第六章 电化学加工.

Presentation on theme: "第六章 电化学加工."— Presentation transcript:

1 第六章 电化学加工

2 电化学加工（Electro-chemical Machining, 简称 ECM）是利用电极在电解液中发生的电化学作用对金属 材料进行成形加工，已经广泛应用于涡轮、齿轮、异 型孔等复杂型面、型孔的加工以及炮管内膛线加工和 去毛刺等工艺过程。 电解 加工 设备 部分电解加工零件

3 电解加工整体叶轮 电解加工炮膛线

4 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。

5 电化学加工的主要特点： 1. 适应范围广。凡是能够导电的材料都可以加 工，并且不受材料机械性能的限制。
2. 加工质量高。因为在加工过程中没有机械切 削力的存在，工件表面无残余应力、无变质层，也没 有毛刺及棱角。 3. 加工过程不分阶段。可以同时进行大面积加 工，生产效率高。 4. 电化学加工对环境有一定程度的污染。

6 第一节 电解加工的机理和基本规律 一、电解加工的机理 电解加工是利用金属在电解液中产生阳极溶解的原理实现金属零件的成型加工。
以工件为阳极、工具为阴极、两极之间加6-24v的直流电压，电解液以5-60m/s的速度从两极之间的缝隙（约0.1-1mm）冲过，两极之间形成导电通路，两极和电解液之间就有电流通过。金属工件表面在电化学反应的作用下，不断地溶解到电解液中，电解产生物则被高速流动的电解液带走。随着工具电极向工件进给、工件材料按工具电极型面的形状不断地溶解。最终使工件与工具电极之间各处的间隙趋于一致，在工件上加工出和工具电极型面相反的形状。 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

7 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。

8 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： 在阳极上发生铁的溶解，Fe一般以Fe＋＋的形式进入电解液，即: Fe-2e→Fe＋＋ 溶于电解液中的Fe＋＋和OH－化合、生成Fe(OH)2，由于它在水溶液中的溶解度很小，故产生沉淀。 Fe＋＋＋2OH－→Fe(OH)2 Fe(OH)2沉淀为墨绿色的絮状物，被流动的电解液带走。Fe(OH)2又和电解液中及空气中的氧气发生化学反应生成Fe(OH)3. 4Fe(OH)2＋2H2O＋O2→4Fe(OH)3 Fe(OH)3呈红棕色，所以在电解过程中，电解溶液起初为墨绿色，以后逐渐变为红棕色。

9 同时，在阳极还有可能（概率极小）发生如下反应：
Fe-3e→Fe＋＋＋ CI－ -2e→CI2↑ 4 OH－-2e→O2↑+2H2O 在阴极上主要的反应是氢气的析出，由于阴极上积存大量的多余电子，使电解 液中带正电的氢离子被吸引到阴极表面，并从阴极上得到电子形成氢气析出。 2H＋＋2e→H2↑ 综上所述，在电解加工过程中，阳极的铁不断地以Fe＋＋的形式被溶解，最后 生成Fe(OH)3沉淀，在阴极上则不断地产生氢气。电解液中的水在形成Fe(OH)3和H2 的过程中被分解（消耗），使得电解液的浓度稍有变化，而Na＋和CI－只起导电作 用，在电解加工过程中并无消耗，所以电解液只要过滤干净，定期补充水分，就可 以长期使用。综合反应过程如下： 2Fe＋4H2O＋O2→2Fe(OH)3+H2 可以计算出，溶解1cm3(约7.85g)的铁要消耗6.21g水、形成13.78g的渣，析出 0.28g的氢气。

10 四、电解加工中的基本规律 1. 电化学当量 金属阳极溶解时，金属的溶解量与通过的电量符合法拉第定 律。法拉第电解定律如下：
法拉第第一定律：在电极的两相界面处，发生电化学反应物 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，即与电量（Q=It）成正比，其比例系数 称电化当量。

11 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 t—电流通过时间（电解时间s或min或h） K—单位电量溶解的元素质量，称为元素的电化当量或质量化学 当量（mg/c或mg/A.min或g/A.h）。 根据法拉第第二定律：溶解和析出任何一克当量物质所需的电量是一 样的，与该物质的自身性质无关。所用电量F，称法拉第常数。由实验得 出F≈96500C。 对于原子价为n、原子量为M的元素，其克当量为M/n克，因此其电化 当量为K=M/nF(g/c)。

12 知道了被溶解金属的密度，可以求出所溶解金属的体积V V=W/υ=Kit/υ=(K/υ)It=It=Q
例如：铁以二价状态溶解时，其原子量M=55.86，其电化 当量 K=M/（nF）=55.86÷(2×96500)=0.2893mg/c 知道了被溶解金属的密度，可以求出所溶解金属的体积V V=W/υ=Kit/υ=(K/υ)It=It=Q —体积电化学当量（mm3/A.min或mm3/A.h）。 υ—密度(g/cm3) 以二价铁为例，K表示每安培电流每秒钟可以电解掉 mg或每分钟可以电解掉17.36mg的铁。表示了每安培 电流每分钟可以电解掉2.22mm3的铁。

13 在实际电解加工过程中，常常会遇到与上式计算结果不完全相同的情 况，这说明实际进行的电极反应与理论分析结果有些出入。为此，在实际 计算时，还需要引入电流效率η的概念。
η＝[实际蚀除量/理论蚀除量]×100％ 实际电解蚀除量应该是理论蚀除量与电流效率η的乘积。 如果电流效率小于100％，这表明实际上阳极溶解的原子价比计算时 所用的原子价高，或者是阳极除了金属溶解的反应外，还有其它副反应消 耗了一部分电能；电流效率有时会大于100％，这表明实际上阳极溶解的 原子价比计算时所用的原子价低，或者阳极有块状脱落，并不完全是原子 状态的溶解，节省了部分电解电量。 如果阳极存在副反应，例如放出气体，这要消耗一部分电能。例如， 在硝酸钠电解液中加工钢时就有氧的析出，这是一种无用的电能消耗，电 流效率η小于100%。

