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1、第六章第六章电化学加工电化学加工2主要内容主要内容6.1电化学加工的基本原理及分类电化学加工的基本原理及分类6.2电解加工电解加工6.3电解磨削电解磨削6.4电铸、涂镀及复合镀加工电铸、涂镀及复合镀加工第六章第六章电化学加工电化学加工3第六章第六章电化学加工电化学加工6.1电化学加工的基本原理及分类电化学加工的基本原理及分类图6-1 电解液中的电化学反应1、电化学加工的原理、电化学加工的原理（1）电化学加工过程）电化学加工过程电化学加工包括从工件上去除金属的电解加工和向电化学加工包括从工件上去除金属的电解加工和向工件上沉积金属的电镀、涂覆加工两大类。工件上沉积金属的电镀、涂覆加工两大类。 当两
2、个铜片接上直流电形成导电通路时，导线和溶液中均有电流流过，在金属片（电极）和溶液的界面上就会有交换电子的反应，即电化学反应。4第六章第六章电化学加工电化学加工溶液中的离子将作定向移动：溶液中的离子将作定向移动：正离子移向阴极并在阴极上得到电子而进行还原反应；负离子移向阳极并在阳极上失去电子进行氧化反应（也可能是阳极金属原子失掉电子而成为正离子进入溶液。图6-1 电解液中的电化学反应5第六章第六章电化学加工电化学加工图6-1 电解液中的电化学反应溶液中正、负离子的定向移动称为电荷迁移。在阳、阴电极表面发生得失电子的化学反应称为电化学反应。利用电化学反应原理对金属进行加工的方法即电化学加工。 （图
3、6-1中阳极上为电解蚀除，阴极上为电镀沉积，常用以提炼纯铜）与这一反应密切相关的概念有：电解质溶液、电极电位、电极的极化、钝化、活化等。6第六章第六章电化学加工电化学加工（3）电极电位）电极电位 当把金属插入其盐溶液中时，金属表面的离子与溶液中极性水分子相互吸引而发生水化作用，即： 一方面使金属表面上部分金属离子进入溶液而把电子留在金属表面上（金属溶解）； 另一方面，溶液中的金属离子从金属表面上得到电子，还原为金属原子沉积在金属表面上（金属离子的沉积 ） 。 7第六章第六章电化学加工电化学加工p金属的电极电位：金属的电极电位：金属与其盐溶液界面上的电位差称金属与其盐溶液界面上的电位差称为金属的
4、电极电位为金属的电极电位。p金属与溶液间电位差的大小，取决于金属的性质，溶金属与溶液间电位差的大小，取决于金属的性质，溶液中离子的浓度和温度。液中离子的浓度和温度。p金属越活泼，电位越低；越不活泼，电位越高。金属越活泼，电位越低；越不活泼，电位越高。p在同一种金属电极中，金属离子浓度越大，电位越高，在同一种金属电极中，金属离子浓度越大，电位越高，浓度越小，电位越低。温度越高，电位越高，温度越浓度越小，电位越低。温度越高，电位越高，温度越低，电位越低。低，电位越低。8第六章第六章电化学加工电化学加工p标准电极电位：标准电极电位：电极电位的绝对值是无法测定的，电极电位的绝对值是无法测定的，通通常选
5、定一个电极作为标准，将各种待测电极与它相比常选定一个电极作为标准，将各种待测电极与它相比较，就可得到各种电极的电极电位相对值。较，就可得到各种电极的电极电位相对值。p国际应用化学协会（国际应用化学协会（IUPAC）选定）选定“标准氢电极标准氢电极”作作为比较标准。规定为比较标准。规定25 时，标准氢电极的电极电位时，标准氢电极的电极电位为零。为零。 9第六章第六章电化学加工电化学加工（4）电极的极化）电极的极化p电极极化的概念：电极极化的概念：阳极的电极电位向正移（代数值增大）阳极的电极电位向正移（代数值增大）、阴极的电极电位向负移（代数值减小）的现象，称为、阴极的电极电位向负移（代数值减小）
