特種加工第4章

11第4章電化學(xué)加工

(ElectrochemicalMachining簡稱ECM)南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院南航劉志東主編南航劉志東主編224.1

概述

電化學(xué)加工（ElectrochemicalMachining—ECM）是指基于電化學(xué)作用原理而去除材料（電化學(xué)陽極溶解）或增加材料（電化學(xué)陰極沉積）的加工技術(shù)。早在1833年，英國科學(xué)家法拉第（Faraday）就提出了有關(guān)電化學(xué)反應(yīng)過程中金屬陽極溶解（或析出氣體）及陰極沉積（或析出氣體）物質(zhì)質(zhì)量與所通過電量的關(guān)系，即創(chuàng)建了法拉第定律，奠定了電化學(xué)學(xué)科和相關(guān)工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)。4.1.1

電化學(xué)加工的概念南航劉志東主編33電化學(xué)加工過程

圖4-1電化學(xué)加工原理南航劉志東主編4

凡溶于水后能導(dǎo)電的物質(zhì)叫做電解質(zhì)，其水溶液稱為電解液。電解液的重要參數(shù)：濃度；電離；pH值。

在陰、陽極電極表面發(fā)生得失電子的化學(xué)反應(yīng)稱為電化學(xué)反應(yīng)。利用電化學(xué)作用為基礎(chǔ)對金屬進行加工的方法叫電化學(xué)加工。（二）電解質(zhì)溶液（一）電化學(xué)加工過程南航劉志東主編5（三）電極電位原電池是化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置它由兩個“半電池”所組成，而每一個半電池中有一個電極和相應(yīng)的電解質(zhì)溶液，例如：銅鋅電池

Zn｜ZnSO4(m1)‖CuSO4(m2)｜Cu南航劉志東主編6電解池是利用電能發(fā)生氧化還原反應(yīng)的裝置。

在電解池中，與直流電源的負極相連的極叫做陰極，與直流電源的正極相連的極叫做陽極。南航劉志東主編7雙電層的形成

◆金屬的電極電位：在金屬和其鹽溶液之間的電位差。

◆平衡電極電位：當金屬溶解和沉積互相平衡時的電極電位。

南航劉志東主編8雙電層的形成金屬/溶液界面雙電層示意圖南航劉志東主編9標準電極電位金屬在其鹽溶液中和標準氫電極之間的電位差。standardhydrogenelectrode（SHE）實際測量時需用電勢已知的參比電極替代標準氫電極，如甘汞電極、氯化銀電極等。saturatedcalomelelectrode（SCE）以標準氫電極作為基準，可以用公式計算。南航劉志東主編10標準電極電位南航劉志東主編1111電極氧化態(tài)/還原態(tài)

電極反應(yīng)

電極電位（V）

電極氧化態(tài)/還原態(tài)

電極反應(yīng)

電極電位（V）

Li+/LiRb+/RbK+/KBa2+/BaSr2+/SrCa2+/CaNa+/NaMg2+/MgU3+/UAl3+/AlMn2+/MnZn2+/ZnFe2+/FeCd2+/CdCo2+/CoNi2+/NiSn2+/SnLi++e?LiRb++e?RbK++e?KBa2++2e?BaSr2++2e?SrCa2++2e?CaNa++e?NaMg2++2e?MgU3++3e?UAl3++3e?AlMn2++2e?MnZn2++2e?ZnFe2++2e?FeCd2++2e?CdCo2++2e?CoNi2++2e?NiSn2++2e?Sn-3.01-2.98-2.925-2.92-2.89-2.84-2.713-2.38-1.80-1.66-1.05-0.763-0.44-0.402-0.27-0.23-0.14Pb2+/PbH+/H2S/H2SCu2+/CuO2/OH-Cu+/CuI2/I-As5+/As3+Fe3+/Fe2+Hg2+/HgAg+/AgBr2/Br-Mn4+/Mn2+Cr6+/Cr3+Cl2/Cl-Mn7+/Mn2+F2/F-

Pb2++2e?PbH++e?(1/2)H2S+2H++2e?H2SCu2++2e?CuH2O+(1/2)O2+2e?2OH-Cu++e?CuI2+2e?2I-H3AsO4+2H++2e?HAsO2+2H2OFe3++e?Fe2+Hg2++2e?HgAg++e?AgBr2+2e?2Br-MnO2+4H++2e?Mn2++2H2OCr2O72-+14H++6e?2Cr3++7H2OCl2+2e?2Cl-MnO4-+8H++5e?Mn2++4H2OF2+2e?2F-

-0.1260+0.141+0.340+0.401+0.522+0.535+0.58+0.771+0.7961+0.7996+1.065+1.208+1.33+1.3583+1.491+2.87表4-1常用電極的標準電極電位南航劉志東主編12=E°+

式中E

——平衡電極電位(V)；

E0——標準電極電位(V)；

R——摩爾氣體常數(shù)(8.314J/mol·K)；

F——法拉第常數(shù)(96500C/mol)；

T——熱力學(xué)溫度(K)；

n——電極反應(yīng)中得失電子數(shù)；

a——離子的活度(有效濃度)(mol/L)。

（四）平衡電極電位的計算南航劉志東主編13◆極化：當有電流通過電解池時，電極的平衡狀態(tài)被破壞，陽極電位向更加正的方向移動，陰極的電位向更加負的方向移動，這一現(xiàn)象稱為極化?！暨^電位：極化后的電極電位與平衡電位的差值稱為過電位。1．電極的極化（五）電極的極化南航劉志東主編14三種典型的陽極極化曲線南航劉志東主編15鐵陽極的陽極極化曲線

