特种加工技术第4章电化学加工

1、第四章第四章 电化学加工电化学加工4.1 电化学加工的原理、特点和分类电化学加工的原理、特点和分类电化学加工（Electron-Chemical Machining，ECM）是在电的作用下，在阴阳二极产生得失电子的电化学反应，而去除材料（阳极溶解）或在工件材料上镀覆材料（阴极沉积）的加工方法。在1834年法拉第发现了电化学作用原理后，又先后发现电镀、电铸、电解加工等电化学加工方法，并在工业上得到广泛应用。伴随着高新技术的发展，复合电解加工、细微电化学加工、精密电铸、激光电化学加工等也迅速发展起来，目前，电化学加工已在国防工业、汽车工业、机械工业等发挥着越来越重要的作用。原理特点分类图图4-1

2、电化学加工原理电化学加工原理ieei211阳极；2阴极OHClHCu2电化学加工原理加工过程电解质溶液电极电位电极极化活化和钝化 将两片铜片作为电极，接上约12 V的直流电，并浸入CuCl2的水溶液中，电解质中的离子将作定向运动，Cu2+离子将向阴极（负极）移动，并在阴极得到电子，还原成铜原子而沉积在阴极表面。相反，在阳极表面不断有铜原子失去电子，变成Cu2+离子而进入溶液（溶解）。其实，任何两种不同的金属放入任何导电的水溶液作，在电场的作用下都会有类似的情况发生。阳极表面失去电子（氧化反应）产生阳极溶解、蚀除，称为电解；阴极得到电子（还原反应）金属离子还原成为原子，沉积到阴极表面，称为电镀。

3、溶于水或在熔融状态下能导电的物质称为电解质，如盐酸、氢氧化钠、氯化钠等。电解质与水形成的溶液称为电解质溶液（简称电解液）。能够在水中100%电离的电解质称为强电解质，如强酸、强碱和大多数盐，不能100%电离的电解质称为弱电解质，如氨、醋酸等只能部分电离，大部分还是以分子形式存在。水本身也是弱电解质，水分子也可以部分电离为H+和OH。由于溶液中正负离子的数量相等，所以电解质溶液呈现出中性。电极电位金属的组成是金属离子叠累而成，外层的电子为自由电子。当金属和金属原子组成的盐溶液接触时，水的负极端就吸附到金属正离子形成水化离子，水的动能超过一定值时就克服金属对该离子的约束跑到溶液中去，电子失去。当然

4、，溶液中的离子也有可能因动能不够而被金属俘获，得到电子变成原子。这是个动态平衡过程。当金属活泼性大时，因留下的电子带上负电，附近的溶液里带正电，形成了双电层（图4-2)，当金属的活泼性越强，则这种趋势越强；反之，如果金属活泼性很差，则金属带正电，而溶液带负电。一种金属与其盐溶液之间的电极电位无法直接测量，但是盐桥法可以测量出两种不同电极电位的差。元素在25时的标准电极电位，把金属放在此金属离子的有效质量浓度为1 g/L的溶液中，此电极的电位与标准氢电极的电位差，作为标准电极电位，用U0表示。图图4-2 双电层结构和电位分布双电层结构和电位分布电极氧化态/还原态电极反应电极电位 VK+/KK+e

5、 K-2.925Ca2+/CaCa+2e Ca-2.84Na+/NaNa+e Na-2.713Ti2+/TiTi+2+2e Ti-1.75Al3+/AlAl3+3e Al-1.66V3+/VV3+3e V-1.5Mn2+/MnMn2+2e Mn-1.05Zn2+/ZnZn2+2e Zn-0.763Cr3+/CrCr3+3e Cr-0.71Fe2+/FeFe2+2e Fe-0.44Co2+/CoCo2+2e Co-0.27Ni3+/NiNi3+3e Ni-0.23Mo3+/MoMo3+3e Mo-0.20Sn2+/SnSn2+2e Sn-0.14Pb2+/PbPb2+2e Pb-0.126Fe3

6、+/ FeFe3+3e Fe-0.036H+/HH+e H0Cu2+/CuCu2+2e Cu+0.34O2 / OHH2 O+ 1/2O2 +2e 2OH+0.401Cu+/CuCu+e Cu+0.522Fe3+/ Fe2+Fe3+e Fe2+0.771Ag+/AgAg+e Ag+0.7996Mn4+/ Mn2+MnO2+4H+2e Mn2+2H2 O+1.208Cr6+/ Cr3+Cr2O72-+14H+6e Cr3+7H2 O+1.33Cl2 / ClCl2 +2e 2Cl+1.3583Cr7+/ Cr2+MnO4-+8H+5e Mn2+4H2 O+1.491F2 / FF2 +2e 2F

7、+2.87表表4-1 常用离子在常用离子在25时的标准电极电位时的标准电极电位双电层是动态平衡，如果在溶液中还有一片金属，其与溶液之间也产生双电层，也处于平衡。用电源把二者连接起来动态平衡就会打破，使阳极的电位向正移，而阴极的电位向负移，这种现象叫电极极化。极化后的电极电位和平衡电极电位的差值称为超电位，随着电流密度的增加，超电位也会增加。电极极化图图4-3 电极极化曲线电极极化曲线浓差极化电化学极化如果电化学反应进行很快，阳极表面的金属离子扩散迁移缓慢，使阳极表面造成金属离子堆积，引起电位增大，这就是浓差极化。凡能加速电极表面离子的扩散和迁移的措施，都能减小浓差极化，如提高电解液流动速度、加

8、强搅拌、升高电解液温度等。电化学极化也叫活化极化，电源的电子来不及转移给氢离子，在阴极上积累过多的电子，使阴极电位向负移，从而形成电化学极化。当阳极上产生析氧反应时，会产生严重的电化学极化。电解液温度升高，反应速度加快，电化学极化减小；电流密度越高，电化学极化也越严重。活化和钝化活化和钝化活化钝化钝化极化是由于电化学反应过程中，阳极表面生成一层钝化性氧化膜、吸附膜，使电流通过困难，因而引起阳极电位的升高。钝化的原因主要有两种解释。成相理论认为：金属与溶液作用后在金属表面上形成了一层紧密的极薄的粘膜，通常有氧化物、氢氧化物和盐组成，从而使金属表面失去原来具有的活性，使溶解缓慢。吸附理论认为：金属

