《特種加工》課件-第4章

第4章電化學(xué)加工4.1電化學(xué)加工的原理及分類(lèi)4.2電解加工及電解磨削4.3電鑄加工、電鍍加工及電刷鍍加工4.4電化學(xué)加工的應(yīng)用實(shí)例 4.1電化學(xué)加工的原理及分類(lèi)

4.1.1電化學(xué)加工的原理

1.電化學(xué)加工過(guò)程

當(dāng)兩金屬片接上電源并插入任何導(dǎo)電的溶液中(例如水中加入少許NaCl)，如圖4－1所示，即形成通路，導(dǎo)線和溶液中均有電流流過(guò)。圖4－1兩類(lèi)導(dǎo)體的導(dǎo)電過(guò)程金屬導(dǎo)線和溶液是兩類(lèi)性質(zhì)不同的導(dǎo)體。

金屬導(dǎo)電體是靠自由電子在外電場(chǎng)作用下按一定方向移動(dòng)而導(dǎo)電的，是電子導(dǎo)體，或稱第一類(lèi)導(dǎo)體。

導(dǎo)電溶液(即電解質(zhì)溶液)是靠溶液中的正負(fù)離子移動(dòng)而導(dǎo)電的，是離子導(dǎo)體，或稱第二類(lèi)導(dǎo)體。例如，圖4－1中的NaCl溶液即為離子導(dǎo)體，溶液中含有正離子Na+和負(fù)離子Cl-，還有少量的H+和(OH)-。當(dāng)兩類(lèi)導(dǎo)體構(gòu)成通路時(shí)，在金屬片(電極)和溶液的界面上，必定有交換電子的反應(yīng)，即電化學(xué)反應(yīng)。如果所接的是直流電源，則溶液中的離子將作定向移動(dòng)。正離子移向陰極，在陰極上得到電子而進(jìn)行還原反應(yīng)。負(fù)離子移向陽(yáng)極，在陽(yáng)極表面失掉電子而進(jìn)行氧化反應(yīng)(也可能是陽(yáng)極金屬原子失掉電子而成為正離子，從而進(jìn)入溶液)。溶液中正、負(fù)離子的定向移動(dòng)稱為電荷遷移，在陽(yáng)、陰電極表面發(fā)生得失電子的化學(xué)反應(yīng)稱為電化學(xué)反應(yīng)，以這種電化學(xué)作用為基礎(chǔ)對(duì)金屬進(jìn)行加工(包括電解和鍍覆)的方法即電化學(xué)加工。與這一反應(yīng)過(guò)程密切相關(guān)的有電解質(zhì)溶液，電極電位，電極的極化、鈍化、活化，陽(yáng)極和陰極的電極反應(yīng)等。

2.電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程相關(guān)問(wèn)題的討論

1）電解質(zhì)溶液

凡溶于水后能導(dǎo)電的物質(zhì)叫做電解質(zhì)，如鹽酸(HCL)、硫酸H2SO4、氫氧化鈉(NaOH)、氫氧化銨(NH4OH)、食鹽（NaCl）、硝酸鈉(NaNO3)等酸、堿、鹽都是電解質(zhì)。電解質(zhì)與水形成的液體為電解質(zhì)溶液，簡(jiǎn)稱為電解液。電解液中所含電解質(zhì)的多少即為電解液濃度，一般以質(zhì)量百分比濃度（符號(hào)%）表示，即每100g溶液中所含溶質(zhì)的克數(shù)。還常用物質(zhì)的量濃度表示，即一升溶液中的電解質(zhì)的摩爾數(shù)。有些電解質(zhì)在水中能100%電離，稱為強(qiáng)電解質(zhì)。強(qiáng)酸、強(qiáng)堿和大多數(shù)鹽類(lèi)都是強(qiáng)電解質(zhì)，在水中都能完全電離。氨、醋酸等弱電解質(zhì)在水中僅小部分電離成離子，大部分仍以分子狀態(tài)存在，導(dǎo)電能力弱。

金屬是電子導(dǎo)體，導(dǎo)電能力強(qiáng)，電阻很小，隨著溫度的升高，其導(dǎo)電能力減弱；而電解質(zhì)溶液是離子導(dǎo)體，其導(dǎo)電能力要比金屬導(dǎo)體弱得多，電阻較大，隨著溫度的升高，其導(dǎo)電能力增強(qiáng)。濃度增加，在一定限度內(nèi)，導(dǎo)電能力也增強(qiáng)。濃度過(guò)高時(shí)，由于正、負(fù)離子間相互作用力增強(qiáng)，導(dǎo)電能力又將有所下降。

2）電極電位

因?yàn)榻饘僭佣际怯山饘訇?yáng)離子和自由電子組成的金屬晶體，所以當(dāng)金屬和溶液接觸時(shí)，常會(huì)發(fā)生電子得失的反應(yīng)過(guò)程。例如，鐵與FeCl2水溶液接觸，由于鐵離子在晶體中具有的能級(jí)比其在溶液中成為水化離子的能級(jí)高，且不穩(wěn)定，所以晶體界面上的鐵離子就有與水分子作用生成水化鐵離子進(jìn)入溶液中的傾向，電子則留在金屬表面上，即：（溶解、氧化反應(yīng)）隨著金屬表面負(fù)電荷增多，溶液中Fe2+返回金屬表面的速度逐漸增加。最后，兩種相反的過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)化學(xué)性能比較活潑的金屬(如鐵)，其表面帶負(fù)電，溶液帶正電，這就是“雙電層”(見(jiàn)圖4－2)。金屬愈活潑，這種傾向愈大。

在給定溶液中建立起來(lái)的雙電層，除了受靜電作用外，由于分子、離子的熱運(yùn)動(dòng)，其構(gòu)造并不像電容器那樣生成緊密的兩個(gè)帶電層，而是使雙電層的離子層獲得了分散的構(gòu)造，如圖4－3所示。只有在界面上極薄的一層才具有較大的電位差U。圖4－2活潑金屬雙電層圖4－3雙電層的電位分布由于雙電層的存在，在正、負(fù)電層之間，也就是鐵和FeCl2溶液之間形成電位差。這種產(chǎn)生在金屬和它的鹽溶液之間的電位差稱為金屬的電極電位。因?yàn)樗墙饘僭诒旧睇}溶液中的溶解和沉積相平衡時(shí)的電位差，所以又稱為平衡電極電位。

若金屬離子在金屬上的能級(jí)比在溶液中的低，即金屬離子存在于金屬晶體中比在溶液中更穩(wěn)定,則也形成雙電層。例如，把銅(Cu)放在CuSO4溶液中，則銅表面帶正電，靠近金屬銅表面的溶液薄層帶負(fù)電(見(jiàn)圖4－4)。金屬愈不活潑，此種傾向愈大。圖4－4不活潑金屬的雙電層至今為止，還沒(méi)有足夠可靠的方法來(lái)測(cè)定單個(gè)電極的電位，只能以一種電極作標(biāo)準(zhǔn)再與其它電極比較得出相對(duì)值。通常采用氫電極作標(biāo)準(zhǔn)。表4－1為某些電極25℃時(shí)在水溶液中的標(biāo)準(zhǔn)電極電位。

表4－1反映了物質(zhì)得失電子的能力，即氧化還原的能力。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電極電位可以判別哪些金屬容易發(fā)生陽(yáng)極溶解，哪些物質(zhì)容易析出,對(duì)研究電化學(xué)加工工藝有益。例如，表中的鐵電極、鋅電極比銅電極的標(biāo)準(zhǔn)電極電位值要小得多，由此可判斷鐵比銅容易溶解，銅則比鋅容易析出。此外，要使金屬發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)繼續(xù)下去，應(yīng)在兩極施加工作電壓，外加的工作電壓必須大于兩極電位之和。表4－1

25℃時(shí)某些電極在水溶液中的標(biāo)準(zhǔn)電位

3）電極的極化

上述平衡電極電位是沒(méi)有電流通過(guò)電極時(shí)的情況，當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，電極的平衡狀態(tài)遭到破壞，使陽(yáng)極電位向正移(代數(shù)值增大)、陰極電位向負(fù)移（代數(shù)值減小)，這種現(xiàn)象稱為電極極化(如圖4－5所示)。極化后的電極電位與平衡電位的差值稱為超電位。隨著電流密度的增加，超電位也增加。根據(jù)極化產(chǎn)生的原因不同，可將電極極化分為濃差極化、電化學(xué)極化和鈍化極化。圖4－5電極極化曲線◆濃差極化

在極化過(guò)程中，金屬不斷溶解的條件之一是生成的金屬離子需要越過(guò)雙電層，再向外遷移并擴(kuò)散，從而與溶液中的離子起作用，最后離開(kāi)反應(yīng)系統(tǒng)。然而擴(kuò)散與遷移的速度是有一定限度的，在外電場(chǎng)的作用下，如果極化過(guò)程中，電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行很快，而電極表面液層中金屬離子的擴(kuò)散與遷移速度較慢，來(lái)不及擴(kuò)散到溶液中去，使陽(yáng)極表面造成金屬離子堆積，引起了電位值增大，這就是濃差極化的本質(zhì)。在陰極上，由于水化氫離子的移動(dòng)速度很快，因此一般情況下，氫的濃差極化是很小的。

由此可知，凡能加速電極表面離子的擴(kuò)散與遷移速度的措施，都能使?jié)獠顦O化減小，如提高電解液流速以增強(qiáng)其攪拌作用，升高電解液溫度等?！綦娀瘜W(xué)極化

化學(xué)極化也叫活化極化，它是由電化學(xué)反應(yīng)中某一步驟反應(yīng)比其他步驟緩慢而引起的。也就是說(shuō)，由于某步驟反應(yīng)進(jìn)行最緩慢，電極反應(yīng)過(guò)程就會(huì)受到它的制約。陽(yáng)極溶解過(guò)程主要包括電化學(xué)反應(yīng)和離子擴(kuò)散與遷移。因此，前者過(guò)程中某些反應(yīng)緩慢，會(huì)引起整個(gè)陽(yáng)極溶解過(guò)程緩慢(電化學(xué)極化)；后者過(guò)程中的緩慢，將引起擴(kuò)散過(guò)程緩慢(濃差極化)。

由于電化學(xué)極化取決于電化學(xué)反應(yīng)，因此，它與電極材料和電解液成份緊密相關(guān)。此外，還與電極表面狀態(tài)、電解液溫度、電流密度有關(guān)。溫度升高，反應(yīng)速度加快，電化學(xué)極化減小；電流密度愈高，電化學(xué)極化也愈嚴(yán)重?！翕g化極化

