第六章_電化學(xué)加工

1、1第6章 電化學(xué)加工26.1 概概 述述電化學(xué)加工(Electrochemical Machining，ECM)是特種加工的一個(gè)重要分支，目前已成為一種較為成熟的特種加工工藝，被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。根據(jù)加工原理，電化學(xué)加工可分為以下三大類：(1) 利用電化學(xué)陽(yáng)極溶解的原理去除工件材料。 (2) 利用電化學(xué)陰極沉積的原理進(jìn)行鍍覆加工。 (3) 利用電化學(xué)加工與其他加工方法相結(jié)合的電化學(xué)復(fù)合加工。 36.2 電化學(xué)加工基本原理電化學(xué)加工基本原理6.2.1 電化學(xué)反應(yīng)過程如果將兩銅片插入CuCl2水溶液中(見下圖)，由于溶液中含有OH和Cl負(fù)離子及H和Cu2+正離子，當(dāng)兩銅片分別連接直流電源的正、負(fù)

2、極時(shí)，即形成導(dǎo)電通路，有電流流過溶液和導(dǎo)線。在外電場(chǎng)的作用下，金屬導(dǎo)體及溶液中的自由電子定向運(yùn)動(dòng)，銅片電極和溶液的界面上將發(fā)生得失電子的電化學(xué)反應(yīng)。其中，溶液中的Cu2+正離子向陰極移動(dòng)，在陰極表面得到電子而發(fā)生還原反應(yīng)，沉積出銅。在陽(yáng)極表面，Cu原子失去電子而發(fā)生氧化反應(yīng)，成為Cu2+正離子進(jìn)入溶液。在陰、陽(yáng)極表面發(fā)生得失電子的化學(xué)反應(yīng)即稱為電化學(xué)反應(yīng)，利用這種電化學(xué)反應(yīng)作用加工金屬的方法就是電化學(xué)加工。其中，陽(yáng)極上為電化學(xué)溶解，陰極上為電化學(xué)沉積。4 電化學(xué)反應(yīng)過程圖 56.2.2 電極電位1. 電極電位的形成任何一種金屬插入含該金屬離子的水溶液中，在金屬/溶液界面上都會(huì)形成一定的電荷分布

3、，從而形成一定的電位差，這種電位差就稱之為該金屬的電極電位。2. 標(biāo)準(zhǔn)電極電位所謂標(biāo)準(zhǔn)電極電位是指金屬在給定的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下，相對(duì)一個(gè)統(tǒng)一的電位參考基準(zhǔn)所具有的平衡電極電位值。 63. 平衡電極電位可逆反應(yīng)速度即氧化反應(yīng)與還原反應(yīng)的速度相等，金屬/溶液界面上沒有電流通過，也沒有物質(zhì)溶解或析出，即建立一個(gè)穩(wěn)定的雙電層。此種情況下的電極則稱為可逆電極，相應(yīng)電極電位則稱為可逆電極電位或平衡電極電位。 76.2.3 電極的極化1. 濃差極化濃差極化是由于電解過程中電極/溶液界面處的離子濃度和本體溶液濃度差別所致。在電解加工時(shí)，金屬離子從陽(yáng)極表面溶解出并逐漸由陽(yáng)極金屬/溶液界面向溶液深處擴(kuò)散，于是

4、陽(yáng)極金屬/溶液界面處的陽(yáng)極金屬離子濃度比本體溶液中陽(yáng)極金屬濃度高，濃度差越大，陽(yáng)極表面電極電位越高。 82. 電化學(xué)極化一個(gè)電極反應(yīng)過程包括反應(yīng)物質(zhì)的遷移、傳遞，反應(yīng)物質(zhì)在電極/溶液界面上得失電子等。如果反應(yīng)物質(zhì)在電極/溶液界面上得失電子的速度，即電化學(xué)反應(yīng)速度落后于其他步驟所進(jìn)行的速度，則造成電極表面電荷積累，其規(guī)律是使陽(yáng)極電位更正，陰極電位更負(fù)。將由于電化學(xué)反應(yīng)速度緩慢而引起的電極極化現(xiàn)象稱作電化學(xué)極化 93. 電阻極化電阻極化是由于電解過程中在陽(yáng)極金屬表面生成一層鈍化性的氧化膜或其他物質(zhì)的覆蓋層，使電流通過困難，造成陽(yáng)極電位更正，陰極電位更負(fù)。由于這層膜是鈍化性的，也由于這層膜的形成是鈍

