2 2. .电化学加工电化学加工金洙吉金洙吉大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室电化学加工电化学加工2.12.1 电化学加工的原理及其分类电化学加工的原理及其分类2.2 2.2 电解加工电解加工2.32.3 电解抛光电解抛光2.42.4 电化学机械加工电化学机械加工2.52.5 电铸电铸2.62.6 涂镀与复合镀涂镀与复合镀2.72.7 其他电化学加工技术其他电化学加工技术2.1 2.1 电化学加工的原理及其分类电化学加工的原理及其分类电子导体（金属）电子导体（金属） 自由电子定向移动而形成自由电子定向移动而形成 电流电流离子导体（溶液）离子导体（溶液） 溶液中的正负离子移动而溶液中的正负离子移动而 形成电流形成电流电流大小电流大小CuClCuCl2 2溶液中的电化学反应溶液中的电化学反应电解液电解液电极电极导线导线RRRVi2.1.1 2.1.1 电化学反应电化学反应 阳极：阳极：氧化氧化 溶解溶解 CuCuCuCu+2+2+ 2+ 2e e 阴极：阴极：还原还原 沉积沉积 CuCu+2+2+ 2+ 2e e Cu Cu 电化学反应电化学反应 在阴、阳极表面发生得在阴、阳极表面发生得失电子的化学反应失电子的化学反应CuClCuCl2 2溶液中的电化学反应溶液中的电化学反应2.1.2 2.1.2 阳极极化曲线阳极极化曲线全部活化溶解全部活化溶解( (钢在钢在HClHCl中中) ) 活化活化钝化钝化超钝化超钝化( (钢在钢在NaNONaNO3 3中中) ) 活化活化不完全钝化不完全钝化超钝化（钢在超钝化（钢在H H3 3POPO4 4中中) )Feia典型的三种极化曲线典型的三种极化曲线 钢在钢在HClHCl中：全部活化溶解中：全部活化溶解 钢在钢在NaNONaNO3 3中：活化中：活化钝化钝化超钝化（进行电解加工）超钝化（进行电解加工） 钢在钢在H H3 3POPO4 4中：活化中：活化不完全钝化（进行电解抛光）不完全钝化（进行电解抛光）超钝化超钝化2.1.3 2.1.3 钝化现象钝化现象 成相理论成相理论 在表面形成薄膜（氧化物、氢氧化物或盐类）在表面形成薄膜（氧化物、氢氧化物或盐类） 吸附理论吸附理论 在表面形成氧的吸附层在表面形成氧的吸附层A A- -B B阶段（正常溶解）阶段（正常溶解）C C- -D D阶段（钝化状态）阶段（钝化状态）D D- -E E阶段（超钝化）阶段（超钝化）成相理论解释成相理论解释电解液电解液电极电极导线导线RRRVi2.1.4 2.1.4 活活 化化 活化活化 金属钝化膜破坏的过程金属钝化膜破坏的过程 活化方法活化方法 大电流超钝化大电流超钝化 机械破坏机械破坏 物理活化（加热溶液）物理活化（加热溶液） 化学活化（还原性气体或活性离子化学活化（还原性气体或活性离子ClCl- -）机械破坏机械破坏2.1.5 2.1.5 电化学加工的分类电化学加工的分类2.2 2.2 电解加工电解加工 (Electro-chemical Machining, ECM)电解加工原理电解加工原理工作电压：工作电压：8 824V24V电流密度：电流密度：1010100A/cm100A/cm2 2加工间隙：加工间隙：0.10.11.0mm1.0mm压力：压力：0.50.52MPa2MPa电解液流速：电解液流速：5 550m/s50m/s进给速度：进给速度：0.20.22.0mm/min2.0mm/min工件工件工件工件工具工具工具工具工具工具工件工件钢在钢在NaClNaCl水溶液中电解的电极反应水溶液中电解的电极反应 阳极可能的反应阳极可能的反应（电极电位最低者优先反应）（电极电位最低者优先反应） Fe