鈍化極化是由于電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，陽(yáng)極表面生成一層鈍化性氧化物膜或其他物質(zhì)的覆蓋層，使電流通過(guò)困難，因而引起陽(yáng)極電位正移。由于鈍化極化主要是產(chǎn)生在陽(yáng)極表面上，因此在利用陽(yáng)極溶解原理的電化學(xué)加工中，若陽(yáng)極溶解過(guò)程緩慢，則會(huì)影響生產(chǎn)率。使金屬鈍化膜破壞的過(guò)程稱為活化。影響活化的因素很多，例如將電解液加熱，通入還原性氣體或某些活性離子，采用機(jī)械辦法破壞鈍化膜等。4.1.2電化學(xué)加工的分類(lèi)及特點(diǎn)

電化學(xué)加工有三種不同的類(lèi)型。第Ⅰ類(lèi)是利用電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的陽(yáng)極溶解來(lái)進(jìn)行加工，主要有電解加工和電化學(xué)拋光等；第Ⅱ類(lèi)是利用電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的陰極沉積來(lái)進(jìn)行加工，主要有電鍍、電鑄等；第Ⅲ類(lèi)是利用電化學(xué)加工與其他加工方法相結(jié)合的電化學(xué)復(fù)合加工工藝進(jìn)行加工，目前主要有電解磨削、電化學(xué)陽(yáng)極機(jī)械加工(其中還含有電火花放電作用)。電化學(xué)加工的類(lèi)別如表4－2所示。表4－2電化學(xué)加工分類(lèi)電化學(xué)加工與傳統(tǒng)加工相比，有如下主要特點(diǎn)：

（1)可對(duì)任何金屬材料進(jìn)行形狀、尺寸和表面的加工。加工高溫合金、鈦合金、淬硬鋼、硬質(zhì)合金等難加工金屬材料時(shí)，優(yōu)點(diǎn)更加突出。

（2)加工中無(wú)機(jī)械切削力和切削熱的作用，故加工后表面無(wú)冷硬層、殘余應(yīng)力，加工后也無(wú)毛刺或棱角。

（3)加工可以在大面積上同時(shí)進(jìn)行，也無(wú)需劃分粗、精加工，故一般都具有較高的生產(chǎn)率。

（4）電化學(xué)作用的產(chǎn)物(氣體或廢液)對(duì)環(huán)境有污染，對(duì)設(shè)備也有腐蝕作用，而且“三廢”處理比較困難。 4.2電解加工及電解磨削

4.2.1電解加工

1.電解加工的基本原理

電解加工是在電解拋光的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。電解拋光時(shí)，工件和工具電極之間的距離較大（100mm以上），電解液靜止不動(dòng)，故通過(guò)的電流密度很?。ㄒ话銥?.01～5A/cm2）,金屬蝕除率很低，只能對(duì)工件表面進(jìn)行拋光，而不能改變工件的原有形狀、尺寸。而電解加工則不同。圖4－6所示為電解加工原理示意圖。加工時(shí)，工件接直流電源(10～20V）的正極，工具電極接電源的負(fù)極。工具電極向工件緩慢進(jìn)給，并使兩極之間保持較小的間隙(0.1～1mm)，讓具有一定壓力（0.1～2MPa）的氯化鈉電解液從間隙中流過(guò)，這時(shí)電流密度可達(dá)20～1500A/cm2,陽(yáng)極工件的金屬被逐漸電解蝕除，電解產(chǎn)物被高速(5～50m/s)電解液沖帶走。圖4－6電解加工原理示意圖若工件待加工面的原始形狀與工具陰極型面不同，如圖4－7(a)所示，則工件上各加工點(diǎn)距離工具表面的距離就不相同，各點(diǎn)電流密度也不一樣。距離較近的地方，通過(guò)的電流密度就大，陽(yáng)極溶解的速度就快；而距離較遠(yuǎn)的地方，電流密度就小，陽(yáng)極溶解就慢。這樣，當(dāng)工具不斷進(jìn)給時(shí)，工件表面上各點(diǎn)就以不同的溶解速度進(jìn)行溶解，工件的型面就逐步接近工具陰極的型面，直到把工具的型面復(fù)印在工件上，得到所需要的型面（如圖4－7（b）所示）為止，即工件形狀、尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙要求。圖4－7電解加工成型原理

2.電解加工的主要特點(diǎn)

1)電解加工的主要優(yōu)點(diǎn)

（1）加工范圍廣，可加工高硬度、高強(qiáng)度、高韌性等難于切削加工材料，如硬質(zhì)合金、淬火鋼、不銹鋼、耐熱合金、鈦合金等，并可加工葉片、花鍵孔、炮管膛線、鍛模等各種復(fù)雜的三維型面以及薄壁、異形零件等。

（2）加工生產(chǎn)率高，可以一次進(jìn)給、直接成型，進(jìn)給速度可達(dá)0.3～1.5mm/min。其生產(chǎn)率為電火花加工的5～10倍。在某些情況下，比切削加工的生產(chǎn)率還高，且加工生產(chǎn)率不直接受加工質(zhì)量的限制，故一般適宜于大批量零件的加工。（3）表面質(zhì)量好，加工表面無(wú)殘余應(yīng)力層和毛刺飛邊，對(duì)材料的強(qiáng)度和硬度亦無(wú)影響。可以達(dá)到較好的表面粗糙度（1.25～0.2μm）和±0.1mm左右的平均加工精度。電解微細(xì)加工鋼材的精度可達(dá)±10～70μm。

(4)加工過(guò)程中,工具陰極在理論上不會(huì)耗損，可長(zhǎng)期使用。因?yàn)楣ぞ哧帢O材料本身不參與電極反應(yīng)，其表面僅產(chǎn)生析氫反應(yīng)，同時(shí)工具材料又是抗腐蝕性良好的不銹鋼或黃銅等，所以除產(chǎn)生火花短路等特殊情況外，工具陰極基本上沒(méi)有損耗。

2）電解加工的缺點(diǎn)及局限性

（1）電解加工影響因素多，技術(shù)難度高，不易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加工和保證較高的加工精度。

（2）工具電極的設(shè)計(jì)、制造和修正較麻煩，因而很難適用于單件生產(chǎn)。

（3）電解加工設(shè)備投資較高，占地面積較大。

（4）電解液對(duì)設(shè)備、工裝有腐蝕作用，電解產(chǎn)物處理不好易造成環(huán)境污染。

3.電解加工的電極反應(yīng)

電解加工的電極反應(yīng)較為復(fù)雜，其原因在于：一般工件材料不是純金屬，而是多種金屬元素的合金，其金相組織也不完全一致；所用的電解液往往不是該金屬的鹽溶液，而且還可能含有多種成份；電解液的濃度、溫度、壓力、流速等對(duì)電極過(guò)程也有影響。下面以在NaCl水溶液中電解加工鐵基合金為例分析電極反應(yīng)。

1）鋼在NaCl水溶液中電解的電極反應(yīng)

電解加工鋼件時(shí)，常用的電解液是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%～18%的水溶液。在電解液中存在著H+、OH-、Na+、Cl-四種離子,因此在陽(yáng)極上可能參與電極反應(yīng)的物質(zhì)就有Cl-、OH-和Fe，在陰極上可能參與的物質(zhì)就有H+、Na+。◆陽(yáng)極反應(yīng)

就反應(yīng)發(fā)生的可能性而言，分別列出其反應(yīng)方程，并按能斯特公式計(jì)算出電極電位U，作為分析時(shí)的參考。根據(jù)電極反應(yīng)過(guò)程的基本原理，電極電位最負(fù)的物質(zhì)將首先在陽(yáng)極反應(yīng)。因此，在陽(yáng)極，首先是鐵丟掉電子，成為二價(jià)鐵離子Fe2+而溶解，不大可能以三價(jià)鐵離子Fe3+的形式溶解，更不可能析出氧氣和氯氣。溶入電解液中的Fe2+又與OH-離子化合，生成Fe(OH)2沉淀而離開(kāi)反應(yīng)系統(tǒng)。◆陰極反應(yīng)

按可能性為按照電極反應(yīng)的基本原理，電極電位最正的粒子將首先在陰極反應(yīng)。因此，在陰極上只會(huì)析出氫氣，而不可能沉淀出鈉。由此可見(jiàn)，電解加工過(guò)程中，由于水的分解消耗，電解液的濃度逐漸變大，而電解液中的Cl-和Na+僅起導(dǎo)電作用，本身并不消耗，因此對(duì)于NaCl電解液，只要過(guò)濾干凈，適當(dāng)添加水分，就可長(zhǎng)期使用。

值得注意的是，用電解法加工合金鋼時(shí)，若鋼中各種金屬元素的平衡電極電位相差較大，則電解加工后的表面粗糙度值將變大。就碳鋼而言，隨著含碳量的增加，電解加工表面粗糙度值將變大。這是由于鋼中存在的Fe3C相，其電極電位接近石墨的平衡電位（U=+0.37V）而很難電解。所以，高碳鋼、鑄鐵或經(jīng)表面滲碳的零件均不適宜采用電解加工。

2）電解加工過(guò)程中的電能利用

電解加工時(shí)，加工電壓U是使陽(yáng)極不斷溶解的總能源，如圖4－8所示。圖4－8電解加工間隙內(nèi)的電壓分布圖欲在兩極間形成一定加工電流使陽(yáng)極達(dá)到較高的溶解速度，則要求加工電壓大于或等于兩部分電勢(shì)之和，即式中:

UR——電解液電阻形成的歐姆壓降。

Ua——陽(yáng)極壓降，由陽(yáng)極電極電位和極化產(chǎn)生的各種超電位組成。

Uc——陰極壓降，由陰極電極電位和極化產(chǎn)生的各種超電位組成。電解加工時(shí)的濃差極化一般不大，所以Ua、Uc主要取決于電化學(xué)極化和鈍化極化。這兩種現(xiàn)象形成的超電位又與電解液、被加工材料和電流密度有關(guān)。當(dāng)用氯化鈉電解液加工以下幾種材料時(shí)，相應(yīng)的電極反應(yīng)電壓數(shù)值如下：

鐵基合金 0～1V

鎳基合金 0～1V

鈦合金 4～6V

若采用鈍化性能強(qiáng)的電解液，如用硝酸鈉和氯酸鈉電解液加工上述材料，則電極反應(yīng)所需的電壓將要更高一些。采用氯化鈉電解液和較高的電解加工電壓（如20V）時(shí)，加工電壓的5%～30%將用來(lái)抵消極化產(chǎn)生的反電勢(shì)，余下的70%～95%的電壓用以克服間隙電解液的電阻。但是，通過(guò)間隙的電流能否全部用于陽(yáng)極溶解，還取決于陽(yáng)極極化的程度。若陽(yáng)極極化比較嚴(yán)重，以致電極電位與溶液中的某些陰離子的電極電位相差不多時(shí)，電流除用于陽(yáng)極溶解以外，還消耗于一些副反應(yīng)，電流效率將低于100%。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)用氯化鈉電解液加工鐵基合金時(shí)，電流效率η=95%～100%。加工鎳基合金和鈦合金的電流效率η=70%～85%。而當(dāng)采用NaNO3、NaClO3等電解液加工時(shí)，電流效率將隨電流密度、電解液濃度和溫度而劇烈變化。

