第四章、电化学加工
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特种加工4 电化学加工
钝化的原因：成相理论和吸附理论 成相理论：
在金属表面上形成了由氧化物、氢化物或盐组成的极薄的 膜，使金属表面失去了原有的活性。 吸附理论： 钝化是由金属表面形成氧的吸附层引起的。 实际二者兼而有之，不同条件下以某一原因为主。
21
第4章 电化学加工
4.1 电化学加工原理及分类
5、金属的钝化与活化 — 2.活化
4.2.1 电解加工过程及特点 4.2.2 电解加工基本原理 4.2.3 电解液 4.2.4 电解加工过程的基本规律 4.2.5 提高电解加工精度的途径 4.2.6 电解加工的基本设备 4.2.7 电解加工工艺及应用
27
4.2 电解加工
第4章 电化学加工
4.2 电解加工
4.2.1 电解加工过程及特点 — 1.过程
Fe
Fe2+
Cu
15
第4章 电化学加工
4.1 电化学加工原理及分类
3、电极电位 — 8.电化学加工基本原理(续)
电化学加工就利用这一原理，同时利用外电场的作用加剧 电子的移动，使Fe离子的溶解速度加快。
阳极
i
e
Fe
Fe2+
e
i 阴极
Cu
16
第4章 电化学加工
4.1 电化学加工原理及分类
4、电极的极化
e e
Fe2+
e
Fe2+
e
Fe2+
Fe2+
e
Fe2+
Fe
Fe
Fe
Fe e
Fe2+
Fe
Fe e Fe2+
Fe
Fe
Fe
Fe e Fe2+
Fe Fe Fe Fe e Fe2+
在金属表面上形成了由氧化物、氢化物或盐组成的极薄的 膜，使金属表面失去了原有的活性。 吸附理论： 钝化是由金属表面形成氧的吸附层引起的。 实际二者兼而有之，不同条件下以某一原因为主。
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第4章 电化学加工
4.1 电化学加工原理及分类
5、金属的钝化与活化 — 2.活化
4.2.1 电解加工过程及特点 4.2.2 电解加工基本原理 4.2.3 电解液 4.2.4 电解加工过程的基本规律 4.2.5 提高电解加工精度的途径 4.2.6 电解加工的基本设备 4.2.7 电解加工工艺及应用
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4.2 电解加工
第4章 电化学加工
4.2 电解加工
4.2.1 电解加工过程及特点 — 1.过程
Fe
Fe2+
Cu
15
第4章 电化学加工
4.1 电化学加工原理及分类
3、电极电位 — 8.电化学加工基本原理(续)
电化学加工就利用这一原理，同时利用外电场的作用加剧 电子的移动，使Fe离子的溶解速度加快。
阳极
i
e
Fe
Fe2+
e
i 阴极
Cu
16
第4章 电化学加工
4.1 电化学加工原理及分类
4、电极的极化
e e
Fe2+
e
Fe2+
e
Fe2+
Fe2+
e
Fe2+
Fe
Fe
Fe
Fe e
Fe2+
Fe
Fe e Fe2+
Fe
Fe
Fe
Fe e Fe2+
Fe Fe Fe Fe e Fe2+
第四章：电化学加工
考虑如下的实验场景
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。
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。
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。
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。
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
特种加工__11第四章 电化学加工(3)
六 电解加工的基本设备
电解加工的基本设备有三大部分:直流 直流 电源, 电源,机床和电解液系统
电解加工的基本设备-电解电源
直流电源(电解电源) 直流电源(电解电源)
功率大,电流大,电压低(20V 功率大,电流大,电压低(20V) 要求其稳定性好, 要求其稳定性好,电压可调
微细加工时需要
脉冲电源 微能电源
电镀,电铸,涂镀及复合镀加工的不同
电镀
用于表面装饰,防锈,镀层 用于表面装饰,防锈,镀层1~50m,无精度要求 ,
电铸
复制,成型加工;镀层 以上, 复制,成型加工;镀层50 m以上,有精度要求 以上
涂镀
增加尺寸,改善表面性能;镀层 以上, 增加尺寸,改善表面性能;镀层1 m以上,有精度要 以上 求
电解加工工艺及应用
4. 套料加工
电解加工工艺及应用
5. 叶片加工
电解加工工艺及应用
其它应用
6. 7. 8. 9.
