第7章电解加工(2)

1、第七章第七章 电解加工电解加工 第一节第一节 电解加工电解加工原理原理及其特点及其特点 第二节第二节 电解加工工艺电解加工工艺 第三节第三节 电解加工的应用电解加工的应用 第一节第一节 电解加工原理及其特点电解加工原理及其特点 电解加工又称电化学加工电解加工又称电化学加工( Electrochemical Machining)，它是利用金属在外电场作用下的高，它是利用金属在外电场作用下的高 速局部阳极溶解过程，实现金属成型加工的特种速局部阳极溶解过程，实现金属成型加工的特种 加工工艺。加工工艺。 电解加工与一般金属切削工艺比较具有以下特点：电解加工与一般金属切削工艺比较具有以下特点： u能同时

2、进行三维加工（型孔，型面，型腔）能同时进行三维加工（型孔，型面，型腔） u与被加工材料的机械性质如硬度、韧性、强度与被加工材料的机械性质如硬度、韧性、强度 无关无关 u加工时，工件不与刀具加工时，工件不与刀具( (阳极阳极) )接触，不产生切接触，不产生切 削削 力，切削热，可避免产生毛刺和切削刀痕。力，切削热，可避免产生毛刺和切削刀痕。 缺点缺点：加工粘度较低，工艺不够稳定，设备庞大，：加工粘度较低，工艺不够稳定，设备庞大， 昂贵，加工产物难以处理。昂贵，加工产物难以处理。 电解加工与其它工业电化学过程比较具有三个特点：电解加工与其它工业电化学过程比较具有三个特点： （ 1 ） 电 极 反

3、应 速 度 高 ， 电 流 密 度 大 （ 可 达电 极 反 应 速 度 高 ， 电 流 密 度 大 （ 可 达 500800A/cm2) )。 （2）电极间距离甚小，一般约为电极间距离甚小，一般约为0.11mm。而且。而且 为了保持高的加工电流密度，必须依靠阴极进给，为了保持高的加工电流密度，必须依靠阴极进给， 维持均匀细小的间隙。维持均匀细小的间隙。 （3）电解液流速高（电解液流速高（560m/s) )、流量大。只有高、流量大。只有高 流速、大流量的电解液，才能满足足够的传质速度，流速、大流量的电解液，才能满足足够的传质速度， 以供给反应物，排除阳极溶解产物和大量的焦耳热。以供给反应物，排

4、除阳极溶解产物和大量的焦耳热。 电解加工原理电解加工原理 电解加工示意图电解加工示意图 11直流电源直流电源 22工具阴极工具阴极 33工工 件阳极件阳极 44电解液泵电解液泵 55电解液电解液 加工时，工件接电源正极，加工时，工件接电源正极， 按一定形状要求制成的工具接按一定形状要求制成的工具接 负极，工具电极向工件缓慢进负极，工具电极向工件缓慢进 给，并使两极之间保持较小的给，并使两极之间保持较小的 间隙，利用电解液泵在间隙中间隙，利用电解液泵在间隙中 间通以高速（间通以高速（5 550m/s50m/s）流动）流动 的电解液。的电解液。 在工件与工具之间施加一定在工件与工具之间施加一定 电

5、压，阳极工件的金属被逐渐电压，阳极工件的金属被逐渐 电解蚀除，电解产物被电解液电解蚀除，电解产物被电解液 带走，直至工件表面形成与工带走，直至工件表面形成与工 具表面基本相似的形状为止。具表面基本相似的形状为止。 电解加工的原理电解加工的原理 a) b)a) b) 电解加工成形原理电解加工成形原理 u细竖线表示通过阳极和阴细竖线表示通过阳极和阴 极间的电流。竖线的疏密程极间的电流。竖线的疏密程 度表示电流密度的大小。度表示电流密度的大小。 u加工开始时，工件阳极与加工开始时，工件阳极与 工具阴极的形状不同，工件工具阴极的形状不同，工件 表面上各点至工具表面的距表面上各点至工具表面的距 离不等，

6、因而各点的电流密离不等，因而各点的电流密 度不等。度不等。 u阳极与阴极距离较近的地方通过的电流密度较大，电解液的阳极与阴极距离较近的地方通过的电流密度较大，电解液的 流速较高，阳极溶解的速度较快，而距离较远的地方，电流密流速较高，阳极溶解的速度较快，而距离较远的地方，电流密 度小，阳极溶解就慢。由于工具相对工件不断进给，工件表面度小，阳极溶解就慢。由于工具相对工件不断进给，工件表面 上各点就以不同的溶解速度进行溶解，电解产物不断被电解液上各点就以不同的溶解速度进行溶解，电解产物不断被电解液 冲走，直至工件表面形成与工具表面基本相似的形状为止。冲走，直至工件表面形成与工具表面基本相似的形状为止

