电化学加工
电化学加工
电化学加工（ECM）利用电化学反应（或电化学腐蚀）来加工金属材料。
与机械加工相比，电化学加工不受材料硬度和韧性的限制，在工业生产中得到了广泛的应用。
常见的电化学加工包括电化学加工、电磨削、电化学抛光、电镀、电蚀和电解熔炼。
介绍电化学加工是非传统加工的一个重要分支。
它已经成为一种成熟的非传统加工技术，在许多领域得到了广泛的应用。
在电化学处理中，采用硅整流稳压电源。
过去采用全波整流代替半波整流。
纹波控制在5%以内，不仅提高了加工速度，而且限制了间隙中的电弧，防止了灰尘沉积在阴极上。
在电压调节方面，采用饱和电感和晶闸管两种调压方式。
前者更适合当前的电化学加工水平。
电源规格分为三个等级：小电源，电流50-500A，用于加工中小型阴极孔、去毛刺、抛光、电解车削；中型电源，电流1000-5000A，用于加工中、大孔、型腔（50-150cm2）；使用大功率电流电源10000-40000A，加工面积在200-1000cm2或以上的大型零件。
常用的电压范围是12-20伏。
铜和硬质合金需要特殊的电解电源。
原因是这些材料晶格中的一些原子不易电离，而晶格中的其他原子易受腐蚀。
例如，碳化钨晶格中的碳原子在正电位条件下不能被加工，必须有负电位（即电源电流有负半波）；加工铜锌合金的电源不仅要有负半波，而且要有负半波，正半波和负半波的间隔和排列也有一定的要求。
使用专用电源还可以解决相对惰性离子在间隙中积累的问题，从而改变间隙电阻和电场分布，从而有效提高加工精度。
由于在电化学加工过程中间隙短路，电源系统通常具有良好的短路保护功能，因此在发生火花和短路时不会损坏阴极和工件。
国内形势自20世纪50年代以来，电化学加工广泛应用于航空发动机叶片、圆柱形零件、花键孔、内齿轮、模具、阀板等异形零件的加工。
近年来，一些高重复性电解液和混合气体电化学加工技术大大提高了电化学加工的成形精度，简化了刀具阴极的设计，促进了电化学加工技术的进一步发展。
电化学加工
<2> 进给稳定 : 一般进给速度 变化量要求小于5%，爬行量 ＜0.03mm。
<3>防腐绝缘 <4>排氢防暴
2．直流电源 （1）低电压5-25V （2）大电流：1000-10000A，密度：100A/cm2 （3）常用电源：硅整流电源、晶闸管整流电源、脉冲电流加 工电源
3．电解液循环过滤系统
（1）组成：泵、电极液槽、过滤装置、管道、阀等 （2）多级离心泵：压力、流量稳定;密封、抗腐蚀； （3）净化：自然沉淀法，散热，多用水泥
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，电解产物处理不好易 造成环境污染。
（二）电解加工设备 1．机床：立式，双柱龙门式 （1）作用：安装夹具，工件， 电极，实现相对运动，传递 电流，电解液 （2）特殊性： <1> 机床刚性好 : 电解液的压 强一般可达20～40kN。
（2）电流密度 i <1>V=ωi A tη <2>蚀除速度：v=V/t=ωi A η va=v/t=ωiη <3>i越大，加工效率越高，但i太高，火花，析出氯气，氧气等 <4>实际i决定于电源电压，间隙大小，电解液及其导电率
电解加工的平均电流密度约为10～100A/cm2，当电解液压力 和流速较高时，可以选用较高的电流密度。但电流密度过高， 将会出现火花放电，析出氯、氧等气体，并使电解液温度过高， 甚至在间隙内会造成沸腾气化而引起局部短路。
<5>浓度与温度： 电解液温度不宜超过60℃，一般在30～40℃范围内较为有利。 NaCl电解液的质量分数常为10%～15%，一般不超过20%， 当加工精度要求较高时，常小于10%。NaNO3电解液的质量 分数一般在20%左右，而NaClO3常用15%～35%。 <6>流速与电流密度配合：加工过程中电解液必须具有足够的 流速，以便及时将氢气、金属氢氧化物等电解产物和加工区 的大量热量带走。电解液的流速一般约在10m/s左右，电流密 度增大时，流速要相应增加。改变流速可通过调节电解液泵 的出水压力来实现。 <7>流动方向 ：电解液的流向有三种形式，即正向流动、反 向流动和横向流动
