《数控特种加工技术（第二版）》教学资源-第4章数控电化学加工

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1、第4章 数控电化学加工,主编：丛文龙 张祥兰,学习目标与要求：,了解电化学加工的基本原理及分类； 了解电解加工的原理、特点及应用； 熟悉电解加工设备的组成及各部分的功用； 了解电解加工的主要工艺指标及其提高途径； 了解数控技术在电解加工中的应用； 了解各种电化学阴极沉积加工方法，包括电镀、电铸、涂镀及复合镀的原理、特点及应用。,概念,电化学加工（Electro-chemical machining，简记为ECM）是利用电极在电解液中发生的电化学作用对金属材料进行加工的方法。电化学加工的基本理论建立于19世纪末，20世纪3050年代后在工业上得到了大规模的应用。目前，已被广泛地应用在涡轮、齿轮、

2、异型孔等复杂型面、型孔的加工以及炮营内膛线加工和去毛刺等工艺过程，成为我国民用、国防工业中的一个不可或缺的加工手段。,基本工作原理,电化学加工的基本原理如图4-1所示。将两铜片接上约10V的直流电源并插入CuCl2的水溶液中（此溶液中含有OH-和Cl-负离子及H+和Cu2+正离子），即形成通路，导线和溶液中均有电流流过。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；在阳极表面 Cu原子失掉电子而成为Cu2+正离子进入溶液。利用阴、阳极表面发生的这种电化学反应对金属进行加工的方法称为电化学加工。利用阳极溶解作用进行的加工方法有电解加工、电解抛光等，利

3、用阴极沉积作用进行的加工方法有电镀、电铸、涂镀、复合镀等。,图4-1 电化学加工的基本原理 1阳极 2阴极,4.1 电解加工的基本原理及特点,电解加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解将工件加工成形的。在工业生产中最早应用这一电化学腐蚀作用来抛光工件表面。因为在抛光时工件与工具电极的距离较大，电流密度小，金属去除率低，不能改变零件的原有形状和尺寸，只能改善零件表面的光洁程度。后来在此基础上不断革新和发展，逐步形成较完整的电解加工理论和方法。,一、电解加工的基本原理,工件4接直流电源（1020V）3的正极，工具5接负极。电解液由泵2送到工具和工件之间的缝隙内，并以520m/s的速度流过。工具以

4、一定速度（053mm/min）向工件缓慢进给，使两极之间保持较小的间隙（0l1mm），这时阳极工件的金属被逐渐电解腐蚀，电解产物被高速流动的电解液带走。工具连续进给，加工持续进行，工件材料按工具电极型面的形状不断溶解，直至工件与工具电极之间各处的间隙趋于一致，在工件上加工出与工具电极型面相似的形状。,电解加工刚开始时，工件与工具表面的形状是不同的。此时工件与工具距离较近的地方通过的电流密度较大，电解液的流速也常较高，工件阳极的溶解速度也就较快；反之，距离较远的地方通过的电流密度较小，电解液的流速也常较低，阳极溶解速度也就较慢。这样，随着工具相对工件的不断进给，工具表面各点相对工件表面的距离逐渐

5、接近，并最终达到一致，工具的形状便“复印”到工件上。,二、电解加工的特点,电解加工具有如下特点： （1）加工范围广。凡是能够导电的材料都可以加工，而且不受材料本身力学性能的限制，可以加工硬质合金、淬火钢、不锈钢、耐热合金等高硬度、高强度及韧性金属材料。 （2）生产率较高，约为电火花加工的510倍，在某些情况下，比切削加工的生产率还高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。 （3）加工质量高。由于加工过程中不存在机械切削力，所以不会产生由切削力所引起的残余应力和变形，也没有飞边毛刺。加工表面粗糙度可以达到0.21.6m，尺寸精度对于内孔可以达到0.030.05mm，对于型腔可以达到0.

6、50.2mm。 （4）在理论上工具无耗损，可长期使用。 电解加工也存在着不易达到较高的加工精度（加工精度一般不如电火花加工和超声波加工高）和加工稳定性、加工复杂型腔和型面时工具的制造费用较高、初期设备投资较大、电解液（废弃工作液）的处理和回收困难、有设备腐蚀和环境污染等缺点和局限性。因此，目前电解加工主要用于难加工材料、形状复杂零件的批量生产中。,4.2 电解加工设备,目前电解加工主要靠立体成形阴极进行“复制”加工，不需复杂的成形运动系统，因此，电解加工设备的组成较为简单，主要包括机床本体、直流电源和电解液系统三大部分，如图4-3所示。另外，随着数控技术的推广应用，有些电解加工设备还配备有数控

7、系统。,一、机床本体,1电解加工机床的分类 （1）按阴极是否运动，电解加工机床可分为阴极固定式和阴极移动式两类。阴极固定式电解加工机床相当于夹具，用来装夹固定好工件和工具的相对位置，接通电源、开通电解液就可加工。多用在深孔扩孔、去毛刺、抛光等少量切削加工中。 阴极移动式电解加工机床应用较广泛。加工时，工件固定不动，阴极作直线进给运动。也有少数零件加工时，除要求阴极直线运动外，还要求能够旋转，如膛线及要求较高的筒形零件的加工。 （2）按布置形式，电解加工机床分为卧式和立式两类，如图4-4所示。卧式机床主要用于加工叶片、深孔和其它筒形零件。立式机床较卧式机床应用更为广泛，主要用在模具、齿轮、型腔、

8、短花健以及一些扁平零件的加工。,2机床的刚性,电解加工虽然没有机械切削力，但电解液有很高的压强，如果加工面积较大，则对机床主轴、工作台的作用力也是很大的，一般可达2040kN。因此，要求电解加工机床的主轴系统、工作台、床身及立柱等受力部件都要有足够的刚度。否则，过大的液压力将导致机床变形，改变工具阴极和工件的相对位置，从而影响复制（加工）精度，严重变形甚至会造成短路烧伤。图4-4a所示C型立式机床结构简单、操作方便，但因为主轴头是悬壁结构，刚性差，在电解液压力下的变形将影响到加工精度，所以常用在中、小型零件的加工中，配5000A以下的直流电源。图4-4b所示框型立式机床主要用在大型零件的加工。