鈦陽極的陽極極化曲線

南航劉志東主編16◆電解加工的陽極過程：

◆電解加工的陰極過程：南航劉志東主編17由于電化學(xué)反應(yīng)緩慢而引起的電極極化稱為電化學(xué)極化。

電極過程中如由于離子的擴散、遷移步驟緩慢而導(dǎo)致的電極極化稱為濃差極化。◆電解加工中減少濃差極化的主要措施：提高電解液的流速；升高電解液溫度。

ΔEe=a+blgi

塔費爾(Tafel)公式

（小電流密度）式中a、b為常數(shù)，與電極材料性質(zhì)、電極表面狀態(tài)、電解液成分、濃度、溫度等因素有關(guān)

2.濃差極化（陽極為主）3.電化學(xué)極化（陰極為主）南航劉志東主編18陽極

失去電子電位越負

越容易發(fā)生氧化反應(yīng)；陰極

得到電子電位越正

越容易發(fā)生還原反應(yīng)。ΔER=IRd

式中：I為通過電極的電流；Rd為鈍化膜電阻。ΔE=ΔES+ΔEe+ΔER

4.電阻極化（鈍化極化）5.總超電壓6.總結(jié)南航劉志東主編19

電解時，陽極電流密度增加至一定值后，溶解速度反而急劇下降，陽極表面呈不溶解狀態(tài)，這一過程稱為陽極鈍化。（六）金屬的鈍化與活化南航劉志東主編20

主要活化手段：加熱電解液；加入活性離子或還原劑；機械拋磨去除。

使金屬鈍化膜破壞而脫離鈍化狀態(tài)的過程稱為活化。南航劉志東主編21214.1.2

電化學(xué)加工的分類

電化學(xué)陽極溶解類：

電解加工、電解拋光、電解去毛刺電化學(xué)陰極沉積類：

電鑄、電鍍、刷鍍電化學(xué)復(fù)合加工類：

電解磨削、電解機械研磨、超聲電解、電解電火花復(fù)合加工、激光輔助束流化學(xué)加工等。南航劉志東主編2222類別加工方法加工原理主要加工作用Ⅰ電解加工電化學(xué)陽極溶解從工件（陽極）去除材料，用于形狀、尺寸加工電解拋光從工件（陽極）去除材料，用于表面加工、去毛刺Ⅱ電鑄成形電化學(xué)陰極沉積向芯模（陰極）沉積而增材成形，用于制造復(fù)雜形狀的電極，復(fù)制精密、復(fù)雜的花紋模具電鍍向工件（陰極）表面沉積材料，用于表面加工、裝飾電刷鍍向工件（陰極）表面沉積材料，用于表面加工，尺寸修復(fù)復(fù)合電鍍向工件（陰極）表面沉積材料，用于表面加工，磨具制造Ⅲ電解磨削電解與機械磨削的復(fù)合作用從工件（陽極）去除材料或表面光整加工，用于尺寸、形狀加工，超精、光整加工、鏡面加工電化學(xué)—機械復(fù)合研磨電解與機械研磨的復(fù)合作用對工件（陽極）表面進行光整加工超聲電解電解與超聲加工的復(fù)合作用改善電解加工過程以提高加工精度和表面質(zhì)量，對于小間隙加工復(fù)合作用更突出電解—電火花復(fù)合加工電解液中電解去除與放電蝕除的復(fù)合作用力求綜合達到高效率、高精度的加工目標表4-2電化學(xué)加工的分類表南航劉志東主編23234.1.3電化學(xué)加工的特點

電化學(xué)加工的主要優(yōu)越性在于：

（1）可加工各種高硬度、高強度、高韌性等難切削的金屬材料；（2）可加工各種具有復(fù)雜曲面、復(fù)雜型腔和復(fù)雜型孔等典型結(jié)構(gòu)的零件；（3）加工表面質(zhì)量好；（4）加工生產(chǎn)率高；（5）加工過程中工具陰極無損耗；（6）電化學(xué)加工的產(chǎn)物和使用的工作液對環(huán)境、設(shè)備會有一定的污染和腐蝕作用。南航劉志東主編2424

4.2

電解加工

4.2.1

電解加工概述電解加工（ElectrochemicalMachining—ECM），是對作為陽極的金屬工件在電解液中進行陽極溶解而去除材料、實現(xiàn)工件加工成形的工藝過程。

電解加工系統(tǒng)如圖基本構(gòu)成與圖4-1所示的電解池相同。南航劉志東主編25

（1）工件陽極和工具陰極(大多為成型工具陰極)間保持很小的間隙(稱作加工間隙)，一般在0.1～1mm范圍內(nèi)。（2）電解液從加工間隙中不斷高速(6～30m/s)流過，以保證帶走陽極溶解產(chǎn)物和電解電流通過電解液時所產(chǎn)生的焦耳熱，同時流動的電解液還具有減輕極化的作用。（3）工件陽極與工具陰極分別和直流電源(一般為10～24V)連接，在上述兩項工藝條件下，則通過兩極加工間隙的電流密度很高，高達（10～102）A/cm2數(shù)量級。電解加工為了能實現(xiàn)特定幾何尺寸、幾何形狀的加工，還必須具備下列特定工藝條件：南航劉志東主編2626

由電解加工原理所決定，電解加工具有以下工藝特點：（1）加工范圍廣；（2）加工效率高；（3）加工表面質(zhì)量好；（4）工具無損耗；（5）不存在機械切削力。

但是，電解加工也存在下列缺點和不足：（1）加工精度還不夠高；（2）工具陰極設(shè)計制造的工作量較大；（3）設(shè)備一次投資大；（4）處理不當，對周圍環(huán)境可能產(chǎn)生污染。電解加工的特點南航劉志東主編2727

電解加工對難切削材料、復(fù)雜形狀零件的批量生產(chǎn)無疑是一項高效率、高表面質(zhì)量、低成本的工藝技術(shù)。如果加工對象選擇得當，技術(shù)經(jīng)濟分析合理，發(fā)揮電解加工的長處，克服其缺陷和不足，就能夠獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟效果。我國的一些專家提出選用電解加工工藝的三條原則：電解加工適用于難切削材料的加工；電解加工適用于相對復(fù)雜形狀零件的加工；電解加工適用于批量大的零件加工。一般認為，三條原則均滿足時，相對而言選擇電解加工比較合理。南航劉志東主編28284.2.2電解加工的基本規(guī)律