7、。 电极过程电极过程 1.1.阳极过程阳极过程 取决于金属的本性，电解液性质以及反应条件。取决于金属的本性，电解液性质以及反应条件。 电解加工时由于使用两类不同的电解液，其阳极过程电解加工时由于使用两类不同的电解液，其阳极过程 各具特点各具特点 ： u活化型电解液（多为活化型电解液（多为NaCl水溶液）：金属保持正常水溶液）：金属保持正常 的活化溶解，不致发生阳极钝化。的活化溶解，不致发生阳极钝化。 u钝化型电解液（包括钝化型电解液（包括NaNO3或或NaClO3水溶液）：金水溶液）：金 属阳极处于钝态和过钝化状态。属阳极处于钝态和过钝化状态。 钢在钢在NaCl水溶液中电解加工的电极反应水溶液

8、中电解加工的电极反应 阳极反应阳极反应: : Fe - 2e - 2e Fe2+ Fe - 3e - 3e Fe3+ 4OH- - 4e - 4e O2+2H2O 2Cl- - 2e - 2e Cl2 Fe2+2OH- Fe（OH）2 （墨绿色的絮状物（墨绿色的絮状物 ） 4Fe（OH）2 2+ + 2H2O+ O2 4F（OH）3 （黄褐（黄褐 色沉淀）色沉淀） 2.2.阴极过程阴极过程 由于电解加工使用的电解液为碱金属盐类，其阳由于电解加工使用的电解液为碱金属盐类，其阳 离子的电极电位很负，电解加工时一般不会在阴极表离子的电极电位很负，电解加工时一般不会在阴极表 面放电，因此电解加工的阴极

9、过程基本为氢离子的还面放电，因此电解加工的阴极过程基本为氢离子的还 原、析出氢气的电化学反应。这对于保持阴极形状与原、析出氢气的电化学反应。这对于保持阴极形状与 尺寸不变、长期稳定使用是有利的。尺寸不变、长期稳定使用是有利的。 阴极反应阴极反应: : 2H+ + 2e 2e H2 Na+ + e + e Na 按照电极反应的基本原理，电极电位较正的粒子按照电极反应的基本原理，电极电位较正的粒子 将首先在阴极反应。因此，在阴极上只会析出氢气，将首先在阴极反应。因此，在阴极上只会析出氢气， 而不可能沉淀出钠。而不可能沉淀出钠。 流体动力学特点流体动力学特点 u由于电解加工的电流密度高，因而需要采用

10、强制对由于电解加工的电流密度高，因而需要采用强制对 流来满足传质和传热要求。在很小的电极间隙内电解流来满足传质和传热要求。在很小的电极间隙内电解 液流速高达每秒数十米，相应的雷诺数常达到液流速高达每秒数十米，相应的雷诺数常达到20000 以上。以上。 u 阴极反应大量析出氢气，可使溶液中充气率达到阴极反应大量析出氢气，可使溶液中充气率达到 3050。因此，电解加工的电解液实际上是高速流。因此，电解加工的电解液实际上是高速流 动的高分散度的气液两相流体系。动的高分散度的气液两相流体系。 电流分布的特殊要求电流分布的特殊要求 u一般工业电化学过程为了充分利用电极表面的活性物一般工业电化学过程为了充

11、分利用电极表面的活性物 质或电催化能力，都要求电极表面的电流密度均匀分布。质或电催化能力，都要求电极表面的电流密度均匀分布。 电解加工：要求阳极电流密度和金属溶解不均匀，竭力电解加工：要求阳极电流密度和金属溶解不均匀，竭力 加大阳极表面距阴极表面间隙不等的两点的溶解速度的加大阳极表面距阴极表面间隙不等的两点的溶解速度的 差别，以使电极反应（金属阳极溶解）局限在特定的区差别，以使电极反应（金属阳极溶解）局限在特定的区 间和间隙下进行，形成一定形状和尺寸的型孔、型面或间和间隙下进行，形成一定形状和尺寸的型孔、型面或 型腔，实现金属的成型加工。型腔，实现金属的成型加工。 电极反应局部的集中程度越高，

