4.2电解加工

4.2　电解加工

电解加工是电化学加工的一种重要方法，在模具制造、特别是大型模具制造中应用广泛。它是在电解抛光的基础上发展而来的，但由于电解抛光的加工间隙大、电流密度小、电解液不流动，故只能进行抛光而无法进行尺寸加工。

图4.4　电解加工系统图

1—电源；2—工具；3—工件；4—泵；5—电解液槽

4.2.1　电解加工原理

电解加工是利用金属在电解液中产生的阳极溶解现象，去除多余材料的工件成型加工方法。电解加工原理如图4.4所示。将加工工件作为阳极接直流电源正极，与加工工件形状相似的工具电极作为阴极接直流电源负极，工具和工件之间保持0.1～0.8 mm的间隙。当两极之间加6～24 V的直流电压时，间隙内有高速流动(5～60 m/s)的电解液流过，间隙内的电解液和两极之间形成导电通道。这样工件表面的金属材料在电解液中不断溶解，溶解物被高速流动的电解液带走。如果工具电极以一个适当的速度向工件运动，使工件和工具之间的间隙不会因为阳极材料被溶解而增大，这样工件材料将不断被溶解，工具的形状就会复制到工件上。

在刚开始加工时，工件毛坯的形状与工具电极不一致(见图4.5(a))，使得阴阳两极间的间隙差别较大，会引起两极间隙内的电流密度分布不均匀。这时间隙大处的电流密度小，金属溶解速度慢，间隙小处的电流密度大，金属溶解速度快。随着工具电极的不断进给，两极之间各处的间隙会趋于一致，阳极表面的形状也就逐渐地与阴极表面相吻合(见图4.5(b))，最终完全吻合，从而把工具电极的尺寸和形状复制到工件上，达到尺寸加工的目的。

图4.5　电解加工成型原理示意图

一般电解加工两极的间隙较小(为0.1～0.8 mm)，电流密度较大(为20～1 500 A/cm²)，电解液压力较大(为0.5～2 MPa)，电解液流速较高(为5～60 m/s)。

4.2.2　NaCl电解液中的电极反应和产物

一般情况下，工件材料不是纯金属，而是合金，其金相组织也不完全一致，电解液的成分、温度、流速等因素对电解过程都有影响，使得电解加工中电极间的反应极为复杂。下面以铁在氯化钠电解液中进行电解加工为例，分析阳极和阴极发生的电极反应。

由于NaCl和H₂O的离解，在电解液中存在着H^＋，OH^－，Na^＋，Cl^－4种离子，通常将发生如下反应:

在阳极上发生铁的溶解，Fe一般以Fe^2＋的形式进入电解液，即

Fe ^－2e→Fe^2＋

溶于电解液中的Fe^2＋和OH^－化合，生成Fe(OH)₂，由于它在水溶液中的溶解度很小，故产生沉淀，即

Fe^2＋＋2OH^－→Fe(OH)₂↓

Fe(OH)₂沉淀为墨绿色的絮状物，被流动的电解液带走。Fe(OH)₂又与电解液中及空气中的氧气发生化学反应，生成Fe(OH)₃，即

4 Fe(OH)₂＋2H₂O＋O₂→4Fe(OH)₃↓

Fe(OH)₃呈红棕色，因此在电解过程中，电解溶液起初为墨绿色，以后逐渐变为红棕色。

同时在阳极还有可能(概率极小)发生如下反应，即

Fe ^－3e→Fe^3＋

2 Cl^－－2e→Cl₂↑

4 OH^－－4e→O₂↑＋2H₂O

在阴极上，主要的反应是氢气的析出。由于阴极上积存大量的多余电子，使电解液中带正电的氢离子被吸引到阴极表面，并从阴极上得到电子形成氢气析出，其反应过程为

2H^＋＋2e→H₂↑

综上所述，在电解加工过程中，阳极的铁不断地以Fe^2＋的形式被溶解，最后生成Fe(OH)₃沉淀，在阴极上则不断地产生氢气。电解液中的水在形成Fe(OH)₃和H₂的过程中被分解(消耗)，使得电解液的浓度稍有变化，而Na^＋和Cl^－只起导电作用，在电解加工过程中并无消耗，因此电解液只要过滤干净，定期补充水分，就可长期使用。其综合反应过程为

2Fe＋4H₂O＋O₂→2Fe(OH)₃＋H₂↑

可以计算出，溶解1 cm³(约7.58 g)的铁要消耗6.21 g水，形成13.78 g的渣，析出0.28 g的氢气。

4.2.3　电解液的作用和常用电解液的特点

(1)电解液的作用

电解液是电解池的基本组成部分，是电解加工产生阳极溶解的载体。正确地选用电解液是实现电解加工的基本条件。

电解液的主要作用如下:

①与工件及阴极组成进行电化学反应的电化学体系，实现所要求的电解加工过程；同时，电解液所含导电离子是电解池中传送电流的介质，这是其最基本的作用。

②排除电解产物，控制极化，使金属工件在电场作用下能够进行电化学反应，使阳极溶解能正常、连续进行。

③及时带走电解加工过程中所产生的热量，使加工区不致过热而引起沸腾、蒸发，起更新和冷却作用。

(2)对电解液的要求

①导电率要高，流动性要好，可保证用较低的加工电压获得较大的加工电流，能在较低的压力下得到较高的流速，减少发热。

②电解质在溶液中的电离度和溶解度要大。一般来说，电解液中的阳离子总是具有较负的标准电极电位，如Na^＋、K^＋等离子。

③阳极的电解产物应是不溶性的化合物，这样便于处理，不会在阴极表面沉积。

④性能稳定，操作使用安全，对设备产生的腐蚀作用轻，不易燃，不爆炸，对环境污染和人体危害要小。

⑤价格低廉，适应性广，使用寿命长。

(3)常用电解液

电解液可分为中性盐溶液、酸性溶液和碱性溶液3种。中性盐溶液的腐蚀性弱，使用安全性好，工程中普遍采用。最常见的是NaCl，NaNO₃，NaClO₃ 3种，现分别进行介绍。