1．法拉第定律和電流效率

（1）法拉第定律1）在電極的兩相界面處(如金屬/溶液界面上)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量與通過其界面上的電量成正比。此稱法拉第第一定律。2）在電極上溶解或析出一克當量任何物質(zhì)所需的電量是一樣的，與該物質(zhì)的本性無關(guān)。此稱法拉第第二定律。南航劉志東主編2929法拉第定律

M=kQ=kIt

南航劉志東主編3030金屬密度ρ(g/cm3)相對原子質(zhì)量A原子價n體積電化當量ω(cm3/A·min)鋁2.7126.9830.0021鎢19.2183.9250.0012鐵7.8655.85230.00220.0015鈷8.8658.94230.00210.0014鎂1.7424.3220.0044錳7.454.94240.00230.0012銅8.9363.57120.00440.0022鉬10.295.95460.00150.0010鎳8.9658.69230.00210.0014鈮8.692.91350.00220.0013鈦4.547.940.0017鉻7.1652.01360.00150.0008鋅7.1465.3820.0028表4-3部分金屬的體積電化當量南航劉志東主編3131合金密度ρ(g/cm3)體積電化當量ω(cm3/A·min)合金密度ρ(g/cm3)體積電化當量ω(cm3/A·min)GH33(ЭИ437Б)7.850.0021LY112.80.002GH37(ЭИ617)7.80.0020LY90.0022(ЭИ598)0.0019TC64.50.0021(ФН62ВМКЮ)7.850.0021TC85CrMiMo7.80.0022TC91Cr18Ni9Ti7.90.0021TC24.550.002630CrMnSiA7.850.0022(BT16)4.680.002330CrMnSiNiA7.77(BT20)4.450.002238Ni7.71(BT22)4.50.002338Ni7.750.002(BK8)14.350.00132Cr138.80.0018(T15K6)110.0015(ЭИ893)(T5K10)12.2注：表列括號中的合金牌號為蘇聯(lián)標準牌號表4-4部分合金體積電化當量南航劉志東主編3232

（2）電流效率

時，可能是由于：或陽極產(chǎn)生副反應(yīng)。時，可能是由于：或陽極有機械剝離。影響電流效率η的主要因素有：加工電流密度i；陽極金屬材料-電解液成分的匹配；甚至電解液濃度、溫度等工藝條件。為利于工程實用，通常由實驗得到η-i關(guān)系曲線。南航劉志東主編33331．法拉第定律和電流效率

實際體積電化當量與電流密度關(guān)系曲線南航劉志東主編34342.電解加工速度

考慮到實際電解加工條件下的電流效率

加工間隙的變化

南航劉志東主編3535

3.電解加工間隙

電解加工是有間隙加工，研究加工過程間隙變化規(guī)律對掌握電解加工工藝規(guī)律，保證加工過程的穩(wěn)定從而控制加工精度有重要意義。

影響電解加工間隙的因素非常復(fù)雜。首先以最簡單情況分析加工間隙的過渡過程，如圖4-8所示將電極和工件均簡化為平板。南航劉志東主編3636

將上式微分，并注意到Δ0、vc為常數(shù)，則可以得到：在dt時間內(nèi)，陰極溶解深度dh與加工間隙的變化量d

之間的關(guān)系為（4-12）

因為dh=vadt=ηωκURdt/

，由式（4-11）及式（4-12）可得：

如前所述，令C=ηωκUR，且知C為常數(shù)，則可得：

南航劉志東主編3737（4-13）

上式就是陰極恒速進給時加工間隙變化的過渡過程基本微分方程。南航劉志東主編3838平衡間隙理論的應(yīng)用

1）計算加工過程中各種間隙2）選擇間隙、加工電壓、進給速度等加工參數(shù)3）分析加工精度4）設(shè)計陰極為了提高陰極的設(shè)計精度，縮短陰極的設(shè)計和制造周期，可根據(jù)電解加工間隙理論利用計算機輔助設(shè)（CAD）、逆向工程數(shù)字化設(shè)計、制造等先進方法來設(shè)計制造陰極，有望解決電解加工中陰極設(shè)計制造的技術(shù)難題。南航劉志東主編3939

4．電解加工表面質(zhì)量

（1）電解加工表面質(zhì)量特點電解加工表面質(zhì)量是指工件經(jīng)電解加工后其表面及表面層的幾何、物理、化學(xué)性能的變化，又稱電解加工工件表面完整性。其內(nèi)涵包括兩部分：一是指加工后工件表面粗糙度、波紋度和幾何紋理的改變；二是指工件表面層材料組織、性能的改變，即在加工過程中受機械、物理、化學(xué)、電、熱和微觀冶金過程的作用，使表面層材料組織、性能發(fā)生的變化。南航劉志東主編4040（2）影響電解加工表面粗糙度的主要因素如下：

1）工件材質(zhì);2）電解液的組成;3）電流密度;4）電解液流場;5）脈沖電流電解加工 針對不同工件材料選擇合適的電解液組成，采用合理的工藝參數(shù)，如采用小間隙、高電流密度條件加工，合理設(shè)計流場，或采用脈沖電流或混氣電解加工，都是降低工件表面粗糙度的有效措施。南航劉志東主編4141（3）電解加工可能產(chǎn)生的表面缺陷1.晶間腐蝕2.流紋3.麻點（點狀腐蝕）南航劉志東主編42電解加工可能產(chǎn)生的表面缺陷南航劉志東主編4343（4）電解加工表面質(zhì)量對疲勞強度的影響影響工件疲勞強度的因素包括工件材料特性及熱處理狀態(tài)、工件幾何結(jié)構(gòu)及尺寸、工件受載狀態(tài)及變化、工件表面質(zhì)量等因素。機械切削會在加工表面留下刀痕及刀具形成的微觀不平，使疲勞強度降低；電解加工卻可以去除前道工序遺留的原始刀痕，而使疲勞強度提高。電解加工表面不會產(chǎn)生冷作硬化和表面應(yīng)力，對疲勞強度無顯著影響，但如前道工序產(chǎn)生表面拉應(yīng)力，而電解加工去除了表面拉應(yīng)力，會對提高疲勞強度有利。同樣條件下，電解加工工件的疲勞強度高于機械切削加工的疲勞強度，而低于磨削加工的疲勞強度。南航劉志東主編4444（5）提高電解加工工件疲勞強度的措施對不同材料，選擇適當成分、濃度的電解液；