4.電解液

在電解加工過(guò)程中，電解液的主要作用是：

(1)作為導(dǎo)電介質(zhì)傳遞電流。

（2）在電場(chǎng)作用下進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，使陽(yáng)極溶解能順利而有控制地進(jìn)行。

（3）將加工間隙內(nèi)產(chǎn)生的電解產(chǎn)物及熱量及時(shí)帶走，起到更新和冷卻作用。

因此，正確選用電解液對(duì)保證電解加工的正常進(jìn)行具有重要作用。

1）對(duì)電解液的基本要求

（1）具有足夠的蝕除速度，即生產(chǎn)率要高。這就要求電解質(zhì)在溶液中有較高的溶解度和離解度，具有很高的電導(dǎo)率。

（2）具有較高的加工精度和表面質(zhì)量。電解液中的金屬陽(yáng)離子不應(yīng)在陰極上產(chǎn)生放電反應(yīng)而沉積到陰極工具上，以免改變工具的形狀和尺寸。因此，電解液中所含金屬陽(yáng)離子必須具有較負(fù)的標(biāo)準(zhǔn)電極電位（U0＜-2V）,如Na+、K+等。當(dāng)加工精度和表面質(zhì)量要求較高時(shí)，應(yīng)選擇雜散腐蝕小的鈍性電解液。（3）陽(yáng)極反應(yīng)的最終產(chǎn)物應(yīng)是不溶性化合物。這主要是便于處理，且不會(huì)使陽(yáng)極溶解下來(lái)的金屬陽(yáng)離子在陰極上沉積。但在特殊情況下，如電解加工小孔、窄縫等時(shí)，為避免不溶性的陽(yáng)極產(chǎn)物堵塞加工間隙，則要求陽(yáng)極產(chǎn)物溶于電解液。

（4）要求電解液具有良好的綜合性能，如加工范圍廣、性能穩(wěn)定、安全性好及價(jià)格便宜等。

2）三種常用電解液

電解液可分為中性鹽溶液、酸性溶液和堿性溶液三大類(lèi)。酸性電解液除用于高精度、小間隙、細(xì)長(zhǎng)孔以及鍺、鉬、鈮等難溶金屬加工外，一般很少選用。堿性電解液對(duì)人身體也有損害，且會(huì)生成難溶性陽(yáng)極薄膜，因此僅用于加工鎢、鉬等金屬材料。由于中性鹽溶液腐蝕性小，使用時(shí)較安全，故應(yīng)用最普遍。最常用的有NaCl、NaNO3、NaClO3三種電解液，現(xiàn)分別進(jìn)行介紹?！鬘aCl電解液

NaCl電解液中含有活性Cl-離子，陽(yáng)極工件表面不易生成鈍化膜，所以具有較大的蝕除速度，而且沒(méi)有或很少有析氧等副反應(yīng)，電流效率高，加工表面粗糙度值也小。NaCl是強(qiáng)電解質(zhì)，導(dǎo)電能力強(qiáng)，而且適用范圍廣，價(jià)格便宜，所以是應(yīng)用最廣泛的一種電解液。

NaCl電解液的蝕除速度高，但其雜散腐蝕也嚴(yán)重，故復(fù)制精度較差。NaCl電解液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)常在20%以內(nèi)，一般為14%～18%，當(dāng)要求較高的復(fù)制精度時(shí)，可采用較低的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（5%～10%），以減少雜散腐蝕。常用的電解液溫度為25～35℃，但加工鈦合金時(shí)，必須在40℃以上?！鬘aNO3電解液

NaNO3電解液是一種鈍化型電解液，其陽(yáng)極極化曲線如圖4－9所示。在曲線AB段，電流密度隨陽(yáng)極電位升高而增大，符合正常的陽(yáng)極溶解規(guī)律。至BC段，由于鈍化膜的形成，使電流密度i急劇減小，至C點(diǎn)時(shí)，金屬表面進(jìn)入鈍化狀態(tài)。在CD段，陽(yáng)極表面處于鈍態(tài)，陽(yáng)極溶解速度極小。至D點(diǎn)后，鈍化膜開(kāi)始破壞，電流密度又隨電位的升高而迅速增大，金屬表面進(jìn)入超鈍化狀態(tài)。

如果在電解加工時(shí)，工件的加工區(qū)處于超鈍化狀態(tài)，非加工區(qū)由于其陽(yáng)極電位較低處于鈍化狀態(tài)而受到鈍化膜的保護(hù)，就可以減少雜散腐蝕，提高加工精度。圖4－10（a）、(b)所示即為分別采用NaCl電解液與NaNO3或NaClO3電解液加工時(shí)，成型精度的對(duì)比情況。圖4－9銅在NaNO3電解液中的極化曲線圖4－10雜散腐蝕能力比較

(a)采用NaCl電解液；(b)采用NaNO3或NaClO3電解液圖4－11所示是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaNO3電解液加工內(nèi)孔所用陰極及加工結(jié)果。陰極工作圈高度為1.2mm，其凸起為0.58mm，加工的孔沒(méi)有錐度，當(dāng)側(cè)面間隙達(dá)0.78mm時(shí)，側(cè)面即被保護(hù)起來(lái)，此臨界間隙稱為“切斷間隙”，以Δa表示。此時(shí)的電流密度ia稱為“切斷電流密度”。

NaNO3和NaClO3電解液為什么具有“切斷間隙”的特性？這是由于它們是鈍化性電解液的緣故。當(dāng)陽(yáng)極表面形成鈍化膜后，雖有電流通過(guò)，但陽(yáng)極并不溶解，此時(shí)電流效率η=0。只有當(dāng)加工間隙小于“切斷間隙”時(shí)，也即電流密度大于“切斷電流密度”時(shí)，鈍化膜才被破壞，從而工件被蝕除。圖4－12所示為三種常用電解液η與i的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，NaCl電解液電流效率接近于100%，故又稱為活性電解液或線性電解液；NaNO3或NaClO3電解液的η與i的關(guān)系是曲線，當(dāng)電流密度小于ia時(shí)，電解作用停止，故又稱為鈍性或非線性電解液。圖4－11電解液的成型精度圖4－12三種電解液的η—i曲線

NaNO3電解液在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%以下時(shí)，有比較好的非線性性能，成型精度高，而且對(duì)設(shè)備腐蝕性小，使用安全，價(jià)格也不高（為NaCl的一倍）。它的主要缺點(diǎn)是電流效率低，生產(chǎn)率也低。另外，加工時(shí)在陰極上有氨氣析出，所以NaNO3會(huì)有所消耗。◆NaClO3電解液

NaClO3電解液散蝕力小，加工精度高。據(jù)有關(guān)資料介紹，當(dāng)加工間隙達(dá)1.25mm以上時(shí)，陽(yáng)極溶解幾乎完全停止，且有較小的表面粗糙度值。NaClO3電解液在20℃時(shí)溶解度達(dá)49%（此時(shí)NaCl為26.5%）,因而導(dǎo)電能力強(qiáng)，可達(dá)到與NaCl電解液相近的生產(chǎn)率。另外，它對(duì)設(shè)備的腐蝕作用很小。但不足的是其價(jià)格較貴（為NaCl的5倍），而且由于它是一種強(qiáng)氧化劑，使用時(shí)要注意防火安全。同時(shí)在加工過(guò)程中，要注意Cl-離子濃度的變化。幾種常用電解液都有一定的局限性。為此，可在電解液中使用添加劑來(lái)改善電解液的性能。如為了減小NaCl電解液的散蝕能力，可加入少量磷酸鹽，使陽(yáng)極表面產(chǎn)生鈍化性抑制膜，以提高成型精度；為提高NaNO3電解液的生產(chǎn)率，可添加少量NaCl和Na2SO4;為改善加工表面質(zhì)量，可添加絡(luò)合劑、光亮劑等，如添加少量NaF，可改善表面粗糙度;為減輕電解液的腐蝕性，可以采用緩蝕添加劑等。

3）電解液參數(shù)對(duì)加工過(guò)程的影響

電解液的參數(shù)除成份外，還有濃度、溫度、PH值及粘度等，它們對(duì)加工過(guò)程均有顯著影響。在一定范圍內(nèi)，電解液的濃度越大，溫度愈高，則其電導(dǎo)率也愈高，蝕除能力更強(qiáng)。表4－3所示為不同濃度、溫度時(shí)三種常用電解液的電導(dǎo)率。表4－3常用電解液的電導(dǎo)率（1/Ω·cm）

電解液溫度不宜超過(guò)60℃，一般在30～40℃范圍內(nèi)較為有利。NaCl電解液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)常為10%～15%，一般不超過(guò)20%，當(dāng)加工精度要求較高時(shí)，常小于10%。NaNO3電解液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在20%左右，而NaClO3電解液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)常為15%～35%。表4－4所示為常見(jiàn)金屬材料所用電解液配方及電參數(shù)。表4－4電解液配方及電參數(shù)

4）電解液的流動(dòng)對(duì)加工過(guò)程的影響

加工過(guò)程中，電解液必須具有足夠的流速，以便及時(shí)將氫氣、金屬氫氧化物等電解產(chǎn)物和加工區(qū)的大量熱量帶走。電解液的流速一般為10m/s左右，電流密度增大時(shí)，流速要相應(yīng)增加。改變流速可通過(guò)調(diào)節(jié)電解液泵的出水壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)。

電解液的流向有三種形式，即正向流動(dòng)、反向流動(dòng)和橫向流動(dòng)，如圖4－13所示。三種形式各有特點(diǎn)，選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)工件具體幾何形狀和加工要求來(lái)確定。從流動(dòng)均勻性、加工穩(wěn)定性、表面粗糙度及加工間隙考慮，反向流動(dòng)與橫向流動(dòng)形式要優(yōu)于正向流動(dòng)。一般較復(fù)雜的型孔、型腔型面可采用反向流動(dòng)法；長(zhǎng)方形淺型腔、流線型加工面可采用橫向流動(dòng)法。圖4－13電解液的流向

(a)反向流動(dòng)；（b）正向流動(dòng)；(c）橫向流動(dòng)電解液流場(chǎng)的均勻性對(duì)電解加工也有較大影響。所謂流場(chǎng)均勻性，是指加工表面各處流量充足、均勻，不發(fā)生流線相交和其他流場(chǎng)缺陷，如空穴現(xiàn)象、分離現(xiàn)象等。加工間隙內(nèi)能否獲得均勻的流場(chǎng)，與陰極出水口的布局有密切關(guān)系。