9、的钝化是由于金属表面形成了氧的吸附膜引起的。事实上这两种因素兼而有之，在不同的条件下可能某一种会占主导。对不锈钢钝化膜的研究可知，合金表面的大部分覆盖着薄而密的粘膜，而膜的下面及其空隙中，则牢固吸附着氧原子和氧离子。使金属钝化膜破坏的过程称为活化。引起活化的因素很多，主要有三种：把电解液加热，加还原性其他或加活性离子，机械方法破坏钝化膜。分类特点1）可对任何金属材料进行形状、尺寸和表面加工。如加工高温合金、钛合金、淬硬钢、硬合金等难加工材料时，优点尤其突出。2）加工中无机械切削力和切削热的作用，故加工后无表面冷硬层、残余应力以及毛刺和棱边。3）工具电极无磨损，但要防止阴极沉积现象对工具电极的影

10、响。4）可以在大面积上同时进行，无需划分粗、精加工，因此生产率较高。5）电化学加工产生的产物，对环境、设备有污染和腐蚀作用。类别加工方法及原理应 用电解加工(阳极溶解)电化学抛光(阳极溶解)用于形状、尺寸加工用于表面加工、去毛刺电镀(阴极沉积)涂镀(阴极沉积)电铸(阴极沉积)复合镀(阴极沉积)用于表面加工、装饰用于表面加工、尺寸修复用于形状尺寸加工、复制用于表面加工、磨具制造电极磨削，包括电解研磨、电解珩磨(阳极溶解、机械磨削)电解放电加工(阳极溶解、电火花蚀除)用于形状尺寸加工、光整加工用于形状尺寸加工、直流电源加工机床4.2 4.2 电化学加工设备及其组成电化学加工设备及其组成工具和工装电

11、解液循环电化学机床中常用的电源是硅整流电源及晶闸管电源。硅整流电源先用变压器将380 V的交流电变成低电压的交流电，再用ZCZ型大功率二极管整流。为了能无级调压，目前采用：扼流式饱和电控器调压；自饱和电控器调压；晶闸管调压。电化学加工机床要求能安装夹具、工件和阴极工具，并实现相对运动，传送直流电和电解液。与金属切削机床相比区别：1）没有机械切削力，但工具和工件系统须有一定的刚度。2）进给速度稳定性。进给速度不稳定，阴极相对工件的各个截面的电解时间不同，影响加工精度。3）电化学加工产生大量的气体，不及时排除可能引起短路爆炸，必须采取排氢防爆措施。4）电解液系统、机床部件等应具有良好的密封性能。直

12、流电源加工机床工具和工装电解液循环1）阴极形状尺寸精度影响到加工精度，表面的粗糙度影响零件表面粗糙度。工具材料：铝、黄铜、青铜、紫铜、石墨、不锈钢、镍铜合金等。常用锻造和电铸。2）工件必须是良导体，工件材料的化学特性对材料切除率有很大的影响。3）夹具是由绝缘材料做出的，夹具材料常用环氧树脂和玻璃纤维。也可用有机玻璃和聚氯乙烯。具有良好的热稳定性和低湿性，工具和工件之间绝缘。1）介质过滤法：常用100-200#的尼龙丝网，它制造容易、成本低、效果好。2）沉淀法：自然沉淀速度慢，占地大，可用倒锥形漏斗，降低流速，以保证过滤充分。图图4-4 电解液系统示意图电解液系统示意图1电解液槽；2过滤网；3管

13、道；4电动机；5泵；6加工区；7过滤器；8安全阀；9压力表；10阀门生产率影响因素4.3 4.3 电化学加工基本规律电化学加工基本规律加工精度和表面质量电化学当量电流密度电极间隙工件材料电解液KItMiva作用：通过足够的电解液，带走电解产物。获得足够的加工速度和加工精度。当电极间隙较大时，加工速度小，反之加工间隙小时，加工速度大，当然以不产生击穿为限。电解液作为导电介质传送电流，在电场作用下进行电化学反应，使阳极溶解顺利而可控。同时将电解产物和产生的热量排出。工件材料的成分不同，电化学当量不同，电极电位不同，形成的阳极膜的特性不同，溶解速度也就不同；金相组织不同，电流效率不同，溶解速度也不同

14、，其中单相组织的溶解速度快，多相组织则慢。加工精度表面质量加工精度和表面质量加工精度表面质量加工精度包括复制精度、绝对精度和重复精度。复制精度复制精度是指工件的形状和尺寸相对其阴极型面的偏差量。它是阴极设计和选择加工参数的重要基础。绝对精度绝对精度是指工件的形状和尺寸相对其设计图纸要求的偏差量。它取决于阴极型面精度和加工间隙大小及均匀性。重复精度重复精度是指用同一阴极加工出来的一批零件的形状和尺寸的偏差量。它取决于加工间隙的稳定性，工件和工具的安装误差也有影响。对粗糙度的影响对粗糙度的影响：工件材料、工具电极、电解液等。一般可达Ra1.25-0.016 mm。1）工件材料成分越复杂、组织越疏松

15、、晶粒越粗大，则加工表面粗糙度越差。2）工具电极越粗糙，加工表面越粗糙，加工间隙小时特别明显。3）电解液流速过低，电解产物和氢气不容易排出，影响均匀性；流速过高，流场不均匀，产生流纹等缺陷。对物理机械性能的影响对物理机械性能的影响：由于是阳极溶解，无切削力和变形，无残余应力和烧伤退火层等，工件的硬度、抗拉强度、延伸率等物理机械性能几乎不变。但可能产生晶间腐蚀、流纹、麻点、黑膜、烧伤等缺陷。4.4 4.4 电解加工电解加工加工原理加工设备电极反应质量规律电 解 液阴极设计应用实例原理特点工艺规律一般电解加工两极之间的间距较小为0.1-0.8 mm，电流密度较大为20-1500 A/cm2，电解液