1)NaCl溶液

NaCl溶液中含有活性离子Cl^－，电极电位较正，不会产生析氧、析氯等反应，阳极表面不易产生钝化膜，Na^＋的电极电位较负，不会产生阴极沉积，故具有较大的蚀除速度、较高的电流效率和较好的加工表面粗糙度。

NaCl在水中几乎完全电离，导电能力弱，适应性好，而且价格低、货源足，是应用最为广泛的一种电解液。

NaCl溶液的蚀除速度高，但杂散腐蚀大，故复制精度差。NaCl溶液的质量分数一般控制在20%以内，常为14%～18%，而复制精度要求高时，甚至采用5%～10%的低质量分数。

NaCl溶液的常用温度为25～35℃，加工钛合金时可大于45℃。

2)NaNO₃溶液

NaNO₃溶液是钝化型电解液，其阳极钝化曲线如图4.6所示。在曲线AB段，随着阳极电极电位升高，电流密度增大，符合正常的阳极溶解规律。当阳极电位超过B点后，由于钝化膜的形成使电流密度急剧减少，到C点时金属表面进入钝化状态。当电位超过D点，钝化膜开始破坏，电流密度又随着电位的升高而迅速增大，金属表面进入超钝化状态，阳极溶解速度又急剧增加。如果在电解加工时，工件的加工区处在超钝化状态(DE段)，而非加工区由于其阳极电位较低，处于钝化状态(CD段)受到钝化膜的保护，就可以减小杂散腐蚀，提高加工精度。

图4.6　钢在NaNO₃溶液中的阳极钝化曲线

图4.7　杂散腐蚀情况的比较

(a)NaNO₃　(b)NaCl

所谓杂散腐蚀，指的是除了加工区域正常电解溶解外，由于工件非加工侧面等也有电场存在，也会产生阳极溶解，从而会产生侧面腐蚀，影响电解加工的复制精度。如图4.7所示为采用NaCl溶液和NaNO₃溶液时杂散腐蚀情况的比较。

质量分数为5%的NaNO₃电解液电解加工孔所用阴极及加工结果如图4.8所示。阴极工作圈的高度为1.2 mm，其凸起部分为0.58 mm，加工的孔没有锥度。当侧面间隙到达0.78 mm时侧面即被保护起来，此临界间隙称为切断间隙；此时的电流密度称为切断电流。NaNO₃电解液和NaClO₃电解液之所以具有切断间隙特性，是由于它们都是钝化型电解液，在阳极表面形成钝化膜，虽然有电流通过，但阳极不溶解，此时的电流效率为零。只有当加工间隙小于切断间隙时，也即电流密度大于切断电流时，钝化膜才被破坏，工件被腐蚀。如图4.9所示为3种常用电解液的电流效率和电流密度关系曲线。从图中可以看出，NaCl电解液的电流效率接近于100%，而NaNO₃电解液和NaClO₃电解液的电流效率和电流密度的关系是一条曲线，当电流密度小于切断电流时，电流效率为零，电解作用消失，这种电解液称为非线性电解液。

图4.8　NaNO₃电解液电解加工孔所用阴极及加工结果

图4.9　3种电解液的电流效率和电流密度关系曲线

NaNO₃电解液的质量分数在30%以下时，有比较好的非线性，成型精度比较高，而且对机床设备的腐蚀性小，使用安全，价格不高。其主要缺点是电流效率低，加工时有氨气逸出，故电解液会被部分消耗。

3)NaClO₃电解液

NaClO₃电解液和NaNO₃电解液类似，也是钝化型电解液，杂散腐蚀小，加工精度高。当加工间隙达1.25 mm以上阳极溶解几乎完全停止，而且加工表面粗糙度也很好。NaClO₃电解液的另一特点是溶解度很高，导电能力强，生产率高(比NaNO₃电解液的高，但比NaCl的要低)。另外，它对机床、管道、泵等的腐蚀也比较小。然而，其价格较贵，氧化能力很强，而且在电解过程不断消耗离子，产生Cl^－离子，而Cl^－离子会加大杂散腐蚀。

4)电解液中的添加剂

几种常用的电解液都有一定的缺点，因此为了改善其性能可考虑增加添加剂。例如，NaCl溶液的杂散腐蚀比较大，可增加一些含氧酸盐(如磷酸盐)，使表面产生一定的钝化膜，提高成型精度。又如，NaNO₃电解液的成型精度虽高，但电流效率相对较低，可添加少量的NaCl来平衡电流效率和加工精度。为改善加工表面质量，可添加络合剂、光亮剂等，如加入少量NaF可改善表面粗糙度。

4.2.4　电解液配方和流速流向

(1)电解液的配方

单一的电解液都有一定的局限性。因此，常在电解液中使用添加剂来改善电解液的性能，或将两种以上的添加剂按一定比例混合制成复合电解液。例如，NaCl溶液的杂散腐蚀比较大，可增加一些含氧酸盐(如磷酸盐)，使表面产生一定的钝化膜，提高成型精度。为了减轻对设备、工件的腐蚀，在电解液中加入缓蚀剂；为了改善工件加工表面质量，可添加络合剂、光亮剂等。常用电解液的配方如表4.4所示。

