第4章 电化学加工(1)

4.电化学加工(ECM)（Electrochemical Machining)n n电化学加工的基本原理电化学加工的基本原理n n电解加工电解加工n n电解抛光电解抛光n n电化学机械加工电化学机械加工n n电铸技术电铸技术n n涂镀与复合镀涂镀与复合镀n n电化学加工新技术电化学加工新技术4.1 电化学加工原理4.1.1 电化学反应电化学反应4.1.2 电解质溶液电解质溶液4.1.3 电极电位电极电位4.1.4 电极的极化电极的极化4.1.5 钝化现象钝化现象4.1.6 活化活化4.1.7 电化学加工分类电化学加工分类4.1.1 电化学反应电化学反应Cu2+CuCu12VieCu2+H+1Cl-1OH-1CuCl2溶液中的电化学反应溶液中的电化学反应阳极阳极阴极阴极vv电子导体（金属）电子导体（金属）vv自由电子定向移动而自由电子定向移动而自由电子定向移动而自由电子定向移动而形成电流形成电流形成电流形成电流vv离子导体（溶液）离子导体（溶液）vv溶液中的正负离子移溶液中的正负离子移溶液中的正负离子移溶液中的正负离子移动而形成电流动而形成电流动而形成电流动而形成电流Cu2+CuCu12VieCu2+H+1Cl-1OH-1CuCl2溶液中的电化学反应溶液中的电化学反应阳极阳极阴极阴极4.1.1 电化学反应电化学反应n n阳极：氧化阳极：氧化溶解溶解n nCuCuCuCu+2+2+2+2e en n阴极：还原阴极：还原沉积沉积n nCuCu+2+2+2+2e e Cu Cun n电化学反应电化学反应n n在阴、阳极表面发生得在阴、阳极表面发生得在阴、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失电子的化学反应失电子的化学反应电荷迁移：电荷迁移：电荷迁移：电荷迁移：溶液中正负离子的定向移动溶液中正负离子的定向移动溶液中正负离子的定向移动溶液中正负离子的定向移动电化学加工基本原理电化学加工基本原理铜质阳极上有铜原子丢掉电子而成为铜质阳极上有铜原子丢掉电子而成为铜质阳极上有铜原子丢掉电子而成为铜质阳极上有铜原子丢掉电子而成为Cu2+Cu2+离子进入溶液，溶液中的离子进入溶液，溶液中的离子进入溶液，溶液中的离子进入溶液，溶液中的Cu2+Cu2+离离离离子移向阴极，并从阴极上得到电子而沉积到阴极上。子移向阴极，并从阴极上得到电子而沉积到阴极上。子移向阴极，并从阴极上得到电子而沉积到阴极上。子移向阴极，并从阴极上得到电子而沉积到阴极上。电化学加工电化学加工电化学加工电化学加工利用电化学作用为基础对金属进行加工的方法利用电化学作用为基础对金属进行加工的方法利用电化学作用为基础对金属进行加工的方法利用电化学作用为基础对金属进行加工的方法4.1.2 电解质溶液电解质溶液n n电解质：电解质：溶于水后能导电的物质溶于水后能导电的物质溶于水后能导电的物质溶于水后能导电的物质n n电解质溶液：电解质溶液：电解质电解质电解质电解质+水，简称水，简称水，简称水，简称电解液电解液电解液电解液n n电解质电离：电解质电离：如，如，如，如，离子型晶体离子型晶体离子型晶体离子型晶体NaClNaClNaCl NaNaCl Na+Cl+Cl-n n强电解质强电解质:在水中在水中在水中在水中100%100%电离电离电离电离强酸、强碱、大多数盐类强酸、强碱、大多数盐类强酸、强碱、大多数盐类强酸、强碱、大多数盐类n n弱电解质：弱电解质：仅有一部分电离仅有一部分电离仅有一部分电离仅有一部分电离氨（氨（氨（氨（NHNH3 3）、醋酸（）、醋酸（）、醋酸（）、醋酸（CHCH3 3COOHCOOH）离子型晶体离子型晶体NaCl的晶体结构图的晶体结构图组成晶体的粒子不是分子，而是相间排列的正负离子组成晶体的粒子不是分子，而是相间排列的正负离子组成晶体的粒子不是分子，而是相间排列的正负离子组成晶体的粒子不是分子，而是相间排列的正负离子4.1.3电极电位电极电位n n 金属原子结构金属原子结构：金属原子都是由内层为带金属原子都是由内层为带金属原子都是由内层为带金属原子都是由内层为带正电荷的金属阳离子组成。正电荷的金属阳离子组成。正电荷的金属阳离子组成。正电荷的金属阳离子组成。即使没有外接电源，当金属即使没有外接电源，当金属即使没有外接电源，当金属即使没有外接电源，当金属和它的盐溶液接触时，经常和它的盐溶液接触时，经常和它的盐溶液接触时，经常和它的盐溶液接触时，经常发生把电子交给溶液中的离发生把电子交给溶液中的离发生把电子交给溶液中的离发生把电子交给溶液中的离子，或从容液中得到电子。子，或从容液中得到电子。子，或从容液中得到电子。子，或从容液中得到电子。