9、,3机床材料选择,电解加工机床经常与有腐蚀性的电解液接触，故必须采用合适的材料或采取相应的防腐措施，以保护机床少受或不受腐蚀。 对长期与电解液及其腐蚀性气体接触的部分，目前采用的主要材料是不锈钢。但不锈钢的表面接触电阻大，导电性差，故也有采用铜制的工作台面。对电解加工机床的其它部分如导轨等，也可采用花岗石、耐蚀水泥等制造。 对易受电解加工过程中杂散腐蚀影响的工作台等，可采用牺牲阳极的阴极保护法，即在工作台四周镶上可更换的锌板，由于锌的电极电位比不锈钢更负，这样，工作台相对锌板就成为阴极，杂散腐蚀只在锌板上发生，锌板可定期更换，而工作台被保护起来。,4进给系统,对电解加工来说，进给速度的稳定与否

10、直接影响加工精度。这对内孔、膛线、花键等的等截面零件加工的影响更为严重，所以电解加工机床必须保证进给速度的稳定性。 电解加工机床目前大多采用伺服电机或直流电机无级调速的进给系统，容易实现自动控制。行星减速器、谐波减速器在电解加工机床中正被更多地采用。为了保证进给系统的灵敏度，使低速进给时不发生爬行现象，广泛地采用了滚珠丝杠传动，用滚动导轨代替滑动导轨。,5安全措施,电解加工过程中将产生大量氢气，如果不能迅速排除，就有可能因火花短路等而引起氢气爆炸，必须采取排氢防爆措施。另外，在电解加工过程中也有可能析出其它气体；如果采用混气加工，则有大量雾气从加工区逸出，防止它们扩散并及时排除，也是要注意的问

11、题。,二、电源,电解加工中使用的电源为低电压大电流的直流电源，其输出电压一般在824V之间，并能提供最高达几万安培的大加工电流，以保证有较高的生产率。为获得高的加工精度，电源电压必须保持稳定。目前国内生产制造的电源稳压精度可达1以上，能够满足使用要求。此外，为防止电解加工过程中可能产生的火花放电、电源过载或短路故障，必须设有检测故障和快速切断电源的保护装置。 电解加工常用的直流电源分为如下两种： 1硅整流电源 硅整流电源的工作原理是：先用变压器将380V/220V的交流电变为低压交流电，再利用大功率硅二极管将交流电变为直流电，然后采用扼流式饱和电抗器或自饱和式电抗器实现无级调压。这类电源运行可

12、靠、效率高，坚固抗震。但体积较大，制造工艺复杂。 2可控硅整流电源 可控硅整流电源是利用可控硅来实现整流与无级凋压，其结构简单，制造方便，反应灵敏，可靠性好，是国内目前生产中应用的主要电解加工电源。其主要缺点是抗过载能力差。,三、电解液系统,电解液系统的作用是连续而平稳地向加工区供给合乎工艺要求的电解液，保证电解加工的顺利进行，保证电解加工质量。电解液系统的组成如图4-5所示，主要包括电解液槽、过滤器、电解液泵、热交换器和管路附件等。在电机3带动下，电解液泵4连续地将电解液槽1中经过滤的电解液泵出，经过滤器5过滤后经由管道送至加工区用于加工。用过的电解液再经由管道回到电解液槽中经过滤后继续使用

13、。为便于流量、压力调节和保证安全，系统中设有压力表9、安全阀6及溢流阀7等装置。,因电解液具有腐蚀性，系统中所有与电解液接触的部分均需采用耐腐蚀材料制作。 电解加工形成的电解产物主要是金属氢氧化物，它们呈团絮状混在电解液中。若电解液中电解产物含量过多，将引起加工过程不稳定，影响加工质量，甚至造成短路，导致工具和工件报废。因此，需及时地将电解产物及杂质从电解液中过滤分离出来。在生产中一般采用一定网眼尺寸（80100目）的尼龙丝网或不锈钢丝网做成滤筒，套在电解液泵入口处，作为粗过滤；而在进入加工区前再用网式或缝隙式过滤器进行精过滤。在大容量的电解液槽中，粗过滤也可采用自然沉淀。此外，也有采用微孔刚

14、玉过滤器和离心过滤机进行强迫过滤。各种常用过滤方法的比较列于表4-1中。,四、电解液,在电解加工过程中，电解液作为导电介质传递电流，使得电化学反应和阳极溶解能顺利而有控制地进行，并及时带走加工间隙内产生的电解产物及热量，起更新与冷却作用。电解液对电解加工的各项工艺指标都有很大影响，是电解加工的重要条件。 为保证电解加工质量，要求电解液具有高的电导率，良好的流动性，高的电解质电离度、溶解度以及阳极电解产物的不溶性，同时还要求性能稳定，操作使用安全，对设备产生的腐蚀作用轻，价格低廉，适应范围广，使用寿命长等。目前，还没有一种电解液能完全满足上述要求。开发新型高效的电解液是电解加工研究的一个重要课题

15、。 1电解液的种类及选择 电解液可分为酸性溶液、中性溶液、碱性溶液三大类。酸性电解液是指HCl、HNO3、H2SO4等无机酸的水溶液，这类电解液只适合于加工细长孔、窄缝以及对锗、钼、铌等金属的加工。碱性电解液如 NaOH、KOH等的水溶液，一般不直接用作加工金属的电解液，只用作加工铜、铂、钨时的添加剂。中性盐电解液应用广泛，常用的有 NaCl、NaNO3、NaClO3。 （1）NaCl电解液 NaCl在水溶液中几乎完全离解为Na+和Cl-离子，导电能力强。氯化钠电解液中含有活性Cl-离子，阳极工件表面不易生成钝化膜，所以具有较大的蚀除速度，而且没有或很少有析氧等副反应，电流效率高。NaCl电解

