特種加工-總復(fù)習(xí)-第五章-電化學(xué)加工

第五章電化學(xué)加工2電化學(xué)是研究兩類導(dǎo)體形成的帶電界面現(xiàn)象及其上所發(fā)生之變化的科學(xué)。電化學(xué)研究對象應(yīng)當(dāng)包括三部分：電子導(dǎo)體，離子導(dǎo)體，兩類導(dǎo)體的界面及其上所發(fā)生的一切變化。電子導(dǎo)體----物理學(xué)----引用結(jié)論離子導(dǎo)體----電解質(zhì)溶液理論----經(jīng)典電化學(xué)兩類導(dǎo)體界面及變化----近代電化學(xué)電化學(xué)加工定義電化學(xué)加工（ElectrochemicalMachining：ECM）是指通過電化學(xué)反應(yīng)從工件上去除或在工件上鍍覆金屬材料的特種加工方法。1833年法拉第發(fā)現(xiàn)電化學(xué)作用原理后，逐漸開發(fā)出電解、電鍍、電鑄加工等。目前電化學(xué)加工成為一種必不可少的去除或鍍覆金屬材料及進(jìn)行微細(xì)加工的重要方法，并被用于兵器、醫(yī)療、電子及模具行業(yè)中。

電化學(xué)加工的分類電化學(xué)加工有三種不同的類型。第Ⅰ類是利用電化學(xué)反應(yīng)過程中的陽極溶解來進(jìn)行加工，主要有電解加工和電化學(xué)拋光等；第Ⅱ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；第Ⅲ類是利用電化學(xué)加工與其他加工方法相結(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)陽極機(jī)械加工(其中還含有電火花放電作用)。表5-1電化學(xué)加工分類5.2電化學(xué)加工基本原理1.電化學(xué)加工基本過程

1－陽極；2-電解液；3-陽離子；4-電流方向；5-電子流方向；6-陰離子；7-陰極5.3電解加工1．電解 所謂電解，是指在一定外加電壓下，將直流電流通過電解池，在兩極分別發(fā)生氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)的電化學(xué)過程。電解池由兩個金屬導(dǎo)體分別插入電解質(zhì)溶液（簡稱電解液）構(gòu)成。如圖，以電解鐵為例。當(dāng)用10％～20％氯化鈉作電解液，以銅為工具加工碳鋼時，仔細(xì)觀察電解過程，可以發(fā)現(xiàn)：在陽極鐵片附近，先是有墨綠色絮狀物出現(xiàn)，繼而又逐漸變化為黃褐色沉淀物；在陰極銅片附近，則有氣泡產(chǎn)生并逐漸逸出。

隨著工件表面金屬材料的不斷溶解，工具陰極不斷地向工件進(jìn)給，溶解的電解產(chǎn)物不斷地被電解液沖走，工件表面也就逐漸被加工成接近于工具電極的形狀，如此下去直至將工具的形狀復(fù)制到工件上。電解加工示意圖1-直流電源2-工具陰極3-工件陽極4-電解液泵5-電解液電解加工成型原理2)特點(diǎn) 電解加工與其他加工方法相比較，它具有下列特點(diǎn):(1)能加工各種硬度和強(qiáng)度的材料。只要是金屬，不管其硬度和強(qiáng)度多大，都可加工。(2)生產(chǎn)率高，約為電火花加工的5～10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。

(3)表面質(zhì)量好，電解加工不產(chǎn)生殘余應(yīng)力、變質(zhì)層，又沒有飛邊、刀痕和毛刺。在正常情況下，表面粗糙度Ra可達(dá)0.2～1.25μm。

(4)加工過程中無切削力和切削熱，工件不產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和變形，適合于加工易變形和薄壁類零件；(5)陰極工具在理論上不損耗，基本上可長期使用。 電解加工當(dāng)前存在的主要問題是加工精度難以嚴(yán)格控制，加工精度一般不如電火花加工和超聲波加工高，尺寸精度一般只能達(dá)到0.15～0.30mm；加工復(fù)雜型腔和型面時，工具的制造費(fèi)用較高，一般不適合于單件和小批量生產(chǎn)；電解加工設(shè)備占地面積大、附屬設(shè)備多、初期投資較大；此外，電解液對設(shè)備有腐蝕作用，電解液的處理也較困難。3.電極反應(yīng)基本原理在前述陽極溶解鐵的電解池中，寫出了在陽極一邊溶解鐵、在陰極一邊析出氫氣的電極反應(yīng)方程式，即：①陽極反應(yīng)Fe—2eFe+2Fe+2+2OH-Fe（OH）2↓（墨綠色的絮狀物）4Fe（OH）2+2H2O+O24Fe（OH）3↓（黃褐色沉淀）

②陰極反應(yīng)2H++2eH2↑是否還可能進(jìn)行其他電極反應(yīng)？例如，帶負(fù)電的OH-、CL-被陽極吸引，能否在陽極一邊有氧氣、氯氣析出，而在陰極，還吸引帶正電的Na+，則是否還能進(jìn)行Na沉積的電極反應(yīng)呢？即：4OH-—4eO2↑+2H2O（氧化反應(yīng)）2CL-—2eCL2↑