电解倒棱去毛刺 电解刻字 电解抛光 数控展成电解加工
第三节
电解磨削
电解磨削
属于电化学机械加工的范畴,电解作用和机械 属于电化学机械加工的范畴 电解作用和机械 磨削作用相结合的一种加工方法
�
复合镀加工
电镀耐磨层制造超硬零件;镀层 以上, 电镀耐磨层制造超硬零件;镀层50 m以上,有精度 以上 要求
电铸加工原理与工艺
原模表面 处理
电铸至指 定厚度
衬背 处理
脱 模
清洗 干燥
成 品
涂镀加工原理
复合镀加工原理
原理:在金属表面镀覆镍或钴的同时, 原理 : 在金属表面镀覆镍或钴的同时 , 将 磨料作为镀层的一部分也一起镀到 磨料 作为镀层的一部分也一起镀到 金属表面上. 金属表面上. 用途: 用途: 1 生成耐磨层 2 制作刀具
(完整版)特种加工课后答案_第四章1
第四章电化学加工1．从原理和机理上来分析，电化学加工有无可能发展成为"纳米级加工"或"原子级加工"技术？原则上要采用哪些措施才能实现？答：由于电化学加工从机理上看，是通过电极表面逐层地原子或分子的电子交换，使之在电解液中"阳极溶解"而被去除来实现加工的，可以控制微量、极薄层"切削"去除。
因此，电化学加工有可能发展成为纳米级加工或原子级的精密、微细加工。
但是真的要实现它，从技术上讲还有相当难度。
主要是由于电化学加工的实质是实现选择性阳极溶解或选择性阴极沉积，只要能把这种溶解或沉积的大小、方向控制到原子级上就可以了。
但是由于它们的影响因素太多，如温度、成分、浓度、材料性能、电流、电压等，故综合控制起来还很不容易。
2．为什么说电化学加工过程中的阳极溶解是氧化过程，而阴极沉积是还原过程？答：从电化学过程来说，凡是反应过程中原子失去电子成为正离子（溶入溶液）的，称为氧化，反之，溶液中的正离子得到电子成为中性原子（沉积在阴极上）的称为还原，即由正离子状态还原成为原来的中性原子状态。
例如在精炼电解铜的时候，在电源正极上纯度不高的铜板上的铜原子在电场的作用下，失去两个电子成为Cu 2+正离子氧化而溶解入CuCl2溶液，而溶液中的Cu 2+正离子在阴极上，得到两个电子还原成为原子而沉积在阴极上。
3．原电池、微电池、干电池、蓄电池中的正极和负极，与电解加工中的阳极和阴极有何区别？两者的电流（或电子流）方向有何区别？答：原电池、微电池、干电池和蓄电池中的正极，一般都是较不活泼的金属或导电体，而其负极，则为较活泼的金属。
例如干电池，正极为不活泼的石墨（碳）棒，负极为活泼金属锌，蓄电池的正极是不活泼的铅。
金属与导电液体形成的微电池中的正极往往是不活泼的碳原子或杂质。
两种活泼程度不同的金属（导电体）在导电溶液中发生电化学反应能产生电位差，电位较正的称为"正极"，流出电流（流入电子流），电位较低的流入电流（流出电子流）。
第4章 电化学加工(1)
+
U
Uc UR Ua
U：使阳极不断溶解的总能源， 在两极间形成加工电流，使 阳极达到较高的溶解速度。 UR ：电解液电阻形成的欧姆电压 Ua ：阳极压降； Uc ：阴极压降 通过间隙的电流能否全部用于阳极溶解取决于阳极极 化的程度（极间电流利用率）
U
电解过程中的极间电流
极化程度很小时：
金属阳极电位 ＜溶液中所有阴离子的电极电位
4. 电化学加工(ECM)
（Electrochemical Machining)
电化学加工的基本原理 电解加工 电解抛光 电化学机械加工 电铸技术 涂镀与复合镀 电化学加工新技术
4.1 电化学加工原理
4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1.7 电化学反应 电解质溶液 电极电位 电极的极化 钝化现象 活化 电化学加工分类
i e 阴极
阳极：氧化 溶解
Cu→Cu+2 +
2e
阴极：还原 沉积
Cu+2 + 2e → Cu 在阴、阳极表面发生得
电化学反应
阳极 2+ Cu Cu2+Cu Cu +1 H -1 Cl OH-1
CuCl2溶液中的电化学反应
失电子的化学反应
电化学加工基本原理
电化学加工 利用电化学作用为基础对金属进行加工的方法
加工原理
阳极溶解
结合加工
阴极沉积
思考
从原理和机理上来分析，电化学加工有无可能发展 成为“纳米级加工”或“原子级加工”技术？
由于电化学加工从机理上看，是通过电极表面逐层地原子或分子的 电子交换，使之在电解液中“阳极溶解”而被去除来实现加工的，可以 控制微量、极薄层“切削”去除。因此，电化学加工有可能发展成为纳 米级加工或原子级的精密、微细加工。但是真的要实现它，从技术上讲 还有相当难度。主要是由于电化学加工的实质是实现选择性阳极溶解或 选择性阴极沉积，只要能把这种溶解或沉积的大小、方向控制到原子级 上就可以了。但是由于它们的影响因素太多，如温度、成分、浓度、材 料性能、电流、电压等，故综合控制起来还很不容易。
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。
特种加工__10第四章 电化学加工(2)
电解液参数对加工过程的影响
电解液参数： 成份、浓度、温度、酸度（PH值）及粘性。 浓度：NaCl 10~15%;NaNO3 20%;NaClO3 15~35% 温度：30~40℃ 酸度：会使金属的溶解条件变坏 粘性：影响电解液的流动 水的分解、蒸发及电解质的分解是影响电解质溶 液的浓度变化的主要原因 电解质溶液的质量分数和温度的变化直接影响加 工精度的稳定性。