16、液适用范围广，价格便宜，货源充足，所以是应用最广泛的一种电解液。 NaCl电解液的缺点是杂散腐蚀性大，复制精度低，加工型孔时如果侧壁不绝缘，孔壁呈抛物线形（见图4-6a）。当要求较高的复制精度时，要使用较低的质量分数（51O），以减少杂散腐蚀。NaCl电解液的使用温度一般为2535，但在加工钛合金时，必须在40以上。对于精度高的孔或侧壁面的加工，需要采用侧面绝缘的工具电极。此外，NaCl电解液对设备的腐蚀性较大。,（2）NaNO3电解液,NaNO3电解液属于钝化性电解液，会使阳极工件表面形成钝化膜。当极间间隙较小时，形成的钝化膜会不断被破坏，电解加工继续进行；当极间间隙大到某一临界值时，虽有电

17、流通过，但阳极并不溶解，这时的电流效率为零。这种特性可避免在型孔或模腔加工时工件侧壁产生抛物线形状（见图4-6b），保证高的成形精度。NaNO3电解液对设备的腐蚀性小，使用安全，价格也不高（约为NaCl价格的3倍）。 NaNO3电解液的主要缺点是电流效率低，生产率低，加工时阴极有氨气析出，所以NaNO3会被消耗。,（3）NaClO3电解液,NaClO3电解液也属于钝化性电解液，杂散腐蚀小，成形精度高，而且加工表面粗糙度值小。NaClO3电解液具有很高的溶解度，在20时可达49（而此时NaCl仅为 265），因而导电能力强，可达到与NaCl相近的生产率，但对设备的腐蚀作用却比NaCl小得多。 N

18、aClO3电解液的缺点是价格较贵（NaClO3价格约为NaCl价格的6倍）且易燃，使用时要注意防火。此外，在使用过程中，Cl-离子质量分数会不断增加，并导致杂散腐蚀加剧，所以还要注意Cl-离子质量分数的变化。 每一种电解液都存在一定不足，生产中常使用添加剂来改善电解液的性能。如添加络合剂、光亮剂可改善加工表面质量，添加缓蚀剂可减轻电解液的腐蚀性等。除使用添加剂外，还可将两种或两种以上的电解液按一定比例混合制成复合电解液来取长补短，优化电解液的性能。例如，使用由NaNO3和少量 NaCl组成的复合电解液，在保持NaNO3电解液高的成形精度的基础上，又提高了生产率；为了减少NaCl电解液的散蚀能力

19、，可加入少量磷酸盐等，使阳极表面产生钝化性抑制膜，以提高成形精度。,2电解液参数对加工过程的影响,电解液的参数有质量分数、温度、酸碱度、粘性、电导率等，它们对电解加工过程都有影响。其中最基本的参数是质量分数和温度，因为电解液的其它参数如电导率、粘度以及电流效率等都与质量分数、温度密切相关。 在一定条件下，电解液的质量分数越大，温度越高，其电导率越高，腐蚀能力也越强，可达到的电流密度就越高，因此生产率就越高。 NaCl电解液的生产率随着质量分数的增加而增加，但加工精度却随之降低，因此，常用的NaCl电解液质量分数为1015；当加工精度要求较高时，应采用10以下的低质量分数。NaNO3和NaClO

20、3电解液的非线性特性随着质量分数的提高而变坏，故NaNO3电解液的质量分数一般采用20左右，精度要求较高时可降到10以下；常用NaClO3电解液的质量分数为1535。 选择电解液的温度要考虑的因素有机床夹具、电导率、电流效率、极间间隙内电解液的沸腾等，一般不超过60。常用的电解液温度约在3040的范围内。 电解加工过程中，电解液质量分数和温度的变化直接影响加工精度。导致质量分数变化的主要原因是水的分解、蒸发以及电解质的损耗。水的分解与蒸发对质量分数的影响较小，影响较大的是电解质的损耗。因NaCl不消耗，所以NaCl电解液的质量分数在加工过程中变化较小；而NaNO3和NaClO3电解液在加工过程

21、中要分解消耗，因此在加工过程中应注意检查和控制其质量分数变化。为控制电解液的温度变化，电解液系统中通常设有加热和冷却装置。 电解加工过程中，水被电离并使氢离子在阴极放电，溶液中的OH-离子增加而引起pH值增大（碱化），溶液的碱化使许多金属元素的溶解条件变坏，故应注意控制电解液的pH值。 电解液的流动性受粘度直接影响。温度升高，电解液的粘度下降；电解液中氢氧化物含量的增加会使其粘度增加，故氢氧化物的含量应加以适当控制。,3电解液的流速、流向及出水口布局（1）流速选择,电解液必须具有足够的流速和流量，以保证能够带走加工区的氢氧化物、氢气等电解产物和热量，保证电解加工的顺利进行。流速一般在10m/s

22、左右，电流密度增大时，流速要相应增加。流速和流量靠改变电解液泵的出水压力调节。,（2）流向设置,按电解液进出加工区的位置不同，电解液的流向有正向流动、反向流动和侧向（横向）流动三种情况，如图4-7所示。正向流动不需要密封装置,但电解液的流出无法控制，加工精度和表面粗糙度较差；反向流动时需要有密封装置，可通过控制出水背压控制速度和流量；侧向流动不适合于较深的型腔加工，常用于汽轮机叶片、浅型腔以及一些型腔模的修复加工。,图4-7 电解液的流向 （a）正向流动 （b）反向流动 （c）侧向流动 1阴极工具 2工件,（3）出水口设计,电解液出水口的形状和布局直接影响加工区内流场的均匀性，进而影响加工质量

