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。
（四）电极的极化 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。 电解加工时在阳极和阴极都存在着离子的扩散、迁移和电 化学反应两种过程。在电极极化过程中若离子的扩散、迁 移步骤缓慢而引起的电极极化称为浓差极化，由于电化学 反应缓慢而引起的电极极化称为电化学极化。 浓差极化 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，引起了电位值增大（即阳极 电位向正移），这就是浓差极化。阴极上氢的浓差极化很 小。 改善方法：提高电解液流速以增强搅拌速度，升 高电解液温度等。 电化学极化 电化学极化主要发生在阴极上，从电源流入 的电子来不及转移给电解液中的H+离子，因而在阴极上 积累过多的电子，使阴极电位向负移，从而形成了电化学 极化。 改善方法：温度升高。
（三）电解液参数对加工过程的影响 在一定范围内，电解液的浓度越大，温度愈高，则电 导率也愈高，腐蚀能力强。 电解液温度不宜超过60°C，一般在30～40°C较为 有利。电解液浓度越大，生产率高，但杂散腐蚀严重。一 般NaCl为10％～15％，不超过20％。NaNO3常用20％、 NaClO3为15％～35％。 加工过程电解液的质量分数和温度的变化将直接影响 到加工精度的稳定性。引起浓度变化的主要原因是水的分 解、蒸发及电解质的分解。要求达到较高加工精度时，应 注意控制电解液的浓度与温度，保持其稳定性。另外，电 解加工过程中，水被电离并使氢离子在阴极放电，OH-增 加，PH值增大，故应控制电解液的PH值。金属氢氧化物 含量的增加，会影响到粘度的增加，故氢氧化物的含量应 加以适当控制。
二、电化学加工的分类
按照作用原理分类： I 阳极溶解——电解加工、电解抛光； II 阴极沉积——电镀、局部涂镀、复合电镀、电铸； III电化学复合加工工艺——电解磨削、电解电火花复合加 工、电化学阳极机械加工
第二节 电解加工
电解加工是继电火花加工之后发展较快、应用较广泛的一 项新工艺。目前，国内外已成功地应用于枪炮、航空发动 机、火箭等地制造工业，在汽车、拖拉机、采矿机械的模 具制造中也得到了应用，已成为不可缺少地工艺方法。 一、电解加工工程及其特点 电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解， 将工件加工成形地。最早应用是电解抛光。 图4－6为电解加工过程地示意图。加工时，工件接直 流电源（10～20V）的正极，工具接电源的负极。工具向 工件缓慢进给，使两极之间保持较小的间隙（0.1～ 1mm），具有一定压力（～2MPa）的氯化钠电解液从
*五、提高电解加工精度地途径 （一）脉冲电流电解加工 1）消除加工间隙内电解液电导率地不均匀化。 2）脉冲电流电解加工使阴极在电化学反应中析出的氢气 是断续的，呈脉冲状。它可以对电解液起搅拌作用，有利 于电解产物的去除，提高电解加工精度。 （二）小间隙加工 蚀除速度与加工间隙成反比关系。加工间隙小，突出部分 的去除速度将大大高于低凹处，提高了整平效果。加工间 隙越小，越能提高加工精度。 （三）改进电解液 钝化型电解液、复合电解液、低质量分数的电解液
（四）混气电解加工 原理：将一定压力的气体（主要是压缩空气）用混气装置 使它与电解液混合在一起，使电解液成分包含无数气泡的 气液混合物，然后送入加工区进行电解加工。主要表现在 提高了电解加工的成形精度，如图4－26。
1－工件 2－阴极工具 3－扩散部 4－混合部 5－引导部
作用：增加了电阻率，减少了杂散腐蚀，使电解液向非线 性方面转化；降低电解液的密度和粘度，增加流速，均匀 流场。 优点：缩短了阴极工具的设计和制造周期，提高了加工精 度，减少了钳工修磨量，生产率提高了。 缺点：附加混气设备 气液混合比： qg
5.影响加工间隙的其它因素 首先，电流效率在电解加工过程种有可能变化。 加工间隙内工件形状、电场强度的分布状态，将影响到 电流密度的均匀性，如图4－24所示。 电解液的流动方向对加工精度及表面粗糙度有很大影响。 加工电压的变化直接影响到加工间隙的大小。 （三）表面质量 1）工件材料的合金成分、金相组织以及热处理状态对表 面粗糙度的影响很大（退火、组织均匀、晶粒细化） 2）工艺参数对表面质量有很大影响（电流密度、流速、 温度）。 3）阴极表面条纹、刻痕等都会相应地复印到工件表面。 此外，工件表面必须除油去锈，电解液必须过滤。
（四）电解液的流速及流向 流速一般在10m/s左右。流速的改变是靠电解液泵的出水 压力实现。a)正向流动 b）反向流动 c）横向流动
（五）电解液出水口的布局 引入流线的概念：①流线表示液体质点运动轨迹的曲 线；②流线不能相互交割；③流线的疏密程度表示流速的 大小。