如圖4－14所示，圖4－14（a）會(huì)出現(xiàn)流線分布不到的死水區(qū)（圖中以+號(hào)表示），該處沒(méi)有或很少有電解液流過(guò)，工件相應(yīng)部位溶解速度將低于其他部位，加工時(shí)就容易產(chǎn)生火花或短路。如按圖4－14（b）所示對(duì)出液槽做適當(dāng)修改，就可糾正這一缺點(diǎn)，從而當(dāng)電解液作反向流動(dòng)時(shí)，不易產(chǎn)生缺乏流體的死水區(qū)。圖4－14出水口布局對(duì)流場(chǎng)的影響無(wú)論是正向還是反向流動(dòng)，流線在端面間隙內(nèi)相交而夾角等于或小于90°時(shí)，則正向流動(dòng)接近出液槽處的流體或反向流動(dòng)接近端面邊緣的流體將受到抑制，使流速下降或不流動(dòng)，而該區(qū)域的溫度和氫氣將因此上升，使溶解速度下降，如圖4－15（a）、(c)所示。嚴(yán)重時(shí)會(huì)明顯降低陰極端面復(fù)印精度。若改變出液槽的形狀或增加一條回流槽就可消除這種死水區(qū)，如圖4－15（b）、(d)所示。圖4－15流線夾角小于90°時(shí)形成死水區(qū)

(a)、(b)反向流動(dòng)；(c)、(d)正向流動(dòng)出水口的形狀一般為窄槽和孔兩類(lèi)，其布局應(yīng)根據(jù)所加工型腔的結(jié)構(gòu)來(lái)考慮，應(yīng)盡可能使流場(chǎng)均勻，避免產(chǎn)生死水區(qū)。目前，型腔加工主要采用窄槽供液方式，而電解液供應(yīng)不足的加工區(qū)，則采用增液孔的方式來(lái)增補(bǔ)其供液不足。對(duì)筒形零件，如圓孔、花鍵、膛線等電解加工，仍采用噴液孔供液。另外，控制流場(chǎng)的方法還有面積控制法（使進(jìn)液面積略大于排液面積）、外壓控制法（即背壓法，在排液端增加出口壓力）以及分區(qū)供液法（即對(duì)于復(fù)雜型腔，可劃分成幾個(gè)獨(dú)立液流區(qū)域，并在相鄰區(qū)域之間開(kāi)設(shè)排液槽）等。

5.電解加工的基本工藝規(guī)律

1）生產(chǎn)率及其影響因素

電解加工的生產(chǎn)率是以單位時(shí)間內(nèi)被電解蝕除的金屬量來(lái)衡量的，用mm3/min或g/min表示。影響生產(chǎn)率的因素有工件材料的電化學(xué)當(dāng)量、電流密度、電解液及電極間隙等。◆金屬的電化學(xué)當(dāng)量和生產(chǎn)率的關(guān)系

由生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)得知，電解時(shí)電極上溶解或析出物質(zhì)的量（質(zhì)量m或體積V），與電解電流I和電解時(shí)間t成正比，亦即與電荷量（Q=It）成正比，其比例系數(shù)稱為電化學(xué)當(dāng)量。這一規(guī)律即法拉第電解定律，用下式表示：式中:

m——電極上溶解或析出物質(zhì)的質(zhì)量，單位為g。

V——電極上溶解或析出物質(zhì)的體積，單位為mm3。

K——被電解物質(zhì)的質(zhì)量電化學(xué)當(dāng)量，單位為g/（A·h）。

ω——被電解物質(zhì)的體積電化學(xué)當(dāng)量，單位為mm3/（A·h）。

I——電解電流，單位為A。

t——電解時(shí)間，單位為h。

K與ω的關(guān)系為K=ωρ

式中:

ρ——被電解物質(zhì)的密度，單位為g/mm3。當(dāng)鐵以Fe2+溶解時(shí)，其電化學(xué)當(dāng)量為或ω=133mm3/（A·h）亦即每安培電流每小時(shí)可電解掉1.042g或133mm3的鐵（鐵的密度ρ=7.8g/cm3）。各種常見(jiàn)金屬的電化學(xué)當(dāng)量如表4－5所示。對(duì)多元素合金，可以按元素含量的比例折算出電化學(xué)當(dāng)量，或由實(shí)驗(yàn)確定。表4－5一些常見(jiàn)金屬的電化學(xué)當(dāng)量表

法拉第電解定律可用來(lái)根據(jù)電荷量計(jì)算任何被電解金屬或非金屬的蝕除量，并在理論上不受電解液濃度、溫度、壓力、電極材料及形狀等因素的影響。但在實(shí)際電解加工時(shí)，某些情況下,在陽(yáng)極上還可能出現(xiàn)其他反應(yīng)，如氧氣或氯氣的析出，或有部分金屬以高價(jià)離子溶解，從而額外地多消耗一些電荷量，所以被電解掉的金屬會(huì)小于所計(jì)算的理論值。為此，引入電流效率η:實(shí)際蝕除量為正常電解時(shí)，對(duì)于NaCl電解液，陽(yáng)極上析出氣體的可能性不大，所以η常接近于100%。但有時(shí)η卻會(huì)大于100%，這是由于被電解的金屬材料中含有碳、Fe3C等難電解的微?；虍a(chǎn)生了晶間腐蝕，在合金晶粒邊緣先電解，高速流動(dòng)的電解液把這些微粒成塊沖刷脫落下來(lái)，從而節(jié)省了一部分電解電荷量?！綦娏髅芏群蜕a(chǎn)率的關(guān)系I=iA式中:

I——加工電流。

i——電流密度。

A——加工面積。

生產(chǎn)中常用垂直于表面方向的蝕除速度來(lái)衡量生產(chǎn)率。由圖4－16可知:V=Ah故陽(yáng)極金屬的蝕除速度為（4－1）式中:va——金屬陽(yáng)極的蝕除速度。

i——電流密度（A/cm2）。由上式可知，蝕除速度與該處的電流密度成正比。電解加工的平均電流密度約為10～100A/cm2，當(dāng)電解液壓力和流速較高時(shí)，可以選用較高的電流密度。但電流密度過(guò)高，將會(huì)出現(xiàn)火花放電，析出氯、氧等氣體，并使電解液溫度過(guò)高，甚至在間隙內(nèi)會(huì)造成沸騰汽化而引起局部短路?！綦姌O間隙大小和蝕除速度的關(guān)系

從實(shí)際加工中可知，電極間隙愈小，電解液的電阻也愈小，電流密度就愈大，因此蝕除速度就愈高。圖4－16中，設(shè)電極間隙為Δ，電極面積為A，電導(dǎo)率為σ，則電流I為（4－2）(4－3)圖4－16蝕除過(guò)程示意圖

將（4－3）式代入（4－1）式中，得(4－4)σ——電導(dǎo)率，單位為1/（Ω·mm）。UR——電解液的歐姆電壓，單位為V。Δ——加工間隙，單位為mm。外接電源電壓U為電解液的歐姆電壓UR、陽(yáng)極電壓U

a與陰極電壓Uc之和，即所以

由于陽(yáng)極電壓（即陽(yáng)極電極電位與超電位之和）及陰極電壓（即陰極電極電位與超電位之和）的數(shù)值一般約為2～3V（加工鈦合金時(shí)還要大些），因此為簡(jiǎn)化計(jì)算，可按或計(jì)算。式（4－4）說(shuō)明蝕除速度與η、ω、σ、UR成正比，而與Δ成反比，即電極間隙愈小，工件被蝕除的速度愈大。但間隙過(guò)小將引起火花放電或電解產(chǎn)物,特別是氫氣排泄不暢，反而降低蝕除速度或易被臟物堵死而引起短路。當(dāng)電解液參數(shù)、工件材料、電壓等均保持不變時(shí)，即ηωσUR=C（常數(shù)）時(shí)，則(4－5)va與Δ的雙曲線關(guān)系是分析間隙大小和蝕除速度關(guān)系規(guī)律的基礎(chǔ)。圖4－17所示為不同電壓時(shí)va與Δ間的雙曲線關(guān)系圖。圖4－17

va與Δ間的雙曲線關(guān)系當(dāng)用固定式陰極電解擴(kuò)孔或拋光時(shí)，可通過(guò)對(duì)式（4－4）的積分推導(dǎo)，求出電解時(shí)間t和加工間隙Δ的關(guān)系：(4－6)式中:Δ0——起始間隙。

2）電解加工的成型規(guī)律及加工精度

加工精度是指零件加工后的幾何參數(shù)（尺寸、幾何形狀及相互位置）與理想零件幾何參數(shù)相符合的程度。它們之間的差異即為加工誤差。影響電解加工精度的誤差有電解加工機(jī)床誤差、工件裝夾誤差、調(diào)整誤差、測(cè)量誤差和電解加工過(guò)程誤差等。這里著重分析與電解加工過(guò)程本身有關(guān)的加工精度問(wèn)題。電解加工精度主要取決于陰極的型面精度、復(fù)制精度以及重復(fù)精度。陰極的型面精度包括設(shè)計(jì)精度和制造精度，通常陰極設(shè)計(jì)、制造誤差均應(yīng)小于工件公差的1/4。復(fù)制精度是指加工出的形狀和尺寸與陰極形狀和尺寸相符合的程度。研究復(fù)制精度實(shí)質(zhì)上是研究工件與陰極工具之間間隙分布的規(guī)律。各處加工間隙的大小和均勻程度直接影響電解加工的復(fù)制精度。重復(fù)精度是指用同一個(gè)工具陰極加工一批工件的形狀和尺寸的一致性。加工間隙（一般是指最終間隙）的穩(wěn)定性直接影響電解加工的重復(fù)精度。因此，加工間隙的狀態(tài)直接影響電解加工精度。電解加工時(shí)，按測(cè)量方向可將加工間隙分為端面間隙、法向間隙和側(cè)面間隙。加工時(shí)，工具陰極的進(jìn)給速度往往影響到加工間隙大小，即影響著工件尺寸和成型精度，有必要作進(jìn)一步的分析?！舳嗣嫫胶忾g隙

如圖4－18所示，設(shè)加工起始間隙為Δ0，如果陰極固定不動(dòng)，加工間隙Δ將按（4－5）式的規(guī)律逐漸增大，蝕除速度將按（4－5）式的規(guī)律逐漸減小。如果陰極以恒定速度vc向工件進(jìn)給，則加工間隙逐漸減小，而蝕除速度將按（4－5）式的雙曲線關(guān)系相應(yīng)增大。當(dāng)工件的蝕除速度va與陰極的進(jìn)給速度vc相等時(shí)，兩者將達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí)的加工間隙將穩(wěn)定不變，稱之為端面平衡間隙Δb,由（4－5）式可直接導(dǎo)出Δb的計(jì)算公式，即當(dāng)va=vc時(shí)，Δ=Δb代入（4－5）式得端面平衡間隙Δb為