电解液的流速和流向
电解液的流动是把氢气、金属氢化物等电解产物和 加工区域的热量带走，因此，必须有足够的流速。 流向有：正向流动、反向流动和横向流动三种。
出口处，由于有大量的氢气及氢氧化物，表面粗糙 度变差。
电解液出水口的布局
保证电解液流场的尽量均匀。即使不能 保证均匀，也必须保证没有死角。
二）精度成形规律
内容 端面平衡间隙 法向平衡间隙 侧面平衡间隙 平衡间隙理论的应用 影响加工间隙的其它因素
端面平衡间隙
= UR/va b= UR/vc
法向平衡间隙
将 vn=vccos 代 入 端 面 平衡间隙的计算公式有： n= UR/(vc cos)
结束
三）表面质量
表面质量包括表面粗糙度和表面物理化 学性质的改变
表面粗糙度 Ra1.25~0.16m 没有切削力和切削热的影响，不存在残余应 力、冷作硬化和烧伤等，不会产生塑性变形
影响表面质量的因素
1. 工件材料的合金成分、金相组织及热处 理状态对表面粗糙度影响很大 2. 工艺参数对表面质量有很大影响
电流密度、电解液流速、温度等
3. 阴极表面条纹、刻痕都会相应地伏引导 工件表面，要注意阴极表面的加工。 4. 阴极出液口设计和布局也极为重要，流 场不均匀会引起流纹，也可能引发火花 放电，损坏电极。
第四章 电化学加工
二、电解液的特性 能够满足电解液基本要求的电解液就能用于电解加工，但其特性不 同，使用性能也就有优劣。判定电解液优劣的标准是加工时所达到的精 度、表面质量和生产率。电解液的特性主要从杂散腐蚀、电流效率、加 工速度的非线性三个方面表现出来。 1. 杂散腐蚀 杂散腐蚀是衡量电解液加工精度高低的指标。在除了电解液以外其 它条件都相同的情况下，能严格地按照工具电极的形状进行加工，成形 精度高的电解液，其杂散腐蚀小，反之则大。例如，NaCI电解液的生产 率高，电解能力强，但因杂散腐蚀大，成型精度低，加工型孔时如果侧 壁不绝缘，孔壁呈抛物线形。而使用NaNO3、NaCIO3等钝化性的电解液， 杂散腐蚀小，加工型孔时，虽然侧壁不绝缘，但当侧面间隙大到一定程 度后就基本保持不变，孔壁的锥度小，成型精度高。
电解加工示意图 1-主轴 2-工具 3-工件 4-直流电源
电解加工成型原理
二、电解加工的特点
1. 能以简单的直线进给运动一次加工出复杂的型面和型腔，如锻模、叶片等，设 备构成简单； 2. 可以加工高硬度、高强度和高韧性等难以切削加工的金属材料，如淬火钢、钛 合金、不锈钢、硬质合金等； 3. 加工过程中无切削力和切削热，工件不产生内应力和变形，适合于加工易变形 和薄壁类零件； 4. 加工后的零件无毛刺和残余应力，加工表面粗糙度Ra可以达到0.2～1.6µm，尺 寸精度：内孔可以达到±0.03～0.05mm、型腔可以达到±0.5～0.20mm； 5. 与其它加工方法相比，生产率较高； 6. 加工过程中工具电极（阴极）基本不损耗。 电解加工也存在如下的局限性： 1. 加工精度一般不如电火花加工和超声波加工高； 2. 加工复杂型腔和型面时，工具的制造费用较高，一般不适合于单件和小批 量生产； 3. 电解加工设备占地面积大、附属设备多、初期投资较大； 4. 电解液的处理和回收有一定难度，而且对设备有一定的腐蚀作用，加工过 程中产生的气体对环境有污染。
第四章 电化学加工
二、电解液 1. 主要作用：
◆ 作为导电介质传递电流；
◆ 在电场作用下进行电化学反应；
◆ 及时带走加工间隙内产生的电解产物及热量。
2. 基本要求：
◆ 保证足够的蚀除速度 即电解质有较高的溶解
度和离解度。
◆ 保证较高的精度和表面质量 即电解液中的金
属阳离子不应放电沉积到阴极工具上。
◆ 阳极反应的最终产物应是不溶性的化合物 。 ◆ 具有性能稳定、操作安全、价格便宜及对设
结合进行加工
导电磨削
• 又称电解磨削。是电解作用和机械磨 削相结合的加工过程。导电磨削时，工件 接在直流电源的阳极上，导电的砂轮接在 阴极上，两者保持一定的接触压力，并将 电解液引入加工区。当接通电源后，工件 的金属表面发生阳极溶解并形成很薄的氧 化膜，其硬度比工件低得多，容易被高速 旋转的砂轮磨粒刮除，随即又形成新的氧 化膜，又被砂轮磨去。如此进行，直至达 到加工要求为止。
电解加工的基本设备
• 直流电源：硅整流电源及晶闸管整流电源
• 机床：应有足够的刚度、进给速度稳定、防 腐绝缘、安全 • 电解液系统：
五、电解加工应用
该方法广泛应用在各种膛线、花键孔、深
孔、锻模、内齿轮、链轮、叶片、异形零件及去
毛刺、倒角等加工。
第三节 电解磨削
一、电解磨削的原理及特点
原理：电解作用与机械磨削相
国内情况
• 中国在20世纪50年代就开始应用电 解加工方法对炮膛进行加工，现已广泛 应用于航空发动机的叶片，筒形零件、 花键孔、内齿轮、模具、阀片等异形零 件的加工。近年来出现的重复加工精度 较高的一些电解液以及混气电解加工工 艺,大大提高了电解加工的成型精度,简化 了工具阴极的设计，促进了电解加工工 艺的进一步发展。
现代加工技术-04电化学加工
4．混气电解加工
电解液中混入气体后，将会起到下述作用： 1）增加了电解液的电阻率，减少杂散腐蚀，使电解液向非线性 方面转化。 2）降低电解液的密度和粘度，增加流速，均匀流场。
哈工大(威海) 现代加工技术