4.1.3 电极电位电极电位金属表层和溶液间形成金属表层和溶液间形成一层极薄的一层极薄的“双电层双电层”不活泼金属不活泼金属不活泼金属不活泼金属 CuCu双电层双电层双电层双电层活泼金属活泼金属活泼金属活泼金属 FeFe双电层双电层双电层双电层+-+-+-+-+FeFeCl2-+-+-+-+-CuCuSO4金属浸入其它电解液中也金属浸入其它电解液中也金属浸入其它电解液中也金属浸入其它电解液中也会产生双电层会产生双电层会产生双电层会产生双电层n n双电层现象双电层现象(活泼金属活泼金属)活泼金属活泼金属活泼金属活泼金属 Fe_Fe_从容液中得到从容液中得到从容液中得到从容液中得到电子电子电子电子n n双电层现象双电层现象(不活泼金属不活泼金属)不活泼金属不活泼金属不活泼金属不活泼金属 Cu_Cu_把电子交给把电子交给把电子交给把电子交给溶液中的离子溶液中的离子溶液中的离子溶液中的离子4.1.3 电极电位电极电位n n电极电位电极电位（平衡电极电位）（平衡电极电位）（平衡电极电位）（平衡电极电位）：uu产生在金属和它的盐溶液产生在金属和它的盐溶液产生在金属和它的盐溶液产生在金属和它的盐溶液之间的电位差之间的电位差之间的电位差之间的电位差用盐桥的办法测出两种不用盐桥的办法测出两种不用盐桥的办法测出两种不用盐桥的办法测出两种不同电极间的电位差同电极间的电位差同电极间的电位差同电极间的电位差n n标准电极电位：标准电极电位：温度为温度为25时，把金属放时，把金属放在此金属离子的有效质量在此金属离子的有效质量分数为分数为1g/L的溶液中，此的溶液中，此金属的电极电位与标准氢金属的电极电位与标准氢电极的电极电位之差，用电极的电极电位之差，用U0来表示。来表示。电位电位电位电位U UU Ua aUb距离距离紧密层紧密层a分散层分散层b溶液溶液双电层电位分布双电层电位分布U：金属与溶液间的双电层电位差：金属与溶液间的双电层电位差Ua：双电层中紧密层的电位差：双电层中紧密层的电位差Ub：双电层中分散层的电位差：双电层中分散层的电位差把把锌片放到片放到H+有效质量分数为有效质量分数为1g/L的硫酸溶液中，在的硫酸溶液中，在25时持时持续地把压强为续地把压强为101.3kPa的纯氢气流通入，使锌电极吸附氢气达的纯氢气流通入，使锌电极吸附氢气达到饱和。在电极表面的到饱和。在电极表面的H2和溶液中和溶液中H+之间有以下平衡：之间有以下平衡：H22H+2e经测定，定，Zn2+/Zn的的标准准电极极电位位是是-0.763V。测定测定Zn2+/Zn的标准电极电位的标准电极电位表表4-1一些元素的标准电极电位（一些元素的标准电极电位（25）能斯特公式能斯特公式当离子质量分数改变时，电极电位也随着改变，可用能斯当离子质量分数改变时，电极电位也随着改变，可用能斯当离子质量分数改变时，电极电位也随着改变，可用能斯当离子质量分数改变时，电极电位也随着改变，可用能斯特（特（特（特（Nemst）公式换算。公式换算。公式换算。公式换算。U U-平衡电极电位差（平衡电极电位差（平衡电极电位差（平衡电极电位差（V V）；）；）；）；U U00-标准电极电位差（标准电极电位差（标准电极电位差（标准电极电位差（V V）；）；）；）；n n-电极反应得失电子数，即离子价数；电极反应得失电子数，即离子价数；电极反应得失电子数，即离子价数；电极反应得失电子数，即离子价数；a a-离子有效质量分数。离子有效质量分数。离子有效质量分数。离子有效质量分数。式中式中式中式中“+”号用于计算金属；号用于计算金属；号用于计算金属；号用于计算金属；“-”号用于计算非金属的号用于计算非金属的号用于计算非金属的号用于计算非金属的电极电位。电极电位。电极电位。电极电位。4.1.4 电极的极化电极的极化v两极间无电流通过时：电极电位处于平衡两极间无电流通过时：电极电位处于平衡平衡电极电位平衡电极电位v 两极间有电流通过时：两极间有电流通过时：n 阳极：电极电位阳极：电极电位向正移动向正移动n 阴极：电极电位阴极：电极电位向负移动向负移动v 极化现象：极化现象：电流密度增大时，两极电位增大电流密度增大时，两极电位增大电流密度增大时，两极电位增大电流密度增大时，两极电位增大的现象的现象的现象的现象v 超电位：超电位：极化后的电极电位与平衡电极电位极化后的电极电位与平衡电极电位之差之差+V-V电位电位i（电流密度）（电流密度）阳极阳极阴极阴极n n产生超电位的原因：产生超电位的原因：uu浓差极化（在阳极）浓差极化（在阳极）浓差极化（在阳极）浓差极化（在阳极）uu电化学极化（在阴极）电化学极化（在阴极）电化学极化（在阴极）电化学极化（在阴极）浓差极化（发生在阳极）浓差极化（发生在阳极）阳极金属失去电子阳极金属失去电子阳极金属失去电子阳极金属失去电子速度加快速度加快速度加快速度加快电流密度增加电流密度增加电流密度增加电流密度增加Cu 2+2+产生速度产生速度产生速度产生速度Cu 2+2+扩散、迁移速度扩散、迁移速度扩散、迁移速度扩散、迁移速度Cu 2+2+在阳极堆积在阳极堆积在阳极堆积在阳极堆积阳极电位值增加阳极电位值增加阳极电位值增加阳极电位值增加（阳极电位向正移）（阳极电位向正移）（阳极电位向正移）（阳极电位向正移）-Cu+2CuCu12VieCuCl2溶液中的电化学反应溶液中的电化学反应电化学极化（发生在阴极）电化学极化（发生在阴极）阴极电子量增大阴极电子量增大阴极电子量增大阴极电子量增大电流密度增加电流密度增加电流密度增加电流密度增加电子增加量电子增加量电子增加量电子增加量2H2H+2eH+2eH2 2反应中消耗量反应中消耗量反应中消耗量反应中消耗量电子在阴极表面堆积电子在阴极表面堆积电子在阴极表面堆积电子在阴极表面堆积阴极电极电位向负移阴极电极电位向负移阴极电极电位向负移阴极电极电位向负移CuCu12VieCuCl2溶液中的电化学反应溶液中的电化学反应-e4.1.5 金属金属的的钝化钝化钝化（阳极钝化或电化学钝化）：钝化（阳极钝化或电化学钝化）：钝化（阳极钝化或电化学钝化）：钝化（阳极钝化或电化学钝化）：金属阳极的溶金属阳极的溶金属阳极的溶金属阳极的溶解速度在大电流密度下维持一段时间后反而急剧解速度在大电流密度下维持一段时间后反而急剧解速度在大电流密度下维持一段时间后反而急剧解速度在大电流密度下维持一段时间后反而急剧下降，成稳定状态不再溶解。