5、化作用所致，故電阻極化又稱鈍化極化。 106.2.4 金屬的鈍化和活化1) 全部處于活化溶解狀態(tài)見圖(a) 2) 活化鈍化超鈍化的變化過程見圖 (b)3) 活化不完全鈍化超鈍化狀態(tài)見圖 (c) (a) 整個(gè)區(qū)域都是活化溶解 (b) 存在鈍化區(qū) (c) 存在不完全鈍化區(qū) 三種典型的陽(yáng)極極化曲線圖116.3 電電 解解 加加 工工電解加工是特種加工技術(shù)中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，尤其適合于難加工材料、形狀復(fù)雜或薄壁零件的加工。126.3.1 電解加工過程及其特點(diǎn)1. 電解加工的特點(diǎn)與其他加工方法相比，電解加工具有如下特點(diǎn)。l(1) 加工范圍廣。l(2) 生產(chǎn)率高，且加工生產(chǎn)率不直接受加工精度和表面粗糙

6、度的限制。l(3) 加工質(zhì)量好。l(4) 可用于加工薄壁和易變形零件。 l(5) 工具陰極無(wú)損耗。 132. 電解加工機(jī)理電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學(xué)陽(yáng)極溶解的原理將工件加工成形的一種特種加工方法。3. 電解加工中的電極反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)電極電位的高低決定在一定條件下對(duì)應(yīng)金屬離子參與電極反應(yīng)的順序。146.3.2 電解加工的基本規(guī)律1. 電解加工生產(chǎn)率既能夠定性分析,又能夠定量計(jì)算，可以深刻揭示電解加工工藝規(guī)律的基本定律就是法拉第定律。金屬陽(yáng)極溶解時(shí)，其溶解量與通過的電量符合法拉第定律。 2. 電流效率法拉第定律可用于根據(jù)電量計(jì)算任何被溶解物質(zhì)的數(shù)量，并在理論上不受電解液成分、濃度、溫度、壓力

7、以及電極材料、形狀等因素的影響。3. 電解加工速度類似于一般機(jī)械加工，人們希望掌握在工件被加工表面法線方向上的去除(加工)線速度。 4. 加工間隙加工間隙是電解加工的核心工藝要素，它直接影響加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率，也是設(shè)計(jì)工具陰極和選擇加工參數(shù)的主要依據(jù)。156.3.3 電解液1. 電解液的作用、要求及分類1) 電解液的作用電解液是電解池的基本組成部分，是產(chǎn)生電解加工陽(yáng)極溶解的載體。正確地選用電解液是電解加工的最基本的條件。電解液的主要作用是：(1) 與工件陽(yáng)極及工具陰極組成進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)的電極體系，實(shí)現(xiàn)所要求的電解加工過程，同時(shí)所含導(dǎo)電離子也是電解池中傳送電流的介質(zhì)，這是其最基本的作用。

8、(2) 排除電解產(chǎn)物，控制極化，使陽(yáng)極溶解能正常連續(xù)進(jìn)行。(3) 及時(shí)帶走電解加工過程中所產(chǎn)生的熱量，使加工區(qū)不致過熱而引起沸騰、蒸發(fā)，以確保正常的加工。162) 對(duì)電解液的要求對(duì)電解液總的要求是加工精度和效率高、表面質(zhì)量好、實(shí)用性強(qiáng)。但隨著電解加工的發(fā)展，對(duì)電解液又不斷提出新的要求。根據(jù)不同的出發(fā)點(diǎn)，有的要求可能是不同的甚至相互矛盾的。對(duì)電解液的基本要求包括以下四個(gè)主要方面。(1) 電化學(xué)特性方面。(2) 物理特性方面。(3) 穩(wěn)定性方面。(4) 實(shí)用性方面。172. 常用電解液及其選擇原則1) 電解液選擇的原則 2) 常用電解液目前生產(chǎn)實(shí)踐中常用的電解液為中性電解液中的NaCl、NaNO3