4．混气电解加工 混气电解液的主要缺点是，由于其电流密度的
图4-18中，设电解加工开始的起始间隙为 0
则此时的蚀除速度
vl0
UR
0
设阴极以恒定速度 v c 向工件进给，则加工间隙逐渐
减少，而蚀除速度相应增大。设工件足够厚，随着
时间的推移，总会有工件的蚀除速度 v c 与阴极的进
给速度 v l 相等。
哈工大(威海) 现代加工技术
1.端面平衡间隙
b
UR
vc
随着工具阴极不断缓慢地向工件进给，工件则不断地按工 具端部的型面溶解，电解产物则不断被高速流动的电解液带走 ，最终工具电极的形状就“复制”在工件上。
8
哈工大(威海) 现代加工技术
分05.mp47电解加工۞
9
哈工大(威海) 现代加工技术
两种方法
10
哈工大(威海) 现代加工技术
二、电化学加工特点
电化学加工的主要优点之一是它可以加工复 杂的三维曲面，而不像一般的金属切削那样 留下刀痕。采用不锈钢制造的阴极工具，可 以把许多初步成形的零件加工到具有极高的 外形尺寸。其特点是：
• 阳极金属去蚀量M与电荷量（Q=It)成正比 • 理论蚀除量：M=KQ= KIt
K---电化学当量 [g/(A·h]
电流效率η：实际蚀除量与理论蚀除量之比 实际蚀除量 M:
• M=ηKQ= ηKIt
29
哈工大(威海) 现代加工技术
一、生产率及其影响因素
电解液中混入气体后，将会起到下述作用： 1）增加了电解液的电阻率，减少杂散腐蚀，使电解液向非线性 方面转化。 2）降低电解液的密度和粘度，增加流速，均匀流场。
哈工大(威海) 现代加工技术
4．混气电解加工 混气电解液的主要缺点是，由于其电流密度的
图4-18中，设电解加工开始的起始间隙为 0
则此时的蚀除速度
vl0
UR
0
设阴极以恒定速度 v c 向工件进给，则加工间隙逐渐
减少，而蚀除速度相应增大。设工件足够厚，随着
时间的推移，总会有工件的蚀除速度 v c 与阴极的进
给速度 v l 相等。
哈工大(威海) 现代加工技术
1.端面平衡间隙
b
UR
vc
随着工具阴极不断缓慢地向工件进给，工件则不断地按工 具端部的型面溶解，电解产物则不断被高速流动的电解液带走 ，最终工具电极的形状就“复制”在工件上。
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哈工大(威海) 现代加工技术
分05.mp47电解加工۞
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哈工大(威海) 现代加工技术
两种方法
10
哈工大(威海) 现代加工技术
二、电化学加工特点
电化学加工的主要优点之一是它可以加工复 杂的三维曲面，而不像一般的金属切削那样 留下刀痕。采用不锈钢制造的阴极工具，可 以把许多初步成形的零件加工到具有极高的 外形尺寸。其特点是：
• 阳极金属去蚀量M与电荷量（Q=It)成正比 • 理论蚀除量：M=KQ= KIt
K---电化学当量 [g/(A·h]
电流效率η：实际蚀除量与理论蚀除量之比 实际蚀除量 M:
• M=ηKQ= ηKIt
29
哈工大(威海) 现代加工技术
一、生产率及其影响因素
第四章电化学加工
第四章电化学加工1．从原理和机理上来分析，电化学加工有无可能发展成为“纳米级加工”或“原子级加工”技术？原则上要采用哪些措施才能实现？答：由于电化学加工从机理上看，是通过电极表面逐层地原子或分子的电子交换，使之在电解液中“阳极溶解”而被去除来实现加工的，可以控制微量、极薄层“切削”去除。
因此，电化学加工有可能发展成为纳米级加工或原子级的精密、微细加工。
但是真的要实现它，从技术上讲还有相当难度。
主要是由于电化学加工的实质是实现选择性阳极溶解或选择性阴极沉积，只要能把这种溶解或沉积的大小、方向控制到原子级上就可以了。
但是由于它们的影响因素太多，如温度、成分、浓度、材料性能、电流、电压等，故综合控制起来还很不容易。
2．为什么说电化学加工过程中的阳极溶解是氧化过程，而阴极沉积是还原过程？答：从电化学过程来说，凡是反应过程中原子失去电子成为正离子（溶入溶液）的，称为氧化，反之，溶液中的正离子得到电子成为中性原子（沉积在阴极上）的称为还原，即由正离子状态还原成为原来的中性原子状态。
例如在精炼电解铜的时候，在电源正极上纯度不高的铜板上的铜原子在电场的作用下，失去两个电子成为Cu2+正离子氧化而溶解入CuCl2 溶液，而溶液中的Cu2+正离子在阴极上，得到两个电子还原成为原子而沉积在阴极上。
3．原电池、微电池、干电池、蓄电池中的正极和负极，与电解加工中的阳极和阴极有何区别？两者的电流（或电子流）方向有何区别？答：原电池、微电池、干电池和蓄电池中的正极，一般都是较不活泼的金属或导电体，而其负极，则为较活泼的金属。
例如干电池，正极为不活泼的石墨（碳）棒，负极为活泼金属锌，蓄电池的正极是不活泼的铅。
金属与导电液体形成的微电池中的正极往往是不活泼的碳原子或杂质。
两种活泼程度不同的金属（导电体）在导电溶液中发生电化学反应能产生电位差，电位较正的称为“正极”，流出电流（流入电子流），电位较低的流入电流（流出电子流）。
电解加工时人为地外部加以电源，接电源正极称阳极，接电源负极的称阴极，阳极表面流出电流（流入电子流），阴极表面流入电流（流出电子流），两者的方向仍一致，见图4-1。