表4.4　常用电解液的配方

续表

(2)电解液的流速流向

电解加工中，流动的电解液要足以排除间隙中的电解产物与所产生的热量，因此必须有足够的流速和流量。流速一般应在10 m/s以上，才能保证把氢氧化物、氢气等电解产物和热量带走。电流密度越大，相应流量也越大。流速和流量是靠改变电解液泵的出水压力获得的。

电解液的流向如图4.10所示，有3种情况。如图4.10(a)所示为正向流动；如图4.10(b)所示为反向流动；如图4.10(c)所示为横向(侧向)流动。

图4.10　电解液的流向

(a)正向流动　(b)反向流动　(c)横向流动

正向流动是指电解液从工具电极的中心流入，经加工缝隙四周流出。其优点是密封简单或不需要密封装置。缺点是加工型孔侧面时已经含有大量的电解产物，从而影响加工精度和表面粗糙度。

反向流动时，电解液先从型孔周边进入，经由加工间隙后从工具电极中心孔流出。这种流向需要有密封装置，可通过控制水背压控制速度和流量。

横向流动时，电解液从一个侧面流入，从另一侧面流出。这种流向不适合于较深的型腔加工，常用于汽轮机叶片和浅型腔的加工，以及一些型腔模的修复加工。

电解液出水口的形状和布局应根据所加工工件的形状或型腔的结构综合考虑。电解液的流动原则上需要在间隙处内处处均匀，但是做到处处均匀实际是不可能的，在设计阴极出水口时要使流场尽量均匀，应绝对避免产生死水区或产生涡流。如图4.11所示为出水口设计不佳产生的死水区和改进措施。在死水区由于电解液没有流动，工件的溶解速度大幅下降，容易产生电火花或短路，影响加工精度。

图4.11　出水口设计不佳产生的死水区和改进措施

(a)死水区　(b)改进措施

出水口的形状一般为窄槽和小孔两类。其布局应该根据所加工的型腔来考虑。一般在加工型腔时采用窄槽供液的方式，在电解液供应不足的加工区，常采用增液孔的方式来改善供液不足的缺陷。对于圆孔、花键、膛线等筒形零件的加工，应采用喷液孔方式供液。

4.2.5　电解加工速度和电流效率

(1)加工速度

在电解加工过程中，常用以下两种方法表示加工速度。

1)体积加工速度v_V(mm³/min)

v_V表示单位时间内去除工件材料的体积量。由法拉第定律可知，电解加工时实际溶解金属的质量为

对应的体积为

当η ，I，ω均为常数时，则体积加工速度为

2)深度加工速度v₁(mm/min)

v₁表示单位时间内在工件深度上的去除量(简称加工速度)，工件被加工面积是A，加工深度为h，则体积去除量为

v_V＝Ah

故阳极的深度加工速度为

式中，i＝I/A为电流密度。

(2)电流效率

在实际电解加工过程中，常常会遇到与式(4.4)计算结果不完全相同的情况，这说明实际进行的电极反应与我们所设想的有些出入。考虑到在实际工程中有析氧、析氯等反应，将消耗一部分能量，还有钝化等原因。为此，在实际计算时，还需要引入电流效率η的概念，即

实际电解蚀除量应该是理论蚀除量与电流效率η的乘积。

如果电流效率小于100%，这表明实际上阳极溶解的原子价比计算时所用的原子价高或阳极除了金属溶解的反应外，还有其他副反应消耗了一部分电能；电流效率有时会大于100%，这表明实际上阳极溶解的原子价比计算时所用的原子价低，或者阳极有块状脱落，并不完全是原子状态的溶解，节省了部分电解电量。

如果阳极存在副反应，如放出气体，这要消耗一部分电能。例如，在硝酸钠电解液中加工钢时就有氧的析出，这是一种无用的电能消耗，电流效率η小于100%。对于氯化钠电解液，阴极上几乎没有气体析出，故一般电流效率η接近100%。铁和铁基合金在氯化钠电解液中的电流效率η可按100%计算。

各元素有自己的原子价，而且往往有两个以上的原子价，如铁有二价和三价，在加工中它们究竟以哪个原子价进行溶解，要由具体的加工条件而定。

(3)影响加工速度的因素

1)电流密度

电流密度是单位面积内的加工电流，用i表示。从式(4.7)中容易得到加工速度和电流密度成正比。当电解压力和流速较高时，可选用较大的电流密度。但是增大电流密度，电压也会高，应以不击穿间隙为原则；在增大电流密度的同时也应加快电解液的流动，以确保加工的正常进行；当然，电流密度大，表面粗糙度会变差，还要注意控制温度，不至于过高。

2)电极间隙

加工间隙的主要作用是顺利通畅地通过足够的电解液，同时将电解产物通过加工间隙带走，以便顺利实现电解加工，同时获得足够的加工速度和加工精度。当电极间隙较大时，加工速度小；反之加工间隙小时，加工速度大，当然以不产生击穿为限。

3)电解液

电解液作为导电介质传送电流，在电场作用下进行电化学反应，使阳极溶解顺利而可控。同时将电解产物和产生的热量排出。

4)工件材料

工件材料的成分不同，电化学当量不同，电极电位不同，形成的阳极膜的特性不同，溶解速度也就不同；金相组织不同，电流效率不同，溶解速度也不同，其中单相组织的溶解速度快，多相组织的溶解速度则慢。

4.2.6　平衡间隙理论

从式(4.7)可知，电流密度越大，加工速度越大，但电流密度过大将会出现电火花放电，析出氧气和氯气等，并使电解液温度过高，甚至在间隙内造成沸腾汽化而引起局部短路等。实际上，电流密度取决于电源电压、电极间隙和电解液的导电率。因此，要定量计算蚀除速度必须推导出蚀除速度与间隙大小、电压等的关系。