23、。电解液出水口的形状和布局应根据所加工工件的形状或型腔的结构综合考虑，使加工区内流场均匀一致，避免产生死水。 出水口的形状有窄槽和孔两类。一般在加工型腔时采用窄槽供液的方式，而对于圆孔、花键、膛线等筒形零件的加工，应采用喷液孔的方式供液。对于图4-8所示形状的工件，当采用a图所示出水口布局时存在死水区（图中+号区），而改为b图中的布局后则流场趋于均匀。,为保证电解液流场的均匀一致，避免短路烧伤现象，电解加工复杂表面时，需在电解液流速、流量不足的局部地区阴极的对应处加开增液孔或增液缝，增补电解液，如图4-9所示。,4.3 电解加工的主要工艺指标及其提高途径,一、生产率及其影响因素 电解加工的生产

24、率用来衡量电解加工时材料的去除速度。影响电解加工生产率的主要因素有：金属的电化学当量、电流密度及电极间隙。 1金属的电化学当量对生产率的影响 电化学当量是反映金属电解加工时蚀除能力的一个指标，是金属本身所固有的化学性质。根据法拉第电解定律，电解加工时，阳极溶解或析出物质的量，与电解电流的大小和电解时间成正比，其比例系数称为电化学当量，用符号表示。即有,3电极间隙对生产率的影响,电极间隙用表示，如图4-10所示。根据定性分析可知，电极间隙愈小，电解液的电阻也愈小，电流密度愈大，因而蚀除速度越高。但间隙过小将引起火花放电或电解产物特别是氢气排泄不畅，反而降低蚀除速度或易被脏物堵死而引起短路。经推导

25、可得,二、加工精度及其影响因素,电解加工精度主要包括复制精度和重复精度两项内容。前者是工件尺寸形状与工具电极尺寸形状之间的符合程度，影响复制精度的主要因素是沿工件加工表面的间隙分布均匀性；后者是指被加工的一批零件之间的尺寸形状的相对误差，影响重复精度的主要因素是加工一批工件时极间间隙的稳定性。,2复制精度及其影响因素,复制精度的高低主要由加工时所能达到的平衡间隙所决定。平衡间隙小，复制精度就高；反之则复制精度低。而平衡间隙受多种因素影响，包括工件的形状、电解液的流向、流程和电解液在间隙内所能达到的流速、电流密度和进给速度等。为了获得较小的平衡间隙，必须综合考虑这些因素，并合理取值。通常当工件的

26、形状简单，电解液的流程短，工件与工具电极间隙内电解液的流速高，电流密度相对较大和具有较高的进给速度时，就可获得较小的平衡间隙，也就可以获得较高的复制精度。 复制精度还与电解液质量分数及其性质有关。电解液质量分数低，则复制精度高。采用钝化性电解液（也称非线性电解液），并在电流效率急变段所对应的电流密度条件下加工（如图4-13a中AB段），则复制精度高。,当电解液相同而工件材料不同时，其复制精度也不一样。例如，用NaNO3和NaClO3电解液加工低合金钢和一些铁基合金时，有较高的复制精度；而加工钛合金时复制精度明显降低。因此，对于不同的工件材料要选用不同的电解液，或通过使用添加剂来改变电解液对工件

27、材料的适应性。,3重复精度及其影响因素 在电解加工过程中，任何一个加工参数的变化都会影响平衡间隙的稳定性。对于同一批被加工的工件而言，平衡问隙将影响它们之间尺寸的一致性。因此，一批工件的重复精度主要受各加工参数稳定性的影响。为保证较高的重复精度，必须对各加工参数包括电解液的电导率、间隙电压、进给速度等严格控制。 1电解液的电导率对重复精度的影响 导致电导率变化的因素有电解液的成分、质量分数、温度等。当电解液的种类一经选定，在加工时应保持电解液的质量分数基本不变，并尽可能地把温度变化控制在较小范围内。目前生产中电解液的温差可控制在l的范围内。使用热交换器和适当增大电解液池容量，都有利于减小电解液

28、温度的波动。对于NaNO3和NaClO3这类钝化性电解液来说，温度和质量分数的变化对平衡间隙和重复精度的影响更大，更需要严格控制。 除需要严格控制温度和质量分数外，有些电解液在使用过程中还会出现pH值的改变（如NaNO3）或氯离子增加（如NaClO3）。pH值变化和氯离子的增加，都会影响电导率、电流效率和间隙电压。因此，在使用这类电解液时，还要控制,电解液的pH值和氯离子质量分数，以便达到较高的重复精度。 （2）间隙电压对重复精度的影响 当工件材料、电解液成分、质量分数、温度、流速都保持相对稳定时，间隙电压主要受加工电压的影响，这时控制加工电压U就能保持间隙电压的相对稳定。加工电压U是由电解加

29、工的电源提供，如采用晶闸管电源，稳压的精度应在l左右。 （3）进给速度对重复精度的影响 在加工过程中，进给速度要稳定，不因其它因素而改变；低速时不应产生爬行。具体来说，机床的进给速度变化率应小于5%。 （4） 间隙内电解液流速对重复精度的影响 电解液在加工间隙内的流速由电解液的进口压力和出口背压决定，当流速稳定时，阳极的极化程度和间隙内的电阻分布就能够保持相对稳定，重复精度就高。随着电解液中的金属氢氧化物的增加，电解液的粘度增大，流速就会降低，并进一步影响到间隙内的电导率和阳极极化程度，从而使复制精度降低。因此，在批量工件加工时，电解液中的金属氢氧化物的含量应控制在4以内。 4提高电解加工精度