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
电化学加工
电化学加工(electrochemical machining ) 利用电化学反应（或称电化学腐蚀）对金属材料进行加工的方法。
与机械加工相比，电化学加工不受材料硬度、韧性的限制，已广泛用于工业生产中。
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。
电化学加工的特点
电化学加工（ECM），是一种以电解原理为基础的加工技术。
加工时工具作为阴极和直流电源的负极连接，工件则作为阳极和电源正极相连。
在电解液中阴极和工件之间发生电荷交换，阳极工件被溶解。
ECM技术的优势在于：
1）能加工各种硬度和强度的材料，不管其硬度和强度有多大，都可以加工；
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的生产率还高；
3）表面质量好，不会产生残余应力和变质层，没有飞边、刀痕和毛刺，表面粗糙度可达Ra0.05μm；
4）工具电极在理论上不损耗，基本上可以长期使用。
ECM技术当前存在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。
德国埃马克在电解加工的基础上，独立研发的精密电解加工技术，不仅可以满足越来越小的零件加工需求，而且加工精度可达到20μm以
下，同时也使产品表面质量更趋完美。
如今，电化学加工法已被广泛应用在航空航天、汽车制造、精密医疗仪器制造、显微技术和能源技术领域。
不管是特硬的的高温合金材料如镍基，钛合金零件，还是淬火后的零件，采用电化学加工技术都可以对它们进行经济有效的精密加工。
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。
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。
第四章 电化学加工
Fe
+ + + +
-
-
+ + + +
FeCl2
活泼金属 Fe双电层
第一节 电化学加工原理及分类
（三）电极电位
双电层现象 动态过程(不活泼金属) Cu2+ + 2e → Cu Cu→ Cu2+ + 2e 标准电极电位
-
+ +
Cu
+ +
+ + + +
CuSO4
-
不活泼金属 Cu双电层 e
形状和尺寸； b.根据工件的形状尺寸要求，设计工具阴极尺寸及修正量； c.分析加工误差产生的主要原因； d.选择合理的加工参数，如电极间隙、电源电压、进给速 度等。
• 平衡间隙理论的最重要的应用就是设计阴极尺寸。
⑤影响加工间隙的因素
△b=ηωσUR/Vc
• 1)电流效率η • 2)电导率σ
• 3)加工电压U
速度，加工电压要大于或等于两部分电势之和。一部 分是电解液电阻形成的欧姆电压；另一部分是进行阳 极反应和阴极反应所必须的电压，它由阴阳极本身的 电极电位和极化产生的各种超电位组成。
• 电压利用：5%-30%抵消极化产生的超电位；
70%-95%用于克服间隙电解液的电阻
。
• 电流效率：与阳极极化程度有关。
简化计算：
UR=U-2
• 蚀除速度与该处的电流效率、被电解物质的体积电化学当 量、电导率、电解质的欧姆电压成正比，而与加工间隙成 反比。
2.精度成形规律
①端面平衡间隙
vc vc
△0
设加工起始间隙为△0，如果 阴极不动，加工间隙逐渐增 加，蚀除速度逐渐减小。如果
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。
电化学加工
三、金属阳极溶解机理
一般情况下，工件材料不是纯金属，而是合金，其金相组织也不完全一致，电 解液的成分、温度、流速等因素对电解过程都有影响，使得电解加工中电极间的反 应极为复杂。 以铁在氯化钠电解液中进行电解加工为例，分析阳极和阴极发生的电极反应。 由于NaCI和H2O的离解，在电解液中存在着H＋、OH－、Na＋、CI－四种离子，通 常将发生如下反应：
质的量与通过的电量成正比。 法拉第第二定律：当相同的电量通过不同的电解质溶液时，
