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
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。
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
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
阴极片
分度
空心水套管
叶片 阴极片
电解加工整体叶轮
电化学加工 4）电解倒棱去毛刺
电化学加工 5）电解刻字
电化学加工 6）电解抛光 电解抛光也是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解 对工件表面进行腐蚀抛光的，它只是一种表面光整加工方 法，用于改善工件的表面粗糙度和表面物理力学性能，而
不用于对工件形状和尺寸加工。它和电解加工的主要区别
电化学加工
表2 直流电源的特点及应用
分 类 特 1．可靠性、稳定性好； 2．调节灵敏度较低； 3．稳压精度不高 1．灵敏度高，稳压精度高； 2．效率高，节省金属材料； 3．稳定性、可靠性较差 点 应用场合 国内生产现场占一定比例
硅整流电源
晶闸管电源 可控硅电源
国外生产中普遍采用，也占 相当比例
电化学加工 2) 机床 电解加工机床的任务是安装夹具、工件和阴极工具，
电化学加工 4) 恒温控制系统
电铸时间很长，所以必须设置恒温控制设备。它包括加 热设备 ( 加热玻璃管、电炉等 )和冷却设备 ( 冷水或冷冻机等 )。
3．电铸加工的工艺过程
原模表面处理
电铸至规定尺寸
衬背处理
成品
清洗干燥
脱模
电化学加工 4．电铸的应用 电铸具有极高的复制精度和良好的机械性能，已在航空、 仪器仪表、精密机械、模具制造等方面发挥日益重要的作用。
电化学加工 (5) 电铸时，金属沉积速度缓慢，制造周期长。如电 铸镍，一般需要一周左右。
(6) 电铸层厚度不易均匀，且厚度较薄，仅为 4 ～ 8
mm左右。电铸层一般都具有较大的应力，所以大型电铸 件变形显著，且不易承受大的冲击载荷。这样，就使电铸 成型的应用受到一定的限制。 2．电铸设备 电铸设备(如图3-1所示)主要包括电铸槽、直流电源、 搅拌和循环过滤系统、恒温控制系统等。
电化学加工
徐益 114件材料或在 其上镀覆金属材料等的特种加工，主要利用电 化学反应（或称电化学腐蚀）对金属材料进行 加工的方法。近几十年来，借助高新科学技术， 在精密电铸、复合电解加工、电化学微细加工 等发展较快。目前电化学加工已成为一种不可 缺少的微细加工方法。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。
电化学加工特点：
电化学反映具有很高的反应速度，反应速率远远高于其他的制造工艺, 其电流密度达到10～500安/厘米；两电极的距离很小，约为0.1～1毫米， 且阴极对阳极被加工工件作相对运动；电解液在电极间隙高速通过,具 有高液压、高流速，带走反应中产生的大量金属溶解产物和气体以及热 量。其流体动力学状态至为复杂。 电解加工工艺与一般的机制工艺相 比较，具有以下特点： 能同时进行三维的加工，一次加工出形状复杂 的型面、型腔、异形孔；由于加工中工件与刀具（阴极）不接触,不会 产生切削力和切削热,不生成毛刺；与材料的机械性能(如硬度、韧性、 强度)无关，因此可加工一般机制工艺难以加工的高硬度、高韧性、高 强度材料，如硬质合金、淬火钢、耐热合金、钛合金，但与材料的电化 学性质、化学性质、金相组织密切有关。
电化学加工的电源：
电化学加工使用硅整流的稳压电源，并以全波整流取代了过去的半波 整流,保持5％以内的纹波，不仅提高了加工速度，而且还遏制了间隙 内的电弧和防止污物沉积于阴极。在调压方面，使用了饱和感抗器调 压和晶闸管调压两种方式。前者更适应目前电化学加工的水平。电源 规格分为3档：小型电源,电流为50～500安,用于加工小孔、去除毛刺、 抛光和用于中小型的阴极进行电解车削；中型电源,电流为1000～ 5000安,用于加工中等面积(50～150厘米2)的型孔和型腔；大型电源， 电流为10000～40000安，用于加工大型零件，加工面积可达200～ 1000厘米2或更大一些。通常使用的电压范围为12～20伏。对硬质合 金、钨、铜、铜锌合金等材料进行电解加工时，要求使用特殊电源。
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
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
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电解加工的特点（缺点）
加工稳定性差，达不到高精度要求 工具设计、制造难 机床体积大 环境污染问题
整理课件
26
电解加工的应用
由于电解加工的优点及缺点都很突出，选 用电解加工应满足三个原则
适用于难加工材料 适用于复杂形状的零件 适用于成批生产
整理课件
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选择电解加工的工艺原则
整理课件
整理课件
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2. 对电解液的要求
有足够的蚀除速度
溶解度和电导率高；阴离子具有较正的标准电位，以免
在阳极上产生析氧等副反应，降低电流效率。
保证加工精度和表面质量 金属阳离子不沉积到阴极工具上，以免改变工具的形状
及尺寸。电解液中所含阳离子必须具有较负的标准电位。
最终产物为不溶性化合物 便于排屑(加工小孔或窄缝时，电解产物应溶于电解液， 以免堵塞加工间隙)
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
整理课件
1
4.1 电化学加工原理
4.1.1 电化学反应 4.1.2 电解质溶液 4.1.3 电极电位 4.1.4 电极的极化 4.1.5 钝化现象 4.1.6 4.1.4 电极的极化
❖ 两极间无电流通过时：电极电位处于平衡→ 平衡电极电位 ❖ 两极间有电流通过时：
阳极：电极电位→向正移动 阴极：电极电位→向负移动 ❖ 极化现象：电流密度增大时，两极电位增大 的现象
阴极
❖ 超电位： 极化后的电极电位与平衡电极电位 之差
-V
i（电流密度） 阳极
阳极：氧化 溶解
Cu→Cu+2 + 2e
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-
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（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。
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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
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。
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。
简介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。
在电化学加工中，采用的是硅整流稳压电源，过去是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，而且限制了间隙内的电弧，防止了灰尘沉积在阴极上。
在电压调节方面，采用了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；中电源，电流1000-5000A，用于加工中大小孔和腔体（50-150cm2）；使用电流为10000-40000A的大功率电源加工面积为200-1000cm2或以上的大型零件。
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一些原子不易电离，而晶格中的其他原子则容易受到腐蚀。
例如，碳化钨晶格中的碳原子不能在正电位条件下加工，而必须具有负电位（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，但对电流波形、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一些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，电化学加工已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、阀板等异型零件的加工。
近年来，一些具有高重复性的电解液和混合气体电化学加工技术，大大提高了电解加工的成形精度，简化了刀具阴极的设计，促进了电解加工技术的进一步发展。
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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。