9、及NaClO3三種。3) 低濃度復(fù)合電解液如前所述，近年開發(fā)的低濃度復(fù)合電解液在改善鈦合金加工及鎳基鑄造合金的表面質(zhì)量以及提高鐵基合金或金屬的加工精度上有顯著的效果。183. 電解液的流動(dòng)形式 電解液的流動(dòng)形式圖196.3.4 電解加工設(shè)備1. 電解加工設(shè)備的組成及基本要求1) 電解加工設(shè)備的組成電解加工設(shè)備包括機(jī)床本體、整流電源、電解液系統(tǒng)三個(gè)主要實(shí)體以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)。 2) 電解加工設(shè)備的基本要求(1) 機(jī)床剛性強(qiáng)。 (2) 進(jìn)給速度穩(wěn)定性高。 (3) 設(shè)備耐腐蝕性好。 (4) 電氣系統(tǒng)抗干擾性強(qiáng)。 (5) 大電流傳導(dǎo)性好。 (6) 安全措施完備。 202 電解加工機(jī)床1) 電解加工機(jī)床

10、的主要類型2) 電解加工機(jī)床的主要部件3. 電解加工電源電源是電解加工設(shè)備的核心部分，電解加工機(jī)床和電解液系統(tǒng)的規(guī)格都取決于電源的輸出電流，同時(shí)電源調(diào)壓、穩(wěn)壓精度和短路保護(hù)系統(tǒng)的功能，影響著加工精度、加工穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。 214. 電解液系統(tǒng)電解液系統(tǒng)的作用是向加工區(qū)供應(yīng)一定壓力、足夠流量和適宜溫度的干凈電解液。它主要由泵、電解液槽、過濾器、管道、閥、流量計(jì)、熱交換器等組成。5. 控制系統(tǒng)電解加工控制系統(tǒng)必須包括參數(shù)控制、循環(huán)控制、保護(hù)和連鎖三個(gè)組成部分。226.3.5 電解加工的應(yīng)用1. 模具型腔加工近年來，模具結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，材料性能不斷提高，難加工的材料如預(yù)淬硬鋼、不銹鋼、高鎳合金鋼、粉末

11、合金、硬質(zhì)合金、超塑合金等所占的比重日趨加大。因此，在模具制造業(yè)中越來越顯示出電解加工適應(yīng)難加工材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。電解加工在模具制造領(lǐng)域中已占據(jù)了重要地位。232. 葉片型面加工這類加工效率高，生產(chǎn)周期短；加工質(zhì)量好；電解液用反流式流動(dòng)，故流場(chǎng)較均勻、穩(wěn)定；但設(shè)備、陰極均較復(fù)雜，須采用三頭或斜向進(jìn)給機(jī)床、復(fù)合雙動(dòng)陰極。國(guó)外自動(dòng)生產(chǎn)線上已采用此方案，國(guó)內(nèi)開始在新機(jī)部分葉片的試制上應(yīng)用。3. 型孔及小孔加工4. 槍、炮管膛線加工傳統(tǒng)的槍管膛線制造工藝為擠線法，該法生產(chǎn)效率高，但擠線沖頭制造困難，而且為了保證在擠制膛線的過程中產(chǎn)生均勻一致的塑性變形，槍管外壁只能采用等徑圓鋼，擠線以后再按槍管外形