14 例如， 某工厂用氯化钠电解液加工一种碳钢零件，加工余 量为22200mm3，如果要求5min加工完一个零件，求需要多大电 流？如有5000A容量的直流电源, 求加工完一个零件的电解时 间是多少?
解: 由表6—2得知，=2.22（mm3/A.min），设电流效率为 100%, 由 V=It 得所需直流电源电流为 I=V/t=22200/2.22×5=2000 (A) 如果利用5000A容量的直流电源, 由 V=It 得加工完一个 零件的电解时间为 t=V/I=22200/5000×2.22=2 (min)

15 第二节 电解液 电解液对电解加工的各项工艺指标有很大的影响，在电解加工过程中作为导电 介质传递电流，使金属工件在电场作用下能够进行电化学反应，不断地被溶解蚀除， 通过电解液的流动，及时把电解产物和热量带走。电解液影响加工生产率、加工精 度和加工表面质量，是电解加工的重要条件。 一、对电解液的基本要求 1. 电导率要高、流动性要好，可以保证用较低的加工电压获得较大的加工电流，能在较低的压力下得到较高的流速，减少发热。 2. 电解质在溶液中的电离度和溶解度要大，一般说来，电解液中的阳离子总是具有较负的标准电极电位，如Na＋、K＋等离子。 3. 阳极的电解产物应是不溶性的化合物，这样便于处理，不会在阴极表面沉积。 4. 性能稳定、操作使用安全、对设备产生的腐蚀作用轻，不易燃、不爆炸、对环境污染和人体危害要小。 5. 价格低廉、适应性广、使用寿命长。

16 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。

17 2. 电流效率 不同电解液的电流效率特点也不同。NaCI的电流效率基本不随电流密度变化，而NaNO3和NaCIO3的电流效率则随着电流密度的变化而变化。 在不同的电解液中电流效率η变化的程度不同，有着不同的电流效率曲线。其原因在于不同的电解液会在阳极表面生成厚薄不同的钝化膜，阻碍阳极溶解。在电流密度很低时，钝化膜可以完全阻止阳极金属的溶解，并使阳极产生析氧的副反应，这时的电流效率近似于零。随着电流密度的增加，钝化膜开始破裂，阳极开始溶解，电流效率逐渐增大。NaCI电解液无钝化现象，也不出现其他副反应，电流效率接近100%，而NaNO3和NaCIO3的钝化现象严重，电流效率随着电流密度的变化较明显。

18 3. 加工速度的非线性 加工速度的非线性是指电解加工时加工速度与电流密度的关系曲线。 NaCI几乎不产生钝化膜，电流效率η近似于常值，所以它的Vl-i曲线是一条过原点的直线。其它的电解液由于有钝化膜的作用，电流效率η不是常值，特别是电流密度较小时，由于钝化膜的作用，加工速度为零，只有当电流密度大于临界值ia时，阳极才开始溶解。 具有以上特性的电解液称为非线性电解液。 NaCI是线性电解液，而NaNO3和NaCIO3是非线性电解液。

19 三、电解液的种类及选用 电解液可分为酸性溶液、中性溶液、碱性溶液三大类。 （1）酸性溶液 如HCl、HNO3、H2SO4等无机酸的水溶液可以用来作电解液。各类无机酸电解液的电导率较高，电解产物易溶于电解液中，无沉淀，不必过滤，蚀除速度大，特别适合加工小孔和窄缝等。但电解液的腐蚀性强，对操作者和设备有一定的危害。在加工过程中，随着氢离子的不断消耗，溶液导电率下降，加工速度减慢，精度下降。 目前，这类电解液只适合加工细长孔、窄缝以及锗、钼、铌等金属的加工。 （2）碱性电解液 这类电解液如NaOH、KOH等，一般不直接用作加工金属的电解液，只用于加工铜、钼、钨时作为添加剂使用。大多数金属在碱性溶液中，阳极表面会生成致密的非溶性氧化膜，使阳极溶解无法继续进行下去。

20 （3）中性盐电解液 中性盐电解液应用普遍，适应范围广，安全。常用的有氯化钠、硝酸钠、氯酸钠。加工时，阳极反应的生成物是不溶性的团絮状氢氧化物，当其含量大时，将增加电解液的粘性，造成间隙阻塞，要采取过滤净化措施以减少在电解液中的含量。阴极反应生成物是氢气。 NaCI电解液价廉易得，水溶液中的NaCI几乎能完全离解为Na＋、CI－离子，并与水中的H＋、OH－离子共存，它的溶解度和离解度较高，导电能力强。因含有活性CI－，阳极工件表面不易生成钝化膜，使其具有较大的蚀除速度，电流效率高，适应广泛、安全、经济，是一种应用最为广泛的电解液。 NaCI电解液的缺点是杂散腐蚀性大，复制精度低。当要求复制精度较高时，要使用较低的浓度(5-10％)，以减少杂散腐蚀。NaCI电解液的使用温度一般为25-35℃，但在加工钛合金时，必须在40℃以上。对于精度高的孔或侧壁面的加工，需要采用侧面绝缘的工具电极。此外，NaCI电解液对设备的腐蚀性较大。