在电极上析出或溶解的物质的量与其化学当量成正比。
电解加工时，阳极电极量（Q=It）成正比，其比例系数
称电化当量。
如果阳极只发生金属溶解而没有析出其它物质时，根据法拉第第一定 律，金属溶解的理论重量： W=KQ=KIt 其中，Q—通过的电量（库仑C,即 Q=It） I—电流（A），为电流密度与通过面积的乘积
复制等加工。例如复制印刷板、修复有缺陷或已磨损的零件、镀装饰层
和保护层等等。 3. 电化学加工与其它加工方法结合完成的电化学复合加工。主要有
电解磨削、电解-电火花复合加工、电化学阳极机械加工等，用于形状、
尺寸加工、表面光整加工、镜面加工、高速切割等加工。例如挤压拉丝 模加工、硬质合金刀具磨削、硬质合金轧辊磨削、下料等等。
电解加工炮膛线
电化学加工按加工原理可以分为三大类：
1. 利用阳极金属的溶解作用去除材料。主要有电解加工、电解抛光、 电解倒棱、电解去毛刺等，用于内外表面形状、尺寸以及去毛刺等加工， 例如型腔和异型孔加工、模具以及三维锻模制造、涡轮发动机叶片、齿 轮等零件的去毛刺等等。 2. 利用阴极金属的沉积作用进行镀覆加工。主要有电铸、电镀、电 刷镀，用于表面加工、装饰、尺寸修复、磨具制造、精密图案及印刷板
第四章 电化学加工
3）电极间隙与蚀除速度的关系
I U R / R U RA /
i I / A U R /
va U R / C /
3、加工间隙 1）端面平衡间隙
va U R / C /
经过一段时间后，阳 极的溶解速度和阴极 的进给速度相等，达 到端面平衡间隙
起始间隙与端面平衡间隙的差别愈大，进给 速度愈小，过渡时间就愈长。
2）法向平衡间隙
b U R n v cos cos
法向平衡间隙比端面 平衡间隙大，并且该 公式只n 2 b y b b
2
2y 1 b
四、电解加工中的基本规律 1、影响生产率的因素 电解加工时，阳极电极被溶解或析出的金 属量与通过的电流大小和电解时间成正比。
m—电极上溶解或析出的物质质量 V—溶解或析出物质的体积
I—电解电流 t—电解时间
1）电化学当量 K——被电解物质的质量电化学当量 ω——被电解物质的体积电化学当量
2）电流效率 电流效率小于100%，说明反应可能有一些 副反应消耗了电能。若阳极极化十分严重， 阳极的电极电位高于溶液中的某些阴离子， 阳极不溶解，则电流效率为零。 电流效率大于100%，由于晶界腐蚀，导致 阳极材料脱落。
侧面不绝缘 工件型孔始终处于被 加工状态，形成明显的 喇叭口，每一点的间隙 随着加工深度变化。
侧面绝缘
a 2 b b b
2
此时的间隙与工具的 进给量无关，只取决 于工作边宽度
3）电流密度 电流密度越高，生产率越大，但随着电流 密度的增加，电压也随着增高，因此在提 高生产率时应以不击穿加工间隙，引起火 花放电为度 。
2、加工速度 1）体积加工速度 单位时间内去除工件材料的体 积量。 2）深度加工速度——单位时间内在工件深度上的 去除量 Va h V It i t At ( At)
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。
电化学加工知识
（三）电极电位
原电池是化学能转变为电能的装置 它由两个“半电池”所组成，而每一个半电池中有一个电极和相应 的电解质溶液，
例如：铜锌电池 Zn｜ZnSO4(m1) ‖CuSO4(m2) ｜Cu
主编
5
电解池是利用电能发生氧化还原反应的装置。
在电解池中，与直流电源的负 极相连的极叫做阴极，与直流 电源的正极相连的极叫做阳极。
Pb2++2e ⇆ Pb H++e ⇆ (1/2)H2 S+2H++2e ⇆ H2S Cu2++2e ⇆ Cu H2O+(1/2)O2+2e ⇆ 2OHCu++e ⇆ Cu I2+2e ⇆ 2IH3AsO4+2H++2e ⇆ HAsO2+2H2O Fe3++e ⇆ Fe2+ Hg2++2e ⇆ Hg Ag++e ⇆ Ag Br2+2e ⇆ 2BrMnO2+4H++2e ⇆ Mn2++2H2O Cr2O72-+14H++6e ⇆ 2Cr3++7H2O Cl2+2e ⇆ 2ClMnO4-+8H++5e ⇆ Mn2++4H2O F2+2e ⇆ 2F-
