電化學(xué)加工技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)特種加工

1、電化學(xué)加工技術(shù)研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)郭旭東（大連科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，大連，大連）（15級(jí)機(jī)械工程專業(yè),201502323432D摘要：與機(jī)械加工相比，電化學(xué)加工能加工出復(fù)雜的型面、腔孔，加工高硬度、高韌性、高強(qiáng)度材料，生產(chǎn)率高。電化學(xué)加工包含拋光、電鍍、電刻蝕和電解磨削。與傳統(tǒng)的加工方法相比，有很大的優(yōu)勢(shì)。而且未來電化學(xué)加工的更是朝著微系統(tǒng)、納米材料合成方面發(fā)展，具有很高的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：生產(chǎn)率；拋光；電鍍；電刻蝕；電解磨削CurrentstatusandtrendofelectrochemicalmachiningtechnologyLIUDong（CollegeofMachineryandA

2、utomation,WuHanUniversityofScienceandTechnology,HuBeiWuHan430074）Abstract:Comparedwithmachining,electrochemicalmachiningcanproducecomplexsurfaceandcavity,whichcanbeprocessedwithhighhardness,hightoughness,highstrengthmaterialsandhighproductivity.Electrochemicalmachiningincludespolishing,electroplatin

3、g,electroetchingandelectrochemicalgrinding.Comparedwiththetraditionalprocessingmethods,thereisagreatadvantage.Andthefutureelectrochemicalprocessingistowardthedevelopmentofmicrosystem,nanomaterialssynthesis,hasaveryhighapplicationprospects.Keywords:efficiency;polishing;electroplating;electroetching;e

4、lectrochemicalgrinding1、前言電化學(xué)加工的基本理論建立與19世紀(jì)末，但在工業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用，還應(yīng)該是在20世紀(jì)3050年代。目前，電化學(xué)加工已經(jīng)成為我國(guó)民用、國(guó)防工業(yè)中的一個(gè)不可或缺的加工手段。電化學(xué)加工是一種重要的特種加工方法，已被廣泛應(yīng)用于難加工金屬材料、復(fù)雜形狀零件的批量加工中。它利用金屬的電解現(xiàn)象1,在通電的電解液2-5中，使離子從一個(gè)電極移向另一個(gè)電極，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件材料的雙向加工6,即陽(yáng)極溶解去除（如電解、電化學(xué)拋光）和陰極沉積生長(zhǎng)（如電鍍、電鑄）。無(wú)論材料的減少或增加，加工過程都是以離子的形式進(jìn)行的，而金屬離子的尺寸非常微小，因此，從原理上講，電化學(xué)加工可以

5、實(shí)現(xiàn)加工精度和微細(xì)程度在微米級(jí)甚至更小尺度的微加工。只要采取措施精確地控制電流密度和電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的區(qū)域，就能實(shí)現(xiàn)電化學(xué)微加工7-11,達(dá)到對(duì)金屬表面進(jìn)行微量“去除”或“生長(zhǎng)”加工的目的。電化學(xué)是一門古老而又年輕的學(xué)科，一般公認(rèn)電化學(xué)起源于1791年意大利解剖學(xué)家伽伐尼發(fā)現(xiàn)解剖刀或金屬能使蛙腿肌肉抽縮的“動(dòng)物電”現(xiàn)象。1800年伏特制成了第一個(gè)實(shí)用電池，開始了電化學(xué)研究的新時(shí)代。在經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)以后，電化學(xué)科學(xué)的發(fā)展和成就舉世矚目，無(wú)論是基礎(chǔ)研究還是技術(shù)應(yīng)用，從理論到方法，都有許多重大突破。電化學(xué)科學(xué)的發(fā)展，推動(dòng)了世界科學(xué)的進(jìn)步，促進(jìn)了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)解決人類社會(huì)面臨的能源、交通、材料、環(huán)