（氧化反應(yīng)）Na++eNa↓（還原反應(yīng)）要回答上述問題，則必須掌握有關(guān)電極反應(yīng)的基本原理或基本條件，即電極電位高低與電極反應(yīng)順序的關(guān)系。電極電位的高低決定電極反應(yīng)的順序可查常用電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電位表可以發(fā)現(xiàn)：電極電位的高低、即電極電位代數(shù)值的大小，與金屬的活潑性與非金屬的惰性密切相關(guān)。代數(shù)值低，對應(yīng)金屬的活潑性大，反之亦然。在一定條件下，標(biāo)準(zhǔn)電極電位越低的金屬，越容易失去電子被氧化，而越高的，則越容易得到電子被還原。也就是說，標(biāo)準(zhǔn)電極電位的高低，將決定在一定條件下對應(yīng)金屬離子參與電極反應(yīng)的順序。陽極一側(cè)可能進(jìn)行的電極反應(yīng)及相對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電極電位值為：由于第一個反應(yīng)式的E最低，故最容易并首先在陽極一側(cè)進(jìn)行鐵被陽極溶解的電極反應(yīng)，這就是電解加工的基本理論依據(jù)。類似地，考查在陰極一側(cè)可能進(jìn)行的電極反應(yīng)并列出相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電極電位值為：顯然，在陰極只有氫氣逸出而不會發(fā)生鈉沉積的電極反應(yīng)，這是在電解加工中選擇Na+、K+等活潑性金屬離子中性鹽水溶液作為電解液的重要理論依據(jù)。Fe—2eFe+2（E=-0.44V）4OH-—4eO2↑+2H2O

（E=+0.401V）2CL-—2eCL2↑

（E=+1.3583V）2H++2eH2↑（E=0V）Na++eNa↓（E=-2.713V）

5.4電解液1.電解液的主要作用導(dǎo)電提供電化學(xué)反應(yīng)的場所及時帶走電解產(chǎn)物和冷卻3.常用電解液NaCl電流效率近100%幾乎完全電離，導(dǎo)電能力強(qiáng)價格、貨源有優(yōu)勢，應(yīng)用最廣泛雜散腐蝕較嚴(yán)重常用電解液NaClO3、NaNO3鈍化型電解液，非線性電解液ABCDENaCl與NaClO3、NaNO3的對比電流效率生產(chǎn)效率陰極會有氨氣析出NaClO3較貴Cl－的雜散腐蝕作用4.電解液的參數(shù)選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)雜散腐蝕（NaCl）非線性（NaClO3、NaNO3

）加工過程電解質(zhì)消耗引起的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化溫度30～40℃較合適控制電解液PH值控制電解液的粘度5.電解液的流速需要具有足夠的流速，帶走電解產(chǎn)物（氫氣和金屬氫氧化物等）和熱量，10m/s左右；電流密度增加時，流速要相應(yīng)增加。6.電解液的流向正向、反向、橫向7.電解液出水口布局

5.5電解加工的基本工藝規(guī)律（一）生產(chǎn)率及其影響因素生產(chǎn)率用單位時間去除的金屬量來衡量（mm3/min，g/min）法拉第電解定律影響因素：電化學(xué)當(dāng)量、電解電流、電解時間、電解液（二）精度成形規(guī)律端面平衡間隙：加工過程達(dá)到穩(wěn)定時的加工間隙。工件蝕除速度等于陰極進(jìn)給速度時的加工間隙。端面平衡間隙與陰極進(jìn)給速度成反比。端面平衡間隙在0.25~0.3mm左右較合適。端面平衡間隙（續(xù)）

任何時刻的加工間隙⊿與陰極進(jìn)給距離L的關(guān)系法向平衡間隙側(cè)面間隙平衡間隙理論的應(yīng)用根據(jù)陰極形狀推算加工后工件的形狀和尺寸；根據(jù)工件形狀和尺寸設(shè)計電極形狀和尺寸；分析加工精度；選擇加工間隙、電壓、進(jìn)給速度等加工參數(shù)。

5.6提高電解加工精度的途徑脈沖電流電解加工小間隙電解加工改進(jìn)電解液混氣電解加工混氣電解加工提高精度的原因使電解液向非線性轉(zhuǎn)化小間隙處壓力高、氣泡體積小、電解液

電阻率低、電解作用強(qiáng)；大間隙處壓力低、氣泡體積大、電解液

電阻率高、電解作用弱；降低電解液粘度，增加流速、均勻流場。氣液混合比

電解加工設(shè)備就是電解加工機(jī)床，主要由機(jī)床本體、直流電源和電解液系統(tǒng)三大部分組成。

5.7電解加工的基本設(shè)備

電解加工設(shè)備組成1-直流電源2-電流表3-電壓表4-床身5-工具6-管道7-溢流閥8-泵9-回流管10-濾網(wǎng)11-紗網(wǎng)12-工件13-電解液池

近年來電解加工工藝的應(yīng)用研究有很大發(fā)展，除了在加工各種炮膛膛線外，在花鍵孔、深孔、內(nèi)齒輪、鏈輪、葉片、異形零件及模具等方面獲得廣泛的應(yīng)用。由于機(jī)床費(fèi)用較高，一般在加工難加工材料、型面復(fù)雜、批量大的零件時選用，而單件小批生產(chǎn)多采用電火花加工。

5.8電解加工的應(yīng)用1.電鑄成型原理及特點(diǎn)

1)成型原理 與大家熟知的電鍍原理相似，電鑄成型是利用電化學(xué)過程中的陰極沉積現(xiàn)象來進(jìn)行成型加工的，即在原模上通過電化學(xué)方法沉積金屬，然后分離以制造或復(fù)制金屬制品。但電鑄與電鍍又有不同之處，電鍍時要求得到與基體結(jié)合牢固的金屬鍍層，以達(dá)到防護(hù)、裝飾等目的。而電鑄則要電鑄層與原模分離，其厚度也遠(yuǎn)大于電鍍層。

5.9電鑄加工圖5-40電鑄成型的原理1-電鍍槽；2-陽極；3-直流電源；4-電鍍層；5-原模（陰極）；6-攪拌器；7-電鑄液；8-過濾器；9-泵；10—加熱器1.加工原理及特點(diǎn)1)加工原理 電解磨削是電解加工的—種特殊形式，是電解與機(jī)械的復(fù)