16、压力较大为0.5-2 Mpa，电解液流速较高为5-50 m/s。优点优点：1）进给运动简单。2）不受材料机械性能限制。3）没有电极损耗。4）工具和工件之间没有宏观作用力。5）无需分粗、精加工，生产率高。6）加工表面质量较好。 局限性局限性：1）加工稳定性和加工精度难以控制。2）杂散腐蚀严重。3）工具电极的设计和制造要求高。4）设备投资大，设备的防腐、密封等要求较高。5）电解产物处理困难，而且有许多影响环保的因素。电解加工工艺规律电解加工过程中，电极上的物质之所以能产生溶解或析出等电化学反应，是因为电极和电解液间有得失电子，所以电化学反应量一定与电子交换的量（电荷量）成正比，而与其他条件，如温度

17、、压力、浓度等在理论上应当无关。加工速度加工间隙当电解加工的电解液和工具确定后，加工速度与电流密度成正比。提高电流密度是提高加工速度的最直接的方法，但是要注意电解液的流动速度必须相适应，也要注意电压过高而将间隙击穿。加工间隙作用：电解液能均匀流过，电解产物和热量及时排出。间隙均匀，大小稳定是高生产率和加工精度的保证，因为：1）间隙均匀：可使得电场和流场均匀。2）间隙大小：间隙过大，圆角大，精度低，电耗大；而间隙过小，电流密度增大，温度升高，电解产物排出困难，易短路。粗加工：0.3-0.9 mm；半精加工：0.2-0.6 mm；精加工：0.1-0.3 mm。3）间隙稳定：工作电压和电解液温度变化

18、，加工间隙也变化，零件加工精度降低。机床本体直流电源电解加工设备及基本条件电解加工设备及基本条件电解系统机床刚性防腐绝缘排 气进给稳定电解液在高速流动，工件表面积大，会产生20-40 kN的压力，需要机床本体和工具、工件系统具有足够的刚度。一般轴向变形小于0.1-0.2 mm，阴极板倾斜量小于1.5-2。进给速度的稳定影响到加工精度。要求保证进给速度的稳定性。正常：大于0.5 mm/min条件下，进给速度的变化小于5%；低速：0.2-0.05 mm/min其爬行量小于0.02 mm。主轴复位精度达到0.025 mm。DJS-202万安双头卧式电解机床DJL-202万安双头立式电解机床DJZ-2

19、立式振动电解机床DX3130立式电解机床DX3150立式电解机床加工表面类型三维型面三维型面三维型面三维型面三维型面加工面积 cm2单面 800双面 500500加工外廓尺寸 mm 模块最大长 1000叶片最大长度 500机匣叶轮外径 500L B H1000 1000 500最大孔径 mm250最大孔深 mm300最大加工电流A双面 100002单面 15000-200002000030002000（3000）5000（10000）额定电压 V20电解压力 MPa1.40.63额定工作液流量 m3/s0.0126(757L/min)0.04进给速度 mm/s0.025-0.416(0.1-2

20、5 mm/min)0.033-0.416(0.2-25 mm/min)0.025-0.416(0.1-25 mm/min)工作箱 mm13501000130020001500195010007601200900工作台尺寸 mm花岗岩5008009001000400300花岗岩400300花岗岩750500阴极安装板 mm500350650650300250500400主轴行程 mm单面 170 双面340400150200300表表4-4 国产电解加工机床的技术参数国产电解加工机床的技术参数表表4-5 常用的硅整流电源常用的硅整流电源电解加工是根据电化学原理，利用单向电流对阳极工件进行溶解加工

21、，由于两极间隙很小，因此必须采用低压大电流的直流电源供电。通常的电解加工用电是把交流电整流为直流电使用。目前常用的是硅整流电源直流电源型号交流输入直流输出稳压精度* %相数额定电压 V额定电压 V额定电流 AKGXS500/123380125001-2KGXS1000/2433802410001-2KGXS2000/2433802420001-2KGXS3000/2433802430001-2KGXS5000/2433802450001-2KGXS10000/24338024100001-2KGXS15000/123600024150001-2KGXS20000/123100002420000

22、1-2电解加工过程中，需要电解液系统向电解加工区连续、平稳地输送具有一定流量和温度的清洁电解液，因此，电解液系统是电解加工设备的重要组成部分。电解液系统由电解液泵、电解液槽、过滤器、热交换器和管道附件等组成。电解液泵电解液泵泵的作用是使电解液保持所需要的压力和流速，电解加工中采用的大多为离心泵和齿轮定量泵，一般按被加工零件沿周每毫米4.6 L/min估算泵的额定流量，额定压力取0.5-2 Mpa。考虑到泵的防腐，需要采用特殊耐腐蚀材料制成。电解液槽电解液槽电解液槽容量通常按1000 A电流取2-5 m3估算，小容量电解液槽做成箱式，大容量电解液槽做成池式，一般采用不锈钢或聚氯乙烯板焊接而成。过

23、滤器过滤器电解加工的电解产物混在电解液中，将引起加工的不稳定，影响加工质量，甚至引起短路。因此，必须及时将电解产物和杂质从电解液中分离出来，电解液的过滤通常采用自然沉淀、强迫过滤、离心过滤。热交换器及管道附件热交换器及管道附件为了使电解液保持适当的温度，有时需要进行电加热或蒸汽加热，或采用蛇形管道循环水冷却。所以管道附件，出保证压力和流量要求外，还有考虑防腐的要求。电解液系统电解液系统1）工件电极作用作用:复制所需形状和尺寸，保证电解液均匀流过间隙。要求要求:型面正确、结构合理、选材适宜、绝缘可靠、制造方便。避免产生电解液涡流和液流死区。表面粗糙度根据加工要求；电解槽易加工耐腐蚀。阴极非加工面

24、应绝缘，以免产生杂散电场，影响加工精度。工具电极和电解液工具电极和电解液2）电解液作用作用：1、为导电介质传递电流； 2、在电场作用下进行电化学反应，使阳极溶解顺利而可控； 3、及时带走加工间隙中的电解产物和热量，起更新和冷却作用。要求要求：1、有足够的蚀除速度。一电解质溶解和电离度高，导电性好；例如NaCl能完全电离。二阴离子的电极电位较正，以免产生析氧等副反应，降低电流效率。 2、有足够的加工精度和表面质量。金属阳离子不应沉积在工具电极上，以免改变工具电极的尺寸。 3、最终产物不溶性。便于处理阳极溶解下来的物质。电解加工小孔、窄缝时，则要求电解产物的可溶，否则很容易堵塞小孔和窄缝。此外，还