下降，成稳定状态不再溶解。下降，成稳定状态不再溶解。下降，成稳定状态不再溶解。Ulgi钢在钢在钢在钢在NaNONaNONaNONaNO3 3 3 3中的极化曲线中的极化曲线中的极化曲线中的极化曲线4.1.5 金属金属的的钝化钝化1.1.1.1.成相理论成相理论2.2.2.2.吸附理论吸附理论vv 产生原因（两种观点）产生原因（两种观点）金属与溶液作用后在金属表面形成一层紧密的薄膜金属与溶液作用后在金属表面形成一层紧密的薄膜金属与溶液作用后在金属表面形成一层紧密的薄膜金属与溶液作用后在金属表面形成一层紧密的薄膜（氧化物、氢氧化物或盐类）使金属失去了原来的（氧化物、氢氧化物或盐类）使金属失去了原来的（氧化物、氢氧化物或盐类）使金属失去了原来的（氧化物、氢氧化物或盐类）使金属失去了原来的活泼性质，使溶解过程减慢。活泼性质，使溶解过程减慢。活泼性质，使溶解过程减慢。活泼性质，使溶解过程减慢。在金属表层形成了在金属表层形成了在金属表层形成了在金属表层形成了氧氧氧氧的吸附层的吸附层的吸附层的吸附层4.1.6 活化活化v活化：活化：v活化方法活化方法vv机械破坏机械破坏机械破坏机械破坏电解磨削电解磨削电解磨削电解磨削vv物理活化物理活化物理活化物理活化加热溶液加热溶液加热溶液加热溶液温度过高，电解液蒸发快，绝缘材料产生膨胀、软化温度过高，电解液蒸发快，绝缘材料产生膨胀、软化温度过高，电解液蒸发快，绝缘材料产生膨胀、软化温度过高，电解液蒸发快，绝缘材料产生膨胀、软化和损坏和损坏和损坏和损坏vv化学活化化学活化化学活化化学活化通入还原性气体或活性离子通入还原性气体或活性离子通入还原性气体或活性离子通入还原性气体或活性离子ClClClCl-，使钝化膜中的氧排出使钝化膜中的氧排出使钝化膜中的氧排出使钝化膜中的氧排出v使金属钝化膜破坏的过程使金属钝化膜破坏的过程4.1.7 电化学加工分类电化学加工分类加工方法加工方法加工方法加工方法加工原理加工原理加工原理加工原理去除加工去除加工去除加工去除加工电解加工电解加工电解加工电解加工电解抛光电解抛光电解抛光电解抛光阳极溶解阳极溶解阳极溶解阳极溶解电解磨削电解磨削电解磨削电解磨削电解电火花复电解电火花复电解电火花复电解电火花复合加工合加工合加工合加工阳极溶解阳极溶解阳极溶解阳极溶解+其他其他其他其他能量能量能量能量结合加工结合加工结合加工结合加工电电电电 镀镀镀镀电电电电 铸铸铸铸涂涂涂涂 镀镀镀镀阴极沉积阴极沉积阴极沉积阴极沉积思考n n从原理和机理上来分析，电化学加工有无可能发展从原理和机理上来分析，电化学加工有无可能发展从原理和机理上来分析，电化学加工有无可能发展从原理和机理上来分析，电化学加工有无可能发展成为成为成为成为“纳米级加工纳米级加工纳米级加工纳米级加工”或或或或“原子级加工原子级加工原子级加工原子级加工”技术？技术？技术？技术？由于电化学加工从机理上看，是通过电极表面逐层地原子或分子的由于电化学加工从机理上看，是通过电极表面逐层地原子或分子的由于电化学加工从机理上看，是通过电极表面逐层地原子或分子的由于电化学加工从机理上看，是通过电极表面逐层地原子或分子的电子交换，使之在电解液中电子交换，使之在电解液中电子交换，使之在电解液中电子交换，使之在电解液中“阳极溶解阳极溶解阳极溶解阳极溶解”而被去除来实现加工的，可以而被去除来实现加工的，可以而被去除来实现加工的，可以而被去除来实现加工的，可以控制微量、极薄层控制微量、极薄层控制微量、极薄层控制微量、极薄层“切削切削切削切削”去除。因此，电化学加工有可能发展成为纳去除。因此，电化学加工有可能发展成为纳去除。因此，电化学加工有可能发展成为纳去除。因此，电化学加工有可能发展成为纳米级加工或原子级的精密、微细加工。但是真的要实现它，从技术上讲米级加工或原子级的精密、微细加工。但是真的要实现它，从技术上讲米级加工或原子级的精密、微细加工。但是真的要实现它，从技术上讲米级加工或原子级的精密、微细加工。但是真的要实现它，从技术上讲还有相当难度。主要是由于电化学加工的实质是实现选择性阳极溶解或还有相当难度。主要是由于电化学加工的实质是实现选择性阳极溶解或还有相当难度。主要是由于电化学加工的实质是实现选择性阳极溶解或还有相当难度。主要是由于电化学加工的实质是实现选择性阳极溶解或选择性阴极沉积，只要能把这种溶解或沉积的大小、方向控制到原子级选择性阴极沉积，只要能把这种溶解或沉积的大小、方向控制到原子级选择性阴极沉积，只要能把这种溶解或沉积的大小、方向控制到原子级选择性阴极沉积，只要能把这种溶解或沉积的大小、方向控制到原子级上就可以了。但是由于它们的影响因素太多，如温度、成分、浓度、材上就可以了。但是由于它们的影响因素太多，如温度、成分、浓度、材上就可以了。但是由于它们的影响因素太多，如温度、成分、浓度、材上就可以了。但是由于它们的影响因素太多，如温度、成分、浓度、材料性能、电流、电压等，故综合控制起来还很不容易。料性能、电流、电压等，故综合控制起来还很不容易。料性能、电流、电压等，故综合控制起来还很不容易。料性能、电流、电压等，故综合控制起来还很不容易。4.2电解加工电解加工n n电解加工原理电解加工原理n n常用电解液及其特性常用电解液及其特性n n电解加工基本规律电解加工基本规律n n提高电解加工精度的途径提高电解加工精度的途径n n电解加工设备电解加工设备n n电解加工的特点及应用电解加工的特点及应用4.2.1电解加工原理电解加工原理-+阳极与阴极距离较近的地方通过的电流密度较大，阳极溶解阳极与阴极距离较近的地方通过的电流密度较大，阳极溶解速度也较快，加工时电流密度速度也较快，加工时电流密度10200A/cm2。