21 NaNO3电解液在浓度小于30％时，有较好的非线性特性，成型精度高，对设备的腐蚀性小，使用安全，价格也不高。NaNO3电解液属于钝化性电解液，会使阳极工件表面形成钝化膜，当极间间隙大到某一临界值时，虽有电流通过，但阳极并不溶解，这时的电流效率为０。只有当极间间隙小于临界值时，阳极上的钝化膜才被破坏。这种特性可避免在型孔或模腔加工时，工件侧壁产生抛物线形状。 NaNO3电解液的主要缺点是电流效率低，生产率低，加工时阴极有氨气析出，还会导致电解液耗损。 NaCIO3电解液是1967年才问世的，其特点是杂散腐蚀小，成型精度高，加工工件表面粗糙度低。NaCIO3具有很高的溶解度，在20℃时可达49％(而此时NaCI仅为26.5％)，因而导电能力强，生产率高。与NaCI相比，NaCIO3对设备的腐蚀作用小得多。 NaCIO3电解液的弱点是安全性差，因为NaCIO3是强氧化剂，易燃。此外，NaCIO3的价格较贵。使用过程中，还要注意CI－离子浓度的变化。因为在加工时，随着电解液的消耗，CI－离子浓度会增加，导致杂散腐蚀加剧。 以上三种中性盐电解液的价格比为： NaCI：NaNO3：NaCIO3=1：2.6：6

22 （4）添加剂及复合电解液 单一的电解液都有一定的局限性。因此，常在电解液中使用添加剂来改善电解液的性能，或将两种以上的添加剂按一定比例混合制成复合电解液。例如，为了减轻对设备、工件的腐蚀，在电解液中加入缓蚀添加剂；为了改善工件的加工表面质量，加入光亮剂、络合剂等。 常用电解液的配方见表6-3。

23 四、电解液参数对加工过程的影响 电解液的参数包括：成分、浓度、温度、酸碱度、粘性等，它们对电解加工过程都有显著的影响，其中最基本的因素是浓度和温度。电解液的电导率、电流效率和粘度等都与浓度、温度密切相关，因而电解加工的生产率、加工精度和加工表面质量都与电解液的浓度、温度有密切的关系。 在一定条件下，电解液的浓度越大，温度愈高，其电导率越高，腐蚀能力也愈强，可达到的电流密度就越高，因此生产率就越高。 NaCI电解液的生产率随着浓度的增加而增加，但加工精度却随之降低，因此，常用的NaCI电解液浓度为10-15％，当加工精度要求较高时，应采用10％以下的低浓度。NaNO3和NaCIO3在常温下的溶解度较大，可分别达到46.7％和49％。但这两种电解液的非线性特性随着浓度的提高而变坏，故NaNO3电解液的浓度一般采用20％左右，精度要求较高时可降到10％以下，常用NaCIO3电解液的浓度是15-35％。 选择电解液的温度要考虑的因素有机床夹具、电导率、电流效率、极间间隙内电解液的沸腾等，一般不超过60℃，常用的电解液温度约在30-40℃的范围内。

24 五、电解液的流速和流向 电解液应具有足够的流速和流量。流速一般在10m/s以上，才能保证把氢氧化物、氢气等电解产物和热量带走，电流密度愈大，相应流量也应愈大。流速和流量是靠改变电解液泵的出水压力获得的。 电解液的流向有三种情况。(a)正向流动；(b)反向流动；(c)横向（侧向）流动。

25 电解液出水口的形状和布局应根据所加工工件的形状或型腔的结构综合考虑，使流场内液流的流线疏密一致，避免产生死水区。出水口的形状有窄槽和孔两类，一般在加工型腔时采用窄槽供液的方式，在电解液供应不足的加工区，常采用增液孔的方式来改善供液不足的缺陷。对于圆孔、花键、膛线等筒形零件的加工，应采用喷液孔的方式供液。 出水口布局

26 电解加工精度主要包括复制精度和重复精度两项内容。
第三节 电解加工参数和加工精度 电解加工精度主要包括复制精度和重复精度两项内容。 复制精度是工件尺寸形状与工具电极尺寸形状之间的符合程度，影响复制精度的主要因素是沿工件加工表面的间隙分布均匀性。 重复精度是指电解加工的一批零件之间的尺寸形状的相对误差，影响重复精度的主要因素是加工一批工件时极间间隙的稳定性。

27 一、复制精度与加工参数的关系 复制精度的高低主要由加工时所能达到的平衡间隙所决定，平衡间隙小，复制精度就高，反之则复制精度低。工件的形状、电解液的流向、流程和电解液在间隙内所能达到的流速、电流密度和进给速度都影响平衡间隙。 如果工件的形状简单，电解液的流程短，工件与工具电极间隙内电解液的流速高，电流密度相对较大和具有较高的进给速度时，就可获得较小的平衡间隙。在较小的平衡间隙下进行加工，可以获得较高的复制精度。因此，要根据工件的尺寸和形状来设计工具电极，这是提高电解加工复制精度的前提条件。 当设计好工具电极后，合理选择加工参数就成为保证和提高复制精度的重要措施了。