25、要注意绿色制造、环境保护、性能稳定、操作安全、腐蚀性弱等要求，电解加工钢件时，常用NaCl溶液的质量分数为14-18%。在NaCl水溶液中存在四种离子：H+，OH，Na+，Cl。1）能斯特公式：2）阳极反应： Fe-2e Fe2+ Fe-3e Fe3+ 4OH-4e H2O+ O2 Cl-2eCl2 Fe2+ + 2OHFe(OH)2 4Fe(OH)2 +2 H2 O+ O2Fe(OH)33）阴极反应: 2H+2e H2 Na+e Na4）电能利用：一部分是电解液电阻所产生的电压降（UR=IR），微观上将是克服离子扩散阻力的需要。另一部分是进行阳极和阴极反应所需的电压（Ua，Uc），是有阴阳两

26、极的电极电位和极化产生的超电位组成。电解加工时的电极反应电解加工时的电极反应anUUlg059. 0059. 0U323. 0U867. 0U334.1U42.0U69.2U电电 解解 液液作用与要求常用电解液加工的影响电解液流动NaCl溶液：1）Cl电极电位较正，Na+的电极电位较负，蚀除速度高、加工表面粗糙度好。2）完全电离，导电好，价格低、货源足，最为广泛。3）杂散腐蚀大，精度差。4）NaCl溶液质量分数45。杂散腐蚀：除加工区域正常电解溶解外，工件非加工侧面电场产生阳极溶解，产生侧面的腐蚀，影响加工精度。NaNO3溶液：1）钝化型，曲线AB段阳极电极电位升高电流密度增大；当阳极电位超过

27、B点后，由于钝化膜的形成使电流密度急剧减少。当电位超过D点，钝化膜开始破坏。2）电解时加工区处在超钝化状态，非加工区处于钝化状态，可减小杂散腐蚀，提高加工精度。3）切断间隙Ds；切断电流ia4）质量分数1.25 mm，粗糙度很好。3)溶解度很高，导电能力强，生产率高(NaNO3NaCl）。腐蚀也比较小。价格贵，氧化能力强，消耗ClO3离子，Cl增多。添加剂：如NaCl溶液的杂散腐蚀大，可加一些含氧酸盐，如磷酸盐，使产生钝化膜，提高成形精度。又如NaNO3精度虽高，电流效率较低，添加NaCl来平衡效率和精度。为改善加工表面质量，可添加络合剂、光亮剂、缓蚀剂等，如加少量NaF可以改善表面粗糙度。电

28、解液对加工参数的影响电解液对加工参数的影响1）电解液的参数除了成分外，电解液的质量分数越大、温度越高，则电导率越高，腐蚀能力越强。2）电解液温度一般60，常用30-40。NaCl质量分数10-15%，20%，加工精度要求高30%），加工精度降低，常用20%；而NaClO3为15-35%。3）质量分数变化原因一是水的电解和水的蒸发，二是ClO3和NO3减少。4）电解液的PH值随H2的逸出产生碱化，增加溶液的粘度，需要让溶液中的OH离子与溶液中的金属离子结合。加工材料电解液配方加工电压 V电流密度 A/dm各种碳钢、合金钢、耐热钢、不锈钢等NaCl 10-15%5-1510-200NaCl 10%

29、 + NaNO3 25%或NaCl 10% + NaClO3 30%10-1510-150硬质合金NaCl 15% + NaOH 15% + 酒石酸 25%15-2550-100铜和铜合金，铝合金NH4Cl 18% 或 NaNO3 12%15-2510-100表表4-6 电解液的配方和电参数电解液的配方和电参数电解液的流动电解液的流动1 1）流速）流速：电解液须具足够的速度，以将电解产物和热量及时带离加工间隙。流速一般10 m/s，当电流密度增大时，流速也需相应增大，否则易产生加工的缺陷。流速的改变是通过调节电解液泵的出水压力来实现。2 2）流向）流向：有正向流动、反向流动和横向流动。正向流动

30、正向流动：电解液从工具阴极中心流出，经由加工间隙四周流出。优点：密封简单，缺点：加工型孔侧面时电解产物多，影响加工精度和表面粗糙度。反向流动反向流动：电解液先从型孔周边流入，经间隙后从阴极中心吸出。优缺点相反。横向流动横向流动：电解液从一个侧面流入，另一个侧面流出，只用于浅型腔零件加工。3 3）流场）流场：间隙内处处均匀，绝对避免产生死水区或产生涡流。死水区易产生电火花或短路，影响加工精度和表面质量。提高加工精度的方法提高加工精度的方法电解加工质量的提高电解加工质量的提高常见缺陷分析常见缺陷分析1）影响加工精度的因素：机床刚度、进给机构精度及运动的平稳性、夹具结构与定位精度。电解液的清洁、流速

31、、压力和流向等，电解液的钝化性能强、浓度、温度、PH值小，则加工精度会高。工件材料和组织均匀，毛胚的余量均匀，则具有较好的精度和表面粗糙度，也可以提高加工精度。2）提高加工精度的主要途径序号影响因素具体措施1加工工件毛坯余量足够、均匀和稳定材料组织均匀工件表面清洁，没有油污和氧化皮2电解液电解液的电流效率特性良好严格控制浓度、温度和PH值采用复合电解液提高电解液的过滤效果3工具阴极正确而光洁的型面合适的流动方向和合理的出液口设计足够的刚度和强度正确可靠的安装定位4加工工艺参数尽可能采用高的进给速度足够的电解液压力和流速适当的背压5机床设备高的传动精度和机床刚度可靠的电源稳定性6其他脉冲电解、振

32、动进给混气电解提高加工精度的方法提高加工精度的方法3）混气电解电解液中混气可使加工间隙内的电极反应、流场分布和电流密度趋于均匀。特点是：A:提高了加工质量。混入气体电阻率增大，加工间隙小，压力高，气泡小，电阻率低，电解强；加工间隙大电解弱，提高复制精度。B:简化阴极设计。减小钳工修磨工作量。C:加工速度低,为一般电解加工的1/2-1/3。D:混气电解成型精度高，可用反拷法制造阴极，简化了阴极的设计和制造。混气电解例子混气电解例子：洛阳拖拉机厂加工发动机连杆锻压模具时，用原来的铣削工艺需加工56 h，采用不混气电解加工只需4 h，而采用混气电解时需要4.2 h，但是成型精度有了较大的提高，减小了

