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1、第6章 电化学加工16.1 概概 述述电化学加工(Electrochemical Machining，ECM)是特种加工的一个重要分支，目前已成为一种较为成熟的特种加工工艺，被广泛应用于众多领域。根据加工原理，电化学加工可分为以下三大类：(1) 利用电化学阳极溶解的原理去除工件材料。 (2) 利用电化学阴极沉积的原理进行镀覆加工。 (3) 利用电化学加工与其他加工方法相结合的电化学复合加工。 26.2 电化学加工基本原理电化学加工基本原理6.2.1 电化学反应过程如果将两铜片插入CuCl2水溶液中(见下图)，由于溶液中含有OH和Cl负离子及H和Cu2+正离子，当两铜片分别连接直流电源的正、负极
2、时，即形成导电通路，有电流流过溶液和导线。在外电场的作用下，金属导体及溶液中的自由电子定向运动，铜片电极和溶液的界面上将发生得失电子的电化学反应。其中，溶液中的Cu2+正离子向阴极移动，在阴极表面得到电子而发生还原反应，沉积出铜。在阳极表面，Cu原子失去电子而发生氧化反应，成为Cu2+正离子进入溶液。在阴、阳极表面发生得失电子的化学反应即称为电化学反应，利用这种电化学反应作用加工金属的方法就是电化学加工。其中，阳极上为电化学溶解，阴极上为电化学沉积。3 电化学反应过程图 46.2.2 电极电位1. 电极电位的形成任何一种金属插入含该金属离子的水溶液中，在金属/溶液界面上都会形成一定的电荷分布，
3、从而形成一定的电位差，这种电位差就称之为该金属的电极电位。2. 标准电极电位所谓标准电极电位是指金属在给定的统一的标准环境条件下，相对一个统一的电位参考基准所具有的平衡电极电位值。 53. 平衡电极电位可逆反应速度即氧化反应与还原反应的速度相等，金属/溶液界面上没有电流通过，也没有物质溶解或析出，即建立一个稳定的双电层。此种情况下的电极则称为可逆电极，相应电极电位则称为可逆电极电位或平衡电极电位。 66.2.3 电极的极化1. 浓差极化浓差极化是由于电解过程中电极/溶液界面处的离子浓度和本体溶液浓度差别所致。在电解加工时，金属离子从阳极表面溶解出并逐渐由阳极金属/溶液界面向溶液深处扩散，于是阳
4、极金属/溶液界面处的阳极金属离子浓度比本体溶液中阳极金属浓度高，浓度差越大，阳极表面电极电位越高。 72. 电化学极化一个电极反应过程包括反应物质的迁移、传递，反应物质在电极/溶液界面上得失电子等。如果反应物质在电极/溶液界面上得失电子的速度，即电化学反应速度落后于其他步骤所进行的速度，则造成电极表面电荷积累，其规律是使阳极电位更正，阴极电位更负。将由于电化学反应速度缓慢而引起的电极极化现象称作电化学极化 83. 电阻极化电阻极化是由于电解过程中在阳极金属表面生成一层钝化性的氧化膜或其他物质的覆盖层，使电流通过困难，造成阳极电位更正，阴极电位更负。由于这层膜是钝化性的，也由于这层膜的形成是钝化
5、作用所致，故电阻极化又称钝化极化。 96.2.4 金属的钝化和活化1) 全部处于活化溶解状态见图(a) 2) 活化钝化超钝化的变化过程见图 (b)3) 活化不完全钝化超钝化状态见图 (c) (a) 整个区域都是活化溶解 (b) 存在钝化区 (c) 存在不完全钝化区 三种典型的阳极极化曲线图106.3 电电 解解 加加 工工电解加工是特种加工技术中应用最广泛的技术之一，尤其适合于难加工材料、形状复杂或薄壁零件的加工。116.3.1 电解加工过程及其特点1. 电解加工的特点与其他加工方法相比，电解加工具有如下特点。l(1) 加工范围广。l(2) 生产率高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的