可見(jiàn),當(dāng)陰極進(jìn)給速度vc較大時(shí)，達(dá)到平衡時(shí),間隙Δb較小，在一定范圍內(nèi)它們成雙曲線反比關(guān)系，能互相平衡補(bǔ)償。當(dāng)然,vc不能無(wú)限增加，因?yàn)楫?dāng)vc過(guò)大時(shí)，Δb過(guò)小，將引起局部堵塞，造成火花放電或短路。端面平衡間隙一般為0.12～0.8mm，比較合適的為0.25～0.3mm。實(shí)際上的端面平衡間隙主要決定于選用的電壓和進(jìn)給速度。由于平衡間隙的變化，最終導(dǎo)致重復(fù)精度的下降，因此現(xiàn)代電解加工機(jī)床均具有直接控制各項(xiàng)主要參數(shù)恒定的自動(dòng)控制系統(tǒng)。端面平衡間隙Δb是指當(dāng)加工過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的加工間隙。在此以前，加工間隙處于由起始間隙Δ0向Δb過(guò)渡的狀態(tài)，如圖4－19所示。Δ0與Δb差別愈大，vc愈大，此過(guò)渡時(shí)間就愈長(zhǎng)。然而，實(shí)際加工時(shí)間決定于加工深度及進(jìn)給速度，不能拖延很長(zhǎng)，因此，加工結(jié)束時(shí)的加工間隙Δ和端面平衡間隙Δb不一定相同，往往是Δ大于Δb。圖4－18加工間隙變化過(guò)程圖4－19加工間隙的變化

(a)起始狀態(tài)；(b)經(jīng)過(guò)t時(shí)間后◆法向平衡間隙

上述端面平衡間隙Δb是垂直于進(jìn)給方向的陰極端面與工件間的間隙。若工具的端將上式代入（4－15）式即得法向平衡間隙：由此可見(jiàn)，法向平衡間隙Δn比Δb大1/cosθ

。實(shí)際上，傾斜底面在進(jìn)給方向的加工間隙往往并未達(dá)到平衡間隙Δb值，底面愈傾斜，即θ角越大，計(jì)算出的Δn值與實(shí)際值的偏差也愈大，因此，只有當(dāng)θ≤45°且精度要求不高時(shí)，方可采用此式。當(dāng)?shù)酌孑^傾斜，即θ＞45°時(shí)，應(yīng)按側(cè)面間隙計(jì)算，并作適當(dāng)修正。圖4-20法向進(jìn)給進(jìn)度及法向間隙◆側(cè)面間隙

當(dāng)電解加工型孔時(shí)，決定尺寸和精度的是側(cè)面間隙Δs。若電解液為NaCl，陰極側(cè)面不絕緣，則工件型孔側(cè)壁始終處在被電解狀態(tài)，勢(shì)必形成“喇叭口”。在圖4－21（a）中，設(shè)相應(yīng)于某進(jìn)給深度h=vt處的Δs=x，由式(4－4)可知，該處在x方向的蝕除速度為ηωσUR/x，經(jīng)時(shí)間dt后，該處間隙x將產(chǎn)生一個(gè)增量dx:將上式積分得上兩式說(shuō)明，當(dāng)陰極工具側(cè)面不絕緣時(shí)，側(cè)面任一點(diǎn)的間隙將隨工具進(jìn)給深度h=vct而變化，且為一拋物線關(guān)系，因此，加工好的側(cè)面為一拋物線狀的喇叭口。如果陰極側(cè)面改為如圖4－21（b）所示那樣進(jìn)行絕緣，只留一高度為b的工作圈，則在工作圈以上的側(cè)面不再被電解，而成一直口，此時(shí)側(cè)面間隙與工具進(jìn)給量無(wú)關(guān)，僅為圖4－21側(cè)面間隙◆平衡間隙理論的應(yīng)用

以上一些初步的平衡間隙理論可以在NaCl電解液加工時(shí)應(yīng)用：

(1)計(jì)算加工過(guò)程中各種電極間隙，從而推算加工后工件的形狀和尺寸。

(2)根據(jù)工件的形狀尺寸要求，設(shè)計(jì)工具陰極尺寸及修正量。

(3)分析加工誤差產(chǎn)生的主要原因。

(4)選擇合理的加工參數(shù)，如電極間隙、電源電壓、進(jìn)給速度等。平衡間隙理論的最重要的應(yīng)用就是設(shè)計(jì)陰極尺寸。通常，在已知工件截形的情況下，工具陰極的側(cè)面尺寸、端面尺寸及法向尺寸均可根據(jù)端面、側(cè)面及法向平衡理論計(jì)算出來(lái)。對(duì)于工件上的一段曲線截形，則可根據(jù)法向平衡間隙的計(jì)算公式，利用作圖法將對(duì)應(yīng)的工具陰極形狀設(shè)計(jì)出來(lái)。這種作圖設(shè)計(jì)陰極的方法稱為cosθ法。圖4－22給出了cosθ法作圖的示意圖。圖中：圖4－22

cosθ作圖法設(shè)計(jì)陰極當(dāng)然，實(shí)際電解加工間隙狀態(tài)比較復(fù)雜，要涉及到電化學(xué)、電場(chǎng)、流場(chǎng)等多種因素的交互影響，因而使得過(guò)程的監(jiān)測(cè)與控制非常困難。不均勻的間隙分布也使得工具的正確設(shè)計(jì)變得較困難，在實(shí)際工具制造中往往要對(duì)陰極進(jìn)行多次修整。為了提高工具陰極的設(shè)計(jì)精度，縮短設(shè)計(jì)、制造周期，目前已開(kāi)始將陽(yáng)極理論設(shè)計(jì)與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，研究建立陰極設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)和有效的陰極計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法。據(jù)了解，基于數(shù)值方法的陰極CAD在英、美已開(kāi)始得到實(shí)際應(yīng)用。◆影響加工間隙的其他因素

平衡間隙理論是分析各種加工間隙的基礎(chǔ)。由平衡間隙公式可知，除陰極間隙外，尚有其他因素影響平衡間隙。

首先，電流效率η在電解加工過(guò)程中有可能變化。例如，工件材料成分及組織狀態(tài)的不一致，電極表面的鈍化和活化狀況等，都會(huì)使η值發(fā)生變化。電解液的溫度、濃度的變化不但影響到η值，而且將對(duì)電導(dǎo)率值σ有較大影響（見(jiàn)電解液一節(jié)）。加工間隙內(nèi)工具形狀，電場(chǎng)強(qiáng)度的分布狀態(tài)等將影響到電流密度的均勻性，如圖4－23所示。在工件的尖角處,電力線比較集中，電流密度較高，蝕除較快;而在凹角處,電力線較稀疏，電流密度較低，蝕除速度則較低，所以電解加工較難獲得尖棱尖角的工件外形。另外，在設(shè)計(jì)陰極時(shí)，要考慮電場(chǎng)的分布狀態(tài)。

電解液的流動(dòng)方向?qū)庸ぞ燃氨砻娲植诙扔泻艽笥绊懀鐖D4－24所示，入口處為新鮮電解液，有較高的蝕除能力，愈近出口處則電解產(chǎn)物（氫氣泡和氫氧化亞鐵）的含量愈多，而且隨著電解液壓力的降低，氣泡的體積越來(lái)越大，電解液的導(dǎo)電率和蝕除能力也越低。因而一般規(guī)律是，入口處的蝕除速度及間隙尺寸比出口處Δ2大，其加工精度和表面質(zhì)量也較好。圖4－23尖角變圓角現(xiàn)象圖4－24電解產(chǎn)物對(duì)加工精度的影響

3）表面質(zhì)量

電解加工的表面質(zhì)量包括表面粗糙度和表面層的物理機(jī)械性能。正常電解加工的表面粗糙度能達(dá)到1.25～0.16μm，由于靠電化學(xué)陽(yáng)極溶解去除金屬，因此沒(méi)有切削力和切削熱的影響，不會(huì)在加工表面發(fā)生塑性變形，不存在殘余應(yīng)力、冷作硬化或表面燒傷等缺陷。影響表面質(zhì)量的因素主要有：

（1）工件材料的合金成分、金相組織及熱處理狀態(tài)對(duì)表面粗糙度的影響很大。合金成分多，雜質(zhì)多，金相組織不均勻，結(jié)構(gòu)較疏松，結(jié)晶粗大，晶粒不一致，這些都會(huì)造成溶解速度的差別，從而影響表面粗糙度。例如，鑄鐵、高碳鋼的表面粗糙度就較差?？刹捎眠m當(dāng)?shù)臒崽幚?，如高溫均勻化退火、球化退火，使組織均勻及晶粒細(xì)化等。（2）工藝參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量也有很大影響。一般來(lái)說(shuō)，電流密度較高（＞30A/cm2）、加工間隙較小有利于陽(yáng)極的均勻溶解。電解液的流速過(guò)低時(shí)，由于電解產(chǎn)物排出不及時(shí)，氫氣泡的分布不均，或由于加工間隙內(nèi)電解液的局部沸騰化等，易造成表面缺陷。電解液流速過(guò)高，有可能引起流場(chǎng)不均，局部形成真空而影響表面質(zhì)量。電解液的溫度過(guò)高，會(huì)引起陽(yáng)極表面的局部剝落而造成表面缺陷；溫度過(guò)低時(shí)，鈍化較嚴(yán)重，也會(huì)引起陽(yáng)極表面不均勻溶解或形成黑膜。加工鈦合金或純鈦時(shí)，電解液溫度需40°以上，平均電流密度需20A/cm2以上。（3）陰極表面條紋、刻痕等都會(huì)相應(yīng)地復(fù)印到工件表面，所以應(yīng)注意保證陰極表面的粗糙度要求。陰極上噴液口的設(shè)計(jì)和布局也是極為重要的，如果設(shè)計(jì)不合理，流場(chǎng)不均勻，就可能使局部電解液供應(yīng)不足而引起短路，有時(shí)還會(huì)引起流紋等弊病。陰極進(jìn)給不均時(shí)，會(huì)引起橫向條紋。

此外，為保證表面質(zhì)量，工件表面必須除油去銹，電解液必須沉淀過(guò)濾，不含固體顆粒雜質(zhì)。

6.提高電解加工精度的途徑

1）脈沖電流電解加工

采用脈沖電流電解加工是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新方法，可以明顯地提高加工精度、表面質(zhì)量和穩(wěn)定性，在生產(chǎn)中已實(shí)際應(yīng)用并正日益得到推廣。脈沖電解加工系統(tǒng)示意圖如圖4－25所示。圖4－25脈沖電解加工系統(tǒng)示意框圖采用脈沖電流電解加工能夠提高加工精度的原因是：