6、保、信息、生命等問題，已經(jīng)作出并正在作出巨大的貢獻(xiàn)。122、電化學(xué)加工研究現(xiàn)狀2.1 基本概念電化學(xué)加工(electrochemicalmachining)利用電化學(xué)反應(yīng)(或稱電化學(xué)腐蝕)對(duì)金屬材料進(jìn)行加工的方法。與機(jī)械加工相比，電化學(xué)加工不受材料硬度、韌性的限制，已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)中。常用的電化學(xué)加工有電解加工13-16、電磨削17-20、電化學(xué)拋光21-24、電鍍、電刻蝕和電解冶煉等。25-262.2 研究?jī)?yōu)缺點(diǎn)2.2.1 電化學(xué)加工優(yōu)點(diǎn)(1)能同時(shí)進(jìn)行三維的加工，一次加工出形狀復(fù)雜的型面、型腔、異形孔。(2)可以加工一般機(jī)制工藝難以加工的高硬度、高韌性、高強(qiáng)度材料，如硬質(zhì)合金、淬火鋼、耐

7、熱合金、鈦合金。(3)生產(chǎn)率高，約為電火花加工的510倍；在某些情況下，比切削加工的生產(chǎn)率還高，且加工生產(chǎn)率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。(4)陰極工具在理論上不損耗，可長(zhǎng)期使用。(5)產(chǎn)生的熱量被電解液帶走，工件基本上沒有溫升，適合于加工熱敏性材料。(6)加工中工件與刀具(陰極)不接觸，不會(huì)產(chǎn)生切削力，加工后零件表面無(wú)殘余應(yīng)力、無(wú)毛刺。(7)加工后零件表面質(zhì)量好。表面粗糙度Ra可達(dá)0.21.25叩，加工精度：型孔或套料為S.03巾.05mm、模鍛型腔為S.05垃20mm、透平葉片型面為0.180.25mm。2.2.2 電化學(xué)加工缺點(diǎn)(1)不易達(dá)到較高的加工精度和加工穩(wěn)定性。因?yàn)橛绊戨娊?/p>

8、加工的間隙電場(chǎng)和流場(chǎng)穩(wěn)定性的參數(shù)很多，控制比較困難，加工精度難以嚴(yán)格控制，尺寸精度一般只能達(dá)到0.15-0.30mm;加工時(shí)雜散腐蝕也比較嚴(yán)重；(2)電極工具的的設(shè)計(jì)和修正比較麻煩，因而很難適用于單件生產(chǎn)；3、應(yīng)用研究電化學(xué)加工的應(yīng)用電化學(xué)加工有三種不同的類型。(1)第I類是利用電化學(xué)反應(yīng)過程中的陽(yáng)極溶解來進(jìn)行加工，主要有電解加工、電化學(xué)拋光等。(2)第n類是利用電化學(xué)反應(yīng)過程中的陰極沉積來進(jìn)行加工，主要有電鍍、電鑄等。(3)第出類是利用電化學(xué)加工與其它加工方法相結(jié)合的電化學(xué)復(fù)合加工工藝進(jìn)行加工，目前主要有電解磨削、電化學(xué)陽(yáng)極機(jī)械加工。3.1 電化學(xué)拋光和電解拋光電化學(xué)拋光是直接應(yīng)用陽(yáng)極溶解的

9、電化學(xué)反應(yīng)對(duì)機(jī)械加工后的零件進(jìn)行再加工，以提高工件表面的光潔度電化學(xué)拋光比機(jī)械拋光效率高、精度高，且不受材料的硬度和韌性的影響，有逐漸取代機(jī)械拋光的趨勢(shì)。電解拋光的基本原理與電解加工相同，但電解拋光的陰極是固定的，極間距離大（1.5200mm）,去除金屬量少。電解拋光時(shí)，要控制適當(dāng)?shù)碾娏髅芏?。電流密度過小時(shí)金屬表面會(huì)產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象，且生產(chǎn)效率低；當(dāng)電流密度過大時(shí)，會(huì)發(fā)生氫氧根離子或含氧的陰離子的放電現(xiàn)象，且有氣態(tài)氧析出，從而降低了電流效率。273.2 電鍍圖1汽車表面的電鍍電鍍是用電解的方法將金屬沉積于導(dǎo)體（如金屬）或非導(dǎo)體（如塑料、陶瓷、玻璃鋼等）表面，從而提高其耐磨性，增加其導(dǎo)電性，并使其具