(1)蚀除速度与加工间隙的关系

在实际加工中可知，电极间隙越小，电解液的电阻越小，电流密度越大，因此蚀除速度就越高。设电极间隙为Δ ，电极面积为A，电解液的电阻率为电导率的倒数，即ρ＝1/σ ，间隙电阻R＝Δ /σ A，则电流为

将式(4.9)代入式(4.7)，可得

式中　σ——电导率，1/Ω · mm；

　　　Δ——加工间隙，mm；

　　　U_R——电解液的欧姆电压U_R＝U－(2～3)，V；

　　　U——加工电压，V。

从式(4.10)可知，当电解液参数、工件材料、加工电压等均保持不变时，即C＝η ω σ U_R时，有

由此可知，加工速度和加工间隙之间是双曲线关系，在一定的条件下，可求得此常数。为计算方便，当电解液温度、浓度、加工电压等条件不同时，可做出一组双曲线。如图4.12所示为不同电压下加工速度和加工间隙之间的关系。

在电解加工时，不能像机加工一样停车测量被加工零件的尺寸，故其加工尺寸需要通过参数控制，根据加工时间来确定。

(2)端面平衡间隙

以上只考虑了加工间隙和加工速度之间的关系，没有考虑工具电极的进给。当考虑有v₂的进给速度时，加工间隙的变化为开始时工具和工件之间间隙很大，加工速度小于进给速度，随后工具和工件之间间隙会变小，加工速度变大。当进给速度和加工速度相等时，加工间隙不再变化，这时的间隙成为平衡间隙Δ b，即

图4.12　加工速度和加工间隙之间的关系

由式(4.12)可知，当进给速度大时端面平衡间隙就小，在一定范围内它们成反比关系，能相互平衡补偿。当然，进给速度不能无限增加，因为进给速度过大，平衡间隙过小，容易引起局部堵塞，造成火花放电或短路。端面平衡间隙一般为0.12～0.8 mm，比较合适的为0.25～0.3 mm。实际上，端面平衡间隙主要取决于加工电压和进给速度。

端面平衡间隙是指加工过程达到稳定时的间隙。在此之前，加工间隙处于初始间隙Δ 0向平衡间隙Δ b过渡的状态。如图4.13所示，在经过t时间后，阴极工具进给了L，工件表面电解了h，此时加工间隙为Δ ，而且随时间的推移加工间隙Δ趋近于平衡间隙Δ b，初始间隙与平衡间隙差别越大，进给速度越小，则过渡时间越长。然而实际加工时间取决于加工深度及进给速度，不能再拖延很长，因此，加工结束时的加工间隙往往大于平衡间隙。

图4.13　加工间隙的变化

图4.14　法向进给速度和法向间隙

(3)法向平衡间隙

上述端面平衡间隙是垂直于进给方向的阴极端面与工件的间隙，对于型腔类模具来说，工具的端面不一定垂直于进给方向，而是成一定的角度θ(见图4.14)，倾斜部分各点的法向进给分速度v_a＝v_ccos θ，将此式代入式(4.12)，则

由此可知，法向平衡间隙比端面平衡间隙要大。此式简单又便于计算，但是要注意此式在进给速度和蚀除速度达到平衡、间隙是平衡间隙而不是过渡间隙时才正确，实际上倾斜底面上在进给方向的加工间隙往往没有达到平衡间隙Δ b值。底面倾斜的角度越大，Δ n的计算值与实际值的偏差越大，因此当θ≤45°且精度要求不高时可采用此值，当θ≥45°应按下面的侧面平衡间隙计算，并适当修正。

(4)侧面平衡间隙

当电解加工型孔时，决定尺寸和精度的是侧面平衡间隙Δ s。电解液为NaCl，阴极侧面不绝缘时，工件型孔侧壁始终处于电解状态，势必形成喇叭口(见图4.15)。设相应于某进给深度h＝vt处的侧面间隙Δ s＝x，由式(4.10)可知，该处在x方向的蚀除速度为，经时间dt后，该处的间隙x将增加一个增量dx，即

将式(4.14)积分后，用x＝x₀│t＝0的初始条件代入后，可得

当工具底面处的圆角半径很小时(见图4.15(a))，Δ_b＝x₀，则式(4.15)可写为

由此可知，阴极工具侧面不绝缘时，侧面上的任何一点的间隙将随工具进给深度而变，因此侧面为一抛物线喇叭口。如果对侧面进行绝缘，只留下宽度为b的工作圈，则侧面间隙Δ s只与工作圈宽度b相关(见图4.15(b))，即

(5)平衡间隙理论的应用

平衡间隙理论主要可以进行以下的计算和分析:

①各种加工间隙的计算，如端面平衡间隙、法向平衡间隙和侧面平衡间隙。这样可根据阴极形状推算加工后工件的形状和尺寸。

②根据工件设计计算阴极的形状和尺寸。

③分析加工误差。根据阴极尺寸推算加工后工件的尺寸，并与设计尺寸比较，计算加工误差。

图4.15　侧面平衡间隙

④选择加工参数，如电极间隙、电源电压及进给速度等。

除了平衡间隙理论中的因素外，影响加工平衡间隙的因素如下:

a.工件材料及组织、电极表面上的钝化和活化，均会影响电流效率，从而影响平衡间隙。

b.工具形状影响电流密度的分布，从而影响平衡间隙。

(6)阴极的尺寸计算

利用平衡间隙理论设计阴极尺寸是最重要的应用。一般在已知工件截面的情况下，工具阴极的侧面尺寸、端面尺寸及法向尺寸均可根据平衡间隙理论计算。当设计一个圆弧面加工的阴极时，通常用基于式(4.13)的cos θ法。