選擇最佳工藝參數(shù)，如高電流密度，高電解液流速，適當?shù)碾娊庖簻囟鹊?；對電解加工的工件表面進行機械拋光（如氈輪拋光、振動拋光等）或表面噴丸強化處理，都會使工件表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，有利于提高疲勞強度；采用NaNO3電解液，脈沖電流電解加工高溫耐熱合金（如鎳基合金、不銹鋼等）以及模具鋼，具有很好的表面質(zhì)量，可獲得較高的疲勞強度。

南航劉志東主編45

1）有較高的電導(dǎo)率、離解度；

2）陰離子不至產(chǎn)生陽極副反應(yīng)，陽離子不至在陰極發(fā)生沉積反應(yīng)；

3）陽極反應(yīng)最終產(chǎn)物為不溶性沉淀；

4）性能穩(wěn)定，對設(shè)備腐蝕性小，對人無危害，價格低廉，容易得到供應(yīng)。

1）作為導(dǎo)電介質(zhì)傳遞電流；

2）參與電化學(xué)反應(yīng)；

3）及時帶走電解產(chǎn)物及熱量，起到更新極間介質(zhì)狀態(tài)及冷卻的作用。對電解液的基本要求：

（一）電解液的主要作用：4.2.3

電解液

南航劉志東主編46（二）電解液類型按酸堿度分類按組成分類按濃度分類中性電解液：活性——鹵素族鹽，如NaCl鈍性——含氧酸族鹽，如NaNO3、NaClO3等單一組分電解液高濃度電解液酸性電解液：H2SO4、HCl等無機酸水溶液堿性電解液：NaOH復(fù)合電解液低濃度電解液（濃度≤10%）南航劉志東主編47（三）常用電解液1．NaCl溶液2．NaNO3溶液3．NaClO3溶液4．添加劑南航劉志東主編484.2.3

電解液

項目NaClNaNO3NaClO3常用濃度250g／L以內(nèi)400g／L以內(nèi)450g／L以內(nèi)表面粗糙度一般為Ra=0.8～6.3μm在同樣條件下低于NaCl電解液一般情況下低于NaCl和NaNO3電解液加工精度較低較高高表面質(zhì)量加工鎳基合金易產(chǎn)生晶間腐蝕，加工鈦合金易產(chǎn)生點蝕一般不產(chǎn)生晶間腐蝕，但電流密度低時也會產(chǎn)生點蝕雜散腐蝕最小，一般也不會產(chǎn)生點蝕，已加工面耐蝕性較好腐蝕性強較弱弱安全性安全、無毒助燃（氧化劑）助燃（強氧化劑）穩(wěn)定性加工過程較穩(wěn)定，組分及性能基本不變加工過程pH值緩慢增加加工過程緩慢分解，C1-增加，C1O3-減少，相對成本NaCl:NaNO3:NaClO3=2:5:12應(yīng)用范圍精度要求不很高的鐵基、鎳基、鈷基合金等，應(yīng)用范圍最廣精度要求較高的鐵基、鎳基、鈷基合金，有色金屬（銅、鋁等）加工精度要求較高的工件；固定陰極加工南航劉志東主編49NaNO3溶液南航劉志東主編50南航劉志東主編51

式中的稱為切斷間隙或截止間隙；對應(yīng)的稱為切斷電流密度或截止電流密度。南航劉志東主編52Δα1Δα2圖中:灰色為使用NaCl電解液加工孔形狀示意

紅色為使用NaNO3電解液加工孔形狀示意南航劉志東主編5353

正向（行業(yè)稱呼：正水)反向（行業(yè)稱呼：反水）

1.電解液流動形式電解液流速：10m/s左右電解液流向：電解液常見出水口：窄槽（縫）；孔

側(cè)向（行業(yè)稱呼：側(cè)流）

（四）流場設(shè)計南航劉志東主編54542.各種流動形式特點側(cè)流正流反流備注流動特點在圓滑連接、截面變化平緩的通道中流動，速度、壓力緩慢變化進、出口流道有較大的轉(zhuǎn)折，速度、壓力變化較大

1）鈦合金加工對流場反應(yīng)敏感，為使流場均勻，最好在出口處施加一定的背壓；

2）適當設(shè)計通液口（槽），可將正流、反流方式應(yīng)用于型面加工擴散流收斂流流場均勻性較好較差好防止空穴現(xiàn)象好較差好夾具設(shè)計制造復(fù)雜簡單復(fù)雜加工型面時的陰極設(shè)計制造簡單較復(fù)雜復(fù)雜對工件形狀的適應(yīng)性差中等好加工穩(wěn)定性差較差好加工精度中等較差好流場分布的可控制性差較好好南航劉志東主編55553.確定流動形式的一般原則：1)根據(jù)加工對象的幾何形狀確定對于型面曲率變化不大的三維型面，如一般葉片型面、葉片鍛模型腔等，可以采用側(cè)流式。對于圓孔、型孔類工件，可采用正流式和反流式。對于深孔擴孔加工，可以采用軸向供液。在孔的固定陰極拋光中，也多采用軸向供液。切入式展成電解加工，采用電解液由陰極內(nèi)部噴射供液；外表面光整展成電解加工，采用外部切向噴射供液。2)根據(jù)加工精度要求確定