12、尺寸去除多余的金屬，因而毛坯材料損耗嚴(yán)重，且校正、電鍍、回火等一系列輔助工序較多，生產(chǎn)周期長(zhǎng)。245. 整體葉輪加工通常整體葉輪都工作在高轉(zhuǎn)速、高壓或高溫條件下，制造材料多為不銹鋼、鈦合金或高溫耐熱合金等難切削材料；再加之其為整體結(jié)構(gòu)且葉片型面復(fù)雜，使得其制造非常困難，成為生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵。6. 電解去毛刺電解去毛刺的加工間隙較大，加工時(shí)間又很短，因而工具陰極不需要相對(duì)工件進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，即可采用固定陰極加工方式，機(jī)床不需要工作進(jìn)給系統(tǒng)及相應(yīng)的控制系統(tǒng)。但是，工具陰極相對(duì)工件的位置必須放置正確。257. 數(shù)控展成電解加工數(shù)控展成電解加工工具陰極形狀簡(jiǎn)單(棒狀、球狀及條狀)，設(shè)計(jì)制造方便，且適用范圍廣

13、，大大縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，因而可適應(yīng)多品種、小批量產(chǎn)品研制、生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)，可彌補(bǔ)電解加工在小量、單件加工時(shí)經(jīng)濟(jì)性差的缺點(diǎn)。8. 微精電解加工目前微精電解加工還處于研究和試驗(yàn)階段，其應(yīng)用還局限于一些特殊的場(chǎng)合，如電子工業(yè)中微小零件的電化學(xué)蝕刻加工(美國(guó)IBM公司)、微米級(jí)淺槽加工(荷蘭飛利浦公司)、微型軸電解拋光(日本東京大學(xué))已取得了很好的加工效果，精度已可達(dá)微米級(jí)。微細(xì)直寫加工、微細(xì)群縫加工及微孔電液束加工，以及電解與超聲、電火花、機(jī)械等方式結(jié)合形成的復(fù)合微精工藝已顯示出良好的應(yīng)用前景。266.4 電鑄及電刷鍍加工電鑄及電刷鍍加工電解加工是利用電化學(xué)陽(yáng)極溶解的原理去除工件材料的減材加工。與

14、此相反的是利用電化學(xué)陰極沉積的原理進(jìn)行的鍍覆加工(增材加工)，主要包括電鍍、電鑄及電刷鍍?nèi)悺?276.4.1 電鑄1. 電鑄的原理電鑄的基本加工原理如下圖所示，將電鑄材料作為陽(yáng)極，原模作為陰極，電鑄材料的金屬鹽溶液做電鑄液。在直流電源的作用下，陽(yáng)極發(fā)生電解作用，金屬材料電解成金屬陽(yáng)離子進(jìn)入電鑄液，再被吸引至陰極獲得電子還原而沉積于原模上。當(dāng)陰極原模上電鑄層逐漸增厚達(dá)到預(yù)定厚度時(shí)，將其與原模分離，即可獲得與原模型面凹凸相反的電鑄件。28292. 電鑄的特性與應(yīng)用電鑄制造有其鮮明的優(yōu)勢(shì)特性。(1) 高復(fù)制精度。電鑄是一種精密的金屬零件制造技術(shù)，能獲得到其他制造難以達(dá)到的復(fù)制精度。電鑄產(chǎn)生的鑄件可

15、以成為其他制造所需要的原模，并且表面精度極佳。(2) 原?？捎谰眯灾貜?fù)使用。電鑄加工過程對(duì)原模無(wú)任何損傷，所以原模可永久性重復(fù)使用，而同一原模生產(chǎn)的電鑄件重復(fù)精度極高。(3) 借助石膏、石蠟、環(huán)氧樹脂等作為原模材料，可把復(fù)雜零件的內(nèi)表面復(fù)制為外表面，或外表面復(fù)制為內(nèi)表面，然后再電鑄復(fù)制。30電鑄加工也存在一定局限性。(1) 生產(chǎn)率低。由于電流密度過大易導(dǎo)致沉積金屬的結(jié)晶粗大，強(qiáng)度低。一般每小時(shí)電鑄金屬層為0.020.5 mm，加工時(shí)間長(zhǎng)。(2) 原模制造技術(shù)要求高。(3) 有時(shí)存在一定的脫模困難。313. 電鑄的基本設(shè)備電鑄加工的基本設(shè)備有下列幾種。(1) 電鑄槽。為避免腐蝕，常用鋼板焊接，內(nèi)

