特种加工技术---第四章：电化学加工

§第四章电化学加工ElectrochemicalMachining按照电化学加工的技术原理，可以分为：1电解加工：基于金属阳极的电化学溶解原理来去除多余材料的减材制造工艺。2电镀、涂镀加工：基于金属阳离子的阴极电沉积原理的一种增材制造工艺。第一节电化学加工原理及分类一、电化学加工的基本原理1电化学加工过程阳极铜片阴极铜片CuCl2电解液中的电化学反应原理图2电解质溶液凡是溶于水后能导电的物质称为电解质，电解质的水溶液即为电解质溶液。酸性电解质溶液碱性电解质溶液中性电解质溶液3电极电位考虑如下两种实验场景ZnSO4ZnCuSO4Cu产生在金属和它的盐溶液之间的电位差称为金属的电极电位，它是金属在本身的盐溶液的溶解和沉积相平衡时的电位差，也称平衡电极电位，其大小与金属的活泼性有关。到目前为止，一种金属和它的盐溶液之间双电层的电极电位还不能直接测定，但是可以用盐桥的办法测出两种不同电极之间的电位差，生产实践中规定采用一种电极作标准和其他电极比较得出相对值，称为标准电极电位。通常采用标准氢电极为基准，人为规定它的电极电位为零。课本P79页列出了多种元素的标准电极电位。即在25˚C时，把金属放在此金属离子的有效质量份数为1g/L的溶液中，此金属的电极电位与标准氢电极的电极电位之差，用U0表示。结论：金属越活泼，其标准电极电位的代数值就越小，反之，金属越不活泼，其标准电极电位的代数值就越大。当金属离子的有效质量分数发生变化时，电极电位也随之发生变化。“能斯特”公式：anuulg059.0'0n:金属电化学反应的化合价；a：离子的有效质量分数；引出问题：金属浸入其他任何电解液时会产生双电层和电位差吗？考虑如下的实验场景铁片铜片NaCle阳极铁片阴极铜片NaClee4电极的极化在电化学过程中通常发生两种极化现象：浓差极化和电化学极化1）浓差极化：在电化学反应过程中，阳极金属不断溶解的条件之一是生成的金属离子需要越过双电层，再向外迁移并扩散。然而，离子迁移扩散的速度是有一定限度的。在外电场的作用下，如果阳极表面的液层中的金属离子迁移扩散的速度较慢而来不及扩散到溶液中去，就会在阳极表面造成离子堆积，引起电位值增大（代数值增大），这就是浓差极化。阳极铁片阴极铜片NaClee在阴极上，由于水化离子的移动速度很快，因此阴极的浓差极化很小，在电化学加工过程中一般不予考虑。消除浓差极化的措施：一般说来，凡是能加速阳极表面金属离子扩散与迁移的措施都能在一定程度上改善浓差极化。提高电解液的流动速度增加搅拌效果；提高电解液的温度；5金属的钝化和活化在电解加工中经常出现一种钝化现象，使得电解速度减慢。例如，铁在硝酸钠溶液中电解时，如果极间间隙达到一定数值后，铁的溶解速度就会显著下降，这就是钝化。钝化形成的原因：金属与溶液作用后在金属表面形成了一层紧密的极薄的膜，通常是由氧化物、氢氧化物或盐组成，从而使金属表面失去了原来具有的活泼性质，使其溶解过程变慢。使金属钝化膜破坏的过程称为活化。金属活化后，新鲜的金属表面露出，可以进一步的参与电解过程，从而使加工速度提高。二电化学加工的分类第一类电解加工第二类电镀，涂镀和电铸加工第三类电化学与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺，例如电解磨削，超声电解等第二节电解加工一电解加工的过程及特点▲工具工件电解液-+电解加工原理图电解加工的特点：1加工范围广；2电解加工的生产率较高，约为电火花加工的5-10倍；3表面质量良好，可以达到Ra1.25-2.5um和±0.1mm的加工精度;4由于加工中不存在机械切削力，因此不会产生因切削力引起的残余应力和变形，也不会存在飞边和毛刺；5加工中工具阴极在理论上不会损耗，可长期使用；电解加工的局限性：1不易达到较高的精度和稳定性；2工具电极（阴极）的设计制造很困难，不适合单件小批量生产；3电解加工附属设备较多，占地面积大，加工机床较贵；4电解产物需要妥善处理，否则会污染环境；我国的一些专家提出选用电解工艺的三原则：1）适合于难加工材料；2)适合于相对复杂零件的加工；3）适合于批量较大的工件加工；上述三原则都满足时，电解加工工艺比较合理。二电解加工的电极反应电解加工的电极反应相当复杂，而且影响因素众多。