12、即电流分布越不均电极反应局部的集中程度越高，即电流分布越不均 匀，电解加工精度就越高。因此使用分散能力低的电匀，电解加工精度就越高。因此使用分散能力低的电 解液有利于提高电解加工的精度。解液有利于提高电解加工的精度。 电解加工工艺包括：电解加工工艺包括： 一、一、 加工间隙的加工间隙的形成形成与控制；与控制； 二、二、 电解液与工艺参数的选择；电解液与工艺参数的选择； 三、三、 阴极的设计与制造。阴极的设计与制造。 第二节第二节 电解加工工艺电解加工工艺 一、加工间隙一、加工间隙 加工间隙：阳极与阴极的距离。决定加工精度，加工间隙：阳极与阴极的距离。决定加工精度， 是电解加工水平的表征。加工间

13、隙愈小，愈均匀，是电解加工水平的表征。加工间隙愈小，愈均匀， 加工精度愈高。加工精度愈高。 早期：加工间隙为早期：加工间隙为0.20.5mm； 目前：加工间隙为目前：加工间隙为0.050.1mm； 1.1.加工间隙的形成：加工间隙的形成： 电解加工两个电极的相对电解加工两个电极的相对 位置是不断变化的，阳极位置是不断变化的，阳极 不断溶解，阴极不断进给。不断溶解，阴极不断进给。 加工开始：初始间隙，阴加工开始：初始间隙，阴 极的进给速度大于金属溶极的进给速度大于金属溶 解速度，加工间隙不断减解速度，加工间隙不断减 小，引起溶解速度增大，小，引起溶解速度增大， 直到二者相等，电极间距直到二者相等

14、，电极间距 离不再变化，对应的间隙离不再变化，对应的间隙 为平衡间隙（为平衡间隙（0.10.5mm）。）。 2. 2. 间隙的影响因素间隙的影响因素： 被加工材料的性质。材料不同，体积电化当量被加工材料的性质。材料不同，体积电化当量 不同，同时阳极溶解的电流效率也变化。不同，同时阳极溶解的电流效率也变化。 电解液的性质。主要是电导率，取决于电解液电解液的性质。主要是电导率，取决于电解液 的组成、浓度、温度、流速和充气率。的组成、浓度、温度、流速和充气率。 电极反应的特点。决定加工电压和电流效率。电极反应的特点。决定加工电压和电流效率。 加工条件。如：加工电压及进给速度。加工条件。如：加工电压及

15、进给速度。 二、电解液二、电解液与工艺参数的选择与工艺参数的选择 2-1 2-1 电解液的选择电解液的选择 正确选择电解液是电解加工的主要工艺问题之一。正确选择电解液是电解加工的主要工艺问题之一。 电解液的作用：与被加工材料组成进行电化学反电解液的作用：与被加工材料组成进行电化学反 应的电化学体系；供给反应物，带走反应产物；应的电化学体系；供给反应物，带走反应产物； 带走加工时带走加工时 产生的大量焦耳热。产生的大量焦耳热。 电解液的要求：电解液的要求： (1)(1)能使被加工材料高速阳极溶解；能使被加工材料高速阳极溶解； (2)(2)具有低分散力；具有低分散力； (3)(3)能使金属溶解后获

16、得良好的表面质量；能使金属溶解后获得良好的表面质量； (4)(4)溶液中不含能在阴极上沉积的离子；溶液中不含能在阴极上沉积的离子； (5)(5)具有较高的电导率和稳定性；具有较高的电导率和稳定性； (6)(6)安全安全, ,无毒无毒, ,价廉。价廉。 目前在电解加工中应用的电解液主要有三类：目前在电解加工中应用的电解液主要有三类： 氯化钠电解液氯化钠电解液: :蚀除速度快，加工表面光滑，适用蚀除速度快，加工表面光滑，适用 各种电解加工；各种电解加工； 硝酸钠电解液硝酸钠电解液: :散蚀能力小，成形精度高，生产率散蚀能力小，成形精度高，生产率 低，适用于有色金属及精度较高的电解加工；低，适用于有

17、色金属及精度较高的电解加工； 氯酸钠电解液氯酸钠电解液: :特点居于上述两者之间，生产率高，特点居于上述两者之间，生产率高， 对设备腐蚀作用很小。但价格昂贵，需注意安全防火。对设备腐蚀作用很小。但价格昂贵，需注意安全防火。 常常 见见 金金 属属 材材 料料 电电 解解 加加 工工 使使 用用 的的 电电 解解 液液 2-2 2-2 工艺参数的选择工艺参数的选择 工艺参数：加工电压工艺参数：加工电压、阴极进给速度阴极进给速度 u加工电压：加工电压：1020V u进给速度：根据加工对象的特点及加工要求决定。进给速度：根据加工对象的特点及加工要求决定。 如：等截面的穿孔加工，如：等截面的穿孔加工，