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初始速度： 双曲线常数： Va C / 0 C U R Va C / t ( 0 ) / 2C
2 2
间隙为 1 mm 时的速度： 间隙扩大到
1 mm 所需的时间：
32
第四章 电化学加工
（4）其他因素对生产率的影响 此外电源电压、电解液种类、工件材料的化学成
1、电化学加工的原理 （1）电化学加工过程
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。
1 i e e i
2
C u2＋ H＋
－ Cl
－ OH
1— 阳 极 ； 2— 阴 极
图4-1 电解液中的电化学反应
3
第四章 电化学加工
第四章 电化学加工
溶液中正、负离子的定向移动称
1 i e e i 2
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。
C u2＋ H＋
－ Cl
利用电化学反应原理对金属进行
加工的方法即电化学加工。 （图 4-1中阳极上为电解蚀除，阴极上
OH
－
1— 阳 极 ； 2— 阴 极
9
第四章 电化学加工
化学性能不活泼金属： 金属离子的沉积速度大 于金属的溶解速度，达 到平衡时，金属带正电，
溶液带负电。金属和溶
液的界面上也形成双电
层，产生电位差。
10
第四章 电化学加工
金属的电极电位：金属与其盐溶液界面上的电位差称 为金属的电极电位 。 金属与溶液间电位差的大小，取决于金属的性质，溶 液中离子的浓度和温度。 金属越活泼，电位越低；越不活泼，电位越高。 在同一种金属电极中，金属离子浓度越大，电位越高， 浓度越小，电位越低。温度越高，电位越高，温度越
抛光等。
电镀、电铸可以复制复杂、精细的表面。
19
第四章 电化学加工 4.2 电解加工
一、电解加工的原理及特点
1、基本原理 电解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。
1 A V － ＋ 4 2 3
5
1— 直 流 电 源 ； 2— 工 具 电 极 ； 3— 工 件 阳 极 ； 4— 电 解 液 泵 ； 5— 电 解 液
18
第四章 电化学加工
3、电化学加工的适用范围
电化学加工的适用范围，因电解和电镀两大类工艺的 不同而不同。 电解加工可以加工复杂成型模具和零件，例如汽车、 拖拉机连杆等各种型腔锻模，航空、航天发动机的扭曲叶 片，汽轮机定子、转子的扭曲叶片，炮筒内管的螺旋“膛 线”(来复线)，齿轮、液压件内孔的电解去毛刺及扩孔、
电化学加工就是根据这个原理，利用外加电场，促使 电子移动过程的加剧和铁离子溶解速度的加快。
13
第四章 电化学加工
（4）电极的极化
电极极化的概念：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）的现象， 称为电极的极化。
超电位：极化后的电极电位与平衡电位的产值称为超电
16
第四章 电化学加工
2、电化学加工的分类
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)。
造成局部短路为度。
29
第四章 电化学加工
（３）加工间隙对生产率的影响 一般来说，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。 蚀除速度Va 与电极间隙△成反比：Va=C/△。其中C 称之为双曲线常数。
C U R
30
第四章 电化学加工
但间隙太小会引起火花放电或间隙通道内电解液
《精密与特种加工》
Precision and non-traditional machining
第四章 电化学加工
第四章 电化学加工
主要内容
4.1 电化学加工的基本原理及分类 4.2 电解加工 4.3 电解磨削
4.4 电铸加工
2
第四章 电化学加工
4.1 电化学加工的基本原理及分类
电化学加工包括从工件上去除金属的电解加工和向 工件上沉积金属的电镀、涂覆加工两大类。
组成，从而使金属表面失去了原来具有的活泼性质，使溶
解过程减慢。 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。
15
第四章 电化学加工
金属的活化：使金属钝化膜破坏的过程称为活化。 引起活化的因素很多，例如：把溶液加热，通入还原 性气体或加入某些活性离子等等，也可以采用机械办法破 坏钝化膜，电解磨削就是利用了这一原理。
1 i e e i 2
溶液中的离子将作定向移动：
正离子移向阴极并在阴极上得
到电子而进行还原反应； 负离子移向阳极并在阳极上失 去电子进行氧化反应（也可能 是阳极金属原子失掉电子而成
C u2＋ H＋
C l－
－ OH
1— 阳 极 ； 2— 阴 极
图4-1 电解液中的电化学反应
为正离子进入溶液。
4
位。 浓差极化：离子的扩散、迁移步骤缓慢引起的电极极化。
主要发生在阳极上。
电化学极化：由电化学反应缓慢引起的电极极化。主要 发生在阴极上。
14
第四章 电化学加工
（5）金属的钝化和活化
阳极钝化：在电解加工中，使金属阳极溶解过程的超 电位升高和电解速度减慢的现象。 金属钝化的原因，主要有成相理论和吸附理论两种。 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