30、的途径 由前面的分析可知，影响电解加工精度的因素是多方面的，包括工件材料、工具阴极材料、加工间隙、电解液的性能以及电解直流电源的技术参数等。目前，生产中主要从改进电解液性质、减小加工间隙、改变电源特性等几方面入手来提高电解加工精度。 （1）改进电解液性质 改进电解液性质的具体做法有采用复合电解液、采用低质量分数电解液、采用混气电解液等。采用复合电解液，主要是在NaCl电解液中添加其它成分，既保持NaCl电解液的高效率，又提高了加工精度。例如，在NaCl电解液中添加少量Na2MoO4、NaWO4加工铁基合金具有较好的效果；在NaCl电解液中添加少量CoCl，可在相对于阴极的非加工表面形成钝化层或

31、绝缘层，从而避免杂散腐蚀。 采用低质量分数电解液，加工精度可显著提高。例如，采用NaNO3电解液加工压铸模，质量分数由过去常用的2030降低为4，加工表面质量良好，复制精度高。采用低质量分数电解液的缺点是效率较低，加工速度不能很快。 采用混气电解液的加工方法称为混气电解加工，其加工原理如图4-14所示。该方法是将一定压力的气体（主要是压缩空气）用混气装置使它与电解液混合在一起，使电解液成分为包含无数气泡的气液混合物，然后送入加工区进行电解加工。电解液中混入气体后，增加了电解液的电阻率，减少杂散腐蚀，使电解液向非线性方面转化，降低了电解液的密度和粘度，增加流速，均匀流场，因而提高了电解加工精度，

32、尤其是成形精度，并简化了阴极工具设计与制造过程。但生产率较不混气时将降低 1/31/2，而且需要一套附属供气设备，增加了设备投入。,（2）采用小间隙电解加工 由于余量分布不均以及零件表面微观不平度等的影响，电解加工前工件表面各处的加工间隙是不均匀的。理论分析表明，加工间隙越小，则突出部位的去除速度将大大高于低凹处，提高了整平效果。由此可见，加工间隙越小，愈能提高加工精度。但间隙越小，对液流的阻力愈大，电流密度大，间隙内电解液温升快、温度高，电解液的压力需很高，间隙过小还容易引起短路。因此，小间隙电解加工的应用受到机床刚度、传动精度、电解液系统所能提供的压力、流速以及过滤情况的限制。 （3）改变

33、电源特性 改变电源特性的具体做法是采用脉冲电流电解加工，这是近年来发展起来的新方法，可明显提高加工精度，在生产中已实际应用并日益得到推广。采用脉冲电流电解加工提高加工精度的原理是：利用两个脉冲之间的时间间隔，通过电解液的流动与冲刷，使间隙内电解液的电导率分布基本均匀，使得加工区内各处阳极溶解速度均匀，从而减小加工误差，提高加工精度。此外，采用脉冲电流电解加工时，阴极在电化学反应中析出的氢气是断续的，呈脉冲状，它可以对电解液起搅拌作用，有利于电解产物的去除，有利于提高加工精度。 三、加工表面质量及其影响因素 电解加工的表面质量主要是指表面粗糙度和表面缺陷。 1 表面粗糙度及其影响因素 电解加工的

34、表面粗糙度主要受工件原始组织状态及各种加工工艺参数的影响。 （1）工件原始组织状态对表面粗糙度的影响 单一相的均匀组织有利于获得较好的表面粗糙度；工件材料的金相组织越复杂，使电解加工过程中各相溶解时的电极电位相差越大，因而表面粗糙度就变差。采用使金相组织单一化的热处理方法，如球化退火、正火、高温扩散退火等都能使组织均匀、晶粒细化，都会使表面粗糙度值减小。 （2）加工工艺参数对表面粗糙度的影响 电极间隙、电流密度、间隙电压、电解液的种类、流速、流场和温度等加工工艺参数都影响表面粗糙度。 采用小间隙和高电流密度加工，使得各种金相组织达到均匀溶解，因此可以获得较小的表面粗糙度值；在小间隙和高间隙电压

35、条件下加工时，采用低质量分数的电解液，即使电流密度不高，也可以获得较小的表面粗糙度值。 选择与工件材料相适应的电解液（例如使用NaNO3和NaClO3电解液加工镍基合金，使用NaCl电解液并加入NaF、NaBr等添加剂加工钛合金）、合理设计电解液流速和流场、控制适当的电解液温度等都可获得较小的表面粗糙度值。 2表面缺陷及其影响因素 电解加工时可能出现的表面缺陷有晶界腐蚀、微观裂纹、流纹等。 使用NaCl电解液加工镍基合金时，常产生0008005mm深度的晶界腐蚀。这是因为这类材料中晶界的原子有较高的位能，其电极电位较负，容易被优先溶解形成凹缝。使用NaNO3电解液可以基本避免晶间腐蚀。有时杂散

36、电流也会导致晶间腐蚀，可在加工时留有一定余量，然后用固定工具电极在较高的电流密度下抛光，消除晶界腐蚀。 显微裂纹常出现在烧伤部位。烧伤的原因来自工具电极的流场设计不合理，加工间隙与电流密度或与电解液流速不匹配或电解液过滤不彻底等因素。 流纹的产生是由于电解液流量不均匀使加工表面上极化程度不一致。消除流纹的办法是提高电解液的流速、改善电解液流量的不均匀性、降低电流密度。同时，设计好工具电极的结构和进出水口，避免电解液液流通道的急剧变化。,4.4 电解加工的应用 电解加工具有机械加工所无可比拟的优越性，其应用范围也越来越广。目前主要用于深孔扩孔、各种复杂型孔、型腔、型面（如异型孔、锻模、叶片）的加

37、工及电解抛光、电解倒棱、去毛刺等方面。此外，数控技术也逐渐应用于电解加工中，数控展成电解加工方法的应用免去了传统电解加工时复杂工具电极的设计与制造，使得电解加工的应用范围进一步扩大。 一、电解扩孔 电解扩孔时通常工件固定不动，而工具阴极则有固定和移动两种方式。 阴极固定式电解扩孔时工件与阴极之间无相对运动，如图4-15所示，具有设备简单、操作方便、加工效率高等优点，但也存在阴极较工件长，所需电源功率较大，由于电解液在进出口处的温度、电解产物不同而容易引起粗糙度和尺寸精度不均匀现象，当孔过深时阴极刚度不足等问题。,阴极移动式电解扩孔时，阴极在工件内孔作轴向移动。移动式的阴极较短，精度要求较低，制