1020V两极之间间隙两极之间间隙0.11mm，电解液流速电解液流速550m/s100010000(20000)AAV0.52MPa电解液电解液工具阴极工具阴极工件阳极工件阳极电解加工的加工过程电解加工的加工过程工具与工件分别接电源的阴极和阳极。工具阴极向工件慢慢进给，在很小工具与工件分别接电源的阴极和阳极。工具阴极向工件慢慢进给，在很小的间隙内通以一定压力并高速流动的电解液，用以冲走电解产物。的间隙内通以一定压力并高速流动的电解液，用以冲走电解产物。n n加工范围广加工范围广n n不受材料硬度、强度限制，可加工复杂面形不受材料硬度、强度限制，可加工复杂面形不受材料硬度、强度限制，可加工复杂面形不受材料硬度、强度限制，可加工复杂面形n n生产效率高生产效率高n n是电火花加工的是电火花加工的是电火花加工的是电火花加工的510510倍倍倍倍n n加工表面质量好加工表面质量好n nRaRa值：值：值：值：1.250.2m1.250.2m；加工精度：；加工精度：；加工精度：；加工精度：0.1mm0.1mmn n无机械力作用无机械力作用n n无残余应力、无变形及变质层、无飞边毛刺无残余应力、无变形及变质层、无飞边毛刺无残余应力、无变形及变质层、无飞边毛刺无残余应力、无变形及变质层、无飞边毛刺n n阴极工具理论上不损耗阴极工具理论上不损耗n n工具只发生氢气和沉淀而无溶解，理论上无损工具只发生氢气和沉淀而无溶解，理论上无损工具只发生氢气和沉淀而无溶解，理论上无损工具只发生氢气和沉淀而无溶解，理论上无损耗，使用寿命长耗，使用寿命长耗，使用寿命长耗，使用寿命长电解加工的特点（优点）电解加工的特点（缺点）n n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n n工具设计、制造难工具设计、制造难n n机床体积大机床体积大n n环境污染问题环境污染问题电解加工的应用电解加工的应用n n适用于难加工材料适用于难加工材料n n适用于复杂形状的零件适用于复杂形状的零件n n适用于成批生产适用于成批生产由于电解加工的优点及缺点都很突出，选由于电解加工的优点及缺点都很突出，选用电解加工应满足三个原则用电解加工应满足三个原则选择电解加工的工艺原则选择电解加工的工艺原则电解加工时的电极反应电解加工时的电极反应电解加工时电极间的反应很复杂：电解加工时电极间的反应很复杂：1）一般工件材料不是纯金属，而是多种元素的一般工件材料不是纯金属，而是多种元素的一般工件材料不是纯金属，而是多种元素的一般工件材料不是纯金属，而是多种元素的合金，金相组织不完全一致；合金，金相组织不完全一致；合金，金相组织不完全一致；合金，金相组织不完全一致；2 2）电解液往往不是该金属的溶液，可能含有多种）电解液往往不是该金属的溶液，可能含有多种）电解液往往不是该金属的溶液，可能含有多种）电解液往往不是该金属的溶液，可能含有多种成分；成分；成分；成分；3 3）电解液的浓度、温度、压力及流速等对电解过）电解液的浓度、温度、压力及流速等对电解过）电解液的浓度、温度、压力及流速等对电解过）电解液的浓度、温度、压力及流速等对电解过程有影响。程有影响。程有影响。程有影响。钢在钢在NaCl水溶液中电解的电极反应水溶液中电解的电极反应n n电解液中存在四种离子电解液中存在四种离子uuNaClNa+Cl-uuH2OH+OH-n n阳极可能的反应阳极可能的反应n n阴极可能的反应阴极可能的反应阳极可能的反应uuFe-2eFe+2U=-0.59VuuFe-3eFe+3U=-0.323Vuu4OH-4eO2U=0.867Vuu2Cl-2eCl2U=1.334V阳极表面每个铁原子在外电源作用下放出两个或阳极表面每个铁原子在外电源作用下放出两个或阳极表面每个铁原子在外电源作用下放出两个或阳极表面每个铁原子在外电源作用下放出两个或三个电子，成为正的二价或三价铁离子而溶解进三个电子，成为正的二价或三价铁离子而溶解进三个电子，成为正的二价或三价铁离子而溶解进三个电子，成为正的二价或三价铁离子而溶解进入电解液中。入电解液中。入电解液中。入电解液中。（电极电位由能斯特公式算出）（电极电位由能斯特公式算出）（电极电位由能斯特公式算出）（电极电位由能斯特公式算出）负的氢氧根离子被阳极吸引，丢掉电子而析出氧气。负的氢氧根离子被阳极吸引，丢掉电子而析出氧气。负的氢氧根离子被阳极吸引，丢掉电子而析出氧气。负的氢氧根离子被阳极吸引，丢掉电子而析出氧气。负的氯离子被阳极吸引，丢掉电子而析出氯气。负的氯离子被阳极吸引，丢掉电子而析出氯气。负的氯离子被阳极吸引，丢掉电子而析出氯气。负的氯离子被阳极吸引，丢掉电子而析出氯气。电极电位最负的物质将首先在阳极反应（电极反电极电位最负的物质将首先在阳极反应（电极反应基本原理）应基本原理）uuFe-2eFe+2uu4Fe(OH)4Fe(OH)22+2H+2H22O+OO+O224Fe(OH)4Fe(OH)3 3 黄褐色沉黄褐色沉黄褐色沉黄褐色沉淀（铁锈）淀（铁锈）淀（铁锈）淀（铁锈）阳极阳极产生产生的反应的反应uuFeFe+2+2+2OH+2OH-Fe(OH)Fe(OH)2 2 （氢氧化亚铁，墨绿色（氢氧化亚铁，墨绿色（氢氧化亚铁，墨绿色（氢氧化亚铁，墨绿色絮状物）絮状物）絮状物）絮状物）阴极可能的反应uu2H+2eH2U=-0.42VuuNa+eNaU=-2.69V电极电位最正的粒子将首先在阴极反应电极电位最正的粒子将首先在阴极反应(电极反电极反应基本原理）应基本原理）uu2H+2eH2阴极产生的反应阴极产生的反应理想情况下，理想情况下，理想情况下，理想情况下，铁铁以以以以FeFe+2+2的形式被溶解，水被分解消耗。