另一方面，溶液中的金属离子从金属表面上得到电 子，还原为金属原子沉积在金属表面上（金属离子的沉 积）。
7
第四章 电化学加工
化学性能较活泼的金属：
金属失去电子的溶解速
度大于金属离子得到电
子的沉积速度，达到平
衡时，金属带负电，溶 液带正电。
8
第四章 电化学加工
溶液中的金属离子并不是均匀分布的，由于静电吸引， 较多地集中在金属表面附近的液层中。这样在金属和 溶液的界面上形成了双电层，产生电位差。
U’=-0.42V U’=-2.69V
按照电极反应的基本原理，电极电位最正的离子将首 先在阴极反应。因此，在阴极上只会析出氢气，而不可能 沉淀出钠。
27
第四章 电化学加工
三、电解加工的基本规律
1、生产率及其影响因素 电解加工的生产率，以单位时间内去除的金属量来衡 量，用mm3/min或g/min表示。
（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。 理论电蚀量
m KIt
实际电蚀量
m KIt
V It
V It
28
（K-质量化学当量； W-体积化学当量）
第四章 电化学加工
（２）电流密度对生产率的影响
V It
V iAt
V a i
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、
分和组织结构都对生产率有影响。
33
第四章 电化学加工
2、精度成形规律
（1）端面平衡间隙 端面平衡间隙
△b 指在电解加工中，
加工过程达到稳定 时，两极之间的间
隙。
b
UR vc
34
第四章 电化学加工
35
第四章 电化学加工
电解加工中，任何时刻的加工间隙△可根据阴极进给 距离L、起始间隙△o和端面平衡间隙△b按下式计算：
低，电位越低。
11
第四章 电化学加工
标准电极电位：电极电位的绝对值是无法测定的，通
常选定一个电极作为标准，将各种待测电极与它相比
较，就可得到各种电极的电极电位相对值。 国际应用化学协会（IUPAC）选定“标准氢电极”作 为比较标准。规定25℃ 时，标准氢电极的电极电位 为零。
12
第四章 电化学加工
电解质与水形成的溶液为电解质溶液，简称为电解液。
由于溶液中正负离子的电荷相等，所以整个溶液仍保持 电的中性。
6
第四章 电化学加工
（3）电极电位
当把金属插入其盐溶液中时，金属表面的离子与溶 液中极性水分子相互吸引而发生水化作用，即： 一方面使金属表面上部分金属离子进入溶液而把电
子留在金属表面上（金属溶解）；
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。 电解加工中 0
31
第四章 电化学加工
例：用温度30℃、质量分数为15%的NaCl电解液，对某 一碳钢零件进行固定式阴极电解扩孔，起始间隙为 0.2mm（单边，下同），电压为12V。求刚开始的蚀除 速度和间隙为1mm时的蚀除速度，并求间隙由0.2mm 扩大到1mm所需的时间。
为电镀沉积，常用以提炼纯铜）
图4-1 电解液中的电化学反应
5
第四章 电化学加工
（2）电解质溶液
凡溶于水后能导电的物质叫做电解质。如盐酸(HCl)、 硫酸（H2SO4）、氢氧化钠（NaOH）、氢氧化铵(NH4OH) 食盐（NaCl）、硝酸钠（NaNO3）、氯酸钠(NaClO3)等酸、 碱、盐都是电解质。 电解质有强、弱之分。在水中能100%电离的，称为强 电解质。 水是弱电解质。
图4-6 电解加工原理图
20
第四章 电化学加工
在工件（阳极）与工具（阴极）之间接上直流
电源，使工具与工件间保持较小的加工间隙，间隙中 通过高速流动的电解液。 开始时，两极之间的间隙大小不等，间隙小处 电流密度大，阳极金属去除速度快；而间隙大处电流
2 2
间隙为 1 mm 时的速度： 间隙扩大到
1 mm 所需的时间：
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第四章 电化学加工
（4）其他因素对生产率的影响 此外电源电压、电解液种类、工件材料的化学成
1、电化学加工的原理 （1）电化学加工过程
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。
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C u2＋ H＋
－ Cl
－ OH
1— 阳 极 ； 2— 阴 极
图4-1 电解液中的电化学反应
3
第四章 电化学加工
第四章 电化学加工
溶液中正、负离子的定向移动称
1 i e e i 2
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。
C u2＋ H＋
－ Cl
利用电化学反应原理对金属进行
加工的方法即电化学加工。 （图 4-1中阳极上为电解蚀除，阴极上
OH
－
1— 阳 极 ； 2— 阴 极
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第四章 电化学加工
化学性能不活泼金属： 金属离子的沉积速度大 于金属的溶解速度，达 到平衡时，金属带正电，