38、造容易，可加工任意长度的零件而不受电源功率的限制。但它需要有效长度大于工件长度的机床，同时工件两端由于加工面积不断变化而引起电流密度的变化，故出现收口和喇叭口，需采用自动控制。移动式阴极一般设计为圆锥形，如图4-16所示，这样能够保证加工间隙内各处的流速均匀一致，避免产生涡流及死水区，从而保证加工质量。移动式阴极的结构如图4-17所示。,二、电解成形加工,1型孔加工 对于四方、六方、椭圆、半圆等形状的通孔和不通孔来说，采用机械加工是很困难的，而采用电解加工则比较方便，不仅生产率高而且加工质量也能保证。型孔的加工一般采用端面进给法，如图4-18所示。为避免锥度的产生，阴极3侧面要用绝缘层4绝缘。

39、为了提高加工速度，可适当增加端面工作面积，使阴极内圆锥面的高度为1.53.5mm，工作端及侧成形环面的宽度一般取0.30.5mm。出水孔的截面积应大于加工间隙的截面积。,2型腔加工,型腔加工一般采用的是电火花加工，其特点是加工精度比电化学加工易于控制，但其生产率相对较低。因此，对于煤矿机械、汽车拖拉机制造中的各类锻模，因消耗量较大且精度要求不高，近年来已逐渐采用电解加工。 图4-19所示为电解加工连杆锻模的示意图，阴极端面上开有两孔，孔间有一长槽贯通，电解液从孔及长槽中喷出。,3型面加工,对于图4-20a所示的二维空间曲面（即横截面在纵向不变）零件来说，采用机械加工将非常麻烦，而用套料法电解加

40、工则比较方便。采用的工具阴极如图4-20b所示，由阴极体1和阴极片2组成。阴极体为黄铜，侧面用0.10.3mm厚的一层环氧树脂绝缘。阴极片为0.5mm厚的紫铜片，用锡焊焊在阴极体上，零件尺寸精度由阴极片内腔口保证。,图4-20 套料法电解加工二维空间曲面 （a）异形零件 （b）阴极工具 （c）套料加工 1阴极体 2增液孔 3阴极片 4工件 5型槽垫板 6工作台,叶片是喷气发动机、汽轮机中的重要零件，采用传统加工方法一般需经精密锻造、机械加工、抛光等工序，然后镶到叶轮轮缘的榫槽中，再焊接而成，加工量大、周期长，而且质量不易保证。而采用套料法电解加工，如图4-21所示，只要把叶轮坯加工好后，直接在

41、轮坯上加工叶片，加工周期大大缩短，叶轮强度高，质量好。,三、电解去毛刺,机械加工中，去毛刺的工作量很大，不仅占用较大的人力物力，还易造成工件表面的损伤。而采用电解加工去毛刺则可解决这一问题。图4-22所示是齿轮的电解去毛刺装置。齿轮3套在绝缘柱2上，阴极工具1也靠绝缘柱定位安放在齿轮上面，保持约35mm间隙（根据毛刺大小而定），电解液在阴极端部和齿轮的端面齿面间流过，阴极和工件间通上20V以上的电压（电压高些，间隙可大些），约l分钟就可去除毛刺。,四、电解抛光,电解抛光用于减小工件的表面粗糙度值和改善表面物理力学性能，不改变工件形状和尺寸。与一般电解加工相比，电解抛光时的材料去除量很少，因此，

42、工件和工具的加工间隙大，电流密度小；电解液一般不流动，不需要电解液流动和过滤系统，但必要时应加以搅拌；电解抛光设备及阴极结构简单。 影响电解抛光质量的因素较多，采用合适质量分数、成分的电解液、控制合适的阳极电位、控制合适的电解液温度并适当搅拌都有利于提高电解抛光质量。此外，金属的原始条件包括金属的成分、金相组织和表面状态，电解抛光的持续时间、阴极材料、阴极形状、极间距离等因素都对抛光质量有一定的影响。 与机械抛光相比，电解抛光的效率较高，并且抛光后的表面生成致密牢固的氧化膜，提高了工件的耐腐蚀能力，不产生加工变质层和表面应力，不受被加工材料的强度和硬度限制，因而在生产中获得广泛的应用。,五、数

43、控展成电解加工,传统的电解加工都是采用成形阴极对工件进行“拷贝式” 的加工，其优点是生产率高。但是对于复杂的型腔型面，由于阴极设计、制造困难，往往无法加工，特别是当加工带有变截面扭曲叶片的整体叶轮时，传统的电解加工更是无能为力。 人们从数控铣床那里得到启发，利用数控技术实现必要的展成运动，就可用简单形状的工具电极电解加工型腔、型面。工具电极可以做成简单的棒状、球状、条状，电解加工时，电极参与电解加工的部分可以是点、直线或曲线。人们可以利用成熟的数控技术，利用这些简单形状的工具去合成加工复杂的曲面，从而免去了传统电解加工时复杂工具电极的设计与制造过程。同时，利用电解加工技术与数控技术的结合，扩大

44、了电解加工的应用范围。,4.5 电化学阴极沉积加工,与去除材料的电解加工不同，电化学阴极沉积加工是利用电化学反应中的阴极沉积作用在工件上添加材料的加工方法，有电镀、电铸、涂镀、复合镀等。电化学阴极沉积加工主要用于表面装饰、表面改性、零件修复、工具制造及精确复制等方面。 一、电镀 电镀又称槽镀，它是通过在工件表面沉积一层极薄的金属镀层（0.010.05mm），起到装饰、防腐、提高耐磨性等作用。电镀也可用来修复零件、作热处理的局部保护等。常用的镀层金属有银、镍、铬、铜等。 镀银常用于家庭用具及各种工艺品的表面装饰，在电子工业、仪器、仪表及化学工业中也有着广泛的应用。镀镍层结晶细小，容易抛光，在镀液