33、打磨余量，钳工工时为16 h，而不混气电解时钳工工时为24 h。混气电解的工艺参数为：电解液为7-10%NaCl溶液，温度25-40，气体压力为0.4-0.5 Mpa，电解液压力加气前为0.15 Mpa，加气后为0.34 Mpa，初始间隙为0.5 mm，加工电压为10 V，模具材料5CrMnMo。所谓反拷法，就是将阴极工具作为被加工对象接阳极，而把已加工好的零件（如叶片、锻模等）作为工具接负极进行混气电解加工。在进行一些试验和修整后就可以作为加工的阴极工具了。提高加工精度的方法提高加工精度的方法4）脉冲电流电解脉冲电解加工是以周期性间歇供电代替连续供电的加工方法。脉冲电解技术从根本上改善了电解

34、加工间隙的流场、电场和电化学过程，从而得到了较高的蚀除能力和较小的加工间隙，证明了在保证加工效率的条件下较大幅度提高电解加工精度的可能性和现实性。脉冲电解加工的特点有：（1）改善流场，提高电解过程的稳定性。脉冲电流周期性的脉动变化，在加工间隙产生同步的气体压力波，推动电解液的扰动，从而改善电解液的流动。（2）有利于电解产物的排出。利用产生的气体压力冲击波，在脉冲间隙期间排出电解产物。（3）有利于改善电场。加工区常处于新鲜的电解液中，在没有沉积电解产物的情况下进行加工，提高了电流效率。（4）提高加工精度。由于加工区的流场、电场得到了改善，从而有利于实现小间隙加工，提高加工精度。（5）生产率低于直

35、流电解加工。脉冲占空比数值减小，加工速度加工速度减慢。电解加工常见缺陷分析电解加工常见缺陷分析序号缺陷种类缺陷特征产生原因消除方法1表面粗糙表面呈细小纹理或点状工件金相组织不均，晶粒粗大电解液中杂质多工艺参数不匹配，流速过低采用均匀的金相组织控制电解液中的杂质合理选择参数，提高流速2纵向条纹与电解液流动方向一致的沟痕和条纹加工区域流场分布不均电解液流速与电流密度不配阴极绝缘物破损调整电解液的压力和电流密度检查阴极绝缘3横向条纹在工件横截面方向上的沟痕和条纹机床进给不稳，有爬行加工余量小，机加工痕迹残留检查机床，消除爬行，检查工件与阴极的配合合理选择加工余量4小凸点呈很小的粒状突起，高于表面杂质

36、附于工件表面零件表面铁锈未除干净加强电解液的过滤仔细擦洗加工零件表面5鱼鳞鱼鳞状波纹流场分布不均，流速过低提高压力，加大流速6瘤子块状表面凸起加工表面不干净阴极上绝缘剥落，阻碍流动材料中含有非金属杂质加工间隙有非导电物阻塞加工前清理表面检查过滤网和阴极绝缘7表面严重凹凸不平表面块状规则凸起阴极出水口堵塞，流场不均电解液流速低，流量不足电解液中非钠盐成分过高调整电解液压力和流速电解加工的阴极设计电解加工的阴极设计阴极尺寸计算阴极尺寸计算平衡间隙理论平衡间隙理论阴极流场设计阴极流场设计材料和绝缘材料和绝缘1）阴极材料要有好的耐蚀性和导电性，此外还要有强度、尺寸稳定性、易加工性等。常用有：紫铜、黄铜

37、、青铜、不锈钢、碳钢和铜钨合金等。 紫铜:导电好，耐腐蚀，强度差，不能反拷。加1%的Cr加工性能得到改善。 黄铜和青铜:导电稍差，耐腐蚀，易修复，强度和加工性提高，不能用反拷法。 不锈钢：导电差，尺寸稳定性差，但适合于用反拷法制造阴极。 碳钢（35#和45#）：价格低，能反拷，好修复，强度好，尺寸稳定性也好，耐蚀性差。 铜钨合金：加工性好，不易坏，强度高。价格高，寿命长。一般用于制造穿孔加工的薄片阴极，是保证叶轮等零件加工质量的重要条件。2）阴极的非工作面要绝缘。加工型面、型腔阴极时，其侧面一般没有绝缘问题，但在加工叶片等零件时，为能减轻杂散腐蚀，也须对阴极的非工作面进行绝缘。常用：环氧树脂，

38、还用橡胶做绝缘涂层，高温陶瓷也是一种绝缘材料，金属本身的氧化膜绝缘。3）阴极的导电。A:阴极与工件的导电面积足够大，40 A/cm2。B:电流大，热量多，需冷却。C:尽量减小导电回路中的接触电阻。D:导电电缆的外皮与接线片间要密封良好，避免电解液的渗入。阴极流场设计阴极流场设计1）流动方式选择:反向流动和横向流动来说，进口压力和间隙内的流速不受限制，只要流程适当和足够的压力，均可达到较高的进给速度和较小的加工间隙。正向流动因容易产生空穴，故进口眼里和间隙内的流速受限制。2）出液槽孔的布置和尺寸： 出液槽孔的布置应能使得流场均匀为目标，必须避免产生死水区和涡流空穴。 长度l：大小取决于出液槽的布

39、局，不超过阴极轮廓，出液槽两端距轮廓边缘1.5 mm。出液槽太短时，两端有死水区。长度还与加工面积有关，加工面积小，D比Dbo大得多，每端离端面4-5 mm；如内腔边缘是R4-5 mm，则长度以不超过圆弧的圆心，D由远大于Dbo，会使出液槽两端的流速高于其他内腔，出现冲刷出的沟槽。内腔呈圆形，则为出液孔，出液孔处留下较大凸起，需要洗掉。 高度h ：管嘴原则设计，即h=(3-5)b。要求h取10-20 mm，同时，这个值也不会影响间隙内的流量。一般h取下限。混气电解时h取上限。 宽度b：不宜过大，否则留下很大的凸起物，增加钳工工作量。过水面积为(2l+2b)D，宽度b比长度l要小得多，b取1.5