溶液带负电。金属和溶
液的界面上也形成双电
层，产生电位差。
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第四章 电化学加工
金属的电极电位：金属与其盐溶液界面上的电位差称 为金属的电极电位 。 金属与溶液间电位差的大小，取决于金属的性质，溶 液中离子的浓度和温度。 金属越活泼，电位越低；越不活泼，电位越高。 在同一种金属电极中，金属离子浓度越大，电位越高， 浓度越小，电位越低。温度越高，电位越高，温度越
抛光等。
电镀、电铸可以复制复杂、精细的表面。
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第四章 电化学加工 4.2 电解加工
一、电解加工的原理及特点
1、基本原理 电解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。
1 A V － ＋ 4 2 3
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1— 直 流 电 源 ； 2— 工 具 电 极 ； 3— 工 件 阳 极 ； 4— 电 解 液 泵 ； 5— 电 解 液
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第四章 电化学加工
3、电化学加工的适用范围
电化学加工的适用范围，因电解和电镀两大类工艺的 不同而不同。 电解加工可以加工复杂成型模具和零件，例如汽车、 拖拉机连杆等各种型腔锻模，航空、航天发动机的扭曲叶 片，汽轮机定子、转子的扭曲叶片，炮筒内管的螺旋“膛 线”(来复线)，齿轮、液压件内孔的电解去毛刺及扩孔、
电化学加工就是根据这个原理，利用外加电场，促使 电子移动过程的加剧和铁离子溶解速度的加快。
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第四章 电化学加工
（4）电极的极化
电极极化的概念：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）的现象， 称为电极的极化。
超电位：极化后的电极电位与平衡电位的产值称为超电
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第四章 电化学加工
2、电化学加工的分类
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)。
造成局部短路为度。
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第四章 电化学加工
（３）加工间隙对生产率的影响 一般来说，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。 蚀除速度Va 与电极间隙△成反比：Va=C/△。其中C 称之为双曲线常数。
C U R
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第四章 电化学加工
但间隙太小会引起火花放电或间隙通道内电解液
《精密与特种加工》
Precision and non-traditional machining
第四章 电化学加工
第四章 电化学加工
主要内容
4.1 电化学加工的基本原理及分类 4.2 电解加工 4.3 电解磨削
4.4 电铸加工
2
第四章 电化学加工
4.1 电化学加工的基本原理及分类
电化学加工包括从工件上去除金属的电解加工和向 工件上沉积金属的电镀、涂覆加工两大类。
组成，从而使金属表面失去了原来具有的活泼性质，使溶
解过程减慢。 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。
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第四章 电化学加工
金属的活化：使金属钝化膜破坏的过程称为活化。 引起活化的因素很多，例如：把溶液加热，通入还原 性气体或加入某些活性离子等等，也可以采用机械办法破 坏钝化膜，电解磨削就是利用了这一原理。
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溶液中的离子将作定向移动：
正离子移向阴极并在阴极上得
到电子而进行还原反应； 负离子移向阳极并在阳极上失 去电子进行氧化反应（也可能 是阳极金属原子失掉电子而成
C u2＋ H＋
C l－
－ OH
1— 阳 极 ； 2— 阴 极
图4-1 电解液中的电化学反应
为正离子进入溶液。
4
位。 浓差极化：离子的扩散、迁移步骤缓慢引起的电极极化。
主要发生在阳极上。
电化学极化：由电化学反应缓慢引起的电极极化。主要 发生在阴极上。
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第四章 电化学加工
（5）金属的钝化和活化
阳极钝化：在电解加工中，使金属阳极溶解过程的超 电位升高和电解速度减慢的现象。 金属钝化的原因，主要有成相理论和吸附理论两种。 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