對形狀復(fù)雜且精度要求高的工件，可選用反流式或復(fù)合流動形式，但其夾具或陰極的設(shè)計制造比較困難。

南航劉志東主編5656軸向供液

分段供液

4.電解液流動形式(供液類型)南航劉志東主編5757雙向供液

定向供液

換向供液

南航劉志東主編5858外部供液

內(nèi)部供液

南航劉志東主編5959側(cè)、徑向組合供液

多孔組合供液

南航劉志東主編60605.流場均勻性設(shè)計(流線圖)

繪制流線要遵循兩條基本原則：

1）流體由進液槽流入加工區(qū)時，其流動方向與進液槽邊垂直。

2）流體由進液槽經(jīng)加工區(qū)直至流回貯液槽，應(yīng)取流阻最小的路徑，即流程最短。南航劉志東主編6161南航劉志東主編62626.流場均勻性設(shè)計(液流分離現(xiàn)象)南航劉志東主編63637.流場參數(shù)選擇電解液流量、壓力、溫度、濃度、流速南航劉志東主編6464電解液流量、壓力、溫度、濃度、流速選擇參考表工序種類流速（m/s）壓力（0.1MPa）動壓Pu粘滯阻力Pγ出口背壓Pe入口壓力P0葉片型面15～201.26～2.243.2～5.10～0.514.36～7.85小孔、型腔、葉型套形6～100.2～0.5610.2～15.31.02～1.5311.42～17.34南航劉志東主編65654.2.4電解加工精度

復(fù)制精度

研究成形規(guī)律、改善工藝條件重復(fù)精度機床設(shè)備精度、工藝參數(shù)的恒定

加工精度:是指加工后的實際幾何參數(shù)與理想幾何參數(shù)的符合程度。南航劉志東主編6666電解加工誤差1）復(fù)制誤差，即工件型面與陰極型面的差異；2）遺傳誤差，即加工過程中未完全糾正的毛坯型面的原（初）始誤差；3）重復(fù)誤差，即在同一工藝條件下加工尺寸的分散度。

電解加工的綜合誤差既包括工藝自身特點所引起的機理誤差（電解加工誤差），又包括外圍條件所造成的誤差。南航劉志東主編6767復(fù)制誤差特性

由于陰極與工件之間存在間隙，使得二者尺寸上必然有差異；又由于間隙區(qū)電場、流場、電化學(xué)蝕除速度場分布不均勻，導(dǎo)致間隙分布不均勻，造成二者形狀上的差異。1.電解加工的誤差特性南航劉志東主編6868遺傳誤差特性影響成形過程整平比的主要因素是陽極溶解的集中蝕除能力或稱定域能力集中蝕除能力越強，加工面最高點（余量最大處）與最低點（余量最小處）蝕除速度差值就越大，整平比就越高，遺傳誤差就越小。

南航劉志東主編6969重復(fù)誤差特性重復(fù)誤差就是平衡間隙值的分散度由于目前還無法直接采樣來實測和控制加工間隙值，只能通過控制有關(guān)的宏觀工藝參數(shù)來間接控制間隙，因此，工藝參數(shù)的分散度就直接影響間隙的分散度，從而影響加工尺寸的分散度。南航劉志東主編7070圖4-26影響電解加工間隙的復(fù)雜因素電解加工工藝的核心問題是如何達到均勻、穩(wěn)定的小間隙加工狀態(tài)，這是獲得高精度、高效能、高表面質(zhì)量的最根本途徑，也是電解加工技術(shù)發(fā)展所追求的目標。南航劉志東主編7171

電解加工間隙中，電化學(xué)、電場、流場諸參數(shù)不但相互關(guān)系十分復(fù)雜，并且隨時間、空間不斷變化，難以在加工過程中實時采樣測試。所以，目前所進行的電解加工理論分析和計算均基于一定的簡化及假設(shè)，由此給出的指導(dǎo)規(guī)律只能是定性的；對影響加工過程的諸多參數(shù)的測試、控制，也只限于依據(jù)加工間隙之外取得的宏觀平均值。當然，這些平均值能夠間接反映間隙內(nèi)部參數(shù)的變化規(guī)律，所以仍然具有較大的工程實用價值。2．電解加工工藝參數(shù)及其對工藝指標的影響南航劉志東主編7272確定電解加工參數(shù)的順序：先選定加工間隙、陰極進給速度，然后定電流密度，最后再選定相應(yīng)的加工電壓及電解液參數(shù)。

國外電解加工設(shè)備條件總體較好，且對加工效率要求較高，因而采用高參數(shù)加工居多；國內(nèi)情況則相反，以低參數(shù)加工居多。

南航劉志東主編7373(1)小間隙電解加工3.提高電解加工精度的途徑減小加工間隙可以提高加工精度。南航劉志東主編7474小間隙電解加工保障條件保證電解液的過濾質(zhì)量；泵的出口壓力需要更高一些，注意供液和流場設(shè)計合理；保證陰極剛性，防止振動；套型加工時使用銅鎢合金陰極，并取消火花保護；加工型腔肘不允許產(chǎn)生火花，利用加背壓或使出水端處于收斂狀態(tài)來改善流場，能消除火花，并降低表面粗糙度。使用“高壓腔”加工不僅能起到上述作用，還能平衡掉一部分反壓；采用混氣電解加工有利于縮小加工間隙提高加工穩(wěn)定性；采用脈沖電流電解加工有利于縮小加工間隙。南航劉志東主編7575

1）改善流場特性，充分沖刷電解產(chǎn)物、氣泡與熱量，使電導(dǎo)率分布基本均勻。

2）間隙中存在壓力波動，對電解液起攪拌作用，有利

于電解產(chǎn)物的去除。

3）電流效率一般高于直流加工，平均電流比直流加工時要低，所以加工去除速度低于直流加工。(2)脈沖電流電解加工南航劉志東主編7676復(fù)合型電解液；低濃度電解液（超純水）。(3)改進電解液南航劉志東主編7777(4)混氣電解加工1）由于氣泡的可壓縮性，增加了電解液的電阻率；2）電解液的黏度降低，改善了間隙內(nèi)電解液流動特性，均勻了流場，增加了電解液流速。不足之處：增添了受控因素；生產(chǎn)率有一定下降；需附加裝置等。氣液混合比：混入電解液的氣體流量與電解液流量之比。南航劉志東主編7878

