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1、第一节 电化学加工(ji gng)原理及分类一、电化学加工(ji gng)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第1页/共40页第一页，共41页。2 2 电解质溶液电解质溶液(rngy)(rngy)凡是凡是(fnsh)溶于水后能导电的物质称为电解质，电解质的水溶液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。即为电解质溶液。酸性电解质溶液酸性电解质溶液(rngy)碱性电解质溶液碱性电解质溶液(rngy)中性电解质溶液中性电解质溶液(rngy)第2页/共40页第二页，共41页。3 3 电极电极(dinj)(dinj)电位电位考虑如下考虑如
2、下(rxi)两种实验场景两种实验场景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，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，其大小平衡电极电位，其大小(dxio)与金属的活泼性有关。与金属的活泼性有关。第3页/共40页第三页，共41页。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还不能直接(zhji)测定，但是可以用盐桥的办法测出两种不同电极测定，但是可
3、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。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，人为通常采用标准氢电极为基准，人为(rnwi)规定它的电极电位为零。规定它的电极电位为零。课本课本P79页列出了多种元素的标准电极页列出了多种元素的标准电极(dinj)电位。即在电位。即在25C时，把时，把金属放在此金属离子的有效质量份数为金属放在此金属离子的有效质量份数为1g/L的溶液中，此金属的溶液中，此金属的电极的电极(dinj)电位与标准氢电极电位与标准
4、氢电极(dinj)的电极的电极(dinj)电位之差，用电位之差，用U0表示。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，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。金属越不活泼，其标准电极电位的代数值就越大。第4页/共40页第四页，共41页。当金属离子的有效质量当金属离子的有效质量(zhling)分数发生变化时，电极电位也随之分数发生变化时，电极电位也随之发生变化。发生变化。“能斯特能斯特”公式公式(gngsh)：anuulg059. 00n: 金属电化学反应的化合价；金属电化学反应的化合价；a：离子的有效质量：离子的有效质
5、量(zhling)分数；分数；第5页/共40页第五页，共41页。引出问题：引出问题：金属浸入其他任何金属浸入其他任何(rnh)电解液时会产生双电层和电位差吗？电解液时会产生双电层和电位差吗？考虑如下考虑如下(rxi)的实验场景的实验场景铁片铁片铜片铜片NaCle阳极铁片阳极铁片阴极铜片阴极铜片NaClee第6页/共40页第六页，共41页。4 4 电极电极(dinj)(dinj)的极化的极化在电化学过程中通常发生在电化学过程中通常发生(fshng)两种极化现象：浓差极化和电化学极化两种极化现象：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）浓差极化：在电化学反应
6、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，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。（代数值增大），这就是浓差极化。阳极铁片阳极铁片阴极铜片阴极铜片NaClee第7页/共4
7、0页第七页，共41页。在阴极上，由于水化离子的移动在阴极上，由于水化离子的移动(ydng)速度很快，因此阴极的浓差极化速度很快，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。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：消除浓差极化的措施：一般说来，凡是一般说来，凡是(fnsh)能加速阳极表面金属离子扩散与迁移的措施都能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。在一定程度上改善浓差极化。提高提高(t go)电解液的流动速度增加搅拌效果；电解液的流动速度增加搅拌效果；提高提高(t go)电解液的温度；电解液的温度；第8页/共40页第八页，共41页。