40、-2 mm，或b=2Dbo。在端面间隙很大的情况下，宽度b应按2Dbo来设计。3）出液槽一般用电火花方法加工，其边缘必须平直，不能呈锯齿形。将出液槽边缘用油石打光或成圆弧，往往有助于改善电解液的流动特性，使进给速度有所提高。平衡间隙理论平衡间隙理论平衡间隙理论的应用（1）端面平衡间隙、法向平衡间隙和侧面平衡间隙。根据阴极推算加工后形状和尺寸。（2）根据工件，设计计算阴极形状和尺寸。（3）分析加工误差。（4）选择加工参数，如电极间隙、电源电压、进给速度等。影响加工平衡间隙的因素还有：（1）工件材料及组织、电极表面的钝化和活化，（2）工具形状影响电流密度的分布，而影响平衡间隙。DRaUv202DD

41、tURcRbvUDcoscosbcRnvvUD1222DDDDDbbbbsbb平衡间隙理论应用平衡间隙理论应用例例4-1 某厂用NaCl电解液电解加工一批零件，要求在厚64 mm的低碳钢版上加工f25 mm的通孔。一直中空电极内径为f13.5 mm，每孔限5 min完成，问需要多大的电流？如果采用5000 A的电流，则每个孔的加工时间为多少？平衡间隙理论应用平衡间隙理论应用例例4-2 用温度为30、质量分数为15%的NaCl电解液对一碳钢零件进行固定式阴极扩孔加工，初始单边间隙为0.2 mm，电压为12 V。求刚开始和间隙为1 mm时的加工速度，并求间隙从0.2 mm扩大到1 mm所需的时间？

42、阴极的尺寸计算阴极的尺寸计算cos 法的具体作法为：选择工件圆弧上的任一点A1（如图4-25），作该点的切线和法线，同时作一条平行于进给方向的直线，在这直线上取一长度等于 的线段A1 C1 ，过C1 作一直线垂直于进给方向交法线与B1 ，该点就是工件上A1 所对应的阴极工具上的点。同样可以对A2 点进行相同的作图，得到B2 点。如此求出所有点，并连成光滑曲线，可以得到加工该曲线的阴极工具。当然，这里有个条件就是法线和进给方向的夹角必须小于45。否则需按侧面平衡间隙理论进行修正。电解加工工艺及应用电解加工工艺及应用深孔扩孔加工型腔加工型孔加工小孔束流加工叶片加工到棱去毛刺电解刻蚀电解车削电解冶炼

43、套料加工电解冶炼电解冶炼利用电解原理，对有色和稀有金属进行提炼和精炼。分为水溶液电解冶炼和焙盐电解冶炼两种。水溶液电解冶炼在冶金工业中广泛用于提取和精炼铜、锌、铅、 镍等金属。 例如铜的电解提纯：将粗铜（含铜99）预先制成厚板作为阳极，纯铜制成薄片作阴极，以硫酸(H2SO4)和硫酸铜(CuSO4)的混合液作为电解液。通电后，铜从阳极溶解成铜离子(Cu2+)向阴极移动，到达阴极后获得电子而在阴极析出纯铜（亦称电解铜）。粗铜中杂质如比铜活泼的铁和锌等会随铜一起溶解为离子（Zn2+和Fe2+）。由于这些离子与铜离子相比不易析出，所以电解时只要适当调节电位差即可避免这些离子在阳极上析出。比铜不活泼的杂

44、质如金和银等沉积在电解槽的底部。 焙盐电解冶炼用于提取和精炼活泼金属（如钠、镁、钙、铝等）。例如，工业上提取铝：将含氧化铝(Al2O3)的矿石进行净化处理，将获得的氧化铝放入熔融的冰晶石（Na3AlF6）中，使其成为熔融状的电解体,以碳棒为电极，两极的电化学反应为：4Al3+6O2-+3C4Al+3CO电铸加工电铸加工4.5 电铸、涂镀和复合镀加工电铸、涂镀和复合镀加工涂镀加工涂镀加工复合镀加工复合镀加工电铸、涂镀和复合镀工艺原理上属于阴极沉积的电镀工艺，都与电解加工相反，是金属正离子在电场作用下运动到阴极，并得到电子在阴极沉积下来的过程，但这三种工艺之间也有明显的差异，具体见表4-9。电镀电

45、铸涂镀复合镀工艺目的表面装饰、防腐蚀复制、成型加工增大尺寸、表面改性镀耐磨层磨具刀具制造镀层厚度0.001-0.05 mm0.05-5 mm0.001-0.5 mm0.05-1 mm精度要求表面光亮和光滑尺寸和形状精度要求尺寸和形状精度要求尺寸和形状精度要求镀层牢固牢固粘结可与原模分离牢固粘结粘结基本牢固阳极材料同镀层金属同镀层金属石墨、铂等纯材同镀层金属镀液自配电镀液自配电镀液按被镀金属选购镀液自配电镀液工作方式需渡槽工件浸泡在镀液中无相对运动需渡槽工件与阳极可或无相对运动不需渡槽镀液浇注在相对运动着的工件和阳极间需渡槽被复合镀的硬质材料放在工件表面表表4-9 电铸、涂镀和复合镀工艺比较电铸

46、、涂镀和复合镀工艺比较电铸加工电铸加工原理和特点原理和特点电铸加工:用导电的原模作阴极，用电铸材料作阳极，用电铸材料的金属盐溶液作为电铸液。在直流电的作用下，阳极上的金属原子失去电子成为离子，不断溶入溶液，补充电铸液；在阴极上，金属离子不断得到电子成为原子，不断沉积在原模表面，等到达到预期的厚度时，把被铸材料与原模分开，即可得到铸件。设备和工艺设备和工艺主要应用主要应用电铸加工的特点:1）电铸把难加工的材料和内表面的加工，转化为易成型原模材料的外表面的加工。2）尺寸精度高，表面粗糙度好，零件互换性好。3）可获得高纯度的金属零件。4）能准确复制表面轮廓和细微纹路。5）只要改变电铸液的成分和工作条