6、的现象，称为电极的极化。电极的极化。p超电位：超电位：极化后的电极电位与平衡电位的差值称为超电极化后的电极电位与平衡电位的差值称为超电位。位。p浓差极化：浓差极化：离子的扩散、迁移步骤缓慢引起的电极极化。离子的扩散、迁移步骤缓慢引起的电极极化。主要发生在阳极上。主要发生在阳极上。p电化学极化：电化学极化：由电化学反应缓慢引起的电极极化。由电化学反应缓慢引起的电极极化。主要主要发生在阴极上。发生在阴极上。10第六章第六章电化学加工电化学加工（5）金属的钝化和活化）金属的钝化和活化 阳极钝化：在电解加工中，使金属阳极溶解过程的超电位升高和电解速度减慢的现象。 金属钝化的原因，主要有成相理论和吸附理
7、论两种。 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膜，通常是由氧化物、氢氧化物或盐组成，从而使金属表面失去了原来具有的活泼性质，使溶解过程减慢。 吸附理论认为，金属的钝化是由于金属表面形成了氧的吸附层引起的。11第六章第六章电化学加工电化学加工 金属的活化：使金属钝化膜破坏的过程称为活化。 引起活化的因素很多，例如：把溶液加热，通入还原性气体或加入某些活性离子等等，也可以采用机械办法破坏钝化膜，电解磨削就是利用了这一原理。12 2、电化学加工的分类第六章第六章电化学加工电化学加工 第类是利用电化学反应过程中的阳极溶解来进行加工，主要有电解加工和电化学抛光等。 第类是利用
8、电化学反应过程中的阴极沉积来进行加工，主要有电镀、电铸等。 第类是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工艺进行加工，目前主要有电解磨削、电化学阳极机械加工(其中还含有电火花放电作用)。13阳极溶解阴极沉积复合加工工艺第六章第六章电化学加工电化学加工电化学加工分类14第六章第六章电化学加工电化学加工 电解液的主要作用 A、作为导电介质传递电流； B、在电场的作用下进行化学反应，使阳极溶解能顺利而有效地进行； C、及时把加工间隙内产生的电解产物和热量带走的任务，起到更新和冷却的作用。 15 NaCl 电解液属于强电解质，适应范围广，价格便宜。其缺点是电解能力强，散腐蚀能力强，使得离阴
9、极工具较远的工件表面也被电解，成型精度难于控制，复制精度差；对机床设备腐蚀性大，故适用于加工速度快而精度要求不高的工件加工。 NaCl 电解液的质量分数常在20%以内，一般为14%-18%，当要求高的时候可用较低的质量分数，以减少杂乱腐蚀。常用的温度为2535C，但加工钛合金时要在40C以上。第六章第六章电化学加工电化学加工 电解液的种类：分为中性、酸性和碱性三种盐溶液。其中中性的腐蚀性较小，使用安全，应用最广。 常用的电解液有NaCl、NaNO3、NaClO3 三种。(二) 三种常用的电解液16 2、NaNO3电解液 NaNO3电解液是一种钝化型电解液，阳极极化曲线如图所示。 第六章第六章电
10、化学加工电化学加工 图 钢在NaNO3电解液中的极化曲线17 NaNO3电解液在浓度低于30%时，对设备、机床腐蚀性很小，使用安全。但生产效率低，需较大电源功率，另外加工时在阴极有氨气析出，所以NaNO3会被消耗。故适用于成型精度要求较高的工件加工。 第六章第六章电化学加工电化学加工18第六章第六章电化学加工电化学加工3、NaClO3电解液 NaClO3电解液的散蚀能力小，故加工精度高，对机床、设备等的腐蚀很小，广泛地应用于高精度零件的成型加工。然而，NaClO3是一种强氧化剂，虽不自燃，但遇热分解的氧气能助燃，因此使用时要注意防火安全。 同时在使用过程中， NaClO3电解液中的Cl离子不断
11、增加，电解液有消耗，且Cl离子增加后杂乱腐蚀作用增加，故在加工过程中要注意Cl离子质量分数的变化。19第六章第六章电化学加工电化学加工4、电解液中加添加剂 几种电解液都有一定缺点，为此，在电解液中使用添加剂是改善性能的重要途径。 如：NaCl+磷酸盐； NaNO3+ NaCl 图电解液的流向a)正向流动b)反向流动c)横向流动第六章第六章电化学加工电化学加工21M溶解或析出物质的量 g；V 溶解或析出物质的体积 mm3；K 被电解物质的质量化学当量 g/(Ah)； - 被电解物质的体积化学当量 mm3/(Ah)；I 电解(电镀)电流 A；t - 电解(电镀)时间 h。 电电解解加加工工的的生生