8、5 5 金属金属(jnsh)(jnsh)的钝化和活化的钝化和活化在电解在电解(dinji)加工中经常出现一种钝化现象，使得电解加工中经常出现一种钝化现象，使得电解(dinji)速度减慢。速度减慢。例如，铁在硝酸钠溶液例如，铁在硝酸钠溶液(rngy)中电解时，如果极间间隙达到一定数值中电解时，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。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，从而使金属的极薄的膜，通常是由氧化物、氢氧
9、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。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使金属钝化膜破坏的过程称为活化。活化。金属活化后，新鲜的金属金属活化后，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。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。第9页/共40页第九页，共41页。二 电化学加工(ji gng)的分类第一类第一类 电解电解(dinji)加工加工第二类第二类 电镀电镀(dind)，涂镀和电铸加工，涂镀和电铸加工第三类第三类 电化学与其他加工方法相结合的电化学复合加工工艺，电化学与其他加工方
10、法相结合的电化学复合加工工艺，例如例如 电解磨削，超声电解等电解磨削，超声电解等第10页/共40页第十页，共41页。第二节 电解(dinji)加工一一 电解加工的过程电解加工的过程(guchng)及特点及特点工具工具工件电解液-+电解加工原理图电解加工原理图第11页/共40页第十一页，共41页。电解加工电解加工(ji gng)的特点：的特点：1 1 加工加工(ji gng)(ji gng)范围广；范围广；2 2 电解电解(dinji)(dinji)加工的生产率较高，约为电火花加工的加工的生产率较高，约为电火花加工的5-105-10倍；倍；3 3 表面质量良好，可以达到表面质量良好，可以达到Ra
11、1.25-2.5Ra1.25-2.5umum和和0.10.1mmmm的加工精度的加工精度; ;4 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；的残余应力和变形，也不会存在飞边和毛刺；5 5 加工中工具阴极在理论上不会损耗，可长期使用；加工中工具阴极在理论上不会损耗，可长期使用；第12页/共40页第十二页，共41页。电解电解(dinji)加工的局限性：加工的局限性：1 1 不易不易(b y)(b y)达到较高的精度和稳定性；达到较高的精度和稳定性；2 2 工具电极工具电极(dinj)(dinj
12、)（阴极）的设计制造很困难，不适合单件小批量生产；（阴极）的设计制造很困难，不适合单件小批量生产；3 3 电解加工附属设备较多，占地面积大，加工机床较贵；电解加工附属设备较多，占地面积大，加工机床较贵；4 4 电解产物需要妥善处理，否则会污染环境；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：我国的一些专家提出选用电解工艺的三原则：1 1）适合于难加工）适合于难加工材料；材料；2) 2)适合于相对复杂零件的加工；适合于相对复杂零件的加工；3 3）适合于批量较大的工件）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。加工；上述三原则都满足时，电
13、解加工工艺比较合理。第13页/共40页第十三页，共41页。二 电解加工(ji gng)的电极反应电解加工的电极反应相当复杂，而且影响电解加工的电极反应相当复杂，而且影响(yngxing)因素众多。因素众多。1 1 电极反应电极反应以以NaClNaCl溶液溶液(rngy)(rngy)电解加工铁基合金为例，来讲述电解加工的电极反应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阳极反应VFF59. 0uee2e2VFF323. 0uee3e3VOOH867. 0ue442VCC334. 1ule2l22第14页/共40页第十四页，共41页。22e2e）（OHFOHF发生氧化发生氧化(yngh
14、u)反应反应3222e42e4）（）（OHFOOHOHF第15页/共40页第十五页，共41页。阴极阴极(ynj)反应反应VNN69. 2uaea2He22HV42. 0u第16页/共40页第十六页，共41页。2 2 电解电解(dinji)(dinji)加工过程的电能利用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极化极化(j hu)(j hu)电压数值：电压数值：铁基合金铁基合金 0-1V 0-1V镍基合金镍基合金 1-3V 1-3V钛合金钛合金 4-6V 4-6V第17页/共40页第十七页，共41页。三三 电解液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
