-电化学加工技术的原理与应用

机械2011年增刊总第38卷机械制造技术·81·———————————————收稿日期：2010－08－16作者简介：杨明（1973－），河北馆陶人，本科，工程师，主要从事舰船建造的质量验收工作。电化学加工技术的原理与应用杨明（海军驻大连地区军事代表室，辽宁大连116021）摘要：电化学加工技术广泛用于加工发动机叶片、火炮膛线、汽车锻模、汽轮机整体叶轮、花键及异形孔等零件。常用的电化学加工有电解加工、电磨削、电化学抛光、电镀、电刻蚀和电解冶炼等。介绍了电化学加工技术的基本原理、设备组成及加工特点。对其中的电化学抛光、电镀、电刻蚀、电解磨削技术的加工方法作了详细的阐述。与机械加工相比，电化学加工能加工出复杂的型面、腔孔，加工高硬度、高韧性、高强度材料，生产率高。将电化学加工技术与传统加工方法进行有机的结合，可以进一步提高了零件质量、改善零件使用性能和延长使用寿命，提高我国机械制造业在国际上的竞争力。关键词：电化学加工；电化学抛光；电镀；电刻蚀；电解磨削电化学加工（ElectrochemicalMaking），也称电解加工，是利用金属在外电场作用下的高速局部阳极溶解实现电化学反应，对金属材料进行加工的方法。常用的电化学加工有电解加工、电磨削、电化学抛光、电镀、电刻蚀和电解冶炼等。1958年美国阿诺卡特公司研制出世界第一台电解加工机床用于叶片加工。中国电化学加工始于60年代初，广泛用于加工发动机叶片、火炮膛线、汽车锻模、汽轮机整体叶轮、花键及异形孔等零件。1电化学加工技术1.1电化学加工的原理电化学加工是利用金属在电解液中的电化学阳极溶解来将工件成型的。如图1所示，工件接直流电源的正极为阳极，按所需形状制成的工具接直流电源的负极为阴极。阳极表面每个铁原子在外电源的作用下放出两个电子，成为正的二价铁离子而溶解进入电解液中（Fe－2e＝Fe+2）。溶入电解液中的Fe+2又与OH－离子化合，生成Fe(OH)2，由于它在水溶液中的溶解度很小，故生成沉淀而离开反应系统，Fe(OH)2沉淀为墨绿色的絮状物，随着电解液的流动而被带走。Fe(OH)2又逐渐为电解液中及空气中的氧氧化为Fe(OH)3，Fe(OH)3为黄褐色沉淀（铁锈）。正的氢离子被吸收到阴极表面，从电源得到电子而析出氢气：2H+＋2e=H2↑。电解液从两极间隙（0.1～0.8mm）中高速（5～60m/s）流过。当工具阴极向工件进给并保持一定间隙时即产生电化学反应，在相对于阴极的工件表面上，金属材料按对应于工具阴极型面的形状不断地被溶解到电解液中，随着工件表面金属材料的不断溶解，工具阴极不断地向工件进给，溶解的电解产物不断地被电解液冲走，工件表面也就逐渐被加工成接近于工具电极的形状，如此下去直至将工具的形状复制到工件上。图1电化学加工原理图图2电化学加工模具图电源氢气进给短路保护等控制装置工具阴极工件阳极绝缘底板机床工作台泵过滤器溢流阀压力表流量计电解液槽·82·机械制造技术机械2011年增刊总第38卷1.2电化学加工的特点电化学加工具有如下特点：（1）能同时进行三维的加工，一次加工出形状复杂的型面、型腔、异形孔。（2）可以加工一般机制工艺难以加工的高硬度、高韧性、高强度材料，如硬质合金、淬火钢、耐热合金、钛合金。（3）生产率高，约为电火花加工的5～10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。（4）阴极工具在理论上不损耗，可长期使用。（5）产生的热量被电解液带走，工件基本上没有温升，适合于加工热敏性材料。（6）加工中工件与刀具（阴极）不接触，不会产生切削力，加工后零件表面无残余应力、无毛刺。（7）加工后零件表面质量好。表面粗糙度Ra可达0.2～1.25µm，加工精度：型孔或套料为±0.03～±0.05mm、模锻型腔为±0.05～±0.20mm、透平叶片型面为0.18～0.25mm。1.3电化学加工的基本设备电化学加工的基本设备包括直流电源，机床及电解液系统三大部分。（1）直流电源电化学加工常用的直流电源为硅整流电源和晶闸管整流电源。（2）机床电化学加工机床的任务是安装夹具、工件和阴极工具，并实现其相对运动，传送电和电解液。电解加工过程中虽没有机械切削力，但电解液对机床主轴和工作台的作用力是很大的，因此要求机床要有足够的刚性。要保证进给系统的稳定性，如果进给速度不稳定，阴极相对工件的各个截面的电解时间就不同，影响加工精度。电解加工机床经常与具有腐蚀性的工作液接触，因此机床要有好的防腐措施和安全措施。（3）电解液系统在电化学加工过程中，电解液不仅作为导电介质传递电流，而且在电场的作用下进行化学反应，使阳极溶解能顺利而有效地进行。同时电解液要及时把加工间隙内产生的电解产物和热量带走，起到更新和冷却的作用。