45、中加入适当添加剂，可直接镀出镜面光亮的镀层，从而广泛地应用于汽车、自行车、各种机械、仪器、仪表等的装饰和保护层。镀铬用于仪器及量具，起到美观和防蚀作用；镀铬层硬度可达55HRC以上，所以能提高零件的耐磨性，有时甚至可用镀铬层代替表面淬火处理，也可用作刀、量具及精密耦合件的修复。镀铜层的化学稳定性较差，一般不用作表面镀层，而是作为中间层使用，以提高表面镀层与基体的结合力，也常用作渗碳处理时非渗碳部位的保护层。 二、电铸 1电铸加工的原理、特点及应用 电铸加工主要用于精确复制及成形加工，镀层厚度为0.055mm或更高。电铸加工的原理如图4-23所示，用可导电的原模5作阴极，电铸材料作阳极2，电铸材

46、料的金属盐溶液作电铸液7（例如电铸铜时常采用硫酸铜溶液作电铸液），在直流电源3的作用下，溶液中的金属离子在阴极上获得电子成为金属原子而沉积镀覆在阴极原模表面，阳极上的金属原子交出电子成为正金属离子进入镀液，对金属离子进行补充，以保持其质量分数基本不变。随着时间的推移，阴极原模上电铸层4逐渐加厚，当达到预定厚度时即可取出，设法与原模分离，即可获得与原模型面凹凸相反的电铸件。,电铸加工的特点是能够实现精确复制，使用同一永久性原模时的重复精度高，在各项加工参数得到良好控制时，同一原模的铸件尺寸误差可控制在微米数量级，而且电铸件具有良好的表面状况。电铸加工的缺点是时间长、效率低，原模制造困难，有时脱模

47、不便。电铸加工常用来制取具有复杂曲面轮廓或精细形貌的工件，在航空、仪表及塑料行业中，已成为制造精密、异形产品的重要手段之一。 2电铸加工的工艺过程 电铸加工的主要工艺过程为：原模表面处理电铸至规定厚度衬背处理脱模清洗干燥成品。 （1）原模表面处理 制造原模的材料有金属材料和非金属材料两种。金属材料原模一般在电铸前要进行表面钝化处理，以形成不太牢固的钝化膜，以便电铸加工后脱模；对于非金属材料原模，需对表面进行导电化处理，否则不导电无法电铸。导电化处理的常用方法有涂敷导电液薄层或镀覆金、银、铜或镍的薄层。 （2）电铸加工工艺（电铸过程） 电铸过程中，要严格控制电铸液的成分、质量分数、酸碱度、温度、

48、电流密度等。如果电流密度过大，易使沉积金属的结晶粗大，强度低。因此，一般电铸的电流密度不会太大，生产率也较低。要避免电铸过程中停电，否则会出现分层，使铸件内应力过大而导致变形。为了使铸层的厚薄均匀，凸出部分有时要加屏蔽，凹入部分要加装辅助阳极。 电铸过程中，为降低浓差极化，加大电流密度，提高电铸质量，需对电铸液进行搅拌。搅拌的方法有循环过滤法、压缩空气法、超声振动法和机械法。最简单的机械法是用浆叶搅拌。循环过滤系统不仅对溶液进行搅拌，而且在溶液反复流动的同时对溶液进行过滤，以除去溶液中的固体杂质微粒，常用玻璃棉、丙纶丝、泡沫塑料或滤纸芯筒等过滤材料，过滤速度以每小时能更换循环24次镀液为宜。

49、此外，由于电铸加工的时间较长，为保持电铸液温度的恒定，需采取加热和冷却措施。常用的加热方法为蒸汽加热和电加热，常用的冷却方法为用吹风或自来水冷却。 （3）衬背和脱模 有些电铸件如塑料模具和翻制印刷电路板等，电铸成形之后需要进行衬背处理，以便于机械加工。塑料模具电铸件的衬背方法常为浇铸铝或铅锡低熔点合金；印刷电路板则常用热固性塑料等。,脱模是指将电铸件与原模分离。不同的原模其脱模方法亦不同。永久性的原模可反复使用，其脱模方法有敲击锤打、加热或冷却胀缩分离、用压机或螺旋缓慢推拉分离、用薄刀刃撕剥分离等；消耗性原模属于一次性使用，可采取加热融化、化学溶解、原模破碎等方法脱模。 三、涂镀 1涂镀加工的

50、原理、特点及应用 涂镀加工的原理如图4-24所示，转动的工件1接直流电源5的负极，镀笔4接电源的正极，镀笔端部的脱脂棉3饱蘸镀液或进行浇注，并与工件接触。在电场作用下，镀液中的金属正离子在阴极表面获得电子而沉积涂镀在阴极表面。随着工件的旋转，即可在工件表面形成一层0.00l0.5mm或以上厚度的镀层。残液流入盛液器6中。,与电镀相比，涂镀无需镀槽，设备简单，体积小，重量轻，便于现场使用，一套设备可以完成多种金属的涂镀。而且镀层牢固，镀层厚薄可控性强，可涂镀的金属种类多，选用更改方便，易于实现复合镀层，涂镀速度快。涂镀采用手工操作，方便灵活，凡是镀笔能触及的地方均可涂镀，适用于复杂型面、大设备不