的形式被溶解，水被分解消耗。的形式被溶解，水被分解消耗。的形式被溶解，水被分解消耗。而而而而电电解液中的解液中的解液中的解液中的氯氯离子和离子和离子和离子和钠钠离子起离子起离子起离子起导电导电作用，本身并不消耗。作用，本身并不消耗。作用，本身并不消耗。作用，本身并不消耗。所以所以所以所以NaClNaCl电电解液使用寿命解液使用寿命解液使用寿命解液使用寿命长长，只要，只要，只要，只要过滤过滤干干干干净净，适当加水，适当加水，适当加水，适当加水，可可可可长长期使用。期使用。期使用。期使用。合金钢的电解合金钢的电解n n由于合金钢中各元素的电极电位不同由于合金钢中各元素的电极电位不同由于合金钢中各元素的电极电位不同由于合金钢中各元素的电极电位不同各点的溶各点的溶各点的溶各点的溶解速度不同解速度不同解速度不同解速度不同RaRa值变大值变大值变大值变大n n随着钢中的含碳量的增加，随着钢中的含碳量的增加，随着钢中的含碳量的增加，随着钢中的含碳量的增加，RaRa值增大。值增大。值增大。值增大。原因：钢中存在原因：钢中存在原因：钢中存在原因：钢中存在FeFe3 3C C，其电极电位接近石墨的平，其电极电位接近石墨的平，其电极电位接近石墨的平，其电极电位接近石墨的平衡电位（衡电位（衡电位（衡电位（U=+0.37VU=+0.37V）而难电解）而难电解）而难电解）而难电解vv高碳钢、铸铁或经过表面渗炭后的零件高碳钢、铸铁或经过表面渗炭后的零件高碳钢、铸铁或经过表面渗炭后的零件高碳钢、铸铁或经过表面渗炭后的零件均不适用于电解加工均不适用于电解加工均不适用于电解加工均不适用于电解加工电解加工过程中的电能利用n n两极间电压分布两极间电压分布两极间电压分布两极间电压分布（平衡状态）（平衡状态）（平衡状态）（平衡状态）UUcURUa+-UU：使阳极不断溶解的总能源：使阳极不断溶解的总能源，在两极间形成加工电流，使在两极间形成加工电流，使在两极间形成加工电流，使在两极间形成加工电流，使阳极达到较高的溶解速度。阳极达到较高的溶解速度。阳极达到较高的溶解速度。阳极达到较高的溶解速度。U URR：电解液电阻形成的欧姆电压：电解液电阻形成的欧姆电压U Uaa：阳极压降；：阳极压降；U Uc c：阴极压降：阴极压降uuU U U UR R+U+Ua a+U+Uc cuuU UR R=IR=IRuuU Ua a+U+Uc c 23V23V通过间隙的电流能否全部用于阳极溶解取决于阳极极通过间隙的电流能否全部用于阳极溶解取决于阳极极通过间隙的电流能否全部用于阳极溶解取决于阳极极通过间隙的电流能否全部用于阳极溶解取决于阳极极化的程度化的程度化的程度化的程度（极间电流利用率极间电流利用率极间电流利用率极间电流利用率）电解过程中的极间电流n n金属阳极电位金属阳极电位金属阳极电位金属阳极电位 溶液中所有阴离子的电极电位溶液中所有阴离子的电极电位溶液中所有阴离子的电极电位溶液中所有阴离子的电极电位只有金属溶解只有金属溶解只有金属溶解只有金属溶解（电流效率接近（电流效率接近（电流效率接近（电流效率接近100%)100%)n n金属阳极电位金属阳极电位金属阳极电位金属阳极电位 有些阴离子的电极电位有些阴离子的电极电位有些阴离子的电极电位有些阴离子的电极电位这些阴离子也将参加反应这些阴离子也将参加反应这些阴离子也将参加反应这些阴离子也将参加反应（电流效率（电流效率（电流效率（电流效率100%)v va a b b是指加工过程达到稳定时是指加工过程达到稳定时是指加工过程达到稳定时是指加工过程达到稳定时（vc=va）的加工间隙）的加工间隙）的加工间隙）的加工间隙一般取一般取一般取一般取 b b=0.250.3mm=0.250.3mmv vc c 0 0当当当当v vc c=v va a时出现端面间隙。时出现端面间隙。时出现端面间隙。时出现端面间隙。v va a阳极工件的蚀除速度；阳极工件的蚀除速度；阳极工件的蚀除速度；阳极工件的蚀除速度；v vc c阴极工具的进给速度；阴极工具的进给速度；阴极工具的进给速度；阴极工具的进给速度；0 0起始间隙；起始间隙；起始间隙；起始间隙；b b端面平衡间隙。端面平衡间隙。端面平衡间隙。端面平衡间隙。加工间隙的变化过程加工间隙的变化过程法向平衡间隙n法向进给速度法向进给速度注意：注意：注意：注意：上式是在进给速度和蚀除速度达到平衡时才是正确的，上式是在进给速度和蚀除速度达到平衡时才是正确的，未达到平衡时，只有当未达到平衡时，只有当 45且精度要求不高时，可用此式。且精度要求不高时，可用此式。代入代入 b=C/vc法向平衡间隙法向平衡间隙 n比端面平衡间隙比端面平衡间隙 b大大1/cos。