28 若由于电解液的流程、流速不能保证在预定的小间隙内使用高电流密度加工时，要尽可能地保持间隙恒定，可采用较低的电流密度和较低的进给速度加工。这样复制精度比使用大间隙和大电流密度加工时要高些，但生产率可能低一点。如果适当提高间隙电压、用较低的电导率电解液来达到较小的电流密度，更有利于复制精度的提高。一般情况下，在同样的加工前提下，加工间隙愈小，复制精度愈高。 电解液参数对加工精度有影响，NaCI电解液是线性电解液，其电流效率基本上不随电流密度的大小而变化。在加工时，离阴极电极较远的地方仍然会产生电化学反应，造成工件的“过切”、降低复制精度。相反地，使用非线性电解液可以提高复制精度。 对于不同的工件材料，相同的电解液成份其复制精度也不一样。例如，NaNO3和NaCIO3电解液加工低合金钢和一些铁基合金时，有较高的复制精度，而加工钛合金时复制精度明显降低。因此，对于不同的被加工工件材料要选用不同的电解液，或通过使用添加剂来改变电解液对工件材料的适应性。 加工间隙内电解液的流速越高、流场的均匀性越好，复制精度就越高。

29 二、重复精度与加工参数的关系 对于同一批被加工的工件而言，平衡间隙将影响它们之间尺寸的一致性。 在电解加工过程中，任何一个加工参数的变化都会影响平衡间隙的稳定性，进而影响电解加工的重复精度。 1. 电解液电导率的变化直接影响平衡间隙的波动，从而降低重复精度，导致电导率变化的因素有电解液的成份、浓度、温度等因素。 当电解液的种类确定后，在加工过程中应保持电解液的浓度基本不变，并尽可能地把温度变化控制在较小范围内。 目前生产中电解液的温差可以控制在±1℃的范围内，使用热交换器和适当增大电解液池的容量，都有利于减小电解液温度的波动。

30 2. 间隙电压在加工过程中的稳定性对重复精度将产生直接的影响
加工电压和分解电压都影响间隙电压。 当工件材料、电解液成分、浓度、温度、流速都保持相对稳定时，分解电压基本不变，这时控制加工电压就能保持间隙电压的相对稳定。 3. 进给速度对重复精度的影响 工件的重复精度受工具电极进给速度的影响。在加工过程中，进给速度要稳定，不因其它因素而改变，低速时不应产生爬行。 机床的进给速度变化率应小于5％。 4. 间隙内电解液流速对重复精度的影响 电解液在加工间隙内的流速由电解液的进口压力和出口背压决定，当流速稳定时，阳极的极化程度和间隙内的电阻分布就能够保持相对稳定，重复精度就高。随着电解液中的金属氢氧化物的增加，电解液的粘度增大，流速就会降低，并进一步影响到间隙内的电导率和阳极极化程度，从而使复制精度降低。 在批量加工时，电解液中的金属氢氧化物的含量应控制在4％以内。

31 电解加工的表面质量包含二个方面的含义，一是表面粗糙度，二是表面层的物理化学性能。
三、加工表面质量与加工参数的关系 电解加工的表面质量包含二个方面的含义，一是表面粗糙度，二是表面层的物理化学性能。 表面粗糙度反映了工件表面的微观几何形状。 表面层的物理化学性能涉及到工件表面烧伤、晶界腐蚀、微观裂纹、流纹等。 1. 加工参数对表面粗糙度的影响 工件材料的金相组织越复杂，电解加工过程中各相溶解时的电极电位相差就越大，表面粗糙度变差。 单一相的均匀组织和使金相组织单一化的热处理方法有助于表面粗糙度的降低。如球化退火、正火、高温扩散退火都能使组织均匀、细化晶粒，都会使电解加工表面粗糙度降低。当工件材料的组织已经确定，表面粗糙度会受到下列参数的制约。 （1）小间隙和高电流密度加工使各种金相组织达到均匀溶解，可以获得较低的表面粗糙度。要求粗糙度较低时，电流密度应选择在30A/cm2以上。 （2）在小间隙和高间隙电压条件下加工，采用低浓度的电解液，即使电流密度不高，也可以获得较低的表面粗糙度。 （3）适当的电解液流速和均匀的流场设计可以获得较低的表面粗糙度。 （4）电解液的温度应控制在适当的范围。温度过低时，钝化严重，使阳极表面不均匀溶解，增加表面粗糙度；温度过高时，可能引起阳极表面不均匀溶解或局部剥落。 （5）选择与工件材料相适应的电解液，例如使用NaNO3和NaCIO3电解液加工镍基合金时，表面产生轻微钝化，使各合金相溶解电位趋于一致，从而降低表面粗糙度。加工钛合金时，使用NaCI电解液并加入NaF等添加剂，可防止表面产生“桔皮”状的亮斑，降低钛合金的加工表面粗糙度。

32 表面物理化学性能包括晶间腐蚀，选择性腐蚀、点蚀、显微裂纹、流纹、亮斑等现象。这类缺陷的产生首先与工件材料及其金相组织有关。
2. 加工参数对表层物理化学性能的影响 表面物理化学性能包括晶间腐蚀，选择性腐蚀、点蚀、显微裂纹、流纹、亮斑等现象。这类缺陷的产生首先与工件材料及其金相组织有关。 使用NaCI电解液加工镍基合金时，常产生0.008～0.05mm深度的晶界腐蚀。这是因为这类材料中晶界的原子有较高的位能，其电极电位较负，容易被优先溶解形成凹缝。但使用NaNO3电解液可以基本避免晶间腐蚀。晶间腐蚀会使材料的疲劳强度下降，应注意避免。 选择性腐蚀是因为某种晶粒优先溶解而造成的不规则粒状空隙，不同相的金相组织极易产生选择性腐蚀。例如，使用NaCI电解液加工铝合金时易产生选择性腐蚀，但使用NaNO3电解液加工铝合金时，由于表面的钝化作用，不容易产生选择性腐蚀，表面粗糙度较低。 显微裂纹常出现在烧伤部位，烧伤的原因是工具电极的流场设计不合理、加工间隙与电流密度或与电解液流速不匹配或电解液过滤不彻底等。 流纹和亮斑产生的原因是由于电解液流量不均匀使加工表面上极化程度不一致，工件表面上流速低的地方极化效应强，溶解速度低，形成流纹的波峰（呈光亮），而在流速较高的液流线上，极化效应小，工件溶解速度快，形成流纹的波谷。有时材料组织不均匀也会导致亮斑的产生。 杜绝晶间腐蚀、选择性腐蚀、点蚀的根本措施是减小加工间隙、提高电流密度、正确选择电解液防止杂散电流，或者是选用NaNO3这一类钝化效果较强的电解液；消除纹流的办法是提高电解液的流速并改善电解液流量的不均匀性、降低电流密度。同时，合理设计工具电极的结构和进出水口，避免电解液液流通道的急剧变化。