16、襯鉛板、橡膠或塑料等。小型槽可用陶瓷、玻璃或搪瓷制品；大型槽可用耐酸磚襯里的水泥制作。(2) 直流電源。電壓320V可調(diào)，電流和功率能滿足(條件電流密度達(dá)到)1530 A/dm2即可。常用硅整流或可控硅直流電源。(3) 攪拌和循環(huán)過濾系統(tǒng)。其作用為降低濃差極化，加大電流密度，提高電鑄質(zhì)量。(4) 加熱和冷卻裝置。常用蒸汽和通電加熱，用電吹風(fēng)或自來水冷卻。324. 電鑄的工藝過程電鑄制造的工藝過程包括原模制作、表面處理、電鑄、襯背及脫模及鑄件檢測(cè)等。 5. 電鑄加工的應(yīng)用1) 激光視盤目前，電鑄加工是唯一能滿足生產(chǎn)光盤原模所需復(fù)制精度的工藝技術(shù)。2) 電鑄薄膜電鑄薄膜是生產(chǎn)厚度薄、面積廣并且要求

17、尺寸精度高元件的最經(jīng)濟(jì)的制造方法。電鑄鎳薄膜主要應(yīng)用在抗腐蝕元件、PCB 板的焊接點(diǎn)、無(wú)石棉襯墊及防火薄膜。另外，一種電鑄的墨化鎳薄膜被用作太陽(yáng)能吸收元件。333) 電鑄網(wǎng)狀元件電鑄網(wǎng)狀元件是指包含規(guī)則孔洞圖案的薄膜元件。這種電鑄制造被廣泛的用在咖啡及糖的濾網(wǎng)、電動(dòng)刮胡刀具和篩子。此外，電鑄網(wǎng)狀元件還常用在印刷業(yè)。4) 微型電鑄件LIGA制造可以利用電鑄制造生產(chǎn)原模，再以微成形技術(shù)大量翻制微型構(gòu)件。也可以直接電鑄微型構(gòu)件，包括微齒輪、微懸臂梁、薄膜等各式各樣的元件，進(jìn)一步組裝微電機(jī)、微機(jī)械臂、微型閥等。346.4.2 電刷鍍加工1. 電刷鍍技術(shù)的原理及特點(diǎn)電刷鍍加工時(shí)，工件接電源的負(fù)極，刷鍍筆

18、接電源的正極。裹有絕緣包套，浸漬特種鍍液的刷鍍筆“貼合”在工件的被鍍部位并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在陰極工件上，鍍液中的金屬離子在電場(chǎng)作用下與電子結(jié)合，還原為金屬原子而沉積形成鍍層。與有槽電鍍相比，電刷鍍加工有以下特點(diǎn)。(1) 不需要鍍槽，可以對(duì)局部表面直接刷鍍，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，可在現(xiàn)場(chǎng)使用，不易受工件大小、形狀的限制。(2) 刷鍍液的種類及可刷鍍的金屬多，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)合鍍層，一套設(shè)備可刷鍍金、銀、銅、鐵、錫、鎳、鎢、銦等多種金屬。(3) 目前可以使用電刷鍍技術(shù)的基體材料幾乎包括了所有的金屬結(jié)構(gòu)材料，如碳鋼、合金鋼、鑄鐵、不銹鋼、鎳基合金、銅基合金、鋁基合金等，鍍層與基體金屬的結(jié)合牢固，刷鍍速度快。(4) 刷鍍筆與工件之間必須保持一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而一般都須人工操作，難以實(shí)現(xiàn)大批量及自動(dòng)化生產(chǎn)。352. 電刷鍍基本設(shè)備電刷鍍基本設(shè)備包括刷鍍電源、刷鍍筆、刷鍍