x x处的蚀除速度为处的蚀除速度为处的蚀除速度为处的蚀除速度为经过经过经过经过d dt t后，间隙的增量为后，间隙的增量为后，间隙的增量为后，间隙的增量为d dx x侧向间隙侧向间隙侧向间隙侧向间隙 s s当工具底侧面半径当工具底侧面半径很小时很小时x0 bvcx bhx0 x bx0bvc侧向间隙s阴极侧面绝缘时阴极侧面绝缘时阴极侧面绝缘时阴极侧面绝缘时平衡间隙的应用 阴极形状、尺寸阴极形状、尺寸 分析加工精度：分析加工精度：阴阳极形状尺寸阴阳极形状尺寸被加工工件的形状尺寸被加工工件的形状尺寸侧隙侧隙侧隙侧隙确定确定确定确定b b值值值值加工工艺参数（电极加工工艺参数（电极加工工艺参数（电极加工工艺参数（电极间隙、电源电压、进间隙、电源电压、进间隙、电源电压、进间隙、电源电压、进给速度等）给速度等）给速度等）给速度等）cos 作图作图法法当工件轮廓和端面平衡间隙已知，则可通过作图（当工件轮廓和端面平衡间隙已知，则可通过作图（当工件轮廓和端面平衡间隙已知，则可通过作图（当工件轮廓和端面平衡间隙已知，则可通过作图（coscos 作图法作图法作图法作图法）求得工）求得工）求得工）求得工件轮廓线上几点的法线平衡间隙（件轮廓线上几点的法线平衡间隙（件轮廓线上几点的法线平衡间隙（件轮廓线上几点的法线平衡间隙（A A1 1B B1 1、A A2 2B B2 2、A A3 3B B3 3、），连接），连接），连接），连接B B1 1、B B2 2、B B3 3、即可得出工具阳极形状。即可得出工具阳极形状。即可得出工具阳极形状。即可得出工具阳极形状。4.2.3.4影响表面质量的因素影响表面质量的因素工件材料工件材料的成分复杂，工件材料的成分复杂，RaRa变大变大工件的组织不均匀，工件的组织不均匀，RaRa变大变大工具电极表面的表面的RaRa值大，工件的值大，工件的RaRa变大变大电场、流场不均匀，工件的电场、流场不均匀，工件的RaRa变大变大电解液流速流速电解液的成分电解液的成分4.3.3.6电解加工表面缺陷电解加工表面缺陷纵向条纹纵向条纹麻麻点点毛瘤子毛瘤子光瘤子光瘤子电解加工表面缺陷（1）纵向条纹纵向条纹（流场分布不均匀）（流场分布不均匀）（流场分布不均匀）（流场分布不均匀）麻点麻点（电流过大，破坏薄膜）（电流过大，破坏薄膜）（电流过大，破坏薄膜）（电流过大，破坏薄膜）电解加工表面缺陷（2）毛瘤子毛瘤子（夹杂的不导电物）（夹杂的不导电物）（夹杂的不导电物）（夹杂的不导电物）光瘤子光瘤子（局部绝缘屏蔽）（局部绝缘屏蔽）（局部绝缘屏蔽）（局部绝缘屏蔽）4.2.4提高加工精度的途径提高加工精度的途径绝缘阴极侧面绝缘阴极侧面改进电解液流场改进电解液流场改进电解液改进电解液脉冲电流电解加工脉冲电流电解加工混气电解加工混气电解加工小间隙加工小间隙加工提高加工精度的途径(12)绝缘阴极侧面绝缘阴极侧面改进电解液流场改进电解液流场提高加工精度的途径（3）改进电解液改进电解液 NaNO3电解液电解液+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Ra NaCl电解液电解液+磷酸盐磷酸盐成型精度成型精度提高加工精度的途径（4）脉冲电流电解加工脉冲电流电解加工n n消除加工间隙内电解液导电率的不均匀化。消除加工间隙内电解液导电率的不均匀化。消除加工间隙内电解液导电率的不均匀化。消除加工间隙内电解液导电率的不均匀化。在两个脉冲间隔时间内，通过电解液的流动与冲刷，使间隙在两个脉冲间隔时间内，通过电解液的流动与冲刷，使间隙在两个脉冲间隔时间内，通过电解液的流动与冲刷，使间隙在两个脉冲间隔时间内，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，从而使得工件阳极各处溶内电解液的电导率分布基本均匀，从而使得工件阳极各处溶内电解液的电导率分布基本均匀，从而使得工件阳极各处溶内电解液的电导率分布基本均匀，从而使得工件阳极各处溶解速度均匀。解速度均匀。解速度均匀。解速度均匀。n n对电解液起到搅拌作用，易排除产物对电解液起到搅拌作用，易排除产物对电解液起到搅拌作用，易排除产物对电解液起到搅拌作用，易排除产物使阴极在电化学反应中析出的氢气是断续的、呈脉冲状。使阴极在电化学反应中析出的氢气是断续的、呈脉冲状。使阴极在电化学反应中析出的氢气是断续的、呈脉冲状。使阴极在电化学反应中析出的氢气是断续的、呈脉冲状。提高加工精度的途径（提高加工精度的途径（5）混气电解加工混气电解加工将一定压力的气体（主要将一定压力的气体（主要将一定压力的气体（主要将一定压力的气体（主要是压缩空气）用混气装置是压缩空气）用混气装置是压缩空气）用混气装置是压缩空气）用混气装置使它与电解液混合在一起，使它与电解液混合在一起，使它与电解液混合在一起，使它与电解液混合在一起，使电解液成分为包含无数使电解液成分为包含无数使电解液成分为包含无数使电解液成分为包含无数气泡的气液混合物，然后气泡的气液混合物，然后气泡的气液混合物，然后气泡的气液混合物，然后送入加工区进行电解加工。送入加工区进行电解加工。送入加工区进行电解加工。送入加工区进行电解加工。提高加工精度的途径（提高加工精度的途径（5）uu增加了电解液电阻率，减少杂散腐蚀，使电解液向非线增加了电解液电阻率，减少杂散腐蚀，使电解液向非线增加了电解液电阻率，减少杂散腐蚀，使电解液向非线增加了电解液电阻率，减少杂散腐蚀，使电解液向非线性方面转化。性方面转化。性方面转化。性方面转化。uu降低电解液粘度，改善流场降低电解液粘度，改善流场降低电解液粘度，改善流场降低电解液粘度，改善流场例：图示为混气电解加工型孔例：图示为混气电解加工型孔例：图示为混气电解加工型孔例：图示为混气电解加工型孔的情况，的情况，的情况，的情况，s s比比比比 s s大且大且大且大且 s s与大与大与大与大气相联，故其间隙电阻比气相联，故其间隙电阻比气相联，故其间隙电阻比气相联，故其间隙电阻比 s s大大大大的多，电流密度迅速减小。