33 第四节 混气电解加工 混气电解加工是将一定压力的气体和电解液在特制的气液混合器中混合后，送入加工区进行电解加工的方法，也叫做充气电解加工。最初混入的气体是氮气或二氧化碳，后来压缩空气被用来代替上述气体，效果仍不错。 混气电解加工示意图 1-引导部 2-混合部 3-扩散部 4-工具 5-工件

34 压缩空气进入气液混合腔中（包括引导、混合、扩散）与电解液混合成为水泡状气体混合液，经过喷嘴喷出，进入到加工间隙中。
我国是在1972年开始应用混气电解加工技术，取得了较好的使用效果。 混气电解加工的加工精度和加工过程稳定性都比普通电解加工有所提高。尤其是成型表面加工，例如叶片加工和锻模型腔加工，使用混气技术后，侧面间隙小而均匀，整个表面的间隙趋于一致。另外，混气电解加工还简化了阴极工具设计，可以采用反拷阴极加工，使阴极制造大大简化。同时，由于电流密度较低（一般为10～20A/cm2），电源容量不必很大，有利于加工较大的型腔和型面。 如果采用低压混气，减少电解液对机床的反作用力。 采用混气电解加工时的进给速度较低，生产率比不混气时低，但由于减少了阴极的设计制造周期，并且提高了加工精度，减少钳工修磨量，所以总的生产率并不降低。 混气电解加工需要配有气源、管道和通风装置。

35 第五节 电解加工设备 电解加工设备就是电解加工机床，主要由机床本体、直流电源和电解液系统三大部分组成。 电解加工设备组成
电解加工设备组成 1-直流电源 2-电流表 3-电压表 4-床身 5-工具 6-管道 7-溢流阀 8-泵 9-回流管 10-滤网 11-纱网 12-工件 13-电解液池

36 一、机床本体 对电解加工机床的基本要求 (1) 机床刚性
机床本体用来安装夹具、工具阴极与工件，保证它们之间的正确相对运动关系以获得良好的加工精度，还要求具有防腐蚀性、密封性、绝缘性和通风排气性能等。 对电解加工机床的基本要求 (1) 机床刚性 工件的加工面积越大，机床系统所受的力也越大。例如电解液的压力是１MPa，工件的加工面积是3.75×10－2m2，则将产生37.5KN的液压力。即使采用低压的混气电解加工，也要产生20KN的液压力。因此，要求电加工机床的主轴系统、工作台、床身及立柱等受力部件都要有较高的刚度，否则，过大的液压力将导致机床变形，从而影响复制精度，严重变形甚至会造成短路烧伤。 (2) 进给速度的平稳性 电解加工中，金属阳极溶解量与电解加工时间成正比，进给速度不稳定，阴极相对工件各个截面的电解时间就不同，这样就直接影响到加工精度。特别是型孔、膛线、花键等截面零件的加工，其影响就更为严重。所以电解加工机床必须保证进给速度的稳定性。主轴进给系统要注意避免低速进给时的爬行。

37 (3) 防腐绝缘性 电解加工机床的腐蚀主要来自二个方面,一是与电解液接触的部分直接被腐蚀，二是电解加工过程中产生雾气对机床的侵蚀。因此，机床应具有良好的耐蚀性。 机床直流电源的正负两极应与工件和工具阴极有良好的导电连接，因为有杂散电流通过，再加上与电解液相接触，所以这些部位的腐蚀相当严重，即使采用耐蚀不锈钢，也需常更换。 (4) 安全措施 电解加工过程要产生大量的氢气，如不能及时排除，就可能引起爆炸，必须取相应的排氢防爆措施。 混气电解加工过程中，有大量的雾气从加工区逸出，应及时排除。电解加工机床都要使用密封的工作箱，同时有排气装置，并有足够的排气能力。可以设置专门的抽气装置或将工作箱的排气口与车间的排气管道相连通。

38 电解加工机床的类型及设计要点 电解加工机床的运动相对于切削加工机床要简单得多。 电解加工利用立体成型阴极进行加工，简化了机床的成型运动机构。
对于阴极工具固定式的专用电解加工机床，只需装夹固定好工件和工具的相对位置，接上电源、开通电解液就可加工。此类电解加工机床实际上是个夹具，多用在去毛刺、抛光等除去金属较少的工件加工。 阴极工具移动式机床应用较广泛。加工时，工件固定不动，阴极作直线运动。也有少数零件加工时，除了要求阴极工具进行线性移动外，还要求其能够旋转，例如膛线的加工。 电解加工机床按布置型式分为卧式和立式两大类。立式机床较卧式机床使用更广泛。 卧式机床主要用于加工叶片、深孔和其它筒形零件。 立式机床主要用在模具、齿轮、型腔、短花键以及一些扁平零件的加工。