18、25mm/min；变截面的；变截面的 型面、型腔加工，型面、型腔加工， 12mm/min。 选择阴极进给速度时，应注意两个问题：选择阴极进给速度时，应注意两个问题： （1）确定可调整的进给速度区间，即估算最大的进给）确定可调整的进给速度区间，即估算最大的进给 速度。速度。 首先：获得最大的电流密度。首先：获得最大的电流密度。 其次：了解电流效率与电流密度的关系。其次：了解电流效率与电流密度的关系。 只有在只有在随随i提高而增大时，可通过提高提高而增大时，可通过提高i增大金属的溶增大金属的溶 解速度，当解速度，当i达到一定值后，达到一定值后，如果下降，将导致溶解速如果下降，将导致溶解速 度小于进

19、给速度，发生短路，加工不能正常进行。度小于进给速度，发生短路，加工不能正常进行。 直流电源的最大输出直流电源的最大输出 电流电流 工件的投影面积工件的投影面积 （2）在上述区间内选择合适的进给速度，主要应根据）在上述区间内选择合适的进给速度，主要应根据 加工要求（速度和精度）进行。加工要求（速度和精度）进行。 u注重加工速度时，应选择较高的进给速度并相应提注重加工速度时，应选择较高的进给速度并相应提 高加工电压，以在较大的平衡间隙下安全加工。高加工电压，以在较大的平衡间隙下安全加工。 u当注重加工精度时，应首先考虑在较小的平衡间隙当注重加工精度时，应首先考虑在较小的平衡间隙 下加工，此时应适当

20、降低加工电压，并保持较高的进下加工，此时应适当降低加工电压，并保持较高的进 给速度。给速度。 三、三、阴极的设计和制造阴极的设计和制造 1.1.阴极的设计阴极的设计 电解加工是一种金属成型加工工艺，阴极的形状和电解加工是一种金属成型加工工艺，阴极的形状和 尺寸将决定被加工零件能否达到成型精度，因此阴极的尺寸将决定被加工零件能否达到成型精度，因此阴极的 设计颇为重要，它包括两方面的工作：设计颇为重要，它包括两方面的工作： （1 1）阴极形状与尺寸的设计；）阴极形状与尺寸的设计； （2 2）阴极流场的设计。）阴极流场的设计。 根据工件设计阴极，关键是根据工件设计阴极，关键是掌握电解加工的成型规律掌

21、握电解加工的成型规律。 即加工过程中的电流分布、金属溶解速度的分布和加即加工过程中的电流分布、金属溶解速度的分布和加 工间隙的分布。迄今尚无成熟的数学模型与计算方法，工间隙的分布。迄今尚无成熟的数学模型与计算方法， 只能进行半经验设计，即通过试验，修正阴极，直到只能进行半经验设计，即通过试验，修正阴极，直到 达到加工要求。达到加工要求。 保证加工区域获得稳定、均匀及足够的电解液，满足电极过程的保证加工区域获得稳定、均匀及足够的电解液，满足电极过程的 传质及传热要求。传质及传热要求。包括电解液流动方式的选择以及决定阴极出液包括电解液流动方式的选择以及决定阴极出液 槽的形状、尺寸及分布。槽的形状、

22、尺寸及分布。 平行流动的流程较为均匀一致，同一流程长平行流动的流程较为均匀一致，同一流程长 度上的流速接近，加工间隙内的充气率和电度上的流速接近，加工间隙内的充气率和电 导率的变化较有规律，因此加工间隙较均匀，导率的变化较有规律，因此加工间隙较均匀， 有利于提高加工精度。有利于提高加工精度。 侧向流动的结构侧向流动的结构: 用于叶片等零件加工和浅模腔的修复。用于叶片等零件加工和浅模腔的修复。 工具电极的结构：工具电极的结构： 正向流动的结构正向流动的结构: 密封装置简单，加工精度较低；密封装置简单，加工精度较低； 反向流动的结构反向流动的结构: 密封装置复杂，加工精度较高；密封装置复杂，加工精