51、解体现场修理。涂镀技术主要用于修复零件磨损表面，实施超差品补救，大型、复杂、单个小批工件的表面局部镀层处理等。,2涂镀加工的工艺过程 涂镀加工的主要工艺过程为：工件表面处理涂镀至规定厚度清洗干燥。 （1）工件表面处理 涂镀前需对工件表面进行仔细的处理，去除表面上的毛刺、不平度、锥度及疲劳层，去除油污、锈蚀。大多数金属都需用电净液对工件表面进行电净处理，以进一步除去微观上的油污。电净处理后还要进行活化处理，以除去工件表面的氧化膜、钝化膜或析出的碳元素微粒黑膜。 （2）涂镀过程 涂镀层一般由底层、尺寸镀层和工作镀层三层组成。镀底层的目的是提高涂镀层与基体金属的结合强度，底层材料有特殊镍、碱铜或低氢

52、脆镉，厚度约为0.0010.002mm。 如果待镀工件的金属添加量（磨损量）较大（如当修补磨损量较大工件或尺寸偏小的超差品时），则需先涂镀“尺寸镀层”来增加尺寸。为避免单一金属的镀层过厚出现的内应力大、结晶粗大、强度降低、容易引起裂纹或自然脱落等问题，尺寸镀层应采用不同镀层交替叠加。最后才镀一层满足工件表面要求的工作镀层。 四、复合镀 与一般电化学阴极沉积加工只沉积金属原子不同，复合镀是同时向工件表面沉积金属原子（一般为镍或钴）和磨料的加工方法。复合镀主要用于提高工件的耐磨性及多刃刀具制造方面。两种应用的主要区别在于磨料颗粒的大小。 复合镀时，如果采用微粉级磨料，随着镀液中的金属离子镀到金属工

53、件表面的同时，镀液中带有极性的微粉级磨料与金属离子络合成离子团也镀到工件表面。这样，在整个镀层内将均匀分布有许多微粉级的硬点，形成软基体上分布硬质点的结构，使整个镀层的耐磨性大大提高，一般用于高耐磨零件的表面处理。 采用复合镀工艺制造切削工具时，磨料为人造金刚石（或立方氮化硼），粒度一般为80250，应控制镀层的厚度稍大于磨料尺寸的一半左右，使紧挨工件表面的一层磨料被镀层包覆、镶嵌，形成一层切削刃，具有类似于砂轮（片）的切削功能。,本章小结 本章介绍了常用电化学加工方法包括电解加工、电铸加工、涂镀加工及复合镀加工的原理、特点、设备、工艺指标及应用。 1电化学加工是利用电极（阴极和阳极）在电解液

54、中发生电化学反应对金属材料进行加工的方法。利用阳极溶解作用进行的加工方法有电解加工、电解抛光等；利用阴极沉积作用进行的加工方法有电镀、电铸、涂镀、复合镀等。 电化学加工已经被广泛地应用在涡轮、齿轮、异型孔等复杂型面、型孔的加工以及炮管内膛线加工和去毛刺等工艺过程，成为我国民用、国防工业中的一个不可或缺的加工手段。 2电解加工是利用电化学反应中的阳极溶解作用进行加工的。电解加工具有应用范围广、生产率较高、加工质量高、几无工具耗损等优点，但也存在着不易达到较高的加工精度、加工稳定性差、加工复杂型腔和型面时工具的制造费用较高、初期设备投资较大、电解液（废弃工作液）的处理和回收困难、有设备腐蚀和环境污

55、染等缺点和局限性。因此，目前电解加工主要用于难加工材料、形状复杂零件的批量生产中。 3电解加工的生产率用来衡量电解加工时材料的去除速度。影响电解加工生产率的主要因素有：金属的电化学当量、电流密度及电极间隙。电化学当量是金属本身所固有的化学性质；电流密度越高，电极间隙愈小，则生产率也越高。但过高的电流密度、过小的电极间隙将引起局部短路等问题。所以，必须合理地确定电流密度与电极间隙。 电解加工精度主要包括复制精度和重复精度两项内容。前者是工件尺寸形状与工具电极尺寸形状之间的符合程度，后者是指被加工的一批零件之间的尺寸形状的相对误差。通常当工件的形状简单，电解液的流程短、质量分数低，工件与工具电极间

56、隙内电解液的流速高，电流密度相对较大和具有较高的进给速度，采用钝化性电解液并在电流效率急变段所对应的电流密度条件下加工，选用合适的电解液种类时，就可以获得较高的复制精度。 一批工件的重复精度主要受各加工参数稳定性的影响。为保证较高的重复精度，必须对各加工参数包括电解液的电导率、间隙电压、进给速度等严格控制。 电解加工的表面粗糙度主要受工件原始组织状态及各种加工工艺参数的影响。采用使金相组织单一化的热处理方法，获得单一相的均匀组织有利于获得较好表面粗糙度；采用小间隙和高电流密度加工，在小间隙和高间隙电压条件下加工时采用低质量分数的电解液，选择与工件材料相适应的电解液、合理设计电解液流速和流场、控

57、制适当的电解液温度等都可获得较小的表面粗糙度值。 4常用的电解液有NaCl、NaNO3、NaClO3。其中NaCl电解液适用范围广、价格便宜、货源充足，应用最为广泛。 电解液是电解加工的重要条件。电解液参数、流速、流向、出水口布局对电解加工的各项工艺指标都有很大影响，必须合理选择与设计。 5电化学阴极沉积加工是利用电化学反应中的阴极沉积作用在工件上添加材料的加工方法，有电镀、电铸、涂镀、复合镀等。电化学阴极沉积加工主要用于表面装饰、表面改性、零件修复、工具制造及精确复制等方面。 复习思考题 何谓电化学加工？电化学加工分为哪几类？ 简述电解加工的原理。 电解加工有何特点？ 电解加工设备主要由哪些部分组成？各有何功用？ 影响电解加工生产率的因素有哪些？有何影响？ 影响电解加工复制精度的因素有哪些？有何影响？ 影响电解加工重复精度的因素有哪些？有何影响？ 提高电解加工精度的途径有哪些？ 影响电解加工表面质量的因素有哪些？有何影响？ 简述电铸加工的原理、特点及应用。 简述涂镀加工的原理、特点及应用。 何谓复合镀？复合镀有何应用？,