39 二、电解加工电源 电解加工电源必须是低电压的直流电，常用电压一般在8-24V之间连续选择。为保证有较高的生产率，电源必须能够提供大的加工电流，大者可达几万安培。 在加工过程中，加工间隙保持稳定不变，因此要求加工电源的电压恒定，从实用性和可行性考虑，国内生产制造的电源稳压精度为1％。除此之外，还必须设有检测故障和快速切断电源的保护装置，以防止因种种原因可能产生的火花或出现的电源过载和短路故障。 根据整流方式的不同，电解电源分为直流发电机组、硅整流电源、可控硅整流电源三种。 可控硅整流电源利用可控硅实现调压与整流，结构简单、制造方便、反应灵敏、可靠性好，是国内目前生产中应用的主要电源。

40 三、电解液系统 电解液系统的作用是连续而平稳地向加工区供给足够流量和合适温度的干净电解液。主要由电解液泵、电解液槽、过滤器、热交换器和管路附件等组成。

41 第六节 电解加工工艺 电解加工是一种成熟的特种加工技术。
我国于1958年首先在膛线加工中应用，后来逐渐地在深孔、花键孔、链轮、内齿轮、叶片、异型零件和模具制造等方面推广应用。 根据电解加工的特性，在保证零件精度和表面质量的前提下，还应满足以下几个原则： （1）被加工件要有一定的数量，否则采用电解加工成本太高； （2）用传统机械切削加工的方法难以奏效、甚至无法加工的特殊金属材料，如高强度、高硬度、高韧性和高脆性材料的工件； （3）形状复杂，或薄壁等刚性差的工件加工。

42 一、型孔加工 四方孔、六方孔及多边孔、椭圆、半圆等异形孔无论是通孔还是盲孔，都不便采用常规的机械加工方法加工，如果采用电解加工、则是很容易实现的，既可保证型孔的形状精度，又能满足生产率的要求。 型孔的加工一般采用端面进给方式，为了避免孔壁锥度可以将阴极工具的侧面绝缘。绝缘层与阴极要粘结牢固，以防止电解液的冲刷力将绝缘层冲坏。常用绝缘材料是环氧树脂，国外也有使用合成橡胶做绝缘层。绝缘层的厚度：工作部分0.15～0.2mm；非工作部分0.3～0.5mm。当电解液正向流动时，绝缘层与阴极工具刃边的间隙必须大于0.25～2mm，如果刃边的间隙等于零，电解液排出阻力大，容易造成底部间隙突然扩大，这种现象会随着加工深度的增加而更加突出。 绝缘层对正向流动场的影响 喷油嘴内弧槽的加工 1-电解液 2-工具 3-绝缘层 4-工件 5-绝缘层

43 二、型腔加工 电解加工可以使用成型阴极工具对复杂型腔一次成型。锻模等消耗量大、精度要求不太高的零件已经广泛采用电解加工技术制造，取得了良好的技术和经济效果。 型腔的成型表面比较复杂，阴极工具的设计制造是关键。当采用硝酸钠、氯酸钠等成型精度好的电解液加工，或采用混气电解技术加工时，加工间隙好控制，可以采用反拷法制造阴极，阴极设计比较容易。但采用氯化钠电解液而又不混气时，则较复杂。 采用平衡间隙理论设计阴极，根据被加工工件的图纸，合理确定各处间隙的大小，并在制造过程中依据电场、流场的情况修正阴极的形状和尺寸，以保证所加工零件的精度，一般要经过修正、试验的反复过程、才能收到满意的效果。

44 三、型面加工 叶片和发动机机匣等外表成形的零件，也可以用电解加工技术加工。
叶片是航空发动机、汽轮机的重要零件，以往叶片的加工是在铣床上用靠模进行铣削，效率非常低，特别对于一些小型转子，需要在铣床上分别加工好叶片和轮体，然后装配成一体，加工制做周期长，效率低。电解加工可以整体加工，一次成型，省去装配工序。 对于变截面扭曲叶片，加工表面由叶背和叶盆组成，叶片又分单型面叶片和双型面叶片，加工时，既可分步加工，又可整体同步加工。型面加工机床有立式和卧式两种，立式机床用于单型面叶片加工，卧式双面式机床用于双型面叶片加工，加工一个双型面叶片需要4～5分钟，加工误差小于0.18mm 。我国的航空发动机叶片的叶背和叶盆绝大多数采用卧式双面进给电解加工机床同时加工完成，加工的最大叶片长度达1000mm。

45 四、去毛刺和倒圆 机械加工后的金属零件都可能产生毛刺，大批量生产时，去毛刺的工作量也很大，特别是硬而韧工件上的毛刺，需要占用很多的人力，耗费许多时间。电解去毛刺可以大大提高工效，还可以避免机械方式或手工方式去毛刺对已加工表面产生的损坏。 去毛刺时，工具阴极与工件一般是相对静止的，去毛刺的时间与阴极和工件间的间隙、施加在两者上的电压和电解液种类及浓度有关。为了减少杂散腐蚀，电解液浓度要比电解加工时低，压力也小。 用NaCI电解液去毛刺，电解液浓度一般用6%，电解液压力取0.4～0.3 MPa；间隙选择的范围是0.1～0.8 mm；电压15V左右；电解液的流向应便于将毛刺冲离工件和阴极，以免毛刺引起的短路。 齿轮电解去毛刺 倒圆角 1-电解液 2-工具 3-齿轮