另一方面，溶液中的金属离子从金属表面上得到电 子，还原为金属原子沉积在金属表面上（金属离子的沉 积）。
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第四章 电化学加工
化学性能较活泼的金属：
金属失去电子的溶解速
度大于金属离子得到电
子的沉积速度，达到平
衡时，金属带负电，溶 液带正电。
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第四章 电化学加工
溶液中的金属离子并不是均匀分布的，由于静电吸引， 较多地集中在金属表面附近的液层中。这样在金属和 溶液的界面上形成了双电层，产生电位差。
U’=-0.42V U’=-2.69V
按照电极反应的基本原理，电极电位最正的离子将首 先在阴极反应。因此，在阴极上只会析出氢气，而不可能 沉淀出钠。
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第四章 电化学加工
三、电解加工的基本规律
1、生产率及其影响因素 电解加工的生产率，以单位时间内去除的金属量来衡 量，用mm3/min或g/min表示。
（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。 理论电蚀量
m KIt
实际电蚀量
m KIt
V It
V It
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（K-质量化学当量； W-体积化学当量）
第四章 电化学加工
（２）电流密度对生产率的影响
V It
V iAt
V a i
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、
分和组织结构都对生产率有影响。
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第四章 电化学加工
2、精度成形规律
（1）端面平衡间隙 端面平衡间隙
△b 指在电解加工中，
加工过程达到稳定 时，两极之间的间
隙。
b
UR vc
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第四章 电化学加工
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第四章 电化学加工
电解加工中，任何时刻的加工间隙△可根据阴极进给 距离L、起始间隙△o和端面平衡间隙△b按下式计算：
低，电位越低。
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第四章 电化学加工
标准电极电位：电极电位的绝对值是无法测定的，通
常选定一个电极作为标准，将各种待测电极与它相比
较，就可得到各种电极的电极电位相对值。 国际应用化学协会（IUPAC）选定“标准氢电极”作 为比较标准。规定25℃ 时，标准氢电极的电极电位 为零。
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第四章 电化学加工
电解质与水形成的溶液为电解质溶液，简称为电解液。
由于溶液中正负离子的电荷相等，所以整个溶液仍保持 电的中性。
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第四章 电化学加工
（3）电极电位
当把金属插入其盐溶液中时，金属表面的离子与溶 液中极性水分子相互吸引而发生水化作用，即： 一方面使金属表面上部分金属离子进入溶液而把电
子留在金属表面上（金属溶解）；
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。 电解加工中 0
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第四章 电化学加工
例：用温度30℃、质量分数为15%的NaCl电解液，对某 一碳钢零件进行固定式阴极电解扩孔，起始间隙为 0.2mm（单边，下同），电压为12V。求刚开始的蚀除 速度和间隙为1mm时的蚀除速度，并求间隙由0.2mm 扩大到1mm所需的时间。
为电镀沉积，常用以提炼纯铜）
图4-1 电解液中的电化学反应
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第四章 电化学加工
（2）电解质溶液
凡溶于水后能导电的物质叫做电解质。如盐酸(HCl)、 硫酸（H2SO4）、氢氧化钠（NaOH）、氢氧化铵(NH4OH) 食盐（NaCl）、硝酸钠（NaNO3）、氯酸钠(NaClO3)等酸、 碱、盐都是电解质。 电解质有强、弱之分。在水中能100%电离的，称为强 电解质。 水是弱电解质。
图4-6 电解加工原理图
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第四章 电化学加工
在工件（阳极）与工具（阴极）之间接上直流
电源，使工具与工件间保持较小的加工间隙，间隙中 通过高速流动的电解液。 开始时，两极之间的间隙大小不等，间隙小处 电流密度大，阳极金属去除速度快；而间隙大处电流