图4.16　用cos θ法设计阴极工具

1—阴极工具；2—工件

cos θ法的具体作法为:选择工件圆弧上的任一点A₁(见图4.16)，作该点的切线和法线，同时作一条平行于进给方向的直线，在这条直线上取一长度等于Δ b的线段A₁C₁，过C₁作一条直线垂直于进给方向交法线于B₁，该点就是工件上A₁所对应的阴极工具上的点。同样，可对A₂点进行相同的作图，得到B₂点，如此求出所有点，并连成光滑曲线，即可得到加工该曲线的阴极工具。当然，这里有个条件就是法线和进给方向的夹角必须小于45° ，否则需按侧面平衡间隙理论进行修正。

4.2.7　成型精度和表面质量

电解加工精度主要包括复制精度和重复精度两项内容。前者是工件尺寸形状与工具电极尺寸形状之间的符合程度，影响复制精度的主要因素是沿工件加工表面的间隙分布均匀性；后者是指被加工的一批零件之间的尺寸形状的相对误差，影响重复精度的主要因素是加工一批工件时极间间隙的稳定性。

(1)复制精度与加工参数的关系

复制精度的高低主要由加工时所能达到的平衡间隙所决定。平衡间隙小，复制精度就高；反之则复制精度低。工件的形状、电解液的流向、流程和电解液在间隙内所能达到的流速、电流密度和进给速度都影响平衡间隙。如果工件的形状简单，电解液的流程短，工件与工具电极间隙内电解液的流速高，电流密度相对较大和具有较高的进给速度时，就可获得较小的平衡间隙。在较小的平衡间隙下进行加工，可获得较高的复制精度。因此，要根据工件的尺寸和形状来设计工具电极，这是提高电解复制精度的前提条件。当设计好工具电极后，合理地选择加工参数就成为保证和提高复制精度的重要措施。

若由于电解液的流程、流速不能保证在预定的小间隙内使用高电流密度加工时，要尽可能地保持间隙恒定。可采用较低的电流密度和较低的进给速度加工，这样复制精度比使用大间隙和大电流密度加工时要高些。但生产率可能低一点。如果适当提高间隙电压，用较低的电导率电解液来达到较小的电流密度，更有利于复制精度的提高。一般情况下，在同样的加工前提下，加工间隙越小，复制精度越高。

电解液浓度低时的复制精度比浓度高时的复制精度高。

对钝化性电解液，电解液的电流效率随着电流密度的提高而提高，如图4.17(a)所示。电流效率随电流密度的变化越明显，则复制精度就越高。如图中AB段电解液的变化斜率大于BC段，说明在AB段所对应的电流密度条件下加工时，复制精度高于BC段所对应的电流密度。例如，NaNO₃，NaClO₃电解液就具有这种特性。但由于这类电解液的电流效率与电流密度不呈线性关系，故也称为非线性电解液。NaCl电解液不具备这种特性，系线性电解液，如图4.17(b)所示。在加工时，离阴极电极较远的地方仍然会产生电化学反应，造成工件的“过切”，降低复制精度。

图4.17　电流效率与电流密度的关系

(a)钝化性电解液　(b)非钝化性电解液

对不同的工件材料，相同的电解液成分其复制精度也不一样。例如，NaNO₃和NaClO₃电解液加工低合金钢和一些铁基合金时，有较高的复制精度，而加工钛合金时复制精度明显降低。因此，对于不同的被加工工件材料要选用不同的电解液，或通过使用添加剂来改变电解液对工件材料的适应性。

加工间隙内电解液的流速越高、流场的均匀性越好，复制精度就越高。

(2)重复精度与加工参数的关系

在电解加工过程中，任何一个加工参数的变化都会影响平衡间隙的稳定性。对于同一批被加工的工件而言，平衡间隙将影响它们之间尺寸的一致性。因此，一批工件的重复精度主要受各加工参数稳定性的影响。

1)电解液的电导率

电解液的电导率是电解液的一个重要参数，当其他条件不变时，由平衡间隙式(4.12)得出电导率σ的变化直接影响平衡间隙的波动，从而降低重复精度。导致电导率变化的因素有电解液的成分、浓度、温度等。电解液的种类一经选定，在加工时应保持电解液的浓度基本不变，尽可能把温度变化控制在较小的范围内。目前生产中电解液的温差可控制在± 1℃的范围内。使用热交换器和适当增大电解液池容量，都有利于减小电解液温度的波动。

对NaNO₃和NaClO₃这类钝化性电解液来说，电解液的温度和浓度要影响电导率σ ，而电导率σ的变化还会影响电流效率。由此可知，这类电解液的温度和浓度的变化对平衡间隙和重复精度的影响更大，更需要严格控制温度和浓度的变化。此外，NaNO₃电解液的pH值会随加工过程改变。NaClO₃电解液在使用过程中会逐渐分解为NaCl，从而导致电解液中的氯离子增加。pH值变化和氯离子的增加，都会影响电导率σ 、电流效率和间隙电压。因此，在使用这类电解液时除了控制温度和浓度外，还要控制电解液的pH值和氯离子浓度，以便达到较高的重复精度。

2)间隙电压对重复精度的影响

间隙电压在加工过程中的稳定与否对重复精度将产生直接的影响。加工电压和分解电压都影响间隙电压。当工件材料、电解液成分、浓度、温度、流速都保持相对稳定时，分解电压δE就基本不变，这时控制加工电压U就能保持间隙电压U_R的相对稳定。加工电压U是由电解加工的电源提供。如采用晶闸管电源，稳压的精度应在1%左右。