（1）它能消除加工間隙內(nèi)電解液電導(dǎo)率的不均勻化。加工區(qū)內(nèi)陽(yáng)極溶解速度不均勻是產(chǎn)生加工誤差的根源。由于陰極析氫的結(jié)果，在陰極附近將產(chǎn)生一層含有氫氣氣泡的電解液層，由于電解液的流動(dòng)，氫氣氣泡在電解液內(nèi)的分布是不均勻的。在電解液入口處的陰極附近，幾乎沒(méi)有氫氣氣泡，而遠(yuǎn)離電解液入口處的陰極附近，電解液中所含氫氣氣泡非常多。這種結(jié)果將對(duì)電解液流動(dòng)的速度、壓力、溫度和密度的特性有很大影響。這些特性的變化又集中反映在電解液電導(dǎo)率的變化上，造成工件各處電化學(xué)陽(yáng)極溶解速度不均勻，從而形成加工誤差。采用脈沖電流電解加工就可以在兩個(gè)脈沖間隔時(shí)間內(nèi)，通過(guò)電解液的流動(dòng)與沖刷，使間隙內(nèi)電解液的電導(dǎo)率分布基本均勻。（2）脈沖電流電解加工使陰極在電化學(xué)反應(yīng)中析出的氫氣是斷續(xù)的，呈脈沖狀，從而可以對(duì)電解液起攪拌作用，有利于電解產(chǎn)物的去除，提高電解加工精度。

為了充分發(fā)揮脈沖電流電解加工的優(yōu)點(diǎn)，有人采用脈沖電流同步振動(dòng)進(jìn)給電解加工。其原理是在陰極上，與脈沖電流同步施加一個(gè)機(jī)械振動(dòng)，即當(dāng)兩電極間隙最近時(shí)進(jìn)行電解，當(dāng)兩電極距離增大時(shí)停止電解而進(jìn)行沖液，從而改善了流場(chǎng)特性，使脈沖電流電解加工更日臻完善。還有人研究采用高頻窄脈沖電流電解加工技術(shù)，加工間隙可縮小到0.5mm以內(nèi)，加工精度可提高到0.05mm以內(nèi)，棱邊圓弧半徑r可小于0.10mm，較好地滿足了中、小件精密加工的需要。

2）小間隙加工

由（4－8）式可知，工件材料的蝕除速度va與加工間隙Δ成反比，C為常數(shù)（此時(shí)工件材料、電解液參數(shù)、電壓均保持穩(wěn)定）。

實(shí)際加工中，由于余量分布不均以及加工前零件表面微觀不平度等的影響，各處的加工間隙是不均勻的。以圖4－26中用平面陰極加工平面為例來(lái)分析。設(shè)工件最大的平直度為δ；則凸出部位的加工間隙為Δ；設(shè)其蝕除速度為va；低凹部位的加工間隙為Δ+δ;設(shè)其蝕除速度為va′。按（4－8）式，有圖4－26余量不均勻時(shí)電解加工示意圖兩處蝕除速度之比為可見(jiàn)，采用小間隙加工對(duì)提高加工精度和生產(chǎn)率都是有利的。但間隙愈小，對(duì)液流的阻力愈大，電流密度大，間隙內(nèi)電解液溫升快，溫度高，電解液的壓力需很高，因此間隙過(guò)小容易引起短路。所以，小間隙電解加工的應(yīng)用受到機(jī)床剛度、傳動(dòng)精度、電解液系統(tǒng)所能提供的壓力、流速以及過(guò)濾情況的限制。

3）改進(jìn)電解液

除了前面已提到的采用鈍化性電解液，如NaNO3、NaClO3等外，正在進(jìn)一步研究采用復(fù)合電解液，主要是在氯化鈉電解液中添加其他成分，既保持NaCl電解液的高效率，又提高加工精度。例如,在NaCl電解液中添加少量Na2MoO4、NaWO4，兩者都添加或單獨(dú)添加，質(zhì)量分?jǐn)?shù)共為0.2%～3%，加工鐵基合金具有較好的效果。采用NaCl15%～20%+CoCl20.1%～2%+H2O的電解液（指質(zhì)量分?jǐn)?shù)），可在相對(duì)于陰極的非加工表面形成鈍化層或絕緣層，從而避免雜散腐蝕。采用低濃度電解液，加工精度可顯著提高。例如，對(duì)于NaNO3電解液形成的鈍化層或絕緣層，可避免雜散腐蝕。過(guò)去常用的電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～30%。如果采用NaNO34%的低質(zhì)量分?jǐn)?shù)電解液加工壓鑄模時(shí)加工表面質(zhì)量良好，間隙均勻，復(fù)制精度高，棱角很清，側(cè)壁基本垂直，垂直面加工后的斜度小于1°；加工球面凹坑時(shí)，可直接采用球面陰極，加工間隙均勻，因而可以大大簡(jiǎn)化陰極設(shè)計(jì)。采用低質(zhì)量分?jǐn)?shù)電解液的缺點(diǎn)是效率較低，加工速度不能很快。

4）混氣電解加工

混氣電解加工是指在電解液中均勻混入一定量的氣體，供所形成的氣泡提高加工穩(wěn)定性和精度的電解加工。經(jīng)生產(chǎn)應(yīng)用，混氣電解加工可適應(yīng)較高精度工件的成型加工及簡(jiǎn)化工具電極的設(shè)計(jì)制造。

◆混氣電解加工的基本原理

混氣電解加工是將一定壓力的氣體（一般是壓縮空氣，也可采用二氧化碳或氮?dú)獾龋?jīng)氣道進(jìn)入氣液混合腔（又叫霧化器）內(nèi)，與電解液混合（如圖4－27所示），使電解液成為含有無(wú)數(shù)氣泡的氣液混合物，并進(jìn)入加工間隙進(jìn)行電解加工。圖4－27混氣電解加工示意圖◆混氣電解加工的特點(diǎn)

(1)電解液中混入氣體的作用。電解液中混入氣體后，增加了電解液的電阻率，減少了雜散腐蝕，使電解液向非線性方向轉(zhuǎn)化。間隙內(nèi)的電阻率隨著壓力的變化而變化，一般間隙小處壓力高，氣泡體積小，電阻率較低，電解作用強(qiáng)；間隙大處剛好相反，電解作用弱。圖4－28所示為帶有拋光圈的陰極電解加工孔時(shí)的情況，間隙Δs′內(nèi)的電阻比Δs內(nèi)的電阻大得多，電流密度迅速下降。當(dāng)間隙Δs′增大到一定數(shù)值時(shí)，就可能停止側(cè)壁處的電解作用，所以混氣電解加工存在著切斷間隙。加工孔時(shí)的切斷間隙約為0.85～1.3mm。同時(shí)，混氣電解加工減小了電解液的密度和粘度，增加了流速，消除了死水區(qū)，使流場(chǎng)均勻；高速流動(dòng)的微細(xì)氣泡起攪拌作用，有效減輕濃差極化，保證加工間隙內(nèi)電流密度分布趨于均勻。圖4－28混氣電解加工型孔（2）氣液混合比。氣液混合比是指混入電解液的空氣流量與電解液流量之比。由于氣體體積隨壓力而變化，因此在不同壓力下，氣液混合比不同。常用標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)（一個(gè)大氣壓，20℃）的氣液混合比用下式來(lái)計(jì)算：式中：

qg——?dú)怏w流量（指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），單位為m3/h。

q1——電解液流量，單位為m3/h。一般氣液混合比愈高，電解加工“非線性”性能就會(huì)愈好。但氣液混合比過(guò)高，其“非線性”性能改善極微，而含氣量過(guò)大，間隙電阻過(guò)大，電解作用太弱還會(huì)產(chǎn)生短路火花。

氣壓范圍一般為工廠實(shí)際提供的0.4～0.45MPa，且要保持壓力穩(wěn)定。液壓則根據(jù)混合腔的結(jié)構(gòu)以稍低于氣壓0.05MPa為宜，以免汽水倒灌。（3)混氣電解加工的工藝特性。與普通電解加工相比，采用混氣電解加工的加工精度高，重復(fù)精度達(dá)±0.05～±0.15mm，雜散腐蝕小，表面粗糙度值小，加工圓角半徑小。采用NaNO3電解液和復(fù)合電解液進(jìn)行混氣電解加工時(shí)，則加工精度更高。

混氣電解加工生產(chǎn)率較不混氣時(shí)降低1/3～1/2，且需專(zhuān)門(mén)的供氣系統(tǒng)。

由于混氣電解加工的加工間隙小而均勻，因此工具陰極的外形尺寸可按工件的相應(yīng)尺寸作大致均勻的縮小，不必進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和修整。對(duì)于批量較大的工件，如葉片或鍛模，可直接利用“反拷”法制造工具陰極，從而大大簡(jiǎn)化了工具陰極的設(shè)計(jì)和制造。

7.電解加工的基本設(shè)備

電解加工的基本設(shè)備主要包括直流電源、機(jī)床、電解液系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)等。

1）直流電源

常用的直流電源為硅整流電源及晶閘管整流電源。硅整流電源中先用變壓器把380V的交流電變?yōu)榈碗妷旱慕涣麟?，而后再用大功率硅二極管將交流電整成直流。在脈沖電流電解加工時(shí)，需采用晶閘管脈沖電源。

電源輸出電壓一般為8～24V，無(wú)級(jí)可調(diào)，加工電流達(dá)幾千安培至幾萬(wàn)安培，并設(shè)有火花和短路過(guò)載保護(hù)線路。

2）機(jī)床

電解加工機(jī)床是用來(lái)安裝夾具、工件（陽(yáng)極）與工具（陰極），實(shí)現(xiàn)其相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并接通直流電源和電解液系統(tǒng)的。對(duì)電解加工機(jī)床有如下要求：

（1）具有足夠的剛性。電解液有很高的壓強(qiáng)，對(duì)機(jī)床主軸、工作臺(tái)有很大的作用力，一般可達(dá)20～40kN。若機(jī)床剛性不足，就會(huì)造成機(jī)床部件的過(guò)大變形，改變工具陰極和工件的相對(duì)位置，甚至造成短路燒傷。

（2）工具電極應(yīng)具有穩(wěn)定的進(jìn)給速度。若進(jìn)給速度不穩(wěn)定，輕則影響加工精度，重則影響加工的順利進(jìn)行。一般進(jìn)給速度變化量要求小于5%，爬行量＜0.03mm。

（3）具有良好的精度。

（4）防腐絕緣性能好。

（5）采取必要的安全保護(hù)措施。電解加工過(guò)程中將產(chǎn)生大量氫氣，若不能迅速排除，就有可能因火花短路等而引起氫氣爆炸，必須采取相應(yīng)的排氫防爆措施。如果采用混氣加工，則有大量霧氣逸出，必須設(shè)置排氣裝置，以免污染工作環(huán)境。

另外，在電解加工機(jī)床設(shè)計(jì)方面，目前大多采用伺服電機(jī)或直流電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速進(jìn)給系統(tǒng)，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；廣泛采用滾珠絲杠傳動(dòng)，用滾動(dòng)導(dǎo)軌代替滑動(dòng)導(dǎo)軌，以防止低速時(shí)發(fā)生爬行現(xiàn)象，易腐蝕部分采用不銹鋼臺(tái)面、花崗石、耐蝕水泥導(dǎo)軌或采用犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)法等。