47、件，使用添加剂，改变电铸层的性能，以适应不同加工的需要。6）但是电铸生产期长，尖角、凹部的铸层不均匀，铸层存在一定的内应力，原模的缺陷会带到工件上去。设备设备1）电铸槽:材料的选取以不与电解液作用引起腐蚀为原则。一般用钢板，内衬铅板或聚氯乙烯薄等。2）直流电源:采用低电压大电流的硅整流直流电源，电压6-12 V可调。3）搅拌和循环:为降低电铸液的浓差极化，加大电流密度，减少加工时间，提高生产速度，加速溶液的搅拌。搅拌的方法:循环过滤法、超声波或机械搅拌等。4）恒温控制:电铸时间长，须设置恒温控制设备。包括加热设备(加热玻璃管、电炉等)和冷却设备(冷水或冷冻机等)设备和工艺设备和工艺工艺：工艺：

48、原模表面处理电铸至规定尺寸脱模清洗干燥成品。原模材料:不锈钢、碳钢等表面镀铬、镍、铝、低熔合金、环氧树脂、塑料、石膏、石蜡等。表面清洗后,金属材料用重铬酸盐溶液进行表面钝化，以便脱模；非金属原模则需要导电化处理(石墨粉或铜粉银粉涂敷、真空镀或离子镀、化学镀沉积银、铜或镍）。电铸时间长，生产率低。电流密度太大易使晶粒粗大，强度下降。每小时铸0.02-0.5 mm。常用金属：铜、镍或铁。相应的电铸液为含有电铸金属离子的硫酸盐、氨基磺酸盐、氟硼酸盐和氯化物等谁溶液设备和工艺设备和工艺电铸过程要点：a）溶液连续过滤，除去沉淀、夹杂物等，防止产生针孔、疏松、瘤斑和凹坑等缺陷。B）搅拌电铸液，降低浓差极化

49、，增大电流密度，缩短电铸时间。c）电铸件凸出部分电场强，铸层厚。在凸出部分进行屏蔽，在凹入部分加辅助阳极。d）控制电铸液成分、浓度、PH、温度、电流密度等，以免内应力过大而导致变形、起皱、开裂和剥落。开始时电流较小，逐渐增加，中途不宜停电，以免分层。衬背和脱模：有些电铸件(如塑料模具和翻制印刷电路板等)，电铸成型后需用其他材料做衬背(塑料模具衬背:有浇铸铝或铅锡低熔点合金；印刷电路板:热固性塑料)，然后再机械加工到一定的尺寸。电铸件与原模的分离的方法:敲击捶打、加热或冷却胀缩分离、用薄刀刃撕剥分离、加热熔化、化学溶解等。质量浓度g/L操作条件温度电压V电流密度A/dm3溶液比重Be*硫酸盐溶液

50、硫酸铜 190-200硫酸37.5-62.525-45小于63-15氟硼酸盐溶液氟硼酸铜190-375氟硼酸PH=0.3-1.425-50小于4-127-3029-31主要应用主要应用电铸主要应用：1）制造形状复杂的、精度高的空心零件，如波导管等。2）注塑模和厚度很小的薄壁零件的加工。如剃须刀网罩。3）复制精细的表面轮廓，如唱片、艺术品、钱币等。4）制造表面粗糙度样板、反光镜、喷嘴、电加工的电极等。电动剃须刀网罩：网孔外缘倒圆，在脸上平滑移动，胡须容易进入网孔，而网孔的内侧锋利，容易将胡须切断。网罩的制造工艺大致为：1）原模制造。在铜或铝上涂感光胶，曝光、显影、定影后得有规定图形的绝缘层原模。

51、2）原模进行钝化处理。3）弯曲成型。4）电铸。控制镍层硬度500-550 HV。5）脱模。刻度盘的电铸制造工艺大致与前同。零件图，原模图，电铸原理图，铸件和脱模图涂镀加工原理和特点原理和特点原理:涂镀加工（又称刷镀或无槽镀）是利用直流电源3，将工件1接负极（见图），镀笔4接正极，用脱脂棉5包住其端部的不溶性石墨电极，蘸饱镀液2（有的也用浇淋），多余的镀液流回容器6。加工时接通电源，工件旋转，在电化学的作用下，镀液中的离子流向阴极，并在阴极得到电子还原为原子，结晶为镀膜，其厚度一般为0.001-0.5 mm。设备和工艺设备和工艺主要应用主要应用电铸加工的特点:1）不需镀槽。设备简单、操作方便、灵

52、活机动。可现场操作，不受工件大小、形状和工作条件的限制。2）可获得多种镀层。只要用不同的镀液，用统一设备即可镀多种金属。3）加工效率高。涂镀加工采用大电流密度、镀液的离子浓度大，所以涂镀的速度快。4）涂镀层的质量好。涂镀层均匀、致密、结合牢固，涂镀层的特点、厚度较易控制。5）但手工操作，工作量大。设备：设备：1）电源：电压一般0-30 V可调，电流30-100 A可调。为了保证镀层质量，应配置镀层厚度测量仪器和安培计。带有正负极转换装置，以便镀前反接电解，同时满足电镀、活化、电净等工艺要求。2）镀笔：镀笔有手柄和阳极两部分，阳极上脱脂棉作用是吸饱和储存镀液，防止阳极与工件接触，滤除石墨颗粒。3

53、）镀液：镀液离子浓度高，由金属络合物水溶液及少量添加剂组成。镀液中经常包含电净液和活化液等。4）回转台回转台用以涂镀回转体工件表面。设备和工艺设备和工艺工艺：工艺：1）表面预加工：除表面毛刺、凹凸不平度、锥度等，露出基体。要求粗糙度Ra2.5 mm。2）电净处理:除油除锈后用汽油或丙酮清洗，再进行电净处理，去除表面油污等。3）活化处理：去除工件表面的氧化层和钝化膜，去除黑膜。使得工件表面呈均匀的银灰色。最后用水清洗。4）镀底层：用特殊镍、碱铜等预镀厚度为0.001-0.002 mm的薄底层，提高结合强度。5）涂镀加工：镀层厚度增加，内应力增大、结晶变粗、强度下降，单一镀层0.05 mm。涂镀尺