主编 12
（五）电极的极化 1．电极的极化
◆过电位： 极化后的电极电位与平衡电位的差值称为过电位。 ◆极化： 当有电流通过电解池时，电极的平衡状态被破坏， 阳极电位向更加正的方向移动，阴极的电位向更加负 的方向移动，这一现象称为极化。
主编 13
电化学加工
电化学加工（ECM）使用电化学反应（或电化学腐蚀）来处理金属材料。
与机械加工相比，电化学加工不受材料硬度和韧性的限制，已广泛用于工业生产中。
常见的电化学加工包括电化学加工，电研磨，电化学抛光，电镀，电蚀刻和电解熔炼。
简单的介绍电化学加工（ECM）是非传统加工的重要分支。
它已成为一种成熟的非传统加工技术，并广泛应用于许多领域。
在电化学加工中，使用硅整流稳压电源，并且过去使用全波整流代替半波整流。
纹波可保持在5％之内，这不仅提高了处理速度，而且还限制了间隙中的电弧并防止灰尘沉积在阴极上。
在电压调节方面，使用两种电压调节方法：饱和电感器和晶闸管。
前者更适合当前水平的电化学加工。
电源规格分为三个等级：电流为50-500 a的小型电源，用于加工中小型阴极的小孔，去毛刺，抛光和电解车削；中等电源，电流为1000-5000 a，用于处理中等大小的孔和腔（50-150 cm2）；电流为10000-40000 a的大型电源用于处理面积为2 00-1000 cm2或更大的大型零件。
常用的电压范围是12-20伏。
硬质合金，钨，铜和铜锌合金的电化学加工需要特殊的电源。
原因是这些材料的晶格中的某些原子不容易被离子化，而晶格中的其他原子则受到很多腐蚀。
例如，碳化钨晶格中的碳原子不能在正电势的条件下进行处理，而必须具有负电势（即电源电流具有负半波）；加工铜锌合金的电源不仅要有负半波，而且还要对电流波形，正半波和负半波的间隔和排列有一定的要求。
使用专用电源还可以解决间隙中一些相对惰性离子的积累问题，从而改变间隙电阻和电场的分布，从而有效地提高了加工精度。
由于电化学加工过程中间隙的短路，电源系统通常具有良好的短路保护功能，因此在发生火花和短路时不会损坏阴极和工件。
国内情况自1950年代以来，电化学加工（ECM）已广泛用于航空发动机叶片，圆柱零件，花键孔，内齿轮，模具，阀板和其他异形零件的加工。
近年来，一些具有较高重复精度的电解质和混合气体电化学加工（ECM）极大地提高了ECM的成形精度，简化了工具阴极的设计，并推动了ECM技术的进一步发展。
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
3.电化学加工分类与应用3.1电化学加工按其作用原理可分为三大类第一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。
第二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。
第三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)。
3.2电化学加工应用3.2.1 型腔加工用于尺寸较大、形状复杂的型腔加工，生产率高，表面质量好，但加工精度不太高。
多用于锻模型腔加工，精度控制在±0.1～0.2mm。
也采用端面进给法。
阴极设计制造是关键。
用成型精度高的电解液或混气加工时，阴极设计较易。
为使流场均匀，阴极对应处加开增液孔。
3.2.2 型孔加工用于形状复杂、尺寸较小的异形通孔和盲孔的零件加工。
型孔的加工一般采用端面进给法，为避免锥度，阴极侧面要绝缘。
3.2.3深孔扩孔加工深孔扩孔加工按阴极的运动形式，可分为固定式和移动式两种。
固定式即工件和阴极之间无相对运功，其优点是：设备简单，操作方便，加工效率高。
但阴极较工件长，所需电源功率较大，同时电解液在进出口处的温度、电解产物不同，容易引起粗糙度和尺寸精度不均匀现象。
如图3.2.3所示图3.2.3 固定式阴极深孔扩孔原理图1-电解液入口 2-绝缘定位套 3-工件 4-工具阴极5-密封垫 6-电解液出口移动式即工件和阴极之间可以相对运功，如图3.2.4图3.2.4 移动式阴极深孔扩孔原理图3.2.4套料加工用于等截面的大面积异型孔或异型零件的加工，采用端面进给加工方式。