3）電解液系統(tǒng)

電解液系統(tǒng)主要由泵、電解液槽、過(guò)濾裝置、管道和各種閥組成，如圖4－29所示。圖4－29電解液系統(tǒng)示意圖表4－6三種電解液過(guò)濾方法的對(duì)比4）自動(dòng)控制系統(tǒng)

電解加工設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng)由CNC控制、單參數(shù)恒定控制及多參數(shù)自適應(yīng)控制、保護(hù)連鎖控制三部分組成。

5）其他方面

夾具和工具應(yīng)具有足夠的剛度，正確和可靠的定位裝夾方式以及良好、可靠的耐腐、絕緣措施等。

8.電解加工的應(yīng)用

1）深孔擴(kuò)孔加工

深孔擴(kuò)孔加工按陰極的運(yùn)動(dòng)形式可分為固定式和移動(dòng)式兩種。

固定式即工件和陰極間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如圖4－30所示。固定式深孔擴(kuò)孔加工的優(yōu)點(diǎn)：一是設(shè)備簡(jiǎn)單，只需一夾具來(lái)保持陰極與工件的同心及起導(dǎo)電和引進(jìn)電解液的作用；二是由于整個(gè)加工面同時(shí)電解，因此生產(chǎn)率高；三是操作簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是陰極要比工件長(zhǎng)一些，所需電源的功率較大；電解液在進(jìn)、出口處的溫度及電解產(chǎn)物含量等都不相同，容易引起加工表面粗糙度和尺寸不均勻現(xiàn)象；當(dāng)加工表面過(guò)長(zhǎng)時(shí)，陰極剛度不足。圖4－30固定式陰極深孔擴(kuò)孔原理圖移動(dòng)式加工通常是將零件固定在機(jī)床上，陰極在零件內(nèi)孔做軸向運(yùn)動(dòng)，多采用臥式。移動(dòng)式陰極較短，精度要求較低，制造容易，可加工任意長(zhǎng)度的工件而不受電源功率的限制。但它需要有效長(zhǎng)度大于工件長(zhǎng)度的機(jī)床，同時(shí)工件兩端由于加工面積不斷變化而引起電流密度變化，故出現(xiàn)收口和喇叭口，需采用自動(dòng)控制。

陽(yáng)極設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合工件的具體情況，盡量使加工間隙內(nèi)各處的流速均勻一致，避免產(chǎn)生渦流及死水區(qū)。擴(kuò)孔時(shí)如果設(shè)計(jì)成圓柱形陰極，則由于實(shí)際加工間隙沿陰極長(zhǎng)度方向變化，結(jié)果越靠近后段流速越小。如設(shè)計(jì)成圓錐陰極，則加工間隙基本上是均勻的，因而流場(chǎng)也均勻，效果較好，如圖4－31所示。為使流場(chǎng)均勻，在液體進(jìn)入加工區(qū)以前以及離開(kāi)加工區(qū)以后，設(shè)置導(dǎo)流段，避免流場(chǎng)在這些地方發(fā)生突變而造成渦流。圖4－31移動(dòng)式陰極深孔擴(kuò)孔示意圖

實(shí)際深孔擴(kuò)孔用的陰極如圖4－32示，陰極錐體2用黃銅或不銹鋼等導(dǎo)電材料制成；非工作面用有機(jī)玻璃或環(huán)氧樹(shù)脂等絕緣材料遮蓋起來(lái)；前引導(dǎo)4和后引導(dǎo)1起絕緣及定位作用；電解液從接頭6引進(jìn)，從出水孔3噴出，經(jīng)過(guò)一段導(dǎo)流，進(jìn)入加工區(qū)。圖4－32深孔擴(kuò)孔用的移動(dòng)式陰極

2）葉片加工

葉片是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪機(jī)中的重要零件，葉身型面形狀比較復(fù)雜，精度要求較高，加工批量大，在發(fā)動(dòng)機(jī)和汽輪機(jī)制造中占有相當(dāng)大的勞動(dòng)量。葉片采用機(jī)械加工困難較大，生產(chǎn)率低，加工周期長(zhǎng)，而采用電解加工，則不受葉片材料硬度和韌性的限制，在一次行程中就可加工出復(fù)雜的葉身型面，生產(chǎn)率高，表面粗糙度值小。

葉片加工的方式有單面加工和雙面加工兩種。機(jī)床也有立式和臥式兩種，立式大多用于單面加工，臥式大多用于雙面加工。葉片加工大多采用側(cè)流法供液，加工是在工作箱中進(jìn)行的。我國(guó)目前對(duì)葉片加工多數(shù)采用氯化鈉電解液的混氣電解加工法，也有采用加工間隙易于控制（有切斷間隙）的氯酸鈉電解液的，由于這兩種工藝方法的成型精度較高，因此陰極可采用反拷法制造。電解加工整體葉輪在我國(guó)已得到普遍應(yīng)用，如圖4－33所示。葉輪上的葉片是逐個(gè)加工的，采用套料法加工，加工完一個(gè)葉片，退出陰極，分度后再加工下一個(gè)葉片。在采用電解加工以前，葉片是經(jīng)精密鑄造、機(jī)械加工、拋光后鑲到葉輪輪緣的槽中，再焊接而成的，其加工量大、周期長(zhǎng)，而且質(zhì)量不易保證。電解加工整體葉輪時(shí)，只要把葉輪坯加工好后，直接在輪坯上加工葉片即可，其加工周期大大縮短，葉輪強(qiáng)度高、質(zhì)量好。圖4－33電解加工整體葉輪4.2.2電解磨削

1.電解磨削的基本原理和特點(diǎn)

電解磨削屬于電化學(xué)機(jī)械加工的范疇。電解加工具有較高的生產(chǎn)率，但加工精度不易控制。電解磨削是由電解腐蝕作用和機(jī)械磨削作用相結(jié)合進(jìn)行加工的，比電解加工有較好的加工精度和表面粗糙度，比機(jī)械磨削有較高的生產(chǎn)率。與電解磨削相近似的還有電解珩磨和電解研磨。

圖4－34所示是電解磨削原理圖。導(dǎo)電砂輪1與直流電源的陰極相聯(lián)，被加工工件2(硬質(zhì)分金車(chē)刀)接陽(yáng)極，它在一定壓力下與導(dǎo)電砂輪相接觸。在加工區(qū)域中注入電解液3，在電解和機(jī)械磨削的雙重作用下，車(chē)刀的后刀面很快就被磨光。圖4－35所示為電解磨削加工過(guò)程原理圖。電流從工件3，通過(guò)電解液5而流向磨輪，形成通路，于是工件(陽(yáng)極)表面的金屬在電流和電解液的作用下發(fā)生電解作用(電化學(xué)腐蝕)，被氧化成為一層極薄的氧化物，即氫氧化物薄膜4，一般稱它為陽(yáng)極薄膜。但剛形成的陽(yáng)極薄膜迅速被導(dǎo)電砂輪中的磨料刮除，在陽(yáng)極工件上又露出新的金屬表面，并被繼續(xù)電解。這樣，由電解作用和刮除薄膜的磨削作用交替進(jìn)行，使工件連續(xù)地被加工，直至達(dá)到一定的尺寸精度和表面粗糙度。

電解磨削過(guò)程中，金屬主要靠電化學(xué)作用腐蝕下來(lái)，砂輪起磨去電解產(chǎn)物陽(yáng)極鈍化膜和整平工件表面的作用。圖4－34電解磨削原理圖圖4－35電解磨削加工過(guò)程原理圖電解磨削與機(jī)械磨削比較，具有以下特點(diǎn)；

（1）加工范圍廣，加工效率高。由于它主要是電解作用，因此只要選擇合適的電解液就可以用來(lái)加工任何高硬度與高韌性的金屬材料。例如，磨削硬質(zhì)合金時(shí)，與普通的金剛石砂輪磨削相比較，電解磨削的加工效率要高3～5倍。

（2）可以提高加工精度和表面質(zhì)量。因?yàn)樯拜啿⒉恢饕ハ鹘饘?，磨削力和磨削熱都很小，不?huì)產(chǎn)生磨削毛刺、裂紋、燒傷現(xiàn)象，一般表面粗糙度可優(yōu)于0.16μm。（3）砂輪的磨損量小。例如，磨削硬質(zhì)合金或進(jìn)行普通刃磨時(shí)，碳化硅砂輪的磨損量為切除硬質(zhì)合金重量的400%～600%；電解磨削時(shí)，砂輪的磨損量不超過(guò)硬質(zhì)合金切除量的50%～100%，與普通金剛石砂輪磨削相比較，電解磨削用的金剛石砂輪的消耗速度僅為它們的1/5～1/10，可顯著降低成本。

與機(jī)械磨削相比，電解磨削的不足之處是：加工刀具等的刃口不易磨得非常鋒利；機(jī)床、夾具等需采取防蝕防銹措施；需增加吸氣、排氣裝置以及直流電源、電解液過(guò)濾、循環(huán)裝置等附屬設(shè)備。電解磨削時(shí)，電化學(xué)陽(yáng)極溶解的機(jī)理和電解加工相似。不同之處是電解加工時(shí)陽(yáng)極表面形成的鈍化膜是靠活性離子進(jìn)行活化，或靠很高的電流密度去破壞(活化)而使陽(yáng)極表面的金屬不斷溶解去除的，加工電流很大，溶解速度很快，電解產(chǎn)物的排除靠高速流動(dòng)的電解液的沖刷作用；電解磨削時(shí)陽(yáng)極表面形成的鈍化膜是靠砂輪的磨削作用，即機(jī)械的刮削來(lái)進(jìn)行活化的。因此，電解加工時(shí)必須采用壓力較高、流量較大的泵，如渦旋泵、多級(jí)離心泵等，而電解磨削一般可采用冷卻潤(rùn)滑液用的小型離心泵。從此意義上來(lái)說(shuō)，為區(qū)別電解磨削，有把電解加工稱為“電解液壓加工”的。另外，電解磨削是用砂輪磨料來(lái)刮除具有一定硬度和粘度的陽(yáng)極鈍化膜的，其形狀和尺寸精度主要是由砂輪相對(duì)工件的成型運(yùn)動(dòng)來(lái)控制的，因此，電解液中不能含有活化能力很強(qiáng)的活性離子，而采用腐蝕能力較弱的鈍化性電解液，以提高電解成型精度，有利于機(jī)床的防銹防蝕。