4.2.5

電解加工設(shè)備

4.控制系統(tǒng)1.直流電源2.機床3.電解液系統(tǒng)（1）機床的剛性；（2）進給速度的穩(wěn)定性；（3）防腐及絕緣；（4）抽風(fēng)防爆。供液泵、貯液槽、過濾裝置、加熱及降溫裝置等一.電解加工設(shè)備南航劉志東主編7979

南航劉志東主編8080

南航劉志東主編8181

南航劉志東主編8282

二.電解加工設(shè)備的總體設(shè)計

進行總體設(shè)計時，首先必須確認設(shè)備的工作條件，加工對象的特點和基本要求。這是總體設(shè)計的基礎(chǔ)和出發(fā)點；其次就是要確定設(shè)備主要部分的功能、組成、基本方案和相互間的匹配關(guān)系，在此基礎(chǔ)上進行總體布局；然后根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求計算、選定設(shè)備的總體規(guī)格、性能、技術(shù)要求；最后定出總體方案。

南航劉志東主編8383

三.電解加工設(shè)備的特殊工作條件工作環(huán)境較惡劣；大的加工電流；承受復(fù)雜的動態(tài)負荷；極間高速氣液兩相流；極間交變的強電磁場；小的動態(tài)變化的極間間隙；南航劉志東主編8484

設(shè)備的耐蝕性好；機床剛性強；進給速度特性硬、調(diào)速范圍寬；較高的機床精度；大電流傳導(dǎo)性好；電氣系統(tǒng)抗干擾性強；安全、可靠；配套性好；較大的通用性。南航劉志東主編85854.2.6電解加工的應(yīng)用

1．孔加工：固定陰極擴孔；三面進給擴孔。2．型孔加工3．型腔加工：鍛模型腔成形。4．套料加工5．葉片型面成形6．電解去除毛刺（倒角）7．電解刻字8．電解拋光一.電解加工的應(yīng)用分類:

南航劉志東主編8686美國：航空發(fā)動機制造（50%以上）、汽車部件制造；英國：航空發(fā)動機制造（擁有CNC電解加工自動線）、石油工業(yè)；俄羅斯：工藝世界領(lǐng)先航空發(fā)動機制造、汽車部件制造、汽輪機零件制造；德國：設(shè)備國際領(lǐng)先能源機械、機車制造、液壓件制造、紡織、食品、醫(yī)療機械制造。二.電解加工在國外的應(yīng)用南航劉志東主編8787航空航天：整體葉輪、異形零件；兵器：槍炮膛線、長孔；核工業(yè)：地面動力裝置中的導(dǎo)風(fēng)輪；汽車：連桿、搖臂、齒輪等鍛模，發(fā)動機噴嘴；煤礦機械：鍛模、鏈輪、花鍵；汽輪機：葉片。三.電解加工在我國的應(yīng)用南航劉志東主編8888四.電解加工在航空工業(yè)中的應(yīng)用1.葉片類葉片型面：耐熱合金模鍛毛坯件；整體方料毛坯件；鈦合金模鍛件。冷卻孔：國產(chǎn)新機5×14×260

國外：?1.27×305；?0.5×100；?0.12×6

采用電液流加工方式?0.05×1.52.整體葉輪等截面葉型套料；扭轉(zhuǎn)變截面葉型成形。南航劉志東主編89893.機匣：安裝用凸臺、葉型孔；內(nèi)外環(huán)底型面；減重槽。4.起落架接頭5.渦輪盤6.型孔：花鍵孔；軸承護圈矩形孔。7.去毛刺：渦輪盤榫齒去毛刺；火焰筒去毛刺。南航劉志東主編9090南航劉志東主編9191南航劉志東主編9292南航劉志東主編9393五.葉片型面電解加工技術(shù)經(jīng)濟效果：加工效率高、生產(chǎn)周期大為縮短、手工勞動力大幅度減少。機遇和挑戰(zhàn)：高強、高韌、高硬度材料，薄壁、高精度、特型結(jié)構(gòu)的葉片越發(fā)需要采用電解加工，給電解加工的應(yīng)用和發(fā)展帶來新的機遇；精密毛坯技術(shù)，數(shù)控銑削、特別是數(shù)控高速銑削技術(shù)的發(fā)展，使得其在葉片型面加工的應(yīng)用也越來越多；這都是對應(yīng)用電解加工葉片的挑戰(zhàn)

20世紀80年代以來葉片電解加工技術(shù)雖有了較大的提高和發(fā)展，但仍未能出現(xiàn)飛躍性的變革，還跟不上產(chǎn)品發(fā)展的需要。南航劉志東主編9494南航劉志東主編9595南航劉志東主編9696南航劉志東主編9797南航劉志東主編9898六.型腔、型面電解加工生產(chǎn)率高、加工成本低：單方向進給、一次成型；工具陰極無損耗；表面粗糙度低、沒毛刺、無再鑄層及冷作硬化層。重復(fù)精度好：工具陰極無損耗。模具壽命高：表面粗糙度低、圓角過度、流線型好；沒有冶金缺陷層，無殘余應(yīng)力和顯微裂紋，故耐高溫疲勞性能好。