46 五、电解抛光 电解抛光是一种表面光整加工方法，利用金属在电解液中的电化学阳极溶解原理对工件表面进行腐蚀抛光。电解抛光不改变工件形状和尺寸，只降低工件的表面粗糙度和改善表面物理机械性能。 电解抛光与电解加工的区别是工件和工具的加工间隙大，电流密度小，电解液一般不流动，必要时加以搅拌。因此，电解抛光设备及阴极结构简单，不需要电解液流动和过滤系统。 电解抛光的效率比机械抛光高，并且抛光后的表面生成致密牢固的氧化膜，提高了工件的耐蚀能力。不产生加工变质层和表面应力，不受被加工材料的强度和硬度限制，在生产中获得广泛的应用。

47 第七节 电化学机械复合加工 电化学机械复合加工是由电化学阳极溶解作用和机械加工作用结合起来对金属工件表面进行加工的复合工艺技术，包括很多具体的方式方法，例如电解研磨、电解珩磨、电化学机械抛光、电化学机械加工等。最早出现的电解磨削已有40余年的历史了，但其它诸复合加工技术的出现以及在较大工业范围内的应用，则是近十年的事情，例如电解研磨和电化学机械抛光加工，目前在日本、德国等国家，已开始成为大型容器内面、大件表面和内面加工的重要手段。我国目前有许多电化学机械复合加工已经成功的应用到了工业生产中。 在电化学机械复合加工中，主要是靠电化学的作用来去除金属，机械作用只是为了更好地加速这一过程，所以在各种电化学机械复合加工技术中，电化学的作用是相同的，只是机械作用的工具及加工方式不同，二者的作用是均衡的。如果机械作用过于缓慢，就会影响电化学作用的发挥，使加工速度降低；而若机械作用过强，则会带来一些机械加工的缺陷，例如表面滑痕、烧伤、磨具的堵塞、磨具磨损过快等，因而也不会得到高的加工速度。 实践表明：使用适当的机械形式和工具，使电化学阳极溶解作用和机械去除作用达到良好的配合，是得到电化学机械复合加工最佳效果的重要条件。

48 电化学机械复合加工的特点 电化学机械复合加工兼备了电化学加工和机械加工的某些特点： 1. 加工范围广，生产效率高
主要依靠电化学的作用来去除金属，机械刮除起辅助作用，工件的加工范围不受金属材料本身强度、硬度等机械、物理性能的限制，只要选择合适的电解液就可以加工任何高硬度、高韧性的材料，而且比机械加工的生产率高得多。例如，电解磨削硬质合金的生产率，与普通的金刚石砂轮磨削相比提高3~5倍，电化学机械模具抛光，生产率提高3~9倍。 2. 加工精度和表面质量好 由于在复合加工过程中，机械作用只是刮除氧化膜，去除金属材料所利用的能量主要不是机械能，工件与工具之间不存在明显切削力和切削热，可以避免机械划痕、加工硬化、变质层、残余应力等缺陷，也不会出现毛刺、裂纹和烧伤现象，从而可以获得高的加工质量，例如，一般的电解磨削Ra可达0.16。 电化学机械复合加工的另一显著特点是加工工件的表面微观特性不同于机械加工。机械磨削加工后工件的微观表面呈现尖峰状，而电化学机械复合加工后的工件表面微观呈现平顶状，这两种表面相比，后者具有较高的支承能力，作为摩擦面使用时，表现出极佳的摩擦学特性，摩擦系数小，耐磨损，可以不经磨合而直接进入工作使用阶段，精度保持性好，还具有耐腐蚀、抗介质粘附的优点。作为塑模型腔面，可以使模制品易于脱模，作为介质输送管道、容器表面，可以减小摩擦阻力，防止粘附结垢。

49 3. 机械磨具磨损小 由于机械工具在刮除工件表面的氧化膜时作用力很小，所以工具的磨损很小。例如磨削硬质合金工件，普通刃磨时，碳化硅砂轮的磨损量为切除硬质合金量的400%~600%，而电解磨削时，则为50%~100%，消耗速度仅为它们的1/5~1/10，可大大减少磨轮的修整次数，显著降低成本。 4.容易实现自动控制 通过控制电化学反应的电参量，比较容易实现对加工过程的控制，包括自动控制。 5. 成本低 与达到同样加工精度的机械加工方法或其它加工方法相比，电化学机械复合加工的设备投资少，生产率高，成本低。 但电化学机械复合加工需要增加一套电化学加工系统，如直流电源、电解液的循环过滤系装置、通风排气装置等，另外，机床、夹具等设备还要采取一定的防腐防锈措施。

50 三、常用电化学机械复合加工介绍 1. 电解磨削 电解磨削是出现较早应用较为广泛的一种电化学机械复合加工方式，比电解加工具有更好的加工精度和表面粗糙度，比机械磨削具有更高的生产率。  复合法电解磨削加工原理图 1—导电砂轮 2—电解液 3—工件 中极法电解磨削加工原理图 1—普通纱轮 2—工件 3—电解液喷嘴 4—电解液 5—中间电极

