第4章 電化學(xué)加工技術(shù)

第四章電化學(xué)加工技術(shù)

第一節(jié)電化學(xué)加工的原理及分類

1電化學(xué)加工的原理 當(dāng)兩個銅片接上直流電形成導(dǎo)電通路時，導(dǎo)線和溶液中均有電流流過，在金屬片(電極)和溶液的界面上就會有交換

電子的反應(yīng)，即電化學(xué)反應(yīng)。陽極表面Cu原子失掉電子而成為Cu2+正離子進(jìn)入溶液，Cu2+正離子移向陰極，在陰極上得到電子而進(jìn)行還原反應(yīng)，沉積出銅。陽極上為陽極熔解，陰極上為陰極沉積。 2.電化學(xué)加工的分類 電化學(xué)加工有三種不同的類型。第Ⅰ類是利用電化學(xué)反應(yīng)過程中的陽極溶解來進(jìn)行加工，主要有電解加工和電化學(xué)拋光等；第Ⅱ類是利用電化學(xué)反應(yīng)過程中的陰極沉積來進(jìn)行加工，主要有電鍍、電鑄等；第Ⅲ類是利用電化學(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)加工的類別如表4-1所示。本節(jié)主要介紹電解加工、電鑄成型、電解磨削，其它的電化學(xué)加工請參考相關(guān)資料。表4-1電化學(xué)加工分類 3.電化學(xué)加工的適用范圍 電化學(xué)加工的適用范圍，因電解和電鍍兩大類工藝的不同而不同。 電解加工可以加工復(fù)雜成型模具和零件，例如汽車、拖拉機(jī)連桿等各種型腔鍛模，航空、航天發(fā)動機(jī)的扭曲葉片，汽輪機(jī)定子、轉(zhuǎn)子的扭曲葉片，炮筒內(nèi)管的螺旋“膛線”(來復(fù)線)，齒輪、液壓件內(nèi)孔的電解去毛刺及擴(kuò)孔、拋光等。 電鍍、電鑄可以復(fù)制復(fù)雜、精細(xì)的表面。

第二節(jié)電解加工

1．電解加工的原理及特點

1)基本原理 電解加工是利用金屬在電解液中的“電化學(xué)陽極溶解”來將工件成型的。如圖4-2所示，在工件(陽極)與工具(陰極)之間接上直流電源，使工具陰極與工件陽極間保持較小的加工間隙(0.1～0.8mm)，間隙中通過高速流動的電解液。這時，工件陽極開始溶解。開始時，兩極之間的間隙大小不等，間隙小處電流密度大，陽極金屬去除速度快；而間隙大處電流密度小，去除速度慢。

隨著工件表面金屬材料的不斷溶解，工具陰極不斷地向工件進(jìn)給，溶解的電解產(chǎn)物不斷地被電解液沖走，工件表面也就逐漸被加工成接近于工具電極的形狀，如此下去直至將工具的形狀復(fù)制到工件上。圖4-2電解加工原理圖 2)特點 電解加工與其他加工方法相比較，它具有下列特點: (1)能加工各種硬度和強(qiáng)度的材料。只要是金屬，不管其硬度和強(qiáng)度多大，都可加工。

(2)生產(chǎn)率高，約為電火花加工的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)率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。

(3)表面質(zhì)量好，電解加工不產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變質(zhì)層，又沒有飛邊、刀痕和毛刺。在正常情況下，表面粗糙度Ra可達(dá)0.2～1.25μm。 (4)陰極工具在理論上不損耗，基本上可長期使用。 電解加工當(dāng)前存在的主要問題是加工精度難以嚴(yán)格控制，尺寸精度一般只能達(dá)到0.15～0.30mm。此外，電解液對設(shè)備有腐蝕作用，電解液的處理也較困難。 表4-2直流電源的特點及應(yīng)用 2.電解加工設(shè)備 電解加工的基本設(shè)備包括直流電源、機(jī)床及電解液系統(tǒng)三大部分。