电解液应具有低的分散能力、较高的电导、较低的粘度，以保证良好的导电性和流动性。由于电解加工电解液的用量甚大（每1000A加工电流需3～5m3电解液），因此要求它安全、无毒、价廉、稳定。电解液可分为中性盐溶液、酸性盐溶液和碱性盐溶液三大类，常用的电解液有NaCl、NaNO3、NaClO3三种。NaCl电解液价廉易得，对大多数金属而言，其电流效率均很高，加工过程中损耗小并可在低浓度下使用，应用很广。其缺点是电解能力强，散腐蚀能力强，使得离阴极工具较远的工件表面也被电解，成型精度难于控制，复制精度差；对机床设备腐蚀性大，故适用于加工速度快而精度要求不高的工件加工。NaNO3电解液在浓度低于30%时，对设备、机床腐蚀性很小，使用安全。但生产效率低，需较大电源功率，故适用于成型精度要求较高的工件加工。NaClO3电解液的散蚀能力小，故加工精度高，对机床、设备等的腐蚀很小，广泛地应用于高精度零件的成型加工。2电化学加工的应用电化学加工有三种不同的类型。（1）第Ⅰ类是利用电化学反应过程中的阳极溶解来进行加工，主要有电解加工、电化学抛光等。（2）第Ⅱ类是利用电化学反应过程中的阴极沉积来进行加工，主要有电镀、电铸等。（3）第Ⅲ类是利用电化学加工与其它加工方法相结合的电化学复合加工工艺进行加工，目前主要有电解磨削、电化学阳极机械加工。2.1电化学抛光和电解抛光电化学抛光是直接应用阳极溶解的电化学反应对机械加工后的零件进行再加工，以提高工件表面的光洁度（图3为电化学抛光加工的零件）。电化学抛光比机械抛光效率高、精度高，且不受材料的硬度和韧性的影响，有逐渐取代机械抛光的趋势（图4为电化学抛光与机械抛光表面对比）。电解抛光的基本原理与电解加工相同，但电解抛光的阴极是固定的，极间距离大（1.5～200mm），去除金属量少。电解抛光时，要控制适当的电流密度。电流密机械2011年增刊总第38卷机械制造技术·83·度过小时金属表面会产生腐蚀现象，且生产效率低；当电流密度过大时，会发生氢氧根离子或含氧的阴离子的放电现象，且有气态氧析出，从而降低了电流效率。图3电化学抛光加工的零件（a）机械磨削（b）精密电火花加工（c）电化学抛光前（b）电化学抛光后图4各种加工方法表面对比2.2电镀电镀是用电解的方法将金属沉积于导体（如金属）或非导体（如塑料、陶瓷、玻璃钢等）表面，从而提高其耐磨性，增加其导电性，并使其具有防腐蚀和装饰功能。对于非导体制品的表面，需经过适当地处理（用石墨、导电漆、化学镀处理或经气相涂层处理），使其形成导电层后，才能进行电镀。电镀时，将被镀的制品接在阴极上，要镀的金属接在阳极上。电解液是用含有与阳极金属相同离子的溶液。通电后，阳极逐渐溶解成金属正离子，溶液中有相等数目的金属离子在阴极上获得电子随即在被镀制品的表面上析出，形成金属镀层。例如在铜板上镀镍，以含硫酸镍的水溶液作电镀液。通电后，阳极上的镍逐渐溶解成正离子，而在阴极的铜板表面上不断有镍析出。2.3电刻蚀电刻蚀是应用电化学阳极溶解的原理在金属表面蚀刻出所需的图形或文字。由于电刻蚀所去除的金属量较少，因而无需用高速流动的电解液来冲走由工件上溶解出的产物。加工时，阴极固定不动。电刻蚀有以下四种加工方法。（1）按要刻的图形或文字，用金属材料加工出凸模作为阴极，被加工的金属工件作为阳极，两者一起放入电解液中。接通电源后，被加工件的表面就会溶解出与凸模上相同的图形或文字。（2）将导电纸（或金属箔）裁剪或用刀刻出所需加工的图形或文字，然后粘贴在绝缘板材上，并设法将图形中各个不相连的线条用导线在绝缘板背面相连，作为阴极。适于图形简单，精度要求不高的工件。（3）对于图形复杂的工件，可采用制印刷电路板的技术，即在双面敷铜板的一面形成所需加工的正的图形，并设法将图形中各孤立线条与敷铜板的另一面相连，作为阴极。不适于加工精细且不相连的图形。（4）在待加工的金属表面涂一层感光胶，再将要刻的图形或文字制成负的照相底片覆在感光胶上，采用光刻技术将要刻除的部分暴露出来。这时阳极仍是待加工的工件，而阴极可用金属平板制成。2.4电解磨削电解磨削是电解作用和机械磨削相结合的加工过程。导电磨削时，工件接在直流电源的阳极上，导电的砂轮接在阴极上，两者保持一定的接触压力，并将电解液引入加工区。当接通电源后，工件的金属表面发生阳极溶解并形成很薄的氧化膜，其硬度比工件低得多，容易被高速旋转的砂轮磨粒刮除，随即又形成新的氧化膜，又被砂轮磨去。如此进行，直至达到加工要求为止。3小结电化学加工技术在制造业领域的重要地位日益突出，尤其是在深孔加工、型面加工、型腔加工﹑异形孔和薄壁零件加工、表面光整加工等方面的效果十分显著。将电化学加工技术与传统加工方法进行有机的结合，进一步提高了零件质量、改善零件使用性能和延长使用寿命，对于提高我国机械制造业在国际上的竞争力，促进我国经济的发展都具有重要的意义。