改变出液槽的形状（b）或增加一条回流槽（d），可以消除死 水区。还可采用增液孔、喷液孔来增补其供液不足。
3）电解加工的附属设备较多，占地面积较大。 4）电解产物需进行妥善处理，否则将污染环境。 选用电解加工的三原则： 难加工材料；复杂形状零件；批量大。 二、电解加工时的电极反应 （一）钢在NaCl水溶液中电解的电极反应 1）阳极反应 Fe2＋＋2OH－→Fe(OH)2↓ 4 Fe(OH)2 ＋2H2O＋O2→4Fe(OH)3↓ 2）阴极反应 2H＋＋2e→H2↑ （二）电解加工过程中的电能利用 电解加工时，加工电压U是使阳极不断溶解的总能源， 如图4－8所示。
（二）精度成形规律 1.端面平衡间隙 Δ b= η ω σ UR/vc 一般0.1～0.8mm， 比较合适的为0.25～0.3mm。
2.法向平衡间隙 Δ n= η ω σ UR/（vccosθ ）
2b 3.侧面间隙 Δs＝ 2b b 2 b 1 b b 4.平衡间隙理论的应用 1）计算加工过程种各种电极间隙，根据阴极形状推算 加工后工件的形状和尺寸； 2）设计电极时使用阴极尺寸及修正量； 3）分析加工精度； 4）选择加工参数如电极间隙、电源电压、进给速度。 利用平衡间隙理论来设计阴极尺寸，cosθ 法。图4-23。 课件动画
1.NaCl电解液 蚀除速度高，但杂散腐蚀也严重，故复制精度较差。浓度为20％ 以内，一般为14％～18％。电解液温度为25～35°C。 2.NaNO3电解液 钝化型电解液，阳极极化曲线如图4－9。成形精度对比情况如图 4－10。NaNO3电解液在浓度为30％以下时，有较好的非线形性 能，成形精度高，而且对机床腐蚀性小，价格也不高。主要缺点 是电流效率低，生产率也低，另外加工时阴极有氨气析出，所以 NaNO3会被消耗。 3.NaClO3电解液 散蚀能力小，加工精度高；具有很高的溶解度；导电能力强，可 达到与NaCl相近的生产率；腐蚀作用小。缺点：价格较贵，强氧 化剂，使用时注意安全防火。 4.电解液中加添加剂 为减少NaCl电解液的散蚀能力，可加入少量磷酸盐等，提高成形 精度。 NaNO3电解液加入少量NaCl，使其加工精度和生产率均较 高。为改善加工表面质量，可添加络合剂、光亮剂等。如添加 NaF，可改善表面粗糙度。减轻腐蚀性，用缓蚀添加剂等。
（二）电解质溶液 溶于水能导电的物质叫做电解质。 NaCl－－>Na++Cl- 强电解质；氨水、醋酸等为弱电 解质 （三）电极电位 产生在金属和它的盐溶液之间的电位差 称为金属的电极电位。“双电层” “平衡电极电位”

生产实践中规定采用一种电极作为标准和其它电极比 较得出相对值，称为标准电极电位。通常采用标准氢 电极为标准，人为地规定它的电极电位为零。
用任何两种金属例如Fe和Cu插入某一电解液(如 NaCl)中时，该金属表面分别与电解液形成双电 层，两金属之间存在一定的电位差，其中较活泼 的金属Fe的电位负于较不活泼的金属Cu，当两 金属电极间有导线连通时，即有电流流过，成为 一个原电池。导线上的电子由铁一端向铜流去， 铁原子失去电子进入溶液，但这种自发的溶解过 程很慢。 电化学加工就是利用外加电场，促进上述电子移 动过程的加剧，同时也促进铁离子溶解过程的加 剧。
第四章 电化学加工
第一节 电化学加工的原理及分类
一、电化学加工的基本原理 （一）电化学加工的过程 当两铜片接上10V的直流电源并插入CuCl2的水溶液中 （此溶液中含有OH－和Cl－负离子及H＋和Cu2＋正离子）， 即形成通路。导线和溶液中均有电流流过。在金属片和溶 液的界面上必定有交换电子的反应，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。在阳极表面Cu 原子失掉电子而成为Cu2＋正离子进入溶液。在阴、阳极 表面发生得失电子的化学反应称为电化学反应，利用这种 电化学反应为基础对金属进行加工的方法即电化学加工。 阳极上为电解蚀除，阴极上为电镀沉积。
（五）金属的钝化和活化
钝化：金属阳极溶解过程中的超电位升高，使电解速度减 慢。例如铁基合金在硝酸钠电解液中电解时，电流密度增 加到一定值后，铁的溶解速度在大电流密度下维持一段时 间后反而急剧下降，使铁成稳定状态下不再溶解。电解过 程中的这种现象称阳极钝化，简称钝化。 使金属钝化膜破坏的过程称为活化。活化的方法：溶液加 热、通入还原性气体或加入某种活性离子。
四、电解加工的基本规律
（一）生产率及其影响因素 1. 金属的电化学当量和生产率的关系 法拉第电解定律：m＝KIt V＝ω It 引入电流效率 m＝η KIt V＝η ω It 2.电流密度和生产率的关系 V＝η ω iAt Va＝ η ω i 3.电极间隙大小和蚀除速度的关系（反比关系） Va＝ η ω σ UR/Δ Va=C/ Δ