54、寸镀层，镀层交替叠加，最后镀上满足物理、化学、机械性能的工作镀层。6）清洗：自来水清洗，用压缩空气或热风吹干，最后涂上防锈液（或油）。序号镀液名称PH值镀液特性1电净液11清除工件表面油污杂质，轻微去锈20号电净液10去除表面疏松材料的油污31号活化液2去除氧化膜，对高碳钢、高合金钢去碳42号活化液2强腐蚀能力，去除氧化层，在中碳、高碳、中碳合金钢去碳作用5铬活化液2去铬层上的氧化层6特殊镍2镀底层0.001-0.002 mm，再起清洗活化作用7快速镍7.5镀液沉积速度快，镀尺寸镀层，疏松材料做底层，修复各种耐热耐磨件8镍钨合金2.5耐磨零件工作层9低应力镍3.5镀层组织紧密，压应力大，用作保

55、护性镀层和夹心层10半光亮镍3增加表面光亮度，好的耐磨和抗腐蚀性11高堆积碱铜9镀液沉积速度快，修复大磨损零件，可作复合镀层，对钢铁无腐蚀12锌7.5表面防腐13低氢脆镉7.5镀超高强钢的低氢脆性层，黑色金属表面防腐，填补凹坑和划痕14钴1.5光亮性、导电性和磁化性15高速铜1.5沉积速度快，修补不承受过份磨损和热的零件，对钢铁有腐蚀16半光亮铜1提高表面光亮度表表4-11 常用涂镀液的性能及用途常用涂镀液的性能及用途涂镀的应用范围：1）涂镀加工主要用于零件的维修和表面处理与强化。2）修补表面被磨损的零件，如轴类、轴瓦、套类另件的磨损修补；补救尺寸超差的零件。3）修补表面划伤、孔洞、锈蚀等缺陷

56、。4）大型、复杂、小批工件表面的局部镀金属，或非金属零件的金属化。涂镀加工的应用涂镀加工的应用机床导轨划伤的典型修复工艺如下：1）整形。扩大伤痕，露出金属本体，与镀液充分接触。2）涂保护层。不需涂镀的表面要涂上绝缘清漆。3）脱脂。待镀表面用丙酮或汽油进行清洗和脱脂。4）用涤纶透明绝缘胶带纸贴在划伤沟痕的两侧。5）净化和活化。电净时工件接负极，电压12 V，时间30 s；活化用2号活化液，工件接正极，电压12 V，时间要短，清水冲洗后表面呈黑灰色，再用3号活化液除去碳黑，表面呈银灰色，清水冲洗后立即起镀。6）镀底层。用非酸性的快速镍镀底层，电压10 V，清水冲洗，检查底层与基体的结合情况和覆盖情

57、况。7）尺寸层。镀高速碱铜层为尺寸层，电压8 V，沟痕较浅的一次镀成，较深的则打磨掉高出的镀层，再经电净、清水冲洗，再镀碱铜，反复多次，达到要求的尺寸为止。8）修平。当沟痕镀满后，用磨石等机械方法修平。可再镀上2-5 mm的快速镍。复合镀加工复合镀加工原理和分类原理和分类原理:复合镀加工是在金属表面镀覆金属镍或钴的同时，将磨料作为镀层的一部分一起镀到工件表面。依据磨料的尺寸不同可分成两类，一是将放在镀液中与金属离子络合的磨料微粉一起镀到工件表面，以增加表面的耐磨性：二是将粒度为80-250#的人造金钢石或立方氮化硼等超硬材料颗粒镀到工件表面上，镀层的厚度为磨料尺寸的一半左右，从而形成切削刀。主

58、要应用主要应用复合镀工艺经常用于以下方面：（1）用管状刀具毛胚，制造套料加工刀具。（2）制造小孔铰刀。（3）制造切割锯片等。实例1套料刀具和小孔刀具制造：将管状套料刀具的毛坯插入磨料中，倒入含镍离子的镀液，毛坯外加阳极，通电镀上一层镍，紧贴刀具的磨料也被镀层包覆，即可制成能用于玻璃、石英等钻孔和套料的刀具。如果管状刀具毛坯换成细长轴，则可以在细长轴表面镀上金刚石磨料，制成小孔钻头和铰刀。实例2平面加工刀具制造：将平面刀具毛坯为阴极置入镀液中，然后通过镀液在毛坯表面上均匀撒布一层金刚石磨料，并镀上一层镍，即制成金刚石磨料被包覆在刀具表面的切削刃。原理和特点原理和特点4.6 电解抛光电解抛光质量规

59、律质量规律应用应用缺陷分析缺陷分析电解抛光是金属在电解液中的阳极溶解进行腐蚀抛光的表面光整方法。其可降低粗糙度和改善表面物理性能，而不用于尺寸加工。与电解加工主要差别：加工间隙大、电流密度小、电解液不流动、阴极结构简单。机床简单，不需电解液循环过滤系统。1）小电流、大间隙；2）简单快捷；3）氧化膜起防腐保护作用；4）无加工硬化和残余应力。电解抛光能降低零件的表面粗糙度。控制材料的宏观不平度，增加表面光泽，减小摩擦系数，在很多场合代替机械抛光，可较大幅度的提高生产率，降低材料、工具、设备、电力等的消耗。因此电解抛光在轴承、反光罩、切削工具、计量工具、自行车零件、纺织机械零件及医疗器械等的加工中有

60、广泛的应用。在实验室研究某些材料的金属表面特性时，如光学性能、磁性能、电化学性能、电极的衍射性能、腐蚀和摩擦性能等，大多采用电解抛光。电解液成分电流密度电解抛光质量的基本规律电解抛光质量的基本规律温度及搅拌金相组织和原始表面钢的电解抛光用的电解液中包括磷酸、硫酸、铬酐和水。根据抛光材料的不同，所采用的电解液的成分和密度也不同。铜镀层和镍镀层的电解抛光用的电解液也差不多，镍镀层的电解抛光是需加少量的柠檬酸。电流密度对金属表面整平速度及金属溶解量的影响明显。电流密度大时表面整平和金属溶解速度都较快，不平处的相对整平率（抛光前后不平高度比值）同一电量时与电流密度无关。金属金相组织越均匀、细密，其抛光