1电极反应以NaCl溶液电解加工铁基合金为例，来讲述电解加工的电极反应阳极反应VFF59.0uee2e2‘VFF323.0uee3e3‘VOOH867.0ue442‘VCC334.1ule2l22‘22e2e）（OHFOHF发生氧化反应3222e42e4）（）（OHFOOHOHF阴极反应VNN69.2uaea‘2He22HV42.0u‘2电解加工过程的电能利用阴极阳极电源电压阴极极化电压阳极极化电压欧姆压降0极化电压数值：铁基合金0-1V镍基合金1-3V钛合金4-6V三电解液电解液的主要作用：作为介质传导电流；在电场作用下进行电化学反应，使阳极金属溶解能顺利而有控制的进行；及时把加工区产生的电解产物和热量带走，并冷却电极表面。1对电解液的基本要求1）具有足够的蚀除速度，即生产率要高。这就要求电解质有较高的溶解度和较高的浓度。2）具有较高的加工精度和表面质量。3）阳极反应的最终产物是不溶性的化合物。2电解加工常用的几种电解液1）NaCl电解液该电解液导电能力强，适用范围广，价格便宜，货源充足。其电流效率接近100%。2）NaNO3和NaClO3电解液这两种电解液通常被称为“钝化电解液”或“非线性电解液”。主要因为电解加工时加工速度和电流密度不成正比。几点注意事项：1钝化电解液的成型精度高，对机床的腐蚀小，使用安全，但其电流效率较低，蚀除速度较慢，生产率也较低。2NaClO3电解液有较强的氧化性，使用时要注意防火。四电解液的流速及流向正向流动反向流动侧向流动出水口布局对流场的影响五电解加工的基本规律*1金属的电化学当量和生产率的关系电解时电极上溶解或析出的物质的量（质量m或体积v），与电解电流I和电解时间t成正比，即与电量Q成正比，其比例系数称为电化学当量，这一定律即所谓的法拉第电解定律。ttmIVKI根据法拉第电解定律，电解溶解或析出的物质的量只与该物质的电化学当量，电解电流和电解时间有关。在理论上不受电解液浓度，温度，压力，电极形状等因素的影响，与上述诸因素无关。ttmIVKI%100理论计算蚀除量实际金属蚀除量因此上述公式需要修正为：ttmIVKI对电流效率的讨论：电流效率何时小于100%？电流效率何时大于100%？2电流密度i和生产率的关系tIVtiAV阴极阳极hAtihAAivaVa是金属阳极（工件）的蚀除速度。3间隙大小和蚀除速度的关系阴极阳极AΔRUIRARAUIRaviRURUavCav4端面平衡间隙CavCRVUb注意：端面平衡间隙出现在阳极表面法线与阴极进给方向夹角等于零的位置。5法向平衡间隙vcvn阴极阳极cosvvcnCRVUbcos1bnCOSVUCR注意上式的使用范围六电解加工阴极设计方法之一——cosθ法MN阳极（工件）型面七电解加工设备对电解加工设备的基本要求1机床的刚性；2机床进给速度要稳定；3机床的防腐和绝缘；4安全措施：及时排除氢气和有毒气体；第三节电解磨削一电解磨削基本原理电源导电磨削工作液进给电解液工件导电磨轮二电解磨削的特点1加工范围广，加工效率高。例如磨削硬质合金，电解磨削是普通金刚石砂轮磨削效率的3-5倍。2可以提高加工精度和表面质量。不会产生毛刺、裂纹、烧伤等普通机械磨削经常产生的不利现象。3砂轮的磨损量少。例如磨削硬质合金，普通砂轮的磨损量通常是磨除硬质合金的4-6倍，而电解磨削砂轮的磨损量只是磨除硬质合金量的40-60%。不足之处：加工刀具时刃口不易磨的很锋利；机床、夹具等需要采取防腐措施；需要增加吸气、排气装置；需要直流电源和电解液循环和过滤装置。第四节电铸、涂镀加工一、电铸的基本原理二、电铸的基本特点1能准确，精密的复制复杂型面和微细纹路；2能获得尺寸精度高、表面粗糙度小于Ra0.1um的复制品，同一个原模（芯模）生产的电铸件一致性极好。三涂镀加工涂镀加工又称为刷镀或无槽电镀。其基本加工原理如下电镀笔工件电镀液镀槽电镀电源脱脂棉套涂镀加工的主要特点：1不需要镀槽。操作简单，机动灵活，可在现场就地施工。2可进行涂镀的镀液种类，可涂镀的金属种类多。例如金、银、铜、铁、锡、镍、钨、铬等。3涂镀金属与基体的结合力比槽镀牢固。4因工件与镀笔之间有相对运动，故一般需要人工操作，很难实现高效率的大批量、自动化生产。涂镀技术的主要应用范围：1修复零件磨损表面、恢复几何尺寸、实施超差补救。2填补零件表面的划伤、凹坑、斑蚀、空洞等缺陷。例如机床导轨、活塞液压缸等表面的修补。3大型、复杂、单个小批工件的表面镀镍、铜、锌、金、银等防腐层、耐腐层等，用以改善表面性能。四电铸和涂镀（电镀）加工有何异同点？相同点：两者的加工原理完全一样。不同点：1、电铸加工需要芯模（原模），而电镀加工不需要；2、电铸加工后电铸层需要和芯模（原模）脱离，而电镀加工需要镀层金属和基体结合牢固；3、一般说来，电铸层的厚度较厚，而电镀层或涂镀层较薄。