15、行电电解液的主要作用：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，并冷却电极工区产生的电解产物和热量带走，并冷却电极(dinj)表面。表面。1 1 对电解液的基本对电解液的基本(jbn)(jbn)要求要求1 1）具有）具有(jyu)(jyu)足够的蚀除速度，即生产率要高。这就要求电解质有足够的蚀除速度，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。较高的溶解度和较高的浓度。2 2）具有较高的加工精度和表面质量。）具有较高的加工精度和表面质量。3 3）阳极反
16、应的最终产物是不溶性的化合物。）阳极反应的最终产物是不溶性的化合物。第18页/共40页第十八页，共41页。2 2 电解电解(dinji)(dinji)加工常用的几种电解加工常用的几种电解(dinji)(dinji)液液1）NaCl电解液电解液 该电解液导电能力该电解液导电能力(nngl)强，适用范围广，价格便宜，货源充足。其强，适用范围广，价格便宜，货源充足。其电流效率接近电流效率接近100%。2）NaNO3和和NaClO3电解液电解液 这两种电解液通常这两种电解液通常(tngchng)被称为被称为“钝化电解液钝化电解液”或或“非线性电解液非线性电解液”。主要。主要因为电解加工时加工速度和电流
17、密度不成正比。因为电解加工时加工速度和电流密度不成正比。第19页/共40页第十九页，共41页。几点注意事项：几点注意事项：1 钝化电解液的成型精度高，对机床的腐蚀钝化电解液的成型精度高，对机床的腐蚀(fsh)小，使用安全，但其小，使用安全，但其电流效率较低，蚀除速度较慢，生产率也较低。电流效率较低，蚀除速度较慢，生产率也较低。2 NaClO3电解液有较强的氧化性，使用电解液有较强的氧化性，使用(shyng)时要注意防火。时要注意防火。第20页/共40页第二十页，共41页。四 电解液的流速(li s)及流向正向流动反向流动侧向流动第21页/共40页第二十一页，共41页。出水口布局对流出水口布局对
18、流(duli)场的影响场的影响第22页/共40页第二十二页，共41页。五 电解(dinji)加工的基本规律*1 金属的电化学当量金属的电化学当量(hu xu dn lin)和生产率的关系和生产率的关系电解时电极上溶解或析出的物质的量（质量电解时电极上溶解或析出的物质的量（质量m或体积或体积v），与电解），与电解电流电流I 和电解时间和电解时间(shjin)t成正比，即与电量成正比，即与电量Q成正比，其比例系数称为电成正比，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。化学当量，这一定律即所谓的法拉第电解定律。ttmIVKI第23页/共40页第二十三页，共41页。根据法拉第电解定律，
19、电解溶解或析出根据法拉第电解定律，电解溶解或析出(xch)的物质的量只与该物质的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。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因此上述公式需要(xyo)修正为：修正为：ttmIVKI第24页/共40页第二十四页，共41页。对电流效率的讨论：对电流效率的讨论：电流效率何时小于电流效率何时小于100%？电流效率何时大于电流效率何时大于1
20、00%？第25页/共40页第二十五页，共41页。2 电流密度i和生产率的关系(gun x)t IVtiAV阴极阳极hAtihAAivaVa是金属是金属(jnsh)阳极（工件）的蚀除速度。阳极（工件）的蚀除速度。第26页/共40页第二十六页，共41页。3 间隙间隙(jin x)大小和蚀除速度的关系大小和蚀除速度的关系阴极阳极ARUIRARAUIRaviRURUavCav第27页/共40页第二十七页，共41页。4 端面端面(dunmin)平衡间隙平衡间隙CavCRVUb注意：端面平衡间隙注意：端面平衡间隙(jin x)出现在阳极表面法线与阴极进给方向夹角等于出现在阳极表面法线与阴极进给方向夹角等于
21、零的位置。零的位置。第28页/共40页第二十八页，共41页。5 法向平衡(pnghng)间隙vcvn阴极阳极cosvvcnCRVUbcos1bnCOSVUCR注意(zh y)上式的使用范围第29页/共40页第二十九页，共41页。六 电解加工阴极(ynj)设计方法之一cos法MN阳极（工件）型面第30页/共40页第三十页，共41页。七 电解(dinji)加工设备对电解加工对电解加工(ji gng)设备的基本要求设备的基本要求1 机床机床(jchung)的刚性；的刚性；2 机床进给速度要稳定；机床进给速度要稳定；3 机床的防腐和绝缘；机床的防腐和绝缘；4 安全措施：及时排除氢气和有毒气体；安全措施