6、限制。l(3) 加工质量好。l(4) 可用于加工薄壁和易变形零件。 l(5) 工具阴极无损耗。 122. 电解加工机理电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理将工件加工成形的一种特种加工方法。3. 电解加工中的电极反应标准电极电位的高低决定在一定条件下对应金属离子参与电极反应的顺序。136.3.2 电解加工的基本规律1. 电解加工生产率既能够定性分析,又能够定量计算，可以深刻揭示电解加工工艺规律的基本定律就是法拉第定律。金属阳极溶解时，其溶解量与通过的电量符合法拉第定律。 2. 电流效率法拉第定律可用于根据电量计算任何被溶解物质的数量，并在理论上不受电解液成分、浓度、温度、压力以及
7、电极材料、形状等因素的影响。3. 电解加工速度类似于一般机械加工，人们希望掌握在工件被加工表面法线方向上的去除(加工)线速度。 4. 加工间隙加工间隙是电解加工的核心工艺要素，它直接影响加工精度、表面质量和生产率，也是设计工具阴极和选择加工参数的主要依据。146.3.3 电解液1. 电解液的作用、要求及分类1) 电解液的作用电解液是电解池的基本组成部分，是产生电解加工阳极溶解的载体。正确地选用电解液是电解加工的最基本的条件。电解液的主要作用是：(1) 与工件阳极及工具阴极组成进行电化学反应的电极体系，实现所要求的电解加工过程，同时所含导电离子也是电解池中传送电流的介质，这是其最基本的作用。(2
8、) 排除电解产物，控制极化，使阳极溶解能正常连续进行。(3) 及时带走电解加工过程中所产生的热量，使加工区不致过热而引起沸腾、蒸发，以确保正常的加工。152) 对电解液的要求对电解液总的要求是加工精度和效率高、表面质量好、实用性强。但随着电解加工的发展，对电解液又不断提出新的要求。根据不同的出发点，有的要求可能是不同的甚至相互矛盾的。对电解液的基本要求包括以下四个主要方面。(1) 电化学特性方面。(2) 物理特性方面。(3) 稳定性方面。(4) 实用性方面。162. 常用电解液及其选择原则1) 电解液选择的原则 2) 常用电解液目前生产实践中常用的电解液为中性电解液中的NaCl、NaNO3及N
9、aClO3三种。3) 低浓度复合电解液如前所述，近年开发的低浓度复合电解液在改善钛合金加工及镍基铸造合金的表面质量以及提高铁基合金或金属的加工精度上有显著的效果。173. 电解液的流动形式 电解液的流动形式图186.3.4 电解加工设备1. 电解加工设备的组成及基本要求1) 电解加工设备的组成电解加工设备包括机床本体、整流电源、电解液系统三个主要实体以及相应的控制系统。 2) 电解加工设备的基本要求(1) 机床刚性强。 (2) 进给速度稳定性高。 (3) 设备耐腐蚀性好。 (4) 电气系统抗干扰性强。 (5) 大电流传导性好。 (6) 安全措施完备。 192 电解加工机床1) 电解加工机床的主
10、要类型2) 电解加工机床的主要部件3. 电解加工电源电源是电解加工设备的核心部分，电解加工机床和电解液系统的规格都取决于电源的输出电流，同时电源调压、稳压精度和短路保护系统的功能，影响着加工精度、加工稳定性和经济性。 204. 电解液系统电解液系统的作用是向加工区供应一定压力、足够流量和适宜温度的干净电解液。它主要由泵、电解液槽、过滤器、管道、阀、流量计、热交换器等组成。5. 控制系统电解加工控制系统必须包括参数控制、循环控制、保护和连锁三个组成部分。216.3.5 电解加工的应用1. 模具型腔加工近年来，模具结构日益复杂，材料性能不断提高，难加工的材料如预淬硬钢、不锈钢、高镍合金钢、粉末合金