2.影響加工精度的因素

1）電解液

電解液的成分直接影響到陽(yáng)極表面鈍化膜的性質(zhì)。如果所生成的鈍化膜的結(jié)構(gòu)疏松，則對(duì)工件表面的保護(hù)能力就差，加工精度就低。要獲得高精度的零件，在加工過(guò)程中，工件表面應(yīng)生成一層結(jié)構(gòu)緊密、均勻的、保護(hù)性能良好的低價(jià)氧化物。鈍性電解液形成的陽(yáng)極鈍化膜不易受到破壞。硼酸鹽、磷酸鹽等弱電解質(zhì)的含氧酸鹽的水溶液都是較好的鈍性電解掖。

加工硬質(zhì)合金時(shí)，要適當(dāng)控制電解液的PH值，因?yàn)橛操|(zhì)合金的氧化物易溶于堿性溶液中。要得到較厚的陽(yáng)極鈍化膜，不應(yīng)采用高PH值的電解液，一般以PH＝7～9為宜。

2）陰極導(dǎo)電面積和磨粒軌跡

電解磨削平面時(shí)，常常采用碗狀砂輪以增大陰極面積，但工件往復(fù)移動(dòng)時(shí)，陰、陽(yáng)極上各點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和軌跡的重復(fù)程度并不相等，砂輪邊緣線速度高，進(jìn)給方向兩側(cè)軌跡的重復(fù)程度較大，磨削用量較多，磨出的工件往往成中間凸起的“魚(yú)背”形狀。

工件在往復(fù)運(yùn)動(dòng)磨削過(guò)程中，由于兩極之間的接觸面積逐漸減少或逐漸增加，引起電密度相應(yīng)的變化，造成表面電解不均勻，也會(huì)影響加工成型精度。此外，雜散腐蝕尖端放電常引起棱邊塌角或使側(cè)表面局部變毛糙。

3）被加工材料的性質(zhì)

對(duì)合金成分復(fù)雜的材料，由于不同金屬元素的電極電位不同，陽(yáng)極溶解速度也不同，特別是電解磨削硬質(zhì)合金和鋼料的組合件時(shí)，問(wèn)題更嚴(yán)重。因此要研究適合多種金屬同時(shí)均勻溶解的電解液配方，這是解決多金屬材料電解磨削的主要途徑。

4）機(jī)械因素

電解磨削過(guò)程中，陽(yáng)極表面的活化主要靠機(jī)械磨削作用，因此機(jī)床的成型運(yùn)動(dòng)精度、夾具精度、磨輪精度對(duì)加工精度的影響是不可忽視的。其中，電解磨輪占有重要地位，它不但直接影響到加工精度，而且影響到加工間隙的穩(wěn)定，如圖4－35所示。電解磨削時(shí)的加工間隙是由電解磨輪保證的，為此，除了精確修整砂輪外，砂輪的磨料也應(yīng)選擇較硬的、耐磨損的。

3.影響表面粗糙度的因素

1）電參數(shù)

工作電壓是影響表面粗糙度的主要因素。工作電壓低，則工件表面溶解速度慢，鈍化膜不易被穿透，因而溶解作用只在表面凸處進(jìn)行，有利于提高精度。精加工時(shí)應(yīng)選用較低的工作電壓，但不能低于合金元素中的最高分解電壓。例如，加工WC－Co系硬質(zhì)合金時(shí)，工作電壓不低于1.7V(因Co的分解電壓為1.2V，WC的分解電壓為1.7V)。加工TiC－Co系硬質(zhì)合金時(shí)，工作電壓不低于3V(因TiC的分解電壓為3V)。工作電壓過(guò)低，會(huì)使電解作用減弱，生產(chǎn)率降低，表面質(zhì)量變壞；工作電壓過(guò)高則表面不易整平，甚至?xí)鸹鸹ǚ烹姾碗娀》烹?，使表面粗糙度惡化。電解磨削較合理的工作電壓一般為5～12V。此外，工作電壓還應(yīng)與砂輪切深相配合。電解密度過(guò)高，電解作用過(guò)強(qiáng)，則表面粗糙度不好；電流密度過(guò)低，機(jī)械作用過(guò)強(qiáng)，也會(huì)使表面粗糙度變壞，因此，電解磨削時(shí)電流密度的選擇應(yīng)使電解作用和機(jī)械作用配合恰當(dāng)。

2）電解液

電解液的成份和濃度是影響陽(yáng)極鈍化膜性質(zhì)和厚度的主要因素，因此為了改善表面粗糙度，常常選用鈍性或半鈍性電解液。為了使電解正常進(jìn)行，間隙中應(yīng)充滿電解液，因此電解液的流量必須充足，而且應(yīng)過(guò)濾以保持電解液的清潔度。

3）工件材料性質(zhì)

其影響原因如前面所述。

4）機(jī)械因素

磨料粒度愈細(xì)，愈能均勻地去除凸起部分的鈍化膜，另一方面，也能使加工間隙減小，這兩種作用都加快了整平速度，有利于改善表面粗糙度。但如果磨料過(guò)細(xì)，加工間隙過(guò)小，則容易引起火花而降低表面質(zhì)量。一般粒度在40～100目?jī)?nèi)選取。

由于去除的是比較軟的鈍化膜，因此，磨料的硬度對(duì)表面粗糙度的影響不大。

磨削壓力太小，將難以去除鈍化膜；磨削壓力過(guò)大，則機(jī)械切削作用強(qiáng)，磨料磨損加快，使表面粗糙度惡化。實(shí)踐表明，電解磨削結(jié)束時(shí)，切斷電源進(jìn)行短時(shí)間(1~3min)的機(jī)械修磨，可改善表面的粗糙度和光亮度。

4.電解磨削的應(yīng)用

電解磨削由于集中了電解加工和機(jī)械磨削的優(yōu)點(diǎn)，因此在生產(chǎn)中已用來(lái)磨削一些高硬度的零件，如各種硬質(zhì)合金刀具、量具、擠壓拉絲模具、軋輥等。對(duì)于普通磨削很難加工的小孔、深孔、薄壁孔、細(xì)長(zhǎng)桿零件等，電解磨削也能顯示出其優(yōu)越性。對(duì)于復(fù)雜型面的零件，也可采用電解研磨和電解珩磨，因此電解磨削應(yīng)用范圍正在日益擴(kuò)大。

1）硬質(zhì)合金刀具的電解磨削

用氧化鋁電解砂輪磨削硬質(zhì)合金車(chē)刀和銑刀，表面粗糙度可達(dá)0.2～0.1μm，刃口半徑小于0.02mm，平直度也較普通砂輪磨出的好。采用金剛石導(dǎo)電砂輪磨削加工精密絲杠的硬質(zhì)合金成型車(chē)刀，表面粗糙度可小于0.016μm,刃口非常鋒利，完全達(dá)到精車(chē)精密絲杠的要求。所用電解液為亞硝酸鈉9.6％、硝酸鈉0.3％、磷酸氦二鈉0.3％的水溶液，加入少量的丙三醇(甘油)，可以改善表面粗糙度。電壓為6～8V，加工時(shí)的壓強(qiáng)為0.1MPa。實(shí)踐表明，采用電解磨削工藝不僅比單純用金剛石砂輪磨削效率提高2～3倍，而且大大節(jié)省了金剛石砂輪。一個(gè)金剛石導(dǎo)電砂輪可用5~6年。圖4－36合金軋棍

2）硬質(zhì)合金軋輥的電解磨削

硬質(zhì)合金軋輥如圖4－36所示。采用金剛石導(dǎo)電砂輪進(jìn)行電解成型磨削，軋輥的型槽精度為±0.02mm，型槽位置精度為±0.01mm，表面粗糙度為0.2μm，工件表面不會(huì)產(chǎn)生微裂紋，無(wú)殘余應(yīng)力，加工效率高，并大大提高了金剛石砂輪的使用壽命，其磨削比為138(磨削量cm3／磨輪損耗量cm3)。

所采用的導(dǎo)電磨輪為金屬(銅粉)結(jié)合劑的人造金剛石磨輪，磨料粒度為60～1000目，外圓磨輪直徑為?300mm，磨削型槽的成型磨輪直徑為?260mm。

電解液成份為亞硝酸鈉9.6％，硝酸鈉0.3％、磷酸氫二鈉0.3％、酒石酸鉀鈉0.1％，其余為水。粗磨的加工參數(shù)：電壓為12V，電流密度為15～25A/cm2，磨輪轉(zhuǎn)速為0.025r/min，一次進(jìn)刀深度為2.5mm。精加工的加工參數(shù)：電壓為10V，工件轉(zhuǎn)速為16r/min，工作臺(tái)移動(dòng)速度為0.6mm/min。

3）電解珩磨

對(duì)于小孔、深孔、薄壁筒等零件，可以采用電解研磨、電解珩磨，圖4－37所示為電解珩磨加工深孔示意圖。

普通的珩磨機(jī)床及珩磨頭稍加改裝，很容易實(shí)現(xiàn)電解珩磨。電解珩磨的電參數(shù)可以在很大范圍內(nèi)變化，電壓為3～30V，電流密度為0.2～1A／cm2。電解珩磨的生產(chǎn)率比普通珩磨的高，表面粗糙度也得到改善。

齒輪的電解珩磨已在生產(chǎn)中得到應(yīng)用，它的生產(chǎn)率比機(jī)械珩磨高，珩輪的磨損量也少。電解珩輪是由金屬齒片和珩輪齒片相間而組成的，如圖4－38所示，金屬齒形略小于珩磨輪齒片的齒形，從而保持一定的加工間隙。圖4－37電解珩磨示意圖圖4－38電解珩齒用電解珩輪圖4－39電解研磨加工（固定磨料方式）

4）電解研磨

把電解加工與機(jī)械研磨結(jié)合在一起，就構(gòu)成了一種新的加工方法——電解研磨，如圖4－39所示。電解研磨加工采用了鈍化型電解液，利用機(jī)械研磨能去除微觀不平度各高點(diǎn)的鈍化膜，使其露出基體金屬并再次形成新的鈍化摸，實(shí)現(xiàn)表面鏡面加工。

電解研磨按磨料是否粘接在彈性合成無(wú)紡布上可分為固定磨料加工和流動(dòng)磨料加工兩種。固定磨料加工是將磨料粘在無(wú)紡布上之后包覆在工具陰極上，無(wú)紡布的厚度即為電解間隙。當(dāng)工具陰極與工件表面充滿電解液并有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，工件表面將依次被電解，形成鈍化膜，同時(shí)受到磨粒的研磨作用，實(shí)現(xiàn)復(fù)合加工。流動(dòng)磨料電解研磨加工時(shí)，工具陰極只包覆彈性合成無(wú)紡布，極細(xì)的磨料則懸浮在電解液中，因此磨料研磨時(shí)的研磨軌跡就更加雜亂而無(wú)規(guī)律，而這正是獲得鏡面的主要原因。電解研磨可以對(duì)碳鋼、合金鋼、不銹鋼進(jìn)行加工。一般選用20％NaNO3作電解液，電解間隙為1～2mm，電流密度一般在1～2A／cm2。這種加工方法目前已應(yīng)用于金屬冷軋軋輥