3)进给速度v对重复精度的影响

工件的重复精度还受工具电极进给速度的影响。在加工过程中，进给速度要稳定，不因其他因素而改变；低速时不应产生爬行。具体来说，机床的进给速度变化率应小于5%。

4)间隙内电解液流速对重复精度的影响

电解液在加工间隙内的流速由电解液的进口压力和出口背压决定，当流速稳定时，阳极的极化程度和间隙内的电阻分布就能够保持相对稳定，重复精度就高。当随着电解液中的金属氢氧化物的增加，电解液的黏度增大，流速就会降低，并进一步影响到间隙内的电导率和阳极极化程度，从而使复制精度降低。因此，在批量工件加工时，电解液中的金属氢氧化物的含量应控制在4%以内。

(3)加工表面质量与加工参数的关系

电解加工的表面质量包含两个方面的含义:一是表面粗糙度；二是表面层的物理化学性能。前者反映了工件表面的微观几何形状；后者涉及工件表面烧伤、晶界腐蚀、微观裂纹、流纹等方面。

1)加工参数对表面粗糙度的影响

工件材料、金相组织和热处理状态都会影响工件的加工表面粗糙度。工件材料的金相组织越复杂，电解加工过程中各相溶解时的电极电位相差越大，因而表面粗糙度就变差。单一相的均匀组织和使金相组织单一化的热处理方法，有助于表面粗糙度值的减小。如球化退火、正火、高温扩散退火都能使组织均匀、细化晶粒，都会使表面粗糙度值减小。当工件材料的组织确定时，表面粗糙度应将受下列参数的制约:

①小间隙和高电流密度加工使得各种金相组织达到均匀溶解，因此可获得较小的表面粗糙度值。要求表面粗糙度值较小时，电流密度应选择在30 A/cm²以上。

②在小间隙和高间隙电压条件下加工时，采用低浓度的电解液，即使电流密度不高，也可以获得较小的表面粗糙度值。

③适当的电解液流速和均匀的流场设计可获得较小的表面粗糙度值。

④电解液的温度应控制在适当的范围。温度低时，钝化严重，使阳极表面不均匀溶解增大表面粗糙度值；温度高时，可能引起阳极表面不均匀溶解或局部剥落。

⑤选择与工件材料相适应的电解液。如使用NaNO₃和NaClO₃电解液加工镍基合金时，表面产生轻微钝化，使各合金相溶解电位趋于一致，从而减小表面粗糙度值；加工钛合金时，使用NaCl电解液并加入NaF，NaBr等添加剂，可防止表面产生“橘皮”状亮斑，减小钛合金的表面粗糙度值。

2)加工参数对表层物理化学性能的影响

表面物理化学性能包括晶间腐蚀、选择性腐蚀、点蚀、显微裂纹、流纹、亮斑等现象。这类缺陷的产生首先与工件材料及其金相组织有关。

使用NaCl电解液加工镍基合金时，常产生0.008～0.05 mm深度晶界腐蚀。这是因为这类材料中晶界的原子有较高的位能，其电极电位较负，容易被优先溶解形成凹缝。使用NaNO₃电解液可基本避免晶界腐蚀。有时杂散电流也会导致晶间腐蚀，可在加工时留有一定余量，然后用固定工具电极在较高的电流密度下抛光，消除晶间腐蚀。晶间腐蚀会使材料的疲劳强度下降，应注意避免。

选择性腐蚀是因为某种晶粒优先溶解而造成的不规则粒状空隙，不同相的金相组织极易产生。例如，使用NaCl电解液加工铝合金时易产生选择性腐蚀。但使用NaNO3电解液加工铝合金时，由于表面的钝化作用，不容易产生选择性腐蚀，表面粗糙度值较小。

无论什么材料，表面有电解液和有杂散电流通过处易出现点蚀。例如，加工钛合金时，很容易出现点蚀。

显微裂纹常出现在烧伤部位。烧伤的原因来自工具电极的流场设计不合理。加工间隙与电流密度或与电解液流速不匹配或电解液过滤不彻底等因素。

流纹和亮斑产生的原因是由于电解液流量不均匀使加工表面上极化程度不一致。工件表面上流速低的地方极化效应强，溶解速度低，形成流纹的波峰(呈光亮)；而在流速较高的液流线上，极化效应小，工件溶解速度快，形成流纹的波谷。有时材料组织不均匀也会导致亮斑的产生。

综上所述，杜绝晶间腐蚀、选择性腐蚀、点蚀的根本措施是减小加工间隙、提高电流密度、正确选择电解液防止杂散电流，或者是选用NaNO₃这一类钝化效果较强的电解液；消除流纹的办法是提高电解液的流速、改善电解液流量的不均匀性、降低电流密度。同时，设计好工具电极的结构和进出水口，避免电解液液流通道的急剧变化。

4.2.8　怎样提高电解加工的精度

提高电解加工精度的根本途径是改善极间理化性能，即提高其阳极溶解的集中蚀除能力，减少杂散腐蚀，并改善极间电场、流场及电化学场的均匀性和稳定性，以及缩小加工间隙。

概括起来，当前采用的提高加工精度的主要工艺途径有脉冲电流加工、振动进给加工、小间隙加工、低浓度复合电解液加工等。

实际生产中可用于提高加工精度的主要技术措施有以下7个方面:

