体，加工制做周期长，效率低电解加工可以整体加工，一次成型，省去装配工序。

这类叶片加工效率高，生产周期短；加工质量好；电解液用反流式流动，故流场较均匀、稳定；但设备、阴极均较复杂，须采用三头或斜向进给机床、复合双动阴极国外自动生产线上已采用此方案，国内开始在新机部分叶片的试制上应用整体叶轮都工作在高转速、高压或高温条件下，制造材料多为不锈钢、钛合金或高温耐热合金等难切削材料；再加之其为整体结构且叶片型面复杂，使得其制造非常困难，成为生产过程中的关键4）电解抛光电解抛光是一种表面光整加工方法，利用金属在电解液中的电化学阳极溶解原理对工件表面进行腐蚀抛光电解抛光不改变工件形状和尺寸，只降低工件的表面粗糙度和改善表面物理机械性能电解抛光与电解加工的区别是工件和工具的加工间隙大，电流密度小，电解液一般不流动，必要时加以搅拌因此，电解抛光设备及阴极结构简单，不需要电解液流动和过滤系统电解抛光的效率比机械抛光高，并且抛光后的表面生成致密牢固的氧化膜，提高了工件的耐蚀能力不产生加工变质层和表面应力，不受被加工材料的强度和硬度限制，在生产中获得广泛的应用第二节 电化学机械复合加工 电化学机械复合加工是由电化学阳极溶解作用和机械加工作用结合起来对金属工件表面进行加工的复合工艺技术，包括很多具体的方式方法，例如电解研磨、电解珩磨、电化学机械抛光、电化学机械加工等。

最早出现的电解磨削已有40余年的历史了，但其它诸复合加工技术的出现以及在较大工业范围内的应用，则是近十年的事情，例如电解研磨和电化学机械抛光加工，目前在日本、德国等国家，已开始成为大型容器内面、大件表面和内面加工的重要手段我国目前有许多电化学机械复合加工已经成功的应用到了工业生产中在电化学机械复合加工中，主要是靠电化学的作用来去除金属，机械作用只是为了更好地加速这一过程，所以在各种电化学机械复合加工技术中，电化学的作用是相同的，只是机械作用的工具及加工方式不同，二者的作用是均衡的如果机械作用过于缓慢，就会影响电化学作用的发挥，使加工速度降低；而若机械作用过强，则会带来一些机械加工的缺陷，例如表面滑痕、烧伤、磨具的堵塞、磨具磨损过快等，因而也不会得到高的加工速度实践表明：使用适当的机械形式和工具，使电化学阳极溶解作用和机械去除作用达到良好的配合，是得到电化学机械复合加工最佳效果的重要条件一、电解磨削电解磨削是出现较早应用较为广泛的一种电化学机械复合加工方式，比电解加工具有更好的加工精度和表面粗糙度，比机械磨削具有更高的生产率电解磨削是电解加工的—种特殊形式，是电解与机械的复合加工方法它是靠金属的溶解(占95%～98%)和机械磨削(占2%～5%)的综合作用来实现加工的。

加工原理如图4-1所示加工过程中，磨轮(砂轮)不断旋转，磨轮上凸出的砂粒与工件接触，形成磨轮与工件间的电解间隙电解液不断供给，磨轮在旋转中，将工件表面由电化学反应生成的钝化膜除去，继续进行电化学反应，如此反复不断，直到加工完毕电解磨削的阳极溶解机理与普通电解加工的阳极溶解机理是相同的不同之处在于：电解磨削中，阳极钝化膜的去除是靠磨轮的机械加工去除的，电解液腐蚀力较弱；而一般电解加工中的阳极钝化膜的去除，是靠高电流密度去破坏(不断溶解)或靠活性离子(如氯离子)进行活化，再由高速流动的电解液冲刷带走的电解磨削的特点为：(1) 磨削力小，生产率高这是由于电解磨削具有电解加工和机械磨削加工的优点2) 加工精度高，表面加工质量好因为电解磨削加工中，一方面工件尺寸或形状是靠磨轮刮除钝化膜得到的，故能获得比电解加工好的加工精度；另一方面，材料的去除主要靠电解加工，加工中产生的磨削力较小，不会产生磨削毛刺、裂纹等现象，故加工工件的表面质量好3) 设备投资较高其原因是电解磨削机床需加电解液过滤装置、抽风装置、防腐处理设备等电解磨削由于结合了电解加工和机械磨削加工的优点，在生产中常用来加工一些高硬度零件及普通磨削很难加工的零件，例如硬质合金刀具、轧辊、深小孔、薄筒、细长杆类零件等。

电解磨削硬质合金轧辊所用的磨轮为铜粉结合剂的人造金刚石磨轮，磨料粒度为60~100，外圆直径为φ300，磨削型槽的成型磨轮直径为φ260，电解液的成分为亚销酸钠9.6%、硝酸钠0.3%、磷酸氢二钠0.3%、其余为水，加入少量的丙三醇（甘油），可以改善表面粗糙度加工轧辊的型槽精度为±0.02，型槽位置精度为±0.01，表面粗糙度Ra0.2，工作表面无裂纹，无残余应力，加工效率高，并大大提高了金刚石砂轮的使用寿命采用金刚石导电砂轮电解磨削加工精密丝杠的硬质合金成型车刀，表面粗糙度可小于Ra0.06，刃口非常锋利，完全达到精车精密丝杠的要求实践表明，采用电解磨削工艺不仅比单纯用金刚石砂轮磨削时效率提高2~3倍，而且大大节省了金刚石砂轮，一个金刚石导电砂轮可用5~6年二、电解研磨电解研磨是在机械研磨的基础上附加电解作用而形成的一种复合加工方法，不仅电流效率比纯电解抛光高，而且其材料去除速度，比纯电解抛光和纯机械研磨都快得多电解研磨按磨料是否粘固在弹性合成无纺布上可分为固定磨料加工和流动磨料加工两种固定磨料加工是将磨料粘在无纺布上之后，再将无纺布包在工具阴极上，无纺布的厚度即为加工间隙流动磨料加工时磨料不粘在无纺布上，而是悬浮在电解液中，因此在研磨时磨料的运动轨迹就更加杂乱无章，由此可获得镜面。

电解机械研磨复合加工主要用于抛光模具及不锈钢容器的型腔，还可以抛光加工不同类型的零件三、电解珩磨电解珩磨就是把电解加工引入到常规的珩磨加工中去，既利用了电解加工的高效率，也保持了珩磨的精度对普通珩磨机床及珩磨头稍加改装，很容易实现电解珩磨把善通珩磨的切削液换成电解液并附加直流电源，珩磨头用金属制造，本体作阴极，珩磨条是不导电的接通电源，经过预定的珩磨时间，切断电源，使珩磨头继续珩磨几个行程结束加工电解珩磨的电参数可以在很大范围内变化，电压为3~30V，电流密度为0.2~1A/cm2 加工后工件成型精度高，表面质量好，表面粗糙度值可达到Ra0.05~0.025，珩磨条损耗小，工件无热应力，无毛削、飞边等缺隙电解珩磨主要适用于普通珩磨难以加工的高硬度、高强度和容易变形的精密零件的孔加工，以及圆筒形零件精修内表面第三节 阴极沉积加工一、电铸用导电的原模作阴极，。