10、有防腐蝕和裝飾功能。對(duì)于非導(dǎo)體制品的表面，需經(jīng)過適當(dāng)?shù)靥幚恚ㄓ檬?、?dǎo)電漆、化學(xué)鍍處理），使其形成導(dǎo)電層后，才能進(jìn)行電鍍。電鍍時(shí)，將被鍍的制品接在陰極上，要鍍的金屬接在陽(yáng)極上。電解液是用含有與陽(yáng)極金屬相同離子的溶液。通電后，陽(yáng)極逐漸溶解成金屬正離子，溶液中有相等數(shù)28目的金屬離子在陰極上獲得電子隨即在被鍍制品的表面上析出，形成金屬鍍層。例如在銅板上鍍饃，以含硫酸饃的水溶液作電鍍液。通電后，陽(yáng)極上的鎮(zhèn)逐漸溶解成正離子，而在陰極的銅板表面上不斷有銀析出。3.3 電刻蝕圖2利用電刻蝕刻出的圖案由于電刻蝕所去除的金屬量較少,29電刻蝕是應(yīng)用電化學(xué)陽(yáng)極溶解的原理在金屬表面蝕刻出所需的圖形或文字。因而無(wú)需

11、用高速流動(dòng)的電解液來沖走由工件上溶解出的產(chǎn)物。加工時(shí)，陰極固定不動(dòng)。電刻蝕有以下四種加工方法。(1)按要刻的圖形或文字，用金屬材料加工出凸模作為陰極，被加工的金屬工件作為陽(yáng)極，兩者一起放入電解液中。接通電源后，被加工件的表面就會(huì)溶解出與凸模上相同的圖形或文字。(2)將導(dǎo)電紙(或金屬箔)裁剪或用刀刻出所需加工的圖形或文字，然后粘貼在絕緣板材上，并設(shè)法將圖形中各個(gè)不相連的線條用導(dǎo)線在絕緣板背面相連，作為陰極。適于圖形簡(jiǎn)單，精度要求不高的工件。(3)對(duì)于圖形復(fù)雜的工件，可采用制印刷電路板的技術(shù)，即在雙面敷銅板的一面形成所需加工的正的圖形,并設(shè)法將圖形中各孤立線條與敷銅板的另一面相連，作為陰極。不適于

12、加工精細(xì)且不相連的圖形。(4)在待加工的金屬表面涂一層感光膠，再將要刻的圖形或文字制成負(fù)的照相底片覆在感光膠上，采用光刻技術(shù)將要刻除的部分暴露出來。這時(shí)陽(yáng)極仍是待加工的工件，而陰極可用金屬平板制成。3.4 電解磨削圖3電解磨削工作簡(jiǎn)圖電解磨削是電解作用和機(jī)械磨削相結(jié)合的加工過程。導(dǎo)電磨削時(shí)，工件接在直流電源的陽(yáng)極上，導(dǎo)電的砂輪接在陰極上，兩者保持一定的接觸壓力，并將電解液引入加工區(qū)。當(dāng)接通電源后，工件的金屬表面發(fā)生陽(yáng)極溶解并形成很薄的氧化膜，其硬度比工件低得多，容易被高速旋轉(zhuǎn)的砂輪磨粒刮除，隨即又形成新的氧化膜，又被砂輪磨去。如此進(jìn)行，直至達(dá)到加工要求為止。304、電化學(xué)加工發(fā)展趨勢(shì)21世紀(jì)，

13、由于材料、能源、信息、生命、環(huán)境對(duì)電化學(xué)技術(shù)的要求，電化學(xué)新體系和新材料的研究將有較大的發(fā)展。目前可預(yù)見的有：1)納米材料的電化學(xué)合成；2)納米電子學(xué)中元器件、集成電路板、納米電池、納米光源的電化學(xué)制備；3)微系統(tǒng)、芯片實(shí)驗(yàn)室的電化學(xué)加工以及界面動(dòng)電現(xiàn)象在驅(qū)動(dòng)微液流中的應(yīng)用；4)電動(dòng)汽車的化學(xué)電源和信息產(chǎn)業(yè)的配套電源；5)氫能源的電解制備；6)太陽(yáng)能利用實(shí)用化中的固態(tài)光電化學(xué)電池和光催化合成；7)消除環(huán)境污染的光催化技術(shù)和電化學(xué)技術(shù)；8)玻璃、陶瓷、織物等的自潔、殺菌技術(shù)中的光催化和光誘導(dǎo)表面能技術(shù)；9)生物大分子、活性小分子、藥物分子的電化學(xué)研究；10)微型電化學(xué)傳感器的研制。315、總結(jié)電