(1)工件

①毛坯余量均匀化。

②正确进行热处理，使材料组织均匀，晶粒细化，消除残余内应力，被加工面除锈、除油(可喷砂处理)。

③正确选用定位基准及导电面。

(2)阴极

①正确设计流场形式，对深度／截面比较大的型腔或形状较复杂的型腔，尽量采用反流式流场，合理布局流道，保证流场均匀。

②正确设计型面，确保阴极型面或抛光刃边的制造精度及表面粗糙度。

③绝缘可靠。

(3)夹具

①提高定位精度和可靠性。

②采用耐蚀性好、刚度强的材料及结构。

③正确设计流道，并确保密封良好。

④正确设计导电系统，确保接触可靠，不过热。

(4)电解液

①选用合适的钝性电解液或复合电解液。

②合理选定浓度，必要时采用低浓度。

③必要时采用混气电解加工。

(5)加工参数

①尽量缩小加工间隙，并使初始间隙尽量接近平衡间隙。

②适当降低加工电压。

③适当提高阴极进给速度。

④适当加背压。

⑤控制电解液温度，保持恒定。

(6)机床设备

①高的传动精度和机床刚度。

②可靠的电源稳定性。

(7)其他

①脉冲电源、振动进给。

②混气电解。

4.2.9　电解加工的基本设备和工艺应用

电解加工设备就是电解加工机床，主要由机床本体、直流电源和电解液系统3大部分组成，如图4.18所示。

图4.18　电解加工设备组成

1—直流电源；2—电流表；3—电压表；4—床身；5—工具；6—管道；7—溢流阀；8—泵；9—回流管；10—滤网；11—纱网；12—工件；13—电解池槽

(1)机床本体

机床本体的任务是安装夹具、工具阴极与工件，保证它们之间的正确相对运动关系，以获得良好的加工精度，同时传送直流电和电解液。它除与一般切削加工机床有许多共同的要求外，还具有自身的特殊性，如防腐蚀性、密封性、绝缘性及通风排气性能等。

1)对电解加工机床的基本要求

①机床刚性

电解加工虽然没有直接的切削力，但电解液对机床主轴、工作台的作用力确是很大的，工件的加工面积越大，机床系统所受的力也越大。例如，电解液的压力是1 MPa，工件的加工面积是3.75×10^－2m²，则将产生37.5 kN的液压力。实际上电解液的压力还要高些。即使采用低压的混气电解加工，也要产生20 kN的液压力。因此，要求电加工机床的主轴系统、工作台、床身及立柱等受力部件都要有较高的刚度，否则，过大的液压力将导致机床变形，改变工具阴极和工件的相对位置，从而影响复制精度，严重变形甚至会造成短路烧伤。

机床刚性指标可采用主轴悬伸到工作条件最差位置时，在最大载荷作用下，主轴(或阴极板)允许的最大变形量来表示，其主要指标为

轴向变形小于0.1～0.2 mm

阴极板倾斜量小于1.5～2/1 000 mm

②进给速度的平稳性

电解加工中，金属阳极溶解量与电解加工时间成正比，进给速度不稳定，阴极相对工件各个截面的电解时间就不同，这样就直接影响到加工精度。特别是型孔、膛线、花键等截面零件的加工，其影响就更为严重。因此，电解加工机床必须保证进给速度的稳定性。主轴进给系统要注意避免低速进给时的爬行。当正常进给速度(一般v＞0.5 mm/min)时，进给速度的变化量不应大于5%；在低速进给时(v＝0.05～0.2 mm/min)，其爬行量不应大于0.02 mm。此外，对主轴的重复定位精度一般应达到0.025 mm。

③防腐绝缘性

所有的电解液都有腐蚀性。电解加工机床被腐蚀主要来自两个方面:一是与电解液接触部分的直接被腐蚀；二是电解加工过程中产生雾气对机床的侵蚀。因此，机床应具有良好的耐蚀性。另外，也必须采取相应的防腐措施。如严格密封好电解液系统，防止其飞溅或渗漏，以保护机床，减轻腐蚀。

机床直流电源的正负两极应与工件和工具阴极有良好的导电联接。因为有杂散电流通过，再加上与电解液相接触，所以这些部位的腐蚀相当严重，即使采用耐蚀不锈钢，也需常更换。

④安全措施

电解加工过程要产生大量的氢气。氢气易燃易爆，如不能及时排除，就可能因火花短路等引起爆炸。必须采取相应的排氢防爆措施。

在混气电解加工中，有大量的雾气从加工区逸出，应及时排除，防止扩散。电解加工机床都要使用密封的工作箱，同时有排气装置，并有足够的排气能力。具体的做法是可设置专门的抽气装置或将工作箱的排气口与车间的排气管道相连通。

2)机床的类型及设计要点

电解加工机床的运动相对切削加工机床而言简单得多。因为电解加工利用立体成型阴极进行加工，故简化了机床的成型运动机构。对于阴极固定式的专用加工机床，只需装夹固定好工件和工具的相对位置，接上电源、开通电解液就可加工。这时的机床实际上是个夹具，多用在去毛刺、抛光等除去金属较少工件的加工。阴极移动式机床应用较广泛，加工时，工件固定不动，阴极做直线运动。也有少数零件加工时，除要求阴极线性移动外，还要求能够旋转，如膛线的加工。

电加工机床按布置形式分卧式和立式两大类。立式机床较卧式机床使用更广泛些。卧式机床主要用于加工叶片、深孔和其他筒形零件。立式机床主要用在模具、齿轮、型腔、短花键以及一些扁平零件的加工。具体的结构形式和应用范围如表4.5所示。

表4.5　电加工机床的主要类型及应用范围

续表

立式机床分为C型立柱(单柱)式和龙门(框型)式，它们的床身、立柱结构分别与立式铣床和龙门铣床相似。C型立柱式机床结构简单，操作方便。但因为主轴头是悬臂结构，刚性差，在电解液压力下的变形将影响到加工精度，故常用在中、小型零件的加工，配5 000 A以下的直流电源。龙门式机床主要用在大型零件的加工。

机床的传动系统有液压传动和机械传动两种。液压传动结构简单，但在低速时进给稳定性差，易爬行，故目前国内电解加工机床采用液压传动的不多。机械传动进给系统有两种:一种是采用交流电动机，经变速机构实现分级进给运动；另一种是采用直流电动机晶闸管无级调速系统或伺服电动机。后者在加工过程中可方便地变速，也易于实现自动控制，机械系统简单，已被大多数机床采用。为了保证进给系统的灵敏性，避免在低速进给时产生爬行现象，广泛采用了滚珠丝杠来驱动主轴进给，主轴导轨也采用滚动导轨代替滑动导轨。