23、度较高； 2.2.阴极的材料阴极的材料 电解加工的阴极材料要求电导率高、耐腐蚀、具电解加工的阴极材料要求电导率高、耐腐蚀、具 有一定机械强度及尺寸稳定性、易加工及修复、耐有一定机械强度及尺寸稳定性、易加工及修复、耐 烧蚀、价廉等。烧蚀、价廉等。 通常使用的阴极材料包括：黄铜、碳钢、不锈钢通常使用的阴极材料包括：黄铜、碳钢、不锈钢 黄铜：导电性及机械性能皆好，又易加工，并较耐蚀。黄铜：导电性及机械性能皆好，又易加工，并较耐蚀。 不锈钢：导电性较差，但耐腐蚀性较好，且适用于反不锈钢：导电性较差，但耐腐蚀性较好，且适用于反 拷法加工。拷法加工。 碳钢碳钢：价廉易得，易修复，但耐腐蚀性和导电性较差。价

24、廉易得，易修复，但耐腐蚀性和导电性较差。 3.3.阴极的制造阴极的制造 阴极的制造有两类方法：阴极的制造有两类方法： （1 1）一般的机械加工方法。包括机加工及钳工的）一般的机械加工方法。包括机加工及钳工的 修正。修正。 （2 2）反拷法。以已成型的工件为阴极，阴极毛坯）反拷法。以已成型的工件为阴极，阴极毛坯 为阳极，通电电解，阳极溶解，得到与工具相反为阳极，通电电解，阳极溶解，得到与工具相反 的型面，遂完成阳极的制造。的型面，遂完成阳极的制造。 第三节第三节 电解加工应用电解加工应用 可用于加工各种复杂型腔、型孔、型面可用于加工各种复杂型腔、型孔、型面( (如叶片如叶片) ) 以及深孔和套料

25、等，在大批大量生产中可用来去毛以及深孔和套料等，在大批大量生产中可用来去毛 刺。刺。 电解加工应用举例电解加工应用举例 一、一、 型孔和套料加工型孔和套料加工 包括各种异型孔（非圆孔）、花键孔、枪炮膛线、包括各种异型孔（非圆孔）、花键孔、枪炮膛线、 内齿、链轮和整体叶轮等的电解加工。内齿、链轮和整体叶轮等的电解加工。 异型孔：电解加工可一次成型，提高生产效率。异型孔：电解加工可一次成型，提高生产效率。 花键孔：电解加工可节省昂贵的拉刀，并提高光洁度花键孔：电解加工可节省昂贵的拉刀，并提高光洁度 和生产率。进给速度可达到每分钟数十米，加工精度和生产率。进给速度可达到每分钟数十米，加工精度 达达0

26、.035mm。 整体叶轮：采用电解加工可将每个叶片以套料方式加整体叶轮：采用电解加工可将每个叶片以套料方式加 工，效率大为提高，工件的加工精度及光洁度也能达工，效率大为提高，工件的加工精度及光洁度也能达 到要求。到要求。 二、二、 型面加工型面加工 包括：航空发动机叶片、透平机叶片及其他异型面的包括：航空发动机叶片、透平机叶片及其他异型面的 加工。由于形状复杂、扭角大、材质特殊（如耐热合加工。由于形状复杂、扭角大、材质特殊（如耐热合 金、钛合金），采用一般机械加工时，工序多，道具金、钛合金），采用一般机械加工时，工序多，道具 磨损大、效率低。采用电解加工则可一次成型，效率磨损大、效率低。采用电

27、解加工则可一次成型，效率 大大提高，进给速度可达大大提高，进给速度可达0.21.0mm/min , ,加工精度加工精度 可达到可达到0.05mm。 叶片电解加工可采用单面加工和双面加工两种方式，叶片电解加工可采用单面加工和双面加工两种方式， 其阴极大多用标准叶片反拷制作，为提高加工精度，其阴极大多用标准叶片反拷制作，为提高加工精度， 还可采用混气加工。还可采用混气加工。 三、三、 型腔加工型腔加工 对复杂的型腔进行三维加对复杂的型腔进行三维加 工，一次成型，是电解加工，一次成型，是电解加 工的成功应用。其中最典工的成功应用。其中最典 型的是煅模加工，如中国型的是煅模加工，如中国 长春第一汽车厂和洛阳拖长春第一汽车厂和洛阳拖 拉机厂约有拉机厂约有4050%的煅模的煅模 加工采用电解加工工艺，加工采用电解加工工艺， 精度达到精度达到0.05mm。 四、电解法去毛刺及电解倒角四、电解法去毛刺及电解倒角 采用一般