14、化學(xué)加工技術(shù)在制造業(yè)領(lǐng)域的重要地位日益突出，尤其是在深孔加工、型面加工、型腔加工、異形孔和薄壁零件加工、表面光整加工等方面的效果十分顯著。將電化學(xué)加工技術(shù)與傳統(tǒng)加工方法進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，進(jìn)一步提高了零件質(zhì)量、改善零件使用性能和延長(zhǎng)使用壽命，對(duì)于提高我國(guó)機(jī)械制造業(yè)在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都具有重要的意義。參考文獻(xiàn)1鄒堅(jiān).內(nèi)電解現(xiàn)象及其應(yīng)用J,電鍍與涂飾,2010,(2):26-29.2王至堯.中國(guó)材料工程大典(第24卷第4篇)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.3范植堅(jiān)，李新忠，王天誠(chéng).電解加工與復(fù)合電解加工M北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.4RajurkarKP,ZhuDi.NewD

15、evelopmentsinElectro-chemicalMicro-machiningJ.AnnalsoftheCIRP,2010,48(2):567.5王天誠(chéng)，劉長(zhǎng)書.硝酸鈉復(fù)合電解液加工性能探討J.電加工，2008,(1):16.6明平美，包曉慧，郝巧玲.電鑄-電解組合法加工雙向喇叭孔陣列J.航空學(xué)報(bào)，2014,(7):84-90.7 BhattacharyyaB,MundaJ,MalapatiM.AdvancementinElectro-chemicalMicro-machiningJ.InternationalJournalofMachineTools&Manufacture

16、,2014,44(15):1577-1589.8 MohanS,ShanHS.AReviewofElectro-chemicalMacro-toMicro-holeDrillingProcessJ.InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,2012,45(2):137-152.9 BhattacharyyaB,MitraS,BoroAK.Electro-chemicalMachining:NewPossibilitiesforMicromachiningJ.RoboticsandComputer-InterratedManufactu

17、ring,2012,18(3/4):283-289.10王建業(yè)，徐家文.電解加工原理及應(yīng)用M.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2012.11DattaM,LandoltD.FundamentalAspectsandApplicationsofElectrochemicalMicro-fabricationJ.ElectrochemicalActa,2009,45:2535-2558.12李力三.電化學(xué)加工技術(shù)的起源N.電子日?qǐng)?bào)，2009-12-27(3).13王建業(yè)，徐家文.電解加工原理及應(yīng)用J.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011,32(10):776-784.14朱樹敏.電解加工的現(xiàn)狀和發(fā)展J.大連：大連

18、理工大學(xué)出版社，2011,32(10):884-898.15朱荻.國(guó)外電解加工研究進(jìn)展J.電加工與模具，2012,(1):78-86.16 K.P.Rajurkar,D.Zhu,J.A.McGeough,J.Kozak,A.DeSilva.NewDevelopmentofElectrochemicalMachining,AnnalsofCIRP,2008,48(2):24-30.17 T.M.AMaksoud,A.J.Brooks.ElectrochemicalgrindingofceramicformtoolingJ.JournalofMaterialsProcessingTechnolog

19、y,2007(55):70-75.18任敬心，康仁科.難加工材料磨削技術(shù)M.北京：電子工業(yè)出版社，2011:33.19耿國(guó)盛.鈦合金高速銃削技術(shù)的基礎(chǔ)研究D.南京:南京航空航天大學(xué)，2012:24-30.20何秀梅，洪寶英.鈦合金的切削加工工藝分析J.航空精密制造技術(shù)，2007,41(6):59-60.21 ChenSC,TuGC,HuangCA.Theelectrochemicalpolishingbehaviorofporousausteniticstainlesssteel(AISI316L)inphosphoric-sulfurizemixedacidsJ.SurfaceandCoatingsTechnology,