Fe - - 2e2eFeFe+2+2U= U= - -0.59V0.59V Fe Fe - - 3e3eFeFe+3+3U= U= - -0.323V0.323V OHOH- - - 4e4eO O2 2U=0.867VU=0.867V 2Cl2Cl- - - 2e2eClCl2 2 U=1.334VU=1.334V 阳极产生的反应阳极产生的反应 FeFe+2 +2 + 2OH+ 2OH- -Fe(OH)Fe(OH)2 2 4Fe(OH)4Fe(OH)2 2+2H+2H2 2O +OO +O2 24Fe(OH)4Fe(OH)3 3 溶液中存在四种离子溶液中存在四种离子 NaClNaClNaNa+ + + Cl+ Cl- - H H2 2O OH H+ + OH+ OH- - 阴极可能的反应阴极可能的反应（电极电位最高者优先反应电极电位最高者优先反应） 2H2H+ + 2e+ 2eH H2 2 U= U= - -0.42V0.42V NaNa+ + e+ eNaNa U= U= - -2.69V2.69V 阴极产生的反应阴极产生的反应 2H2H+ + 2e+ 2eH H2 22.2.1 2.2.1 电解液电解液电解液的作用电解液的作用 作为导电介质，传递电流作为导电介质，传递电流 产生电化学反应产生电化学反应 排屑、散热排屑、散热对电解液的要求对电解液的要求 有足够的蚀除速度有足够的蚀除速度 保证加工精度和表面质量保证加工精度和表面质量 性能稳定、腐蚀性小性能稳定、腐蚀性小 最终产物为不溶性物质，便于排屑最终产物为不溶性物质，便于排屑常用电解液种类常用电解液种类 中性：中性：NaClNaCl，NaNONaNO3 3，NaClNONaClNO3 3 酸性：酸性：HClHCl，HNOHNO3 3，H H2 2SOSO4 4 碱性：碱性： NaOHNaOH，KOHKOH工件工件工件工件工具工具工具工具NaClNaCl电解液电解液 易溶解、电离度高易溶解、电离度高导电性好导电性好 含有活化含有活化ClCl- -离子离子钝化膜小钝化膜小 适应面广、价廉适应面广、价廉 杂散腐蚀严重，复制精度差杂散腐蚀严重，复制精度差理想的加工状态理想的加工状态杂散腐蚀现象杂散腐蚀现象影响几何精度影响几何精度NaNONaNO3 3和和NaClNONaClNO3 3电解液电解液 两者均属于钝化型电解液两者均属于钝化型电解液 实际应用实际应用 加工表面：加工表面：利用超钝化区利用超钝化区(DE(DE区区) )，加工速度快，加工速度快 非加工表面：非加工表面：利用钝化区利用钝化区(CD(CD区区) )，起保护作用，起保护作用 NaNONaNO3 3电解液电解液 NaClNONaClNO3 3电解液电解液价格贵价格贵强氧化剂强氧化剂属于消耗性电解液：属于消耗性电解液： ClCl- -离子离子，杂散损失，杂散损失三种电解液的三种电解液的- -i i曲线曲线切断间隙：切断间隙： 由于阳极钝化膜的作用，当加工间隙大于某临界间隙时由于阳极钝化膜的作用，当加工间隙大于某临界间隙时, ,电流效率为电流效率为 零，称该临界间隙为切断间隙零，称该临界间隙为切断间隙切断电率密度：切断电率密度： 切断间隙下的电流密度切断间隙下的电流密度三种电解液的性能对比三种电解液的性能对比2.2.2 2.2.2 电解液的流动形式及流场电解液的流动形式及流场 正向流动正向流动 易于密封易于密封 产物流过侧面间隙产物流过侧面间隙 反向流动反向流动 结构复杂结构复杂 加工性能好加工性能好 横向流动横向流动 结构简单结构简单 