精密与特种加工技术 第六章 电化学加工

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第6章 电化学加工

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6.1 概

述

电化学加工(Electrochemical Machining,ECM)是 特种加工的一个重要分支，目前已成为一种较为 成熟的特种加工工艺，被广泛应用于众多领域。 根据加工原理，电化学加工可分为以下三大类： (1) 利用电化学阳极溶解的原理去除工件材料。 (2) 利用电化学阴极沉积的原理进行镀覆加工。 (3) 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。2

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6.2 电化学加工基本原理6.2.1 电化学反应过程 如果将两铜片插入CuCl2水溶液中(见下图),由于溶液中含 有OH-和Cl-负离子及H+和Cu2+正离子，当两铜片分 别连接直流电源的正、负极时，即形成导电通路，有电流 流过溶液和导线。在外电场的作用下，金属导体及溶液中 的自由电子定向运动，铜片电极和溶液的界面上将发生得 失电子的电化学反应。其中，溶液中的Cu2+正离子向阴 极移动，在阴极表面得到电子而发生还原反应，沉积出铜。 在阳极表面，Cu原子失去电子而发生氧化反应，成为 Cu2+正离子进入溶液。在阴、阳极表面发生得失电子的 化学反应即称为电化学反应，利用这种电化学反应作用加 工金属的方法就是电化学加工。其中，阳极上为电化学溶 解，阴极上为电化学沉积。

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电化学反应过程图

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6.2.2 电极电位1. 电极电位的形成 任何一种金属插入含该金属离子的水溶液中，在金 属/溶液界面上都会形成一定的电荷分布，从而形 成一定的电位差，这种电位差就称之为该金属的 电极电位。 2. 标准电极电位 所谓标准电极电位是指金属在给定的统一的标准环 境条件下，相对一个统一的电位参考基准所具有 的平衡电极电位值。5

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3. 平衡电极电位 可逆反应速度即氧化反应与还原反应的速度相等， 金属/溶液界面上没有电流通过，也没有物质溶解 或析出，即建立一个稳定的双电层。此种情况下 的电极则称为可逆电极，相应电极电位则称为可 逆电极电位或平衡电极电位。

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6.2.3 电极的极化

1. 浓差极化 浓差极化是由于电解过程中电极/溶液界面处的离子 浓度和本体溶液浓度差别所致。在电解加工时， 金属离子从阳极表面溶解出并逐渐由阳极金属/溶 液界面向溶液深处扩散，于是阳极金属/溶液界面 处的阳极金属离子浓度比本体溶液中阳极金属浓 度高，浓度差越大，阳极表面电极电位越高。

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2. 电化学极化 一个电极反应过程包括反应物质的迁移、传递，反 应物质在电极/溶液界面上得失电子等。如果反应 物质在电极/溶液界面上得失电子的速度，即电化 学反应速度落后于其他步骤所进行的速度，则造 成电极表面电荷积累，其规律是使阳极电位更正， 阴极电位

更负。将由于电化学反应速度缓慢而引 起的电极极化现象称作电化学极化8

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3. 电阻极化 电阻极化是由于电解过程中在阳极金属表面生成一 层钝化性的氧化膜或其他物质的覆盖层，使电流 通过困难，造成阳极电位更正，阴极电位更负。 由于这层膜是钝化性的，也由于这层膜的形成是 钝化作用所致，故电阻极化又称钝化极化。

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6.2.4 金属的钝化和活化

1) 全部处于活化溶解状态[见图(a)] 2) 活化—钝化—超钝化的变化过程[见图 (b)] 3) 活化—不完全钝化—超钝化状态[见图 (c)]

(a) 整个区域都是活化溶解

(b) 存在钝化区

(c) 存在不完全钝化区

三种典型的阳极极化曲线图

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6.3 电 解 加 工

电解加工是特种加工技术中应用最广泛的技术之一， 尤其适合于难加工材料、形状复杂或薄壁零件的 加工。

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6.3.1 电解加工过程及其特点

1. 电解加工的特点 与其他加工方法相比，电解加工具有如下特点。 (1) 加工范围广。 (2) 生产率高，且加工生产率不直接受加工精度 和表面粗糙度的限制。 (3) 加工质量好。 (4) 可用于加工薄壁和易变形零件。 (5) 工具阴极无损耗。12