1)直流電源 電解加工常用的直流電源為硅整流電源和晶閘管整流電源，其主要特點及應(yīng)用見表4-2。 2)機(jī)床 電解加工機(jī)床的任務(wù)是安裝夾具、工件和陰極工具，并實現(xiàn)其相對運動，傳送電和電解液。電解加工過程中雖沒有機(jī)械切削力，但電解液對機(jī)床主軸和工作臺的作用力是很大的，因此要求機(jī)床要有足夠的剛性；要保證進(jìn)給系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如果進(jìn)給速度不穩(wěn)定，陰極相對工件的各個截面的電解時間就不同，影響加工精度；電解加工機(jī)床經(jīng)常與具有腐蝕性的工作液接觸，因此機(jī)床要有好的防腐措施和安全措施。 3)電解液系統(tǒng) 在電解加工過程中，電解液不僅作為導(dǎo)電介質(zhì)傳遞電流，而且在電場的作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，使陽極溶解能順利而有效地進(jìn)行，這一點與電火花加工的工作液的作用是不同的。同時電解液也擔(dān)負(fù)著及時把加工間隙內(nèi)產(chǎn)生的電解產(chǎn)物和熱量帶走的任務(wù)，起到更新和冷卻的作用。 電解液可分為中性鹽溶液、酸性鹽溶液和堿性鹽溶液三大類。其中中性鹽溶液的腐蝕性較小，使用時較為安全，故應(yīng)用最廣。常用的電解液有NaCl（氯化鈉）、NaNO3（硝酸鈉）、NaClO3（氯酸鈉）三種。

NaCl電解液價廉易得，對大多數(shù)金屬而言，其電流效率均很高，加工過程中損耗小并可在低濃度下使用，應(yīng)用很廣。其缺點是電解能力強(qiáng)，散腐蝕能力強(qiáng)，使得離陰極工具較遠(yuǎn)的工件表面也被電解，成型精度難于控制，復(fù)制精度差；對機(jī)床設(shè)備腐蝕性大，故適用于加工速度快而精度要求不高的工件加工。

NaNO3電解液在濃度低于30%時，對設(shè)備、機(jī)床腐蝕性很小，使用安全。但生產(chǎn)效率低，需較大電源功率，故適用于成型精度要求較高的工件加工。

NaClO3電解液的散蝕能力小，故加工精度高，對機(jī)床、設(shè)備等的腐蝕很小，廣泛地應(yīng)用于高精度零件的成型加工。然而，NaClO3是一種強(qiáng)氧化劑，雖不自燃，但遇熱分解的氧氣能助燃，因此使用時要注意防火安全。 3.電解加工應(yīng)用 目前，電解加工主要應(yīng)用在深孔加工、葉片(型面)加工、鍛模(型腔)加工、管件內(nèi)孔拋光、各種型孔的倒圓和去毛刺、整體葉輪的加工等方面。 圖4-3是用電解加工整體葉輪，葉輪上的葉片是采用套料法逐個加工的。加工完一個葉片，退出陰極，經(jīng)分度后再加工下一個葉片。圖4-3電解加工整體葉輪

第三節(jié)電解磨削

1．加工原理及特點

1)加工原理 電解磨削是電解加工的—種特殊形式，是電解與機(jī)械的復(fù)合加工方法。它是靠金屬的溶解(占95%～98%)和機(jī)械磨削(占2%～5%)的綜合作用來實現(xiàn)加工的。 加工原理如圖4-4所示。加工過程中，磨輪(砂輪)不斷旋轉(zhuǎn)，磨輪上凸出的砂粒與工件接觸，形成磨輪與工件間的電解間隙。電解液不斷供給，磨輪在旋轉(zhuǎn)中，將工件表面由電化學(xué)反應(yīng)生成的鈍化膜除去，繼續(xù)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，如此反復(fù)不斷，直到加工完畢。圖4-4電解磨削加工原理圖

電解磨削的陽極溶解機(jī)理與普通電解加工的陽極溶解機(jī)理是相同的。不同之處在于：電解磨削中，陽極鈍化膜的去除是靠磨輪的機(jī)械加工去除的，電解液腐蝕力較弱；而一般電解加工中的陽極鈍化膜的去除，是靠高電流密度去破壞(不斷溶解)或靠活性離子(如氯離子)進(jìn)行活化，再由高速流動的電解液沖刷帶走的。 2)特點