零件尺寸精度由阴极片内腔口保证，偶尔短路烧伤时，只需更换阴极片。
3.2.5叶片加工叶片加工适用于叶片型面复杂，精度要求较高，加工批量大的情况，电解加工效果好。
加工方式有单面加工和双面加工。
机床有立式和卧式两种。
多用NaCl电解液混气加工。
电解加工整体叶轮已普遍应用，直接在轮坯上套料加工叶片（等截面），叶轮强度高，质量好，加工周期大大缩短。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
第二节
电解加工
电 化 学 加 工
二、电解加工时的电极反应
电 化 学 加 工
（一）钢在NaCl水溶液中电解加 工的电极反应
① 阳极反应 Fe—2e Fe+2 Fe—3e Fe+3 4OH-—4e O2↑+2H2O 2CL-—2e CL2 ↑ Fe+2+2OHFe（OH）2↓ （墨绿色的絮状物 ） 4Fe（OH）2+2H2O+O2 4Fe（OH）3↓（黄褐色沉 淀）
电 化 学 加 工
三、电解液
作用：
导电介质 在电场作用下发生电化学反应 冲走电解产物、带走热量
电 化 学 加 工
（一）对电解液要求 1、足够的蚀除速度
2、较高的加工精度和表面质量
3、阳极反应最终产物为不溶性化合物 4、绿色环保
电 化 学 加 工
（二）常用电解液
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。
电 化 学 加 工
第一节 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、电 铸加工两 大类
电 化 学 加 工
1. 原理
利用金属在电解液中产生阳
极溶解的电化学原理对工件
进行成形加工的一种方法；
电 化 、电解质溶液
电解质：溶于水能导电的介质 电解液：电解质溶于水形成的溶液
电 化 学 加 工
（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。
电 化 学 加 工
（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
电 化 学 加 工
3、电极电位
金属和盐溶液之间的电位差 外加电源作用后：
电子向阳极移动并被抽走，加速阳极金属正
离子溶入电解液而腐蚀 电解液中正离子向阴极移动，外电源供给电 子加速阴极反应
电 化 学 加 工
4、电极极化
极化：
有电流通过时，电极电位平衡状态被破坏，
阳极的电极电位向正移、阴极的电极电位向 负移
电 化 学 加 工
一、电解加工的过程及其特点
1、过程
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。
电 化 学 加 工
1-直流电源 2-工具阴极 3-工件阳极 4-电解液泵 5-电解液
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 化 学 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。
电 化 学 加 工
②
阴极反应 按可能性为 2H++2e H 2↑ Na++e Na↓
按照电极反应的基本原理，电极电位最正的
粒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。
电 化 学 加 工
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。
（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。
电 化 学 加 工
（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（Ra1.25～ 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±10～70μm。 适合于加工易变形或薄壁零件。