较浅的型腔加工较浅的型腔加工正向流动时的流场正向流动时的流场反向流动时的流场反向流动时的流场要求：流场均匀、无死角要求：流场均匀、无死角2.2.3 2.2.3 电解加工表面缺陷电解加工表面缺陷纵向条纹（流场分布不均匀）纵向条纹（流场分布不均匀） 点蚀（工件材料各相不均匀溶解）点蚀（工件材料各相不均匀溶解）晶间腐蚀（晶间优先腐蚀）晶间腐蚀（晶间优先腐蚀）毛瘤子（夹杂的不导电物）毛瘤子（夹杂的不导电物）光溜子（局部绝缘屏蔽）光溜子（局部绝缘屏蔽）2.2.4 2.2.4 提高加工精度的方法提高加工精度的方法方法方法1 1：绝缘阴极侧面：绝缘阴极侧面方法方法2 2：改进电解液流场：改进电解液流场方法方法3 3：改进电解液：改进电解液 NaClNaCl电解液电解液 + + 磷酸盐磷酸盐成型精度成型精度 NaNONaNO3 3电解液电解液 + NaCl+ NaCl生产率生产率 电解液电解液+ + 络合剂、光亮剂络合剂、光亮剂RaRa2.2.4 2.2.4 提高加工精度的方法（续）提高加工精度的方法（续）方法方法4 4：脉冲电流电解加工：脉冲电流电解加工 使加工间隙内电解液导电率分布均匀使加工间隙内电解液导电率分布均匀 起到搅拌作用，易排除产物起到搅拌作用，易排除产物方法方法5 5：混气电解加工：混气电解加工 增加电解液电阻率增加电解液电阻率 降低电解液粘度，改善流场降低电解液粘度，改善流场 气液均匀性和稳定性不易控制气液均匀性和稳定性不易控制空气入口空气入口2.2.4 2.2.4 提高加工精度的方法（续）提高加工精度的方法（续）方法方法5 5：小间隙加工：小间隙加工 凸出部位蚀除速度凸出部位蚀除速度 低凹部位蚀除速度低凹部位蚀除速度 两处蚀除速度之比两处蚀除速度之比加工间隙加工间隙越小，对凸出部位的选择性去除能力更强越小，对凸出部位的选择性去除能力更强Cv凹Cv凸凹凸vv 1凸v凹v加工间隙：加工间隙：0.050.05- -0.1mm0.1mm 面型精度：面型精度：0.05mm0.05mm 表面粗糙度表面粗糙度RaRa：0.40.4- -0.3m0.3m2.2.5 2.2.5 电解加工设备电解加工设备加工机床加工机床床身及运动系统床身及运动系统工艺装备工艺装备电源电源直流直流/脉冲电源脉冲电源短路保护系统短路保护系统控制系统控制系统电解液系统电解液系统-+2.2.6 2.2.6 电解加工的特点（优点）电解加工的特点（优点）加工范围广加工范围广 各种导电材料、各种复杂型面和型孔各种导电材料、各种复杂型面和型孔 生产效率高生产效率高 数百数百mmmm3 3/min,/min,甚至达甚至达10000 mm10000 mm3 3/min/min 电火花加工、切削加工的电火花加工、切削加工的5 51010倍倍 加工质量好加工质量好 以离子状态溶解去除以离子状态溶解去除无加工硬化无加工硬化 RaRa值：值：1.251.250.2m0.2m；晶间腐蚀深度：；晶间腐蚀深度：0.01mm0.01mm 无机械力作用无机械力作用 无残余应力、无变形、无毛刺；适于薄壁低、刚度零件加工无残余应力、无变形、无毛刺；适于薄壁低、刚度零件加工 阴极工具理论上不损耗阴极工具理论上不损耗2.2.6 2.2.6 电解加工的特点（缺点）电解加工的特点（缺点） 加工稳定性差，达不到高精度要求加工稳定性差，达不到高精度要求 加工精度：型腔类加工精度：型腔类0.20.20.5mm0.5mm；孔类；孔类0.020.020.050.05 mmmm 工具设计、制造难工具设计、制造难 机床设备复杂、成本高机床设备复杂、成本高 电解液有腐蚀性，环境污染问题电解液有腐蚀性，环境污染问题2.2.7 2.2.7 电解加工的应用领域电解加工的应用领域2020世纪世纪6060年用于军工生产，年用于军工