当的多，电流密度迅速减小。当的多，电流密度迅速减小。当的多，电流密度迅速减小。当间隙间隙间隙间隙 s s增加到一定数值，就增加到一定数值，就增加到一定数值，就增加到一定数值，就可能制止电解作用，所以混气可能制止电解作用，所以混气可能制止电解作用，所以混气可能制止电解作用，所以混气电解加工存在着电解加工存在着电解加工存在着电解加工存在着切断间隙切断间隙切断间隙切断间隙，加，加，加，加工孔时切断间隙约为工孔时切断间隙约为工孔时切断间隙约为工孔时切断间隙约为0.850.851.3mm1.3mm。混气与不混气电解加工效果对比混气与不混气电解加工效果对比当采用当采用当采用当采用NaClNaCl电解液进行电解加工时，由于杂散腐蚀严重，形成喇叭口，精电解液进行电解加工时，由于杂散腐蚀严重，形成喇叭口，精电解液进行电解加工时，由于杂散腐蚀严重，形成喇叭口，精电解液进行电解加工时，由于杂散腐蚀严重，形成喇叭口，精度差，阴极需多次反复修正，实际上无法推广使用；混气电解加工可以提度差，阴极需多次反复修正，实际上无法推广使用；混气电解加工可以提度差，阴极需多次反复修正，实际上无法推广使用；混气电解加工可以提度差，阴极需多次反复修正，实际上无法推广使用；混气电解加工可以提高电解加工的成型精度，简化了阴极设计与制造，在实际应用中获得了较高电解加工的成型精度，简化了阴极设计与制造，在实际应用中获得了较高电解加工的成型精度，简化了阴极设计与制造，在实际应用中获得了较高电解加工的成型精度，简化了阴极设计与制造，在实际应用中获得了较快的推广。快的推广。快的推广。快的推广。提高加工精度的因素（6）小间隙加工小间隙加工n n突出部位蚀除速度突出部位蚀除速度突出部位蚀除速度突出部位蚀除速度v va a=C C/n n低凹部位蚀除速度低凹部位蚀除速度低凹部位蚀除速度低凹部位蚀除速度v v a a=C C/(/(+)n n两处蚀除速度之比两处蚀除速度之比两处蚀除速度之比两处蚀除速度之比 v vaa/v v a a=1+=1+/加工间隙加工间隙加工间隙加工间隙 小，凸出部分的去除速度将大大高于低凹处，提高了小，凸出部分的去除速度将大大高于低凹处，提高了小，凸出部分的去除速度将大大高于低凹处，提高了小，凸出部分的去除速度将大大高于低凹处，提高了平整效果，即提高了加工精度。但液流阻力、电流密度增大，平整效果，即提高了加工精度。但液流阻力、电流密度增大，平整效果，即提高了加工精度。但液流阻力、电流密度增大，平整效果，即提高了加工精度。但液流阻力、电流密度增大，电解液升温快、温度高，电解液的压力需很高，容易引起短路。电解液升温快、温度高，电解液的压力需很高，容易引起短路。电解液升温快、温度高，电解液的压力需很高，容易引起短路。电解液升温快、温度高，电解液的压力需很高，容易引起短路。4.2.5 电解加工的基本设备vv电源电源电源电源vv直流电源直流电源直流电源直流电源vv脉冲电源脉冲电源脉冲电源脉冲电源vv加工机床加工机床加工机床加工机床vv 电解液系统电解液系统电解液系统电解液系统电解加工机床n n对机床的要求对机床的要求对机床的要求对机床的要求n n刚性好刚性好刚性好刚性好n n进给速度稳定进给速度稳定进给速度稳定进给速度稳定n n耐腐蚀、绝缘性好耐腐蚀、绝缘性好耐腐蚀、绝缘性好耐腐蚀、绝缘性好n n安全措施安全措施安全措施安全措施n n机床的分类机床的分类机床的分类机床的分类n n阴极固定式阴极固定式阴极固定式阴极固定式n n阴极移动式阴极移动式阴极移动式阴极移动式n n立式：加工扁平工件，模具，齿轮，型孔，短花键立式：加工扁平工件，模具，齿轮，型孔，短花键立式：加工扁平工件，模具，齿轮，型孔，短花键立式：加工扁平工件，模具，齿轮，型孔，短花键n n卧式：加工细长工件，叶片、深孔、长筒形零件卧式：加工细长工件，叶片、深孔、长筒形零件卧式：加工细长工件，叶片、深孔、长筒形零件卧式：加工细长工件，叶片、深孔、长筒形零件 电解液系统vv电解液的净化过滤方法电解液的净化过滤方法电解液的净化过滤方法电解液的净化过滤方法vv自然沉淀法自然沉淀法自然沉淀法自然沉淀法vv介质过滤法介质过滤法介质过滤法介质过滤法vv离心过滤法离心过滤法离心过滤法离心过滤法vv电解液系统组成电解液系统组成电解液系统组成电解液系统组成泵、电解液槽、过滤装置、泵、电解液槽、过滤装置、泵、电解液槽、过滤装置、泵、电解液槽、过滤装置、管道和阀等管道和阀等管道和阀等管道和阀等 优点：优点：优点：优点：设备简单、电解面积大、高效率设备简单、电解面积大、高效率设备简单、电解面积大、高效率设备简单、电解面积大、高效率 缺点：缺点：缺点：缺点：电源功率大电源功率大电源功率大电源功率大 进出口电解液流速、温度差别大进出口电解液流速、温度差别大进出口电解液流速、温度差别大进出口电解液流速、温度差别大不均匀不均匀不均匀不均匀 阴极细长，刚性差阴极细长，刚性差阴极细长，刚性差阴极细长，刚性差1）固定式阴极电解扩孔工件和阴极间没有相对运动工件和阴极间没有相对运动工件和阴极间没有相对运动工件和阴极间没有相对运动1.