电加工机床的工作台、工作箱、夹具等部分因长期与电解液及其腐蚀性气体接触，故应选用耐腐蚀性好的材料。目前常用不锈钢。也有采用导电性能好的铜作工作台面的。但因铜的硬度低，操作时应注意避免工件的碰撞。电解加工用的夹具可采用耐腐蚀好的工程塑料。机床的导轨可采用耐腐蚀强的材料，如花岗石、耐蚀水泥。机床上其他表面可喷涂环氧树脂等耐腐蚀塑料。

(2)电解加工电源

根据电化学原理，电解加工是利用单向电流对阳极工件进行溶解加工的。阳极与阴极的间隙很小，故采用的电解加工电源必须是低电压的直流电，常用电压一般为8～24 V连续选择。为保证有较高的生产率，电源必须能够提供大的电流。大者可达几万安培。国产系列电源的技术参数如表4.6所示。在加工过程中，加工间隙应保持稳定不变，因此要求加工电源的电压恒定。从实用性和可行性考虑，国内生产制造的电源稳压精度为1%。除此之外，还必须设有检测故障和快速切断电源的保护装置，以防止因各种原因可能产生的火花或出现的电源过载和短路故障。在使用上，应操作简单、维修方便。

表4.6　电解加工电源系列的主要技术参数

因为电解加工必须用直流电，故电源装置必须把市电提供的交流电整流为直流电。根据整流方式的不同，电解电源分为以下3种:

1)直流发电机组

这种电机由交流电动机和直流发电机组成。首先用交流电动机带动直流发电机直接发出低电压大电流的直流电。输出的直流电能无极调压，一般额定电压6～12 V，电流最大可达1 000 A，实际应用的发电机多数是他励式直流发电机。直流发电机组的优点是性能稳定，电压连续调节，允许短时间过载。但由于要通过能量的二次转换，因此效率低，噪声大，不宜频繁启动，占地面积大，维修复杂。这是较早应用的一类电源，现在已被硅整流电源代替。

2)硅整流电源

该电源是先用变压器将380 V的市电变为低压交流电，再利用大功率硅二极管的单向导电特性将交流电变为直流电，用饱和电抗器进行调压。这类电源运行可靠、效率高，坚固抗振。但体积较大，制造工艺复杂，抗过载能力差。

3)晶闸管整流电源

该电源是利用晶闸管实现调压与整流，结构简单，制造方便，反应灵敏，可靠性好，是国内目前生产中应用的主要电解加工电源。

(3)电解液系统

电解液系统的作用是连续而平稳地向加工区供给足够流量和合适温度的干净电解液。它的主要组成有电解液泵、电解液槽、过滤器、热交换器及管路附件等。

1)电解液泵

电解生产中常用的泵有单级离心泵、多级离心泵和离心旋涡泵3种，性能如表4.7所示。过去采用齿轮泵，其优点是压力高，特性硬。但易腐蚀，寿命短。现在只用在一些试验设备或小孔加工中。

表4.7　电解液泵性能比较

泵的流量随加工对象而定，一般按被加工零件周边每毫米长度需4.6 L/min估算。泵的压力取0.5～2 MPa，采用混气加工时选择0.5～1 MPa，不混气加工时可选1～2 MPa。

为防止泵的锈蚀，泵的过流部分宜采用耐蚀性良好的材料制造，并使泵位置低于电解槽液面，使泵内经常充满电解液，防止空气氧化加剧锈蚀。

2)电解液槽

电解液槽主要有池式和箱式两种。容量大的液槽都做成水泥池形式，特点是造价低廉，便于自然沉淀，温度和浓度的变化缓慢，因而应用普遍。小容量的液槽宜做成箱式，多数采用耐蚀性好的不锈钢或聚氯乙烯板焊成。也有用普碳钢板焊成，但内壁需衬耐蚀橡胶。

电解液槽的容量取决于电解产物的生成量，容量可按每1 000 A电流取2～5 m³估算，连续生产时取上限，反之取下限。

3)过滤器

在电解加工过程中，电解产物以金属氢氧化物团絮状沉淀的形式大量地混在电解液中，若电解液中电解产物含量过多，将引起加工过程不稳定，影响加工质量，甚至造成短路，导致工具和工件报废。因此，需及时地将电解产物及杂质从电解液中分离出来。

在生产中一般采用一定网眼尺寸(80～100目)的尼龙丝网或不锈钢丝网做成滤筒，套在电解液泵入口处，作为粗过滤，而在进入加工区前再用网式或缝隙式过滤器进行精过滤。在大容量的电解液池中，粗过滤也可采用自然沉淀。

此外，也有采用微孔刚玉过滤器和离心过滤机进行强迫过滤的。

电解液中电解产物的几种过滤方法如表4.8所示。

表4.8　电解产物过滤方法比较

4)电解液管道及其他附件

电解液管道及阀门必须用耐腐蚀材料制造。管道可选用不锈钢管、耐压橡胶管、玻璃钢管等。电解液管道及压缩空气管路中要配置压力表和流量计，以便调节气、液的流量和压力，从而获得合适的混合比。电解液用的流量计有LZ型不锈钢转子式、LW涡轮转子式、LC椭圆齿轮式等；压缩空气最常用的是耐压较低的LZB型玻璃转子流量计。

为了保持电解液有合适的温度，还需要有加热和冷却装置。加热用电加热器或蒸汽管道加热器，冷却用蛇形管道冷水冷却。