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电化学加工论文


电化学加工论文
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;电解磨削 一:电化学加工的定义 电化学加工(Electrochemical Making),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。 二:电化学加工的基本原理 如果将两铜片插入CuCl2水溶液中(见下图),由于溶液中含有OH-和 Cl-负离子及H+和Cu2+正离子,当两铜片分别连接直流电源的正、 负极时,即形成导电通路,有电流流过溶液和导线。在外电场的作用 下,金属导体及溶液中的自由电子定向运动,铜片电极和溶液的界面
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上将发生得失电子的电化学反应。其中,溶液中的Cu2+离子向阴极 移动, 在阴极表面得到电子而发生还原反应, 沉积出铜。 在阳极表面, Cu原子失去电子而发生氧化反应,成为Cu2+正离子进入溶液。在阴、 阳极表面发生得失电子的化学反应即称为电化学反应, 利用这种电化 学反应作用加工金属的方法就是电化学加工。其中,阳极上为电化学 溶解,阴极上为电化学沉积。

三、电源的选择: 电源规格分为3档:小型电源,电流为50~500安,用于加工小孔、去 除毛刺、抛光和用于中小型的阴极进行电解车削;中型电源,电流为 1000~5000安,用于加工中等面积(50~150厘米2)的型孔和型腔;大型 电源, 电流为10000~40000安, 用于加工大型零件, 加工面积可达200~ 1000厘米2或更大一些。通常使用的电压范围为12~20伏。对硬质合 金、钨、铜、铜锌合金等材料进行电解加工时,要求使用特殊电源。 因为若用普通的直流电源进行加工, 则这些材料点格中的某些原子不 易离子化,而点格中的另一些原子却受到大量腐蚀。例如,碳化钨点 格中的碳原子,在正电位条件下不能加工掉,而必须有负电位(即电 源电流有负半波)加工铜锌合金用的电源,不但要有负半波,而且对 电流的波形,正半波与负半波的间隔和排列方式都有一定的要求。使
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用特殊电源也可解决间隙内某些相对惰性离子的积聚以及由此改变 间隙电阻和电场分布的问题,从而能有效地提高加工精度。 四: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~±0.05 mm、模锻型腔为±0.05~±0.20 mm、透平叶片型面为0.18~0.25 mm。

五:电化学加工的分类 1、电解加工
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利用阳极溶解的电化学反应对金属材料进行成型加工的方法。 当工具 阴极不断向工件推进时,由于两表面之间间隙不等,间隙最小的地方, 电流密度最大,工件阳极在此处溶解得最快。因此,金属材料按工具 阴极型面的形状不断溶解,同时电解产物被电解液冲走,直至工件表 面形成与阴极型面近似相反的形状为止, 此时即加工出所需的零件表 面。电解加工采用低压直流电源(6~24伏),大工作电流。为了能保 持连续而平稳地向电解区供给足够流量和适宜温度的电解液, 加工过 程一般在密封装置中进行。 2、导电磨削 又称电解磨削。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、电化学抛光 又称电解抛光。 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。 电解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。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(1.5~200毫米),去除金属量少。电解抛光时,要 控制适当的电流密度。电流密度过小时金属表面会产生腐蚀现象,且
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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。 4、电镀 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。 5、电刻蚀 又称电解刻蚀。 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。其基本加工原理与电解加工相同。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4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。
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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。 6、电解冶炼 利用电解原理,对有色和稀有金属进行提炼和精炼。分为水溶液电解 冶炼和焙盐电解冶炼两种。 水溶液电解冶炼在冶金工业中广泛用于提 取和精炼铜、铅、镍等金属。例如铜的电解提纯:将粗铜(含铜99%) 预先制成厚板作为阳极纯铜制成薄片作阴极, 以硫酸(H2SO4)和硫酸 铜(CuSO4)的混和液作为电解液。通电后,铜

从阳极溶解成铜离子(Cu2+)向阴极移动, 到达阴极后获得电子而在阴 极析出纯铜(亦称电解铜)。粗铜中杂质如比铜活泼的铁和锌等会随 铜一起溶解为离子(Zn2+和Fe2+)。由于这些离子与铜离子相比不 易析出, 所以电解时只要适当调节电位差即可避免这些离子在阳极上 析出。比铜不活泼的杂质如金和银等沉积在电解槽的底部。焙盐电解 冶炼用于提取和精炼活泼金属(如钠、镁、钙、铝等)。例如,工业
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上提取铝:将含氧化铝(Al2O3)的矿石进行净化处理,将获得的氧化 铝放入熔融的冰晶石(Na3AlF6)中,使其成为熔融状的电解体,以碳棒 为电极,两极的电化学反应为4Al3++6O2-+3C─→4Al+3CO

六: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。

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