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2. 电解加工机理 电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶 解的原理将工件加工成形的一种特种加工方法。 3. 电解加工中的电极反应 标准电极电位的高低决定在一定条件下对应金属离 子参与电极反应的顺序。

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6.3.2 电解加工的基本规律1. 电解加工生产率 既能够定性分析,又能够定量计算，可以深刻揭示电解加工工艺规律的基 本定律就是法拉第定律。金属阳极溶解时，其溶解量与通过的电量符 合法拉第定律。 2. 电流效率 法拉第定律可用于根据电量计算任何被溶解物质的数量，并在理论上不 受电解液成分、浓度、温度、压力以及电极材料、形状等因素的影响。 3. 电解加工速度 类似于一般机械加工，人们希望掌握在工件被加工表面法线方向上的去 除(加工)线速度。 4. 加工间隙 加工间隙是电解加工的核心工艺要素，它直接影响加工精度、表面质量 和生产率，也是设计工具阴极和选择加工参数的主要依据。

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6.3.3 电解液1. 电解液的作用、要求及分类 1) 电解液的作用 电解液是电解池的基本组成部分，是产生电解加工阳极溶解 的载体。正确地选用电解液是电解加工的最基本的条件。 电解液的主要作用是： (1) 与工件阳极及工具阴极组成进行电化学反应的电极体系， 实现所要求的电解加工过程，同时所含导电离子也是电解 池中传送电流的介质，这是其最基本的作用。 (2) 排除电解产物，控制极化，使阳极溶解能正常连续进行。 (3) 及时带走电解加工过程中所产生的热量

,使加工区不致 过热而引起沸腾、蒸发，以确保正常的加工。

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2) 对电解液的要求 对电解液总的要求是加工精度和效率高、表面质量好、实用 性强。但随着电解加工的发展，对电解液又不断提出新的 要求。根据不同的出发点，有的要求可能是不同的甚至相 互矛盾的。对电解液的基本要求包括以下四个主要方面。 (1) 电化学特性方面。 (2) 物理特性方面。 (3) 稳定性方面。 (4) 实用性方面。

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2. 常用电解液及其选择原则 1) 电解液选择的原则 2) 常用电解液 目前生产实践中常用的电解液为中性电解液中的 NaCl、NaNO3及NaClO3三种。 3) 低浓度复合电解液 如前所述，近年开发的低浓度复合电解液在改善钛 合金加工及镍基铸造合金的表面质量以及提高铁 基合金或金属的加工精度上有显著的效果。17

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3. 电解液的流动形式

电解液的流动形式图

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6.3.4 电解加工设备1. 电解加工设备的组成及基本要求 1) 电解加工设备的组成 电解加工设备包括机床本体、整流电源、电解液系统三个主 要实体以及相应的控制系统。 2) 电解加工设备的基本要求 (1) 机床刚性强。 (2) 进给速度稳定性高。 (3) 设备耐腐蚀性好。 (4) 电气系统抗干扰性强。 (5) 大电流传导性好。 (6) 安全措施完备。

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2. 电解加工机床 1) 电解加工机床的主要类型 2) 电解加工机床的主要部件 3. 电解加工电源 电源是电解加工设备的核心部分，电解加工机床和 电解液系统的规格都取决于电源的输出电流，同 时电源调压、稳压精度和短路保护系统的功能， 影响着加工精度、加工稳定性和经济性。20

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4. 电解液系统 电解液系统的作用是向加工区供应一定压力、足够 流量和适宜温度的干净电解液。它主要由泵、电 解液槽、过滤器、管道、阀、流量计、热交换器 等组成。 5. 控制系统 电解加工控制系统必须包括参数控制、循环控制、 保护和连锁三个组成部分。21

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