51 采用金刚石导电砂轮电解磨削加工精密丝杠的硬质合金成型车刀，表面粗糙度可小于Ra0.06，刃口非常锋利，完全达到精车精密丝杠的要求。
电解磨削由于结合了电解加工和机械磨削加工的优点，在生产中常用来加工一些高硬度零件及普通磨削很难加工的零件，例如硬质合金刀具、轧辊、深小孔、薄筒、细长杆类零件等。 电解磨削硬质合金轧辊所用的磨轮为铜粉结合剂的人造金刚石磨轮，磨料粒度为60~100，外圆直径为φ300，磨削型槽的成型磨轮直径为φ260，电解液的成分为亚销酸钠9.6%、硝酸钠0.3%、磷酸氢二钠0.3%、其余为水，加入少量的丙三醇（甘油），可以改善表面粗糙度。加工轧辊的型槽精度为±0.02，型槽位置精度为±0.01，表面粗糙度Ra0.2，工作表面无裂纹，无残余应力，加工效率高，并大大提高了金刚石砂轮的使用寿命。 采用金刚石导电砂轮电解磨削加工精密丝杠的硬质合金成型车刀，表面粗糙度可小于Ra0.06，刃口非常锋利，完全达到精车精密丝杠的要求。 实践表明，采用电解磨削工艺不仅比单纯用金刚石砂轮磨削时效率提高2~3倍，而且大大节省了金刚石砂轮，一个金刚石导电砂轮可用5~6年。 硬质合金轧辊

52 1—回转装置 2—工件 3—电解液 4—研磨材料 5—工具电极 6—主轴
2. 电解研磨 电解研磨是在机械研磨的基础上附加电解作用而形成的一种复合加工方法，不仅电流效率比纯电解抛光高，而且其材料去除速度，比纯电解抛光和纯机械研磨都快得多。 电解研磨加工示意图 1—回转装置 2—工件 3—电解液 4—研磨材料 5—工具电极 6—主轴 电解研磨按磨料是否粘固在弹性合成无纺布上可分为固定磨料加工和流动磨料加工两种。 固定磨料加工是将磨料粘在无纺布上之后，再将无纺布包在工具阴极上，无纺布的厚度即为加工间隙。 流动磨料加工时磨料不粘在无纺布上，而是悬浮在电解液中，因此在研磨时磨料的运动轨迹就更加杂乱无章，由此可获得镜面。

53 电解机械研磨复合加工主要用于抛光模具及不锈钢容器的型腔，还可以抛光加工不同类型的零件。
  例如，喷丝板是喷丝头上的主要零件，其材料为铁基不锈钢，厚度为1.5mm，圆盘的外径为φ250mm，圆盘内径为φ100mm，在内圆中间的部位用数控机床钻有4000多个孔，孔的上部分为锥孔，下部分为圆柱孔，孔的两端均有毛刺，锥孔大端直径为φ1.5mm，圆柱孔直径为φ0.1mm。 该零件要求抛光后的表面粗糙度为Ra0.09，并去除孔两端的毛刺。因为零件材料的韧性好，用机械方法去毛刺不但费时，而且不易去除干净，若去毛刺和抛光同时进行则毛刺易翻入孔内。 使用电解研磨复合加工只需10min，不但使表面粗糙度达到Ra0.08，而且将毛刺去除干净。

54 3. 电解珩磨 电解珩磨就是把电解加工引入到常规的珩磨加工中去，既利用了电解加工的高效率，也保持了珩磨的精度。
电解珩磨原理图 1—工件 2—珩磨头 3—磨条 4—电解液 对普通珩磨机床及珩磨头稍加改装，很容易实现电解珩磨。把善通珩磨的切削液换成电解液并附加直流电源，珩磨头用金属制造，本体作阴极，珩磨条是不导电的。接通电源，经过预定的珩磨时间，切断电源，使珩磨头继续珩磨几个行程结束加工。 电解珩磨的电参数可以在很大范围内变化，电压为3~30V，电流密度为0.2~1A/cm2 。加工后工件成型精度高，表面质量好，表面粗糙度值可达到Ra0.05~0.025，珩磨条损耗小，工件无热应力，无毛削、飞边等缺隙。 电解珩磨主要适用于普通珩磨难以加工的高硬度、高强度和容易变形的精密零件的孔加工，以及圆筒形零件精修内表面。

55 第八节 阴极沉积加工 和电解加工相反，利用电解液中的金属正离子在外加电场的作用下沉积到阴极的过程对工件进行加工的方法为阴极沉积加工，属于电镀工艺的范畴。常见的有电镀、电铸、涂镀（刷镀）、复合镀及光电成型等。它们的加工原理基本相同，但这几种加工方式也存在着明显的不同之处。 一、电镀 电镀又称槽镀，电镀层不仅可以防止金属腐蚀，而且也可以增加零件的耐磨性，改善抗磨擦性质，提高反光能力，也可以用来修复零件，作热处理的局部保护，代替贵重金属，获得美观装饰表面等。常用电镀层有镀铜、锌、镍、锡、铅、银、镉等。

56 二、电铸 电铸加工的原理为：用可导电的原模作阴极，电铸材料作阳极，电铸材料的金属盐溶液作电铸液，在直流电源的作用下，溶液中金属离子在阴极上获得电子成为金属原子而沉积镀复在阴极原模表面，阳极上的金属原子交出电子成为正金属离子进入镀液，对金属离子进行补充，以保持其浓度基本不变。阴极原模上电铸层逐渐加厚，当达到预定厚度时即可取出，设法与原模分离，即可获得与原模型面凹凸相反的电铸件。 电铸加工的主要工艺过程为：原模表面处理→电铸至规定厚度→衬背处理→脱模→清洗干燥→成品。 电铸加工原理图 1 —电铸槽 2—阳极 3—直流电源 4—电铸层 5—原模 6—搅拌器 7—电铸液 8­—过滤器 9—泵 10—加热器

57 三、涂镀 涂镀又称刷镀或无槽镀，是在金属工作表面局部快速电化学沉积金属的新技术，工件接电源的负极，镀笔接电源的正极，浸满镀液的镀笔在零件表面上以一定的相对速度进行刷抹而使工作获得镀层。 涂镀加工原理 1—工件 2—镀液 3—电源 4—镀笔 5—棉套 6—容器