總體精度約在±0.05～±0.20mm之間。表面粗糙度在Ra1.6～0.4μm之間。南航劉志東主編9999南航劉志東主編100100南航劉志東主編101101圖4-43群孔電解加工樣件和電極南航劉志東主編102102旋轉(zhuǎn)柱狀電極柱狀電極螺旋狀電極微孔電解加工不同電極設(shè)計示意圖南航劉志東主編103103南航劉志東主編104104南航劉志東主編105105南航劉志東主編106106南航劉志東主編107107a－懸臂梁；b－直徑125，深150微孔陣列；c－微型銅凸臺微細電解加工出的金屬微結(jié)構(gòu)南航劉志東主編108108南航劉志東主編109109電解銑削方法加工的微結(jié)構(gòu)南航劉志東主編110110南航劉志東主編111111微型凹坑南航劉志東主編112112南航劉志東主編113113南航劉志東主編114114南航劉志東主編115115南航劉志東主編116116南航劉志東主編117117七.選用電解加工工藝的基本原則精度要求適當

可以達到的經(jīng)濟加工精度是：型面、型腔0.10-0.30mm；花鍵通孔0.03-0.10mm；整體轉(zhuǎn)子葉片套型0.02-0.10mm。

主要用于難加工金屬材料，復(fù)雜形狀或薄壁零件的加工

電解加工工藝只是機械加工的一種補充，凡是常規(guī)機械加工能解決的就沒有必要采用電解加工)。要有一定批量南航劉志東主編1181184.3

電沉積加工

電沉積（Electrodeposition）是金屬或合金從其化合物水溶液、非水溶液或熔鹽中電化學(xué)沉積的過程。電沉積加工是電化學(xué)加工中陰極沉積材料類加工技術(shù)，是電鍍、電鑄、電解冶煉、電解精煉等加工過程的統(tǒng)稱。南航劉志東主編1191194.3.1電沉積原理及工藝

電沉積金屬質(zhì)量計算式中，m-陰極上析出物質(zhì)的質(zhì)量，g；k-析出物質(zhì)的質(zhì)量電化當量，g/A·s、min、h；i-電沉積電流，A；t-電沉積時間，s、min、h。南航劉志東主編120120電沉積時，通過陰極的電量為式中，ic-陰極電流密度（取平均值），A/dm2；S-陰極原模沉積作用面積，dm2。當不考慮電流效率，可以計算出電沉積的金屬質(zhì)量南航劉志東主編121

121多數(shù)情況下，電沉積過程通過陰極的電流都不會完全用于沉積金屬,副反應(yīng)會消耗部分電量，所以電鑄中也提出電流效率的概念:或考慮到陰極電流效率，電沉積金屬的質(zhì)量表示為：南航劉志東主編122

1221.電沉積工藝分析

在電沉積過程中，陰極的形狀對電場分布的均勻性影響非常大。陰極的銳角和尖棱部位存在“邊緣效應(yīng)”，常形成樹枝狀金屬沉積物——“結(jié)瘤”，嚴重時甚至?xí)斐沙练e層“燒焦”；而在低凹處則相反，受周邊部位屏蔽電力線的影響，沉積速度最慢，甚至有時根本幾乎沒有沉積效應(yīng)，使得低凹處沉積反應(yīng)很難進行。南航劉志東主編123

123在電沉積工藝中，電沉積液是另一個對電場影響非常重要的因素，為了評定一種電沉積液所能獲得電沉積層厚度的均勻性，提出了“分散能力”的概念。 分散能力好的電鍍液，深鍍能力一般也很好，但深鍍能力好的電鍍液，分散能力卻不一定好。南航劉志東主編124

1242.改善電鑄液分散能力措施加入電導(dǎo)率高的強電解質(zhì)，如在CuSO4溶液內(nèi)添加H2SO4，用于銅電鑄；加入添加劑，如在電鑄鎳溶液中添加無機金屬鹽或某些有機化合物；添加絡(luò)合物，如焦磷酸鹽絡(luò)合物、檸檬酸鹽絡(luò)合物等。

南航劉志東主編125

1253.陰極沉積作用面切向流速方法

應(yīng)用機械裝置或者壓縮空氣強烈攪拌電沉積液；陰極作直線往復(fù)移動或轉(zhuǎn)動；陰極作一定頻率的振動，或者將超聲振動源置于電沉積槽內(nèi)；采取噴射方式輸送電沉積液；迫使電沉積液以高速在陰、陽極間隙內(nèi)流動，并保持為紊流狀態(tài)。南航劉志東主編126

1264.脈沖電沉積的主要優(yōu)點

能改變沉積層的組織結(jié)構(gòu)，使得沉積的金屬結(jié)晶致密；改善分散能力；顯著降低沉積層的孔隙率，提高制品抗蝕性；降低沉積層的內(nèi)應(yīng)力。南航劉志東主編127

1274.3.2電鍍加工

1805年意大利化學(xué)家LuigiV.Brugnatelli用電極進行了第一次電沉積，但在這之后并沒有在一般的工業(yè)中應(yīng)用。直到1839年，英國和俄羅斯科學(xué)家各自獨立設(shè)計了類似于Brugnatelli的金屬電沉積工藝，用于印刷電路板的鍍銅。 1840年，Wright的同事喬治埃爾金頓和亨利埃爾金頓被授予第一個電鍍專利，他們兩人在伯明翰創(chuàng)建了電鍍工廠，從此該技術(shù)開始在世界各地廣泛傳播。南航劉志東主編128

1281.電鍍原理

電鍍(Electroplating)就是利用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層其它金屬或合金的過程，是利用電解作用使金屬或其它材料制件的表面附著一層金屬膜的工藝從而起到防止腐蝕，提高耐磨性、導(dǎo)電性、反光性及增進美觀等作用。南航劉志東主編129

1292.界面結(jié)合及鍍層性能電鍍的目的是在待鍍工件表面牢固的均勻沉積一層能改變基材表面性質(zhì)及尺寸的金屬層，通過該涂層增強基體的抗腐蝕性、耐磨損性，提高導(dǎo)電性、潤滑性、耐熱性等。南航劉志東主編130