22、：及时排除氢气和有毒气体；第31页/共40页第三十一页，共41页。第三节 电解(dinji)磨削一 电解(dinji)磨削基本原理 电源电源导电磨削工作液导电磨削工作液进给进给电解液电解液工件工件导电磨轮导电磨轮第32页/共40页第三十二页，共41页。二二 电解磨削电解磨削(m xio)的特点的特点1 加工范围广，加工效率高。例如加工范围广，加工效率高。例如(lr)磨削硬质合金，电解磨削是磨削硬质合金，电解磨削是普通金刚石砂轮磨削效率的普通金刚石砂轮磨削效率的3-5倍。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
23、经常等普通机械磨削经常(jngchng)产生的不利现象。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倍，而电解磨削砂轮的磨损量只是磨除硬质合金量的合金量的40-60%。不足之处：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。液循环和过滤装置。第33页/共
24、40页第三十三页，共41页。第四节 电铸(din zh)、涂镀加工一、电铸(din zh)的基本原理第34页/共40页第三十四页，共41页。二、电铸的基本(jbn)特点1 能准确能准确(zhnqu)，精密的复制复杂型面和微细纹路；，精密的复制复杂型面和微细纹路；2 能获得尺寸精度高、表面能获得尺寸精度高、表面(biomin)粗糙度小于粗糙度小于Ra0.1um的复制品，的复制品，同一个原模（芯模）生产的电铸件一致性极好。同一个原模（芯模）生产的电铸件一致性极好。第35页/共40页第三十五页，共41页。三三 涂镀加工涂镀加工(ji gng)涂镀加工又称为刷镀或无槽电镀。其基本涂镀加工又称为刷镀或无
25、槽电镀。其基本(jbn)加工原理如下加工原理如下电镀笔工件电镀液镀槽电镀电源脱脂棉套第36页/共40页第三十六页，共41页。涂镀加工的主要涂镀加工的主要(zhyo)特点：特点：1 不需要不需要(xyo)镀槽。操作简单，机动灵活，可在现场就地施工。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，可涂镀的金属可进行涂镀的镀液种类，可涂镀的金属(jnsh)种类多。例如金、种类多。例如金、银、铜、铁、锡、镍、钨、铬等。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。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，很难因工件
26、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。实现高效率的大批量、自动化生产。第37页/共40页第三十七页，共41页。涂镀技术涂镀技术(jsh)的主要应用范围：的主要应用范围：1 修复零件磨损表面、恢复几何尺寸、实施修复零件磨损表面、恢复几何尺寸、实施(shsh)超差补救。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。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、银等大型、复杂、单个小批工件的表面镀镍、铜、锌、金、银等防腐层、
27、耐腐层等，用以改善表面性能。防腐层、耐腐层等，用以改善表面性能。第38页/共40页第三十八页，共41页。四四 电铸和涂镀（电镀）加工电铸和涂镀（电镀）加工(ji gng)有何异同点？有何异同点？相同点：两者的加工原理完全相同点：两者的加工原理完全(wnqun)一样。一样。不同点：不同点：1、电铸加工需要芯模（原模），而电镀加工不需要；、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、电铸加工后电铸层需要和芯模（原模）脱离，而电镀加工 需要镀层金属需要镀层金属(jnsh)和基体结合牢固；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
28、涂镀层较薄。、一般说来，电铸层的厚度较厚，而电镀层或涂镀层较薄。第39页/共40页第三十九页，共41页。感谢感谢(gnxi)观看！观看！第40页/共40页第四十页，共41页。NoImage内容(nirng)总结第一节 电化学加工原理及分类。金属越不活泼，其标准电极电位的代数值就越大。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。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。我国的一些专家提出(t ch)选用电解工艺的三原则：1）适合于难加工。这两种电解液通常被称为“钝化电解液”或“非线性电解液”。化学当量，这一定律即所谓的法拉第电解定律。例如磨削硬质合金，电解磨削是。防腐层、耐腐层等，用以改善表面性能第四十一页，共41页。