电解加工

电解加工
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， 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， 工件表面金属材料的不断溶解 电解产物不断地被电解液冲走， 溶解的电解产物不断地被电解液冲走 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， 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。 件上。
电解加工
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概 述
电化学加工(Electrochemical Machining，ECM)是特种加工的一 电化学加工(Electrochemical Machining，ECM)是特种加工的一 个重要分支，目前已成为一种较为成熟的特种加工工艺， 个重要分支，目前已成为一种较为成熟的特种加工工艺，被广泛应 用于众多领域。 用于众多领域。 根据加工原理，电化学加工可分为以下三大类： 根据加工原理，电化学加工可分为以下三大类： 利用电化学阳极溶解的原理去除工件材料（电解加工）。 (1) 利用电化学阳极溶解的原理去除工件材料（电解加工）。 (2) 利用电化学阴极沉积的原理进行镀覆加工。 利用电化学阴极沉积的原理进行镀覆加工。 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。 (3) 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。
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电解加工
电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解 电解加工是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。 的电化学原理对工件进行成形加工的一种方法。 对工件进行成形加工的一种方法 电解加工是特种加工技术中应用最广泛的技术 之一，尤其适合于难加工材料、 之一，尤其适合于难加工材料、形状复杂或薄 壁零件的加工。 壁零件的加工。
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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， 化学反应即称为电化学反应，利 即称为电化学反应 用这种电化学反应作用加工金属 的方法就是电化学加工。 的方法就是电化学加工。 其中，阳极上为电化学溶解， 其中，阳极上为电化学溶解，阴 极上为电化学沉积。 极上为电化学沉积。 电化学反应过程图
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电解液
电解液的作用
电解液是电解池的基本组成部分，是产生电解加工阳极溶解的载体。 电解液是电解池的基本组成部分，是产生电解加工阳极溶解的载体。 电解液的主要作用是： 电解液的主要作用是： (1) 与工件阳极及工具阴极组成进行电化学反应的电极体系，实现 与工件阳极及工具阴极组成进行电化学反应的电极体系 电极体系， 所要求的电解加工过程，同时所含导电离子也是电解池中传送电流 所要求的电解加工过程，同时所含导电离子也是电解池中传送电流 电解加工过程 的介质，这是其最基本的作用。 的介质，这是其最基本的作用。 能正常连续进行。 排除电解产物，控制极化， 阳极溶解能正常连续进行 (2) 排除电解产物，控制极化，使阳极溶解能正常连续进行。 及时带走电解加工过程中所产生的热量 热量， (3) 及时带走电解加工过程中所产生的热量，使加工区不致过热而 引起沸腾、蒸发，以确保正常的加工。 引起沸腾、蒸发，以确保正常的加工。
1 A V 2 3
－ ＋
4 5
1—直直电直；2—工工电阴；3—工工工阴； 4—电电电电；5—电电电
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电解加工过程及其特点
1. 电解加工的特点 加工范围 范围广 不受金属材料硬度和强度限制）。 (1) 加工范围广（不受金属材料硬度和强度限制）。 (2) 生产率高，约为电火花的5-10倍，有时比切削高。 生产率高，约为电火花的5 10倍 有时比切削高。 加工质量好 无切削力和切削热，表面无残余应力。 质量好， (3) 加工质量好，无切削力和切削热，表面无残余应力。 可用于加工薄壁和易变形零件。 (4) 可用于加工薄壁和易变形零件。 工具阴极无损耗 阴极无损耗。 (5) 工具阴极无损耗。