(1)磨削力小，生產(chǎn)率高。這是由于電解磨削具有電解加工和機(jī)械磨削加工的優(yōu)點。

(2)加工精度高，表面加工質(zhì)量好。因為電解磨削加工中，一方面工件尺寸或形狀是靠磨輪刮除鈍化膜得到的，故能獲得比電解加工好的加工精度；另一方面，材料的去除主要靠電解加工，加工中產(chǎn)生的磨削力較小，不會產(chǎn)生磨削毛刺、裂紋等現(xiàn)象，故加工工件的表面質(zhì)量好。

(3)設(shè)備投資較高。其原因是電解磨削機(jī)床需加電解液過濾裝置、抽風(fēng)裝置、防腐處理設(shè)備等。 2．電解磨削的應(yīng)用 電解磨削廣泛應(yīng)用于平面磨削、成型磨削和內(nèi)外圓磨削。

（1）平面磨削圖4-5(a)、(b)分別為立軸矩臺平面磨削、臥軸矩臺平面磨削的示意圖。圖4-5平面磨削示意圖

圖4-6電解成型磨削原理圖

（2）成型磨削圖4-6為電解成型磨削示意圖，其磨削原理是將導(dǎo)電磨輪的外圓圓周按需要的形狀進(jìn)行預(yù)先成型，然后進(jìn)行電解磨削。

第四節(jié)電鑄成型

1．電鑄成型原理及特點

1)成型原理 與大家熟知的電鍍原理相似，電鑄成型是利用電化學(xué)過程中的陰極沉積現(xiàn)象來進(jìn)行成型加工的，即在原模上通過電化學(xué)方法沉積金屬，然后分離以制造或復(fù)制金屬制品。但電鑄與電鍍又有不同之處，電鍍時要求得到與基體結(jié)合牢固的金屬鍍層，以達(dá)到防護(hù)、裝飾等目的。而電鑄則要電鑄層與原模分離，其厚度也遠(yuǎn)大于電鍍層。圖4-7電鑄成型的原理 2)特點

(1)復(fù)制精度高，可以做出機(jī)械加工不可能加工出的細(xì)微形狀(如微細(xì)花紋、復(fù)雜形狀等)，表面粗糙度Ra可達(dá)0.1μm，一般不需拋光即可使用。

(2)母模材料不限于金屬，有時還可用制品零件直接作為母模。

(3)表面硬度可達(dá)35～50HRC，所以電鑄型腔使用壽命長。

(4)電鑄可獲得高純度的金屬制品，如電鑄銅，它純度高，具有良好的導(dǎo)電性能，十分有利于電加工。 (5)電鑄時，金屬沉積速度緩慢，制造周期長。如電鑄鎳，一般需要一周左右。

(6)電鑄層厚度不易均勻，且厚度較薄，僅為4～8mm左右。電鑄層一般都具有較大的應(yīng)力，所以大型電鑄件變形顯著，且不易承受大的沖擊載荷。這樣，就使電鑄成型的應(yīng)用受到一定的限制。

2．電鑄設(shè)備 鑄設(shè)備(如圖4-7所示)主要包括電鑄槽、直流電源、攪拌和循環(huán)過濾系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)等。 1)電鑄槽 電鑄槽材料的選取以不與電解液作用引起腐蝕為原則。一般用鋼板焊接，內(nèi)襯鉛板或聚氯乙烯薄板等。

2)直流電源 電鑄采用低電壓大電流的直流電源。常用硅整流，電壓為6～12V左右，并可調(diào)。

3)攪拌和循環(huán)過濾系統(tǒng) 為了降低電鑄液的濃差極化，加大電流密度，減少加工時間，提高生產(chǎn)速度，最好在陰極運動的同時加速溶液的攪拌。攪拌的方法有循環(huán)過濾法、超聲波或機(jī)械攪拌等。循環(huán)過濾法不僅可以使溶液攪拌，而且在溶液不斷反復(fù)流動時進(jìn)行過濾。 4)恒溫控制系統(tǒng) 電鑄時間很長，所以必須設(shè)置恒溫控制設(shè)備。它包括加熱設(shè)備(加熱玻璃管、電爐等)和冷卻設(shè)備(冷水或冷凍機(jī)等)。

3．電鑄的應(yīng)用