电化学加工(胡伟奇)

3）电极极化
平衡电极电位是没有电流通过电极时的情况, 当有电流通过时,电极的平衡状态遭到破坏,使阳极 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),这种电极电位偏离了无电流 通过电极的电极电位情况称为电极极化. 极化后的电极电位与平衡电位的差值称为超电位 (过电位). i
1 2 电极极化曲线 -V 电位 +V i-电流密度;1-阴极;2-阳极
据电化学加工原理，可将电化学加工分为三类：

利用阳极溶解
电解：通过电化学反应从工件表面去除金属． 电解抛光：通过电化学反应从工件表面去除金属毛刺．

利用阴极上的沉积作用
电镀：在工件表面沉积金属：材料表面装饰保护．
电铸：在阴极上沉积实现附着加工． 电刷镀：
复合电镀：

复合加工
Fe+2 + 2e
Fe （沉积，还原反应）

随着金属表面负电荷的增多，溶液中Fe+2 返回金 属表面的速度逐渐增加。最后，这两种相反的过 程达到动态平衡。

对于化学性能比较活泼的金属（如铁），其表面 带负电，溶液带正电，形成一层极薄的“双电 层”，金属越活泼，这种倾向越大。
活泼金属的双电层
不活泼金属的双电层
电解磨削：
各种电化学方法的比较
工艺名称 电解加工 电解磨削 电铸加工 电镀与 电刷度
电化学 电化学 电化学 电化学 去除加工 去除加工 附着加工 附着加工 加工原理 机械磨削 阴极沉积 阴极沉积 作用 阳极溶解 剥取沉积 附着在表 电解作用 层 面
电化学方法与传统加工方法相比所具有的特点:
① 可对任何硬度、强度、韧性的金属材料进行加工，加工 难加工材料时，其优点更为突出。 ② 加工过程中不存在机械切削力和切削热作用，故加工后 表面无残余应力和冷硬层，也无毛刺 、棱边，表面质量 好。 ③ 大面积上可同时进行加工，也无需粗精分开，故一般具 有较高的生产率。 ④ 加工过程监测与自动控制、工具的准确设计、加工精度 的提高，以及电化学作用的产物（气体或废液）的处理 等都是亟待解决的问题。

4.2 电解加工 一、电解加工过程及其特点 电解加工（electrochemical machining，ECM）是利用金属在电解液中发生阳极溶解反应而去除工件上
多余的材料、将零件加工成形的一种方法。
1-直流电源 2-工具阴
极 3-工件阳极
4-电解液泵
5-电
解液
加工时，工件接电源正极（阳极），按一定形状要求制成的工具接负极（阴极），工具电极向工件缓慢进给，并 使两极之间保持较小的间隙（通常为0.02～0.7mm），利用电解液泵在间隙中间通以高速（5～50m/s）流动 的电解液。
时水(H2O)离解为氢氧根负离子OH－和氢正离子H+，CuCl2离解为两个氯负离子2Cl－和二价铜正离子Cu2+。 当两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。溶液中的离子将作定向移动，Cu2+正离子移向阴极，在阴极上得到电子 而进行还原反应，沉积出铜。
在工件及工具之间施加一定电压，阳极工件的金属被逐渐电解蚀除，电解产物被电解液带走，直至工件表面形成 与工具表面基本相似的形状为止。
图中的细竖线表示通过阳极（工件）和阴极（工具）间的电流。竖线的疏密程度表示电流密度的大小加工开始时， 工件阳极及工具阴极的形状不同，工件表面上的各点至工具表面的距离不等，因而各点的电流密度不等。
3) 电解液系统 组成有泵、电解液槽、过滤装置、管道和阀。
七、电解加工工艺及其应用
1 深孔扩孔加工 深径比大于5的深孔，用传统切削加工方法加工，刀具磨损严重，表面质量差，加工效率低。目前采用电
解加工方法加工φ4×2000mm、φ100×8000mm的深孔，加工精度高，表面粗糙度低，生产率高。电 解加工深孔，按工具阴极的运动方式可分为固定式和移动式两种。

电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解原 理并借助于成型的阴极，将工件按一定的形状和尺寸加 工成型的一种工艺方法。
随着工件表面金属材料的不断溶解，工具阴极不断地 向工件进给，溶解的电解产物不断地被电解液冲走，工 件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形状，如此 下去直至将工具的形状复制到工件上。
电化学加工技术 （3）电解液的特性 杂散腐蚀性、电流效率曲线、非线性性
电化学加工技术
电化学加工技术 4．三种常用电解液性能
电解液可分为中性盐溶液、酸性盐溶液和碱性盐溶液三大 类。其中中性盐溶液的腐蚀性较小，使用时较为安全，故应用 最广。常用的电解液有NaCl、NaNO3、NaClO3 三种。
（1）NaCl 电解液价廉易得，对大多数金属而言，其电流效 率均很高，加工过程中损耗小并可在低浓度下使用，应用很广。 其缺点是电解能力强，散腐蚀能力强，使得离阴极工具较远的 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。 常用的电解液温度为25～35℃，但加工钛合金时，必须在 40℃以上。
电化学极化主要发生在阴极上，从电源流入的电子来不 及转移给电解液中的H+离子而在阴极上积累过多的电子， 使阴极电位向负移，从而形成了电化学极化。
电化学加工技术 5.金属的钝化和活化
金属在某些电解液中电解时，当电流密度增加到一定 值后，金属的溶解速度在大电流密度下维持一段时间后反 而急剧下降，使铁成稳定状态不再溶解。电解过程中的这 种现象称阳极钝化（电化学钝化），简称钝化。
电化学加工技术
电化学加工技术
Fe2 2OH Fe (OH)2
4Fe (OH )2 2H 2O O2 4Fe (OH )3

2．电铸设备 铸设备(如图7-4所示)主要包括电铸槽、直流电源、搅 拌和循环过滤系统、恒温控制系统等。
其他特种加工技术 1) 电铸槽 电铸槽材料的选取以不与电解液作用引起腐蚀为原则。 一般用钢板焊接，内衬铅板或聚氯乙烯薄板等。
2) 直流电源 电铸采用低电压大电流的直流电源。常用硅整流，电压 为6～12 V左右，并可调。 3) 搅拌和循环过滤系统 为了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，最好在阴极运动的同时加速溶液的搅 拌。搅拌的方法有循环过滤法、超声波或机械搅拌等。循环 过滤法不仅可以使溶液搅拌，而且在溶液不断反复流动时进 行过滤。
其他特种加工技术
在阳极表面Cu原子失掉电子而成为Cu2+正离子进 入溶液。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。这种利用电化学反应原理对金属进行加工(图 7-1中阳极上为电解蚀除，阴极上为电镀沉积，常用以 提炼纯铜)的方法即电化学加工。
其他特种加工技术
其他特种加工技术
分类 硅整流电源
表7-2 直流电源的特点及应用
特点
应用场合
1．可靠性、稳定性好； 2．调节灵敏度较低； 3．稳压精度不高
国内生产现场占一定比例
晶闸管电源
1．灵敏度高，稳压精度高； 2．效率高，节省金属材料； 3．稳定性、可靠性较差
国外生产中普遍采用， 也占 相当比例
其他特种加工技术
其他特种加工技术
表7-1 电化学加工分类
类别
加工方法及原理
Ⅰ
电解加工(阳极溶解) 电化学抛光(阳极溶解)
Ⅱ
电镀(阴极沉积) 电铸(阴极沉积)
Ⅲ
电极磨削(阳极溶解、机械磨削) 电解放电加工(阳极溶解、电火花蚀除)