130例如經(jīng)電鍍硬鉻處理過的模具，其硬度可達到HRC60~65，耐高溫性能可以提高到600~800℃，模具的耐腐蝕和光潔度進一步提高，易脫模、不粘模，從而延長使用壽命、提高品質(zhì)、降低材料成本、提高生產(chǎn)效率。

南航劉志東主編131

1313.電鍍的基體材料

電鍍的基體材料除鐵基的鑄鐵、鋼和不銹鋼外，還有非鐵金屬，如ABS樹脂、聚丙烯及酚醛塑料等，但在塑料上電鍍前，必須經(jīng)過特殊的活化和敏化處理。鍍層大多是單一金屬或合金，如鋅、鉻、金、銀、鎳、銅、銅鋅合金（黃銅）、銅錫合金（青銅）、鉛錫合金、鎳磷合金、金銀合金等。

南航劉志東主編132

1324.電鍍的方式電鍍具有掛鍍、滾鍍、連續(xù)鍍、刷鍍和噴鍍等形式，主要與待鍍件的尺寸和批量有關(guān)。掛鍍適用于一般尺寸的制品，如汽車的車身、保險杠等；滾鍍適用于小件，如緊固件、墊圈、銷子等；連續(xù)鍍適用于成批生產(chǎn)的線材和帶材；刷鍍和噴鍍適用于局部鍍或表面修復(fù)。南航劉志東主編133

133鍍鉻零件

車身掛鍍生產(chǎn)過程

南航劉志東主編134

1345.電鍍分類

從電鍍層的使用功能考慮，鍍層分為裝飾保護性鍍層和功能性鍍層兩類。輪轂鍍鎳裝飾舊銀器鍍銀修復(fù)南航劉志東主編135耐磨及耐腐蝕鍍層南航劉志東主編136

1366.復(fù)合電鍍

通過電化學(xué)法使金屬離子與均勻懸浮在溶液中的不溶性非金屬或其他金屬微粒同時沉積而獲得復(fù)合鍍層的過程。這種電沉積過程形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)由金屬主相與彌散固體微粒相構(gòu)成，研究和應(yīng)用較多的金屬相是鎳、鉻、鈷、金、銀、銅等幾種金屬。碳-銀復(fù)合電鍍南航劉志東主編137

137落砂法共沉積過程示意圖電鍍金剛石工具南航劉志東主編138

1384.3.3電鑄加工

1.電鑄原理

電鑄成形（Electroforming）是電化學(xué)加工技術(shù)中的一項精密、增材制造技術(shù)，其電化學(xué)原理與電鍍基本一致，同為電化學(xué)陰極沉積過程，即在作為陰極的原模（芯模）上，不斷還原、沉積金屬正離子而逐漸成形電鑄件。電鑄是利用金屬的電沉積原理來精確復(fù)制某些復(fù)雜或特殊形狀工件的特種加工方法。南航劉志東主編139

139電鑄加工原理示意圖

南航劉志東主編140

1402.電鑄優(yōu)點

具有超高精度的復(fù)制能力，能夠準確、精密地復(fù)制復(fù)雜型面和細微紋路，這是其它加工工藝難以比擬的；能夠獲得尺寸精度非常高、表面粗糙度Ra0.1μm的復(fù)制品，由同一原模生產(chǎn)的電鑄制品一致性好；借助石膏、蠟、環(huán)氧樹脂、低熔點合金、不銹鋼和鋁等材料，可以方便、快捷地把復(fù)雜工件的內(nèi)、外表面復(fù)制變換成對應(yīng)的“反”面，便于實施電鑄工藝，并大大拓展了電鑄工藝的適用范圍；南航劉志東主編141容易得到由不同材料組成的多層、鑲嵌、中空等異形結(jié)構(gòu)的制品；能夠在一定范圍調(diào)節(jié)沉積金屬的物理性質(zhì)?？梢酝ㄟ^改變電鑄件、電鑄液組分的方法，來調(diào)節(jié)沉積金屬的硬度、韌性和拉伸強度等；還可以采用多層電鑄、合金電鑄、復(fù)合電鑄等特殊方法，使成形的工件具有其它工藝方法難以獲得的理化性質(zhì)；可以用電鑄方法連接某些難以焊接的特殊材料。

141南航劉志東主編142

1423.電鑄不足目前，電鑄工藝存在的主要不足之處是電鑄速度低、成形時間長；此外，當參數(shù)控制不當時，某些金屬電鑄層的內(nèi)應(yīng)力有可能使制品在電鑄過程中途或者在與原模分離時變形、破損，甚至根本無法脫模；對于形狀、尺寸各異的電鑄對象，需要具有較豐富實踐經(jīng)驗和熟練技能的操作人員具體分析處理、操作，有一定難度。南航劉志東主編143

1434.電鑄速度提高措施

快速液流法

通過電鑄液的快速流動，提高轉(zhuǎn)質(zhì)速度，加強原模與電鑄液交界面的流場運動，降低擴散層厚度，從而提高允許的極限電流密度，加快金屬沉積效應(yīng)。常用的方法有平行液流法和噴射液流法。平行液流法流場示意圖南航劉志東主編144

144陰極原模運動法

這種方法目的就是通過陰極原模的運動，提高原模與電鑄液交界面的相對運動速度，降低擴散層厚度，從而提高允許的極限電流密度，加快金屬沉積效應(yīng)。

南航劉志東主編145

145輔助摩擦法

在電鑄過程中，使用固體絕緣顆粒連續(xù)或間歇摩擦陰極原模沉積作用面，也能減小或消除擴散層，使陰極原模沉積作用面迅速得以補充金屬離子，從而提高沉積速度。同時，這一方法還能增強陰極原?；罨?，改善整平作用，消除結(jié)瘤及樹枝狀沉積層的生成。最常用的摩擦陰極原模沉積作用面法是美國Norton公司發(fā)明的NET法，主要分為兩種：NET-Ⅰ法與NET-Ⅱ法。南航劉志東主編146

1465.電鑄應(yīng)用舉例

陰極原模脫