11、、硬质合金、超塑合金等所占的比重日趋加大。因此，在模具制造业中越来越显示出电解加工适应难加工材料、复杂结构的优势。电解加工在模具制造领域中已占据了重要地位。222. 叶片型面加工这类加工效率高，生产周期短；加工质量好；电解液用反流式流动，故流场较均匀、稳定；但设备、阴极均较复杂，须采用三头或斜向进给机床、复合双动阴极。国外自动生产线上已采用此方案，国内开始在新机部分叶片的试制上应用。3. 型孔及小孔加工4. 枪、炮管膛线加工传统的枪管膛线制造工艺为挤线法，该法生产效率高，但挤线冲头制造困难，而且为了保证在挤制膛线的过程中产生均匀一致的塑性变形，枪管外壁只能采用等径圆钢，挤线以后再按枪管外形尺寸
12、去除多余的金属，因而毛坯材料损耗严重，且校正、电镀、回火等一系列辅助工序较多，生产周期长。235. 整体叶轮加工通常整体叶轮都工作在高转速、高压或高温条件下，制造材料多为不锈钢、钛合金或高温耐热合金等难切削材料；再加之其为整体结构且叶片型面复杂，使得其制造非常困难，成为生产过程中的关键。6. 电解去毛刺电解去毛刺的加工间隙较大，加工时间又很短，因而工具阴极不需要相对工件进给运动，即可采用固定阴极加工方式，机床不需要工作进给系统及相应的控制系统。但是，工具阴极相对工件的位置必须放置正确。247. 数控展成电解加工数控展成电解加工工具阴极形状简单(棒状、球状及条状)，设计制造方便，且适用范围广，大
13、大缩短了生产准备周期，因而可适应多品种、小批量产品研制、生产的发展趋势，可弥补电解加工在小量、单件加工时经济性差的缺点。8. 微精电解加工目前微精电解加工还处于研究和试验阶段，其应用还局限于一些特殊的场合，如电子工业中微小零件的电化学蚀刻加工(美国IBM公司)、微米级浅槽加工(荷兰飞利浦公司)、微型轴电解抛光(日本东京大学)已取得了很好的加工效果，精度已可达微米级。微细直写加工、微细群缝加工及微孔电液束加工，以及电解与超声、电火花、机械等方式结合形成的复合微精工艺已显示出良好的应用前景。256.4 电铸及电刷镀加工电铸及电刷镀加工电解加工是利用电化学阳极溶解的原理去除工件材料的减材加工。与此相
14、反的是利用电化学阴极沉积的原理进行的镀覆加工(增材加工)，主要包括电镀、电铸及电刷镀三类。 266.4.1 电铸1. 电铸的原理电铸的基本加工原理如下图所示，将电铸材料作为阳极，原模作为阴极，电铸材料的金属盐溶液做电铸液。在直流电源的作用下，阳极发生电解作用，金属材料电解成金属阳离子进入电铸液，再被吸引至阴极获得电子还原而沉积于原模上。当阴极原模上电铸层逐渐增厚达到预定厚度时，将其与原模分离，即可获得与原模型面凹凸相反的电铸件。27282. 电铸的特性与应用电铸制造有其鲜明的优势特性。(1) 高复制精度。电铸是一种精密的金属零件制造技术，能获得到其他制造难以达到的复制精度。电铸产生的铸件可以成
15、为其他制造所需要的原模，并且表面精度极佳。(2) 原模可永久性重复使用。电铸加工过程对原模无任何损伤，所以原模可永久性重复使用，而同一原模生产的电铸件重复精度极高。(3) 借助石膏、石蜡、环氧树脂等作为原模材料，可把复杂零件的内表面复制为外表面，或外表面复制为内表面，然后再电铸复制。29电铸加工也存在一定局限性。(1) 生产率低。由于电流密度过大易导致沉积金属的结晶粗大，强度低。一般每小时电铸金属层为0.020.5 mm，加工时间长。(2) 原模制造技术要求高。(3) 有时存在一定的脱模困难。303. 电铸的基本设备电铸加工的基本设备有下列几种。(1) 电铸槽。为避免腐蚀，常用钢板焊接，内衬铅