电解加工工艺需考虑生产率、加工精度和表面质量三个方面。 电解加工工艺需考虑生产率、加工精度和表面质量三个方面。 生产率 三个方面 （1）生产率 电解加工的生产率以单位时间去除的金属体积或质量衡量。 电解加工的生产率以单位时间去除的金属体积或质量衡量。 金属阳极溶解时，其溶解量与通过的电量符合法拉第定律。 金属阳极溶解时，其溶解量与通过的电量符合法拉第定律。 法拉第定律 法拉第定律： 法拉第定律： V = nwIt (体积=电流效率x电化学当量x电流x电解时间) 体积=电流效率x电化学当量x电流x电解时间)
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电解加工的基本规律
（2）加工精度 脉冲电流电解加工可明显提高加工精度； 脉冲电流电解加工可明显提高加工精度； 混气电解加工可提高加工精度，简化工具阴极的设计与制造； 混气电解加工可提高加工精度，简化工具阴极的设计与制造； 采用小间隙加工，对提高加工精度和生产率都有利。 采用小间隙加工，对提高加工精度和生产率都有利。间隙过 小引起火花放电； 小引起火花放电； 采用低浓度电解液，表面质量和加工精度都提高，但效率低； 采用低浓度电解液，表面质量和加工精度都提高，但效率低； 采用复合电解液，可保持高效率，又能提高加工精度。 采用复合电解液，可保持高效率，又能提高加工精度。
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电化学加工基本原理
电化学反应过程
将两铜片插入CuCl2中 溶液中含有OH－ Cl－负离子及H 将两铜片插入CuCl2中，溶液中含有OH－和Cl－负离子及H＋和Cu2+ CuCl2 OH 正离子，当两铜片分别连接直流电源的正、负极时，即形成导电通路。 正离子，当两铜片分别连接直流电源的正、负极时，即形成导电通路。 在外电场的作用下，金属导体及溶液中的自由电子定向运动， 在外电场的作用下，金属导体及溶液中的自由电子定向运动，铜片 的作用下 自由电子定向运动 电极和溶液的界面上将发生得失电子的电化学反应。 电极和溶液的界面上将发生得失电子的电化学反应。 溶液中的Cu2+正离子向阴极移动， 溶液中的Cu2+正离子向阴极移动，在阴极表面得到电子而发生还原 Cu2+正离子向阴极移动 反应，沉积出铜。 反应，沉积出铜。 阳极表面，Cu原子失去电子发生氧化反应，成为Cu2+正离子进入溶 阳极表面，Cu原子失去电子发生氧化反应，成为Cu2+正离子进入溶 原子失去电子发生氧化反应 Cu2+ 液。
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电解加工过程及其特点
电解加工机理 电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原 理将工件加工成形的一种特种加工方法。 理将工件加工成形的一种特种加工方法。 电解加工中的电极反应 标准电极电位的高低决定在一定条件下对应金属离子参与 电极反应的顺序。 电极反应的顺序。
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电解加工的基本规律
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电解液
电解液的流动形式图
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电解加工设备
电解加工设备的组成：包括机床本体、整流电源、 电解加工设备的组成：包括机床本体、整流电源、电解液系统 三个主要实体以及相应的控制系统。 三个主要实体以及相应的控制系统。 电解加工设备的基本要求 机床刚性强。 (1) 机床刚性强。 进给速度稳定性高。 (2) 进给速度稳定性高。 设备耐腐蚀性好。 (3) 设备耐腐蚀性好。 (4) 电气系统抗干扰性强。 电气系统抗干扰性强。 大电流传导性好。 (5) 大电流传导性好。 安全措施完备。 (6) 安全措施完备。
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电解液
常用电解液及其选择原则
1) 电解液选择的原则 粗加工重点解决效率；精加工侧重加工精度和表面质量； 粗加工重点解决效率；精加工侧重加工精度和表面质量； 高温合金叶片侧重保加工精度；钛合金则侧重表面质量。 高温合金叶片侧重保加工精度；钛合金则侧重表面质量。 2) 常用电解液 常用的电解液为中性电解液中的NaCl、NaNO3及NaClO3三种。 常用的电解液为中性电解液中的NaCl、NaNO3及NaClO3三种。 NaCl 三种 3) 低浓度复合电解液 近年开发的低浓度复合电解液在改善钛合金加工及镍基铸造合金的 表面质量以及提高铁基合金或金属的加工精度上有显著的效果。 表面质量以及提高铁基合金或金属的加工精度上有显著的效果。