12、产产率率，以以单单位位时时间间内内去去除除的的金金属属体体积积或或质质量量来来衡衡量量，用用mm3/minmm3/min或或g/ming/min来表示。来表示。 (1)电化学当量对生产率的影响电化学当量对生产率的影响 由由实实践践得得知知，电电解解时时工工件件阳阳极极上上溶溶解解或或析析出出的的物物质质的的量量与与电电解解电电流流 I I 和和电电解解时时间间 t t 成成正正比比，亦亦即即与与电电量量（Q=ItQ=It）成成正正比比，其其比比例例系系数数称称为为电化学当量。电化学当量。这一规律即所谓这一规律即所谓法拉第电解定律法拉第电解定律。 用质量计用质量计 M=KItM=KIt 用体积计
13、用体积计 V=V=ItIt四、电解加工的基本规律四、电解加工的基本规律第六章第六章电化学加工电化学加工1、生产率及其影响因素、生产率及其影响因素22 法法拉拉第第电电解解定定律律可可用用来来根根据据电电量量计计算算任任何何被被电电解解金金属属或或电电镀镀金金属属的的数数量量，并并在在理理论论上上不不受受电电解解液液浓浓度度、温度、压力、电极材料及形状等因素的影响。温度、压力、电极材料及形状等因素的影响。 例例：某某厂厂用用氯氯化化钠钠电电解解液液加加工工一一种种碳碳钢钢零零件件，加加工工余余量量为为22200mm322200mm3，要要求求5min5min电电解解加加工工完完一一个个零零件件，
14、求求需需要要多多大大电电流流？如如有有5A5A容容量量的的直直流流电电源源，电电解解时时间间需多少？（已知碳钢的需多少？（已知碳钢的=133 mm3/=133 mm3/（A.hA.h） ）。）。第六章第六章电化学加工电化学加工23第六章第六章电化学加工电化学加工混气电解加工混气电解加工p加工原理：加工原理：将一定压力的气体用混气装置使它与电解将一定压力的气体用混气装置使它与电解液混合在一起，使电解液成分为包含无数气泡的气液液混合在一起，使电解液成分为包含无数气泡的气液混合物，然后送入加工区进行电解加工。混合物，然后送入加工区进行电解加工。24第六章第六章电化学加工电化学加工1-工件工件2-阴极
15、工具阴极工具3-扩散部扩散部4-混合部混合部5-引导部引导部图混气电解加工示意图25第六章第六章电化学加工电化学加工p混合气体的作用：1）增加电解液中的电阻率，减少杂散腐蚀，使电解液向非线性方面转化。2）降低电解液的密度和粘度，增加流速，均匀流场。图混气电解加工型孔26第六章第六章电化学加工电化学加工p优点：优点：电解加工成形精度高电解加工成形精度高；阴极工具设计与制造简单；阴极工具设计与制造简单；可利用小功率电源加工大面积的工件。可利用小功率电源加工大面积的工件。p缺点：缺点：生产率低，较不混气时降低生产率低，较不混气时降低1/31/2；需要附属供气设备，要有足够压力的气源、管道及良需要附属
16、供气设备，要有足够压力的气源、管道及良好的抽风设备等，使用成本高。好的抽风设备等，使用成本高。a)不混气不混气b)混气混气图图混气电解加工效果对比混气电解加工效果对比271 1 型孔加工型孔加工: :形状复杂、尺寸较小的四方、六方、椭圆、形状复杂、尺寸较小的四方、六方、椭圆、半圆等形状的通孔和盲孔，机械加工很困难，可采半圆等形状的通孔和盲孔，机械加工很困难，可采用电解加工；用电解加工；图图 端面进给式型孔加工示意图端面进给式型孔加工示意图关键关键杂散腐蚀杂散腐蚀(锥度锥度)控制控制使用钝化型电解液使用钝化型电解液混气电解加工混气电解加工电极的绝缘处理电极的绝缘处理为为提高加工速度提高加工速度,