16、板、橡胶或塑料等。小型槽可用陶瓷、玻璃或搪瓷制品；大型槽可用耐酸砖衬里的水泥制作。(2) 直流电源。电压320V可调，电流和功率能满足(条件电流密度达到)1530 A/dm2即可。常用硅整流或可控硅直流电源。(3) 搅拌和循环过滤系统。其作用为降低浓差极化，加大电流密度，提高电铸质量。(4) 加热和冷却装置。常用蒸汽和通电加热，用电吹风或自来水冷却。314. 电铸的工艺过程电铸制造的工艺过程包括原模制作、表面处理、电铸、衬背及脱模及铸件检测等。 5. 电铸加工的应用1) 激光视盘目前，电铸加工是唯一能满足生产光盘原模所需复制精度的工艺技术。2) 电铸薄膜电铸薄膜是生产厚度薄、面积广并且要求尺寸
17、精度高元件的最经济的制造方法。电铸镍薄膜主要应用在抗腐蚀元件、PCB 板的焊接点、无石棉衬垫及防火薄膜。另外，一种电铸的墨化镍薄膜被用作太阳能吸收元件。323) 电铸网状元件电铸网状元件是指包含规则孔洞图案的薄膜元件。这种电铸制造被广泛的用在咖啡及糖的滤网、电动刮胡刀具和筛子。此外，电铸网状元件还常用在印刷业。4) 微型电铸件LIGA制造可以利用电铸制造生产原模，再以微成形技术大量翻制微型构件。也可以直接电铸微型构件，包括微齿轮、微悬臂梁、薄膜等各式各样的元件，进一步组装微电机、微机械臂、微型阀等。336.4.2 电刷镀加工1. 电刷镀技术的原理及特点电刷镀加工时，工件接电源的负极，刷镀笔接电
18、源的正极。裹有绝缘包套，浸渍特种镀液的刷镀笔“贴合”在工件的被镀部位并作相对运动。在阴极工件上，镀液中的金属离子在电场作用下与电子结合，还原为金属原子而沉积形成镀层。与有槽电镀相比，电刷镀加工有以下特点。(1) 不需要镀槽，可以对局部表面直接刷镀，设备简单，操作方便，可在现场使用，不易受工件大小、形状的限制。(2) 刷镀液的种类及可刷镀的金属多，易于实现复合镀层，一套设备可刷镀金、银、铜、铁、锡、镍、钨、铟等多种金属。(3) 目前可以使用电刷镀技术的基体材料几乎包括了所有的金属结构材料，如碳钢、合金钢、铸铁、不锈钢、镍基合金、铜基合金、铝基合金等，镀层与基体金属的结合牢固，刷镀速度快。(4)
19、刷镀笔与工件之间必须保持一定的相对运动，因而一般都须人工操作，难以实现大批量及自动化生产。342. 电刷镀基本设备电刷镀基本设备包括刷镀电源、刷镀笔、刷镀液。3. 电刷镀加工工艺过程电刷镀加工工艺过程包括如下步骤。(1) 表面预加工，去除表面的毛刺、平面度等，使表面粗糙度达到Ra2.5。(2) 除油、除锈。(3) 电净处理，对零件表面进行电化学脱脂。(4) 活化处理，对零件进行电化学浸蚀，将零件表面的锈蚀、氧化皮、污物等清除干净，使表面呈活化状态。35(5) 镀底层，主要目的是为了提高镀层与基材的结合强度。(6) 镀尺寸镀层和夹心镀层。当零件磨损表面需要恢复的尺寸高于单一镀层所允许的安全厚度时
20、，往往在恢复尺寸镀层中间夹镀一种或几种其他性质的夹心镀层，即几种镀层交替叠加。(7) 镀工作层。主要类别有耐磨和减摩镀层、抗高温氧化镀层、防粘镀层、非晶态镀层、导电镀层、磁性镀层、热处理用镀层、可焊性镀层、装饰镀层、吸光和吸热镀层、耐腐蚀镀层等。(8) 镀后清洗及防锈处理。364. 电刷镀加工的应用目前，电刷镀加工的应用范围几乎遍及国民经济建设和国防建设的各个行业，包括航空、军工、船舰、能源、石化、铁路、建筑、冶金、采矿、汽车、印刷及轻工等。具体应用如下。(1) 修复失效的零部件表面，恢复尺寸和几何形状，设施超差品补救。(2) 填补零件表面上的划伤、凹坑、点蚀等缺陷，例如机床导轨、活塞液压缸缸套及柱塞、密封部件、模具型腔、印刷辊及吸墨鼓、造纸辗光辊及烘缸等的修补。(3) 大型、复杂、单件小批量工件的表面局部刷镀镍、铜、锌、镉、钨、金、银等防护层，改善表面性能。37