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电化学加工的分类
类别 Ⅰ
加工方法及原理 电解加工(阳极溶解 ) 电解加工(阳极溶解) 电化学抛光(阳极溶解) 电化学抛光(阳极溶解) 电镀(阴极沉积) 电镀 (阴极沉积) 电铸(阴极沉积) 电铸 (阴极沉积)
应
用
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用于形状尺寸加工 用于表面加工 用于表面加工 用于形状尺寸加工
Ⅱ
Ⅲ
电极磨削(阳极溶解 、机械磨削) 用于形状尺寸加工 电极磨削(阳极溶解、机械磨削 ) 电解放电加工(阳极溶解、 电火花蚀除) 电解放电加工 (阳极溶解、 电火花蚀除 ) 用于形状尺寸加工
电解加工
电解加工基本原理
基本原理：金属在电解液中的“电化学阳极溶解” 基本原理：金属在电解液中的“电化学阳极溶解” 。 在工件(阳极)与工具(阴极)之间接上直流电源（如图），使工 在工件(阳极)与工具(阴极)之间接上直流电源（如图），使工 ）， 具阴极与工件阳极间保持较小的加工间隙(0.1～ mm)， 具阴极与工件阳极间保持较小的加工间隙(0.1～0.8 mm)，间隙中 (0.1 通过高速流动的电解液。这时，工件阳极开始溶解。 通过高速流动的电解液。这时，工件阳极开始溶解。 开始时，两极之间的间隙大小不等，间隙小处电流密度大， 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；而间隙大处电流密度小，去除速度慢。 极金属去除速度快；而间隙大处电流密度小，去除速度慢。
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电解加工过程及其特点
电解加工的问题 电解加工当前存在的主要问题是加工精度难以严格控制， 电解加工当前存在的主要问题是加工精度难以严格控制， 尺寸精度一般只能达到0.15～ mm。 尺寸精度一般只能达到0.15～0.30 mm。 0.15 附属设备多，造价贵，占地面积大。 附属设备多，造价贵，占地面积大。 电解液腐蚀机床，电解液的处理也较困难，污染环境。 电解液腐蚀机床，电解液的处理也较困难，污染环境。
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电解加工的基本规律
1. 电解加工生产率 金属阳极溶解时，其溶解量与通过的电量符合法拉第定律 法拉第定律。 金属阳极溶解时，其溶解量与通过的电量符合法拉第定律。 2. 电流效率 法拉第定律可用于根据电量计算任何被溶解物质的数量， 法拉第定律可用于根据电量计算任何被溶解物质的数量，理论上不受 电解液成分、浓度、温度、压力以及电极材料、形状等因素的影响。 电解液成分、浓度、温度、压力以及电极材料、形状等因素的影响。 3. 电解加工速度 类似于一般机械加工， 类似于一般机械加工，希望掌握在工件被加工表面法线方向上的去除 (加工)线速度。 加工)线速度。 4. 加工间隙 加工间隙是电解加工的核心工艺要素，它直接影响加工精度、 加工间隙是电解加工的核心工艺要素，它直接影响加工精度、表面质 量和生产率， 量和生产率，也是设计工具阴极和选择加工参数的主要依据。
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电解液
对电解液的要求
对电解液总的要求是加工精度和效率高、表面质量好、实用性强。 对电解液总的要求是加工精度和效率高、表面质量好、实用性强。 对电解液的基本要求包括以下四个主要方面： 对电解液的基本要求包括以下四个主要方面： (1) 电化学特性方面（正负离子并存，只有可逆反应不相互影响）。 电化学特性方面（正负离子并存，只有可逆反应不相互影响）。 物理特性方面（高溶解度、大离解度、低粘度等）。 (2) 物理特性方面（高溶解度、大离解度、低粘度等）。 (3) 稳定性方面（消耗性组分尽量少等）。 稳定性方面（消耗性组分尽量少等）。 实用性方面（价格低廉、无毒安全，寿命长等）。 (4) 实用性方面（价格低廉、无毒安全，寿命长等）。
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电解加工的基本规律
（3）表面质量
工具阴极粗糙，其表面条纹和刻痕等都会“复印”在工件表面； 工具阴极粗糙，其表面条纹和刻痕等都会“复印”在工件表面； 电流密度低，阳极溶解均匀；电解液流速过低，电解产物排除不及 电流密度低，阳极溶解均匀；电解液流速过低， 时造成表面缺陷；过高，电流场可能不均匀， 时造成表面缺陷；过高，电流场可能不均匀，形成局部真空影响表面 质量；电解液温度过低，阳极溶解不均匀或形成黑膜；过高， 质量；电解液温度过低，阳极溶解不均匀或形成黑膜；过高，则阳极 表面局部剥落。 表面局部剥落。 工件材料合金成分多，引起溶解速度不均匀，影响表面粗糙度。 工件材料合金成分多，引起溶解速度不均匀，影响表面粗糙度。