17、采用采用阴极内圆锥面阴极内圆锥面(高高1.5-3.5mm)增加加增加加工面积；工面积；第六章第六章电化学加工电化学加工28图图 增液孔的设置增液孔的设置关键关键电极的设计和制作电极的设计和制作使用钝化型电解液和混气使用钝化型电解液和混气电解加工电解加工使用反拷方法制作电极使用反拷方法制作电极喷液孔槽的设计，注意流喷液孔槽的设计，注意流场的均匀性；加开场的均匀性；加开增液孔增液孔2 2 型腔加工：型腔加工：对模具消耗较大、精度要求不太高的矿山对模具消耗较大、精度要求不太高的矿山机械、农机、拖拉机等所需的锻模已逐渐采用电解机械、农机、拖拉机等所需的锻模已逐渐采用电解加工。加工。第六章第六章电化学加
18、工电化学加工29图图 套料阴极工具套料阴极工具3 3 套料加工：套料加工：加工等截面、加工等截面、大面积异形孔；等截面、大面积异形孔；等截面、薄形零件下料。薄形零件下料。图图4.33 4.33 异形零件异形零件1mm1mm左右铜片，焊左右铜片，焊接、可更换接、可更换第六章第六章电化学加工电化学加工304叶片加工：用套料方法加工形状复杂、精度高、批量叶片加工：用套料方法加工形状复杂、精度高、批量大的整体叶轮；大的整体叶轮；电解加工电解加工:不受材料硬度和韧性限制，直接在轮坯上加不受材料硬度和韧性限制，直接在轮坯上加工出叶身型面，一个完成后退出阴极，分度后加工下一工出叶身型面，一个完成后退出阴极，
19、分度后加工下一个。加工周期大大缩短、生产率高、表面粗糙度小、叶个。加工周期大大缩短、生产率高、表面粗糙度小、叶轮强度高、质量好。电解加工整体叶轮在我国已得到普轮强度高、质量好。电解加工整体叶轮在我国已得到普遍应用。遍应用。叶片加工特点叶片加工特点:涡轮发动机、涡轮发动机、增压器、汽轮机等叶身型面形增压器、汽轮机等叶身型面形状较复杂、要求精度高，加工状较复杂、要求精度高，加工批量大，机械加工困难；批量大，机械加工困难；传统方法传统方法:将精密锻造、机械将精密锻造、机械加工、抛光后镶到叶轮轮缘的加工、抛光后镶到叶轮轮缘的槽中，再焊接而成，加工量大槽中，再焊接而成，加工量大,周期长，且质量不易保证；
20、周期长，且质量不易保证；第六章第六章电化学加工电化学加工31图图 固定式固定式阴极深孔扩孔原理阴极深孔扩孔原理5深孔扩孔加工：深孔扩孔加工：利用固定的长电极扩孔；利用固定的长电极扩孔；设备简单、操作简单设备简单、操作简单：一套夹具完成定位、导电、输液；：一套夹具完成定位、导电、输液；生产率高：整个加工面同时电解；生产率高：整个加工面同时电解；阴极比工件长，电源功率要大；阴极比工件长，电源功率要大；进、出口处表面粗糙度及尺寸精度不一致；进、出口处表面粗糙度及尺寸精度不一致；工件较长时阴极刚度不足；工件较长时阴极刚度不足；第六章第六章电化学加工电化学加工326深孔扩孔加工深孔扩孔加工:利用短电极移
21、动扩孔；利用短电极移动扩孔；优点：优点：阴极较短，容易制造且不受电源功率限制阴极较短，容易制造且不受电源功率限制; ;缺点：缺点：需要机床的有效长度大于工件长度需要机床的有效长度大于工件长度图图 4.37 4.37 移动式移动式阴极深孔扩孔原理阴极深孔扩孔原理圆锥型阴极因加工间隙及流速均匀，圆锥型阴极因加工间隙及流速均匀，加工效果好；加工效果好；工件工件圆柱形阴极圆柱形阴极圆锥形阴极圆锥形阴极第六章第六章电化学加工电化学加工337电解倒棱去毛刺：电解倒棱去毛刺：工件与阴极工具通过绝缘柱连接，保持工件与阴极工具通过绝缘柱连接，保持3-5mm距离，使电解液通过；距离，使电解液通过；20V电压、电压、1分钟完成加工。分钟完成加工。图图 齿轮的电解去毛刺齿轮的电解去毛刺第六章第六章电化学加工电化学加工348电解刻字：电解刻字：用于淬火用于淬火(高硬度高硬度)、薄壁、高精度及表面不允许破坏零件的刻字或花纹；、薄壁、高精度及表面不允许破坏零件的刻字或花纹；间隙内滴入少量钝化型电解液，间隙内滴入少量钝化型电解液，1-3秒完成；秒完成；图图 电解刻字示意图电解刻字示意图第六章第六章电化学加工电化学加工