深孔扩孔加工深孔扩孔加工4.2.6 4.2.6 电解加工工艺及其应用电解加工工艺及其应用2）移动式阴极电解扩孔n n优点：优点：优点：优点：n n电极短，易制造，电源功率小电极短，易制造，电源功率小电极短，易制造，电源功率小电极短，易制造，电源功率小n n缺点：缺点：缺点：缺点：n n机床行程长，阴极移动时的运动精度难以保证机床行程长，阴极移动时的运动精度难以保证机床行程长，阴极移动时的运动精度难以保证机床行程长，阴极移动时的运动精度难以保证加工间隙不均加工间隙不均加工间隙不均加工间隙不均加工间隙基本均匀加工间隙基本均匀加工间隙基本均匀加工间隙基本均匀3）花键孔加工（阴极固定式）n n为保护已加工表面，阴为保护已加工表面，阴为保护已加工表面，阴为保护已加工表面，阴极的侧面绝缘极的侧面绝缘极的侧面绝缘极的侧面绝缘4）花键加工（阴极涨开式）n n阴极逐步向外涨开，以阴极逐步向外涨开，以阴极逐步向外涨开，以阴极逐步向外涨开，以提高加工效率提高加工效率提高加工效率提高加工效率2.型孔加工型孔加工形状复杂、尺寸较小的形状复杂、尺寸较小的四方、六方、椭圆、半四方、六方、椭圆、半圆等形状的通孔和不通圆等形状的通孔和不通孔，机械加工困难。孔，机械加工困难。材料为轴承钢，深孔直径为材料为轴承钢，深孔直径为材料为轴承钢，深孔直径为材料为轴承钢，深孔直径为4mm4mm左右，机械加工孔的内圆弧槽十分困左右，机械加工孔的内圆弧槽十分困左右，机械加工孔的内圆弧槽十分困左右，机械加工孔的内圆弧槽十分困难。电解加工使用固定式阴极，可多个零件同时加工，加工质量好，难。电解加工使用固定式阴极，可多个零件同时加工，加工质量好，难。电解加工使用固定式阴极，可多个零件同时加工，加工质量好，难。电解加工使用固定式阴极，可多个零件同时加工，加工质量好，生产率高，此项技术已在国内油泵油嘴厂全面推广。生产率高，此项技术已在国内油泵油嘴厂全面推广。生产率高，此项技术已在国内油泵油嘴厂全面推广。生产率高，此项技术已在国内油泵油嘴厂全面推广。电解加工喷油嘴内圆弧槽电解加工喷油嘴内圆弧槽3.型腔加工型腔加工成型表面复杂，阴极设计困难成型表面复杂，阴极设计困难成型表面复杂，阴极设计困难成型表面复杂，阴极设计困难采用混气加工或硝采用混气加工或硝采用混气加工或硝采用混气加工或硝酸钠、氯酸钠电解液。酸钠、氯酸钠电解液。酸钠、氯酸钠电解液。酸钠、氯酸钠电解液。电解液流场不易均匀，电解液流场不易均匀，电解液流场不易均匀，电解液流场不易均匀，在流速、流量不足的局在流速、流量不足的局在流速、流量不足的局在流速、流量不足的局部地区电蚀量将偏小而部地区电蚀量将偏小而部地区电蚀量将偏小而部地区电蚀量将偏小而容易产生短路。因在对容易产生短路。因在对容易产生短路。因在对容易产生短路。因在对应处加增液孔或增液缝，应处加增液孔或增液缝，应处加增液孔或增液缝，应处加增液孔或增液缝，增补电解液使流场均匀，增补电解液使流场均匀，增补电解液使流场均匀，增补电解液使流场均匀，避免短路烧伤现象。避免短路烧伤现象。避免短路烧伤现象。避免短路烧伤现象。4.套料加工套料加工适用于等截面的大面积异性孔或用于等截面薄形零件的下料。阴极片为适用于等截面的大面积异性孔或用于等截面薄形零件的下料。阴极片为适用于等截面的大面积异性孔或用于等截面薄形零件的下料。阴极片为适用于等截面的大面积异性孔或用于等截面薄形零件的下料。阴极片为0.5mm0.5mm厚的纯铜片，用软铅焊焊在阴极体上，零件尺寸精度由阴极片内腔口厚的纯铜片，用软铅焊焊在阴极体上，零件尺寸精度由阴极片内腔口厚的纯铜片，用软铅焊焊在阴极体上，零件尺寸精度由阴极片内腔口厚的纯铜片，用软铅焊焊在阴极体上，零件尺寸精度由阴极片内腔口保证，当加工中偶尔发生短路烧伤时，只须更换阴极片，而阴极体可长期使保证，当加工中偶尔发生短路烧伤时，只须更换阴极片，而阴极体可长期使保证，当加工中偶尔发生短路烧伤时，只须更换阴极片，而阴极体可长期使保证，当加工中偶尔发生短路烧伤时，只须更换阴极片，而阴极体可长期使用。用。用。用。5.整体叶片加工n n与焊接件相比，与焊接件相比，与焊接件相比，与焊接件相比，加工周期短、加工周期短、加工周期短、加工周期短、叶片的强度高、叶片的强度高、叶片的强度高、叶片的强度高、质量好质量好质量好质量好电解加工整体叶片电解加工整体叶片采用套料法对叶轮上的叶采用套料法对叶轮上的叶采用套料法对叶轮上的叶采用套料法对叶轮上的叶片逐个加工，加工完一个片逐个加工，加工完一个片逐个加工，加工完一个片逐个加工，加工完一个叶片后即退出阴极，叶轮叶片后即退出阴极，叶轮叶片后即退出阴极，叶轮叶片后即退出阴极，叶轮分度，阴极进给再加工下分度，阴极进给再加工下分度，阴极进给再加工下分度，阴极进给再加工下一个叶片。一个叶片。一个叶片。一个叶片。6.电解去毛刺n n为保护已加工表面，工件齿轮套在绝缘柱上，环形阴极工具也靠绝缘为保护已加工表面，工件齿轮套在绝缘柱上，环形阴极工具也靠绝缘为保护已加工表面，工件齿轮套在绝缘柱上，环形阴极工具也靠绝缘为保护已加工表面，工件齿轮套在绝缘柱上，环形阴极工具也靠绝缘柱定位安装在齿轮面上。保持柱定位安装在齿轮面上。保持柱定位安装在齿轮面上。保持柱定位安装在齿轮面上。保持3 35mm5mm间间隙（根据毛刺大小而定）。隙（根据毛刺大小而定）。隙（根据毛刺大小而定）。隙（根据毛刺大小而定）。7.电解刻字电解刻字n n字头接阴极，工件接阳极两者之间保持约字头接阴极，工件接阳极两者之间保持约字头接阴极，工件接阳极两者之间保持约字头接阴极，工件接阳极两者之间保持约0.1mm0.1mm的电解间隙，的电解间隙，的电解间隙，的电解间隙，中间滴注少量的钝化型电解液，加工时间约为中间滴注少量的钝化型电解液，加工时间约为中间滴注少量的钝化型电解液，加工时间约为中间滴注少量的钝化型电解液，加工时间约为1 12s2s。