電化學加工(對金屬材料的加工方法)

電化學加工(electrochemical machining ) 利用電化學反應（或稱電化學腐蝕）對金屬材料進行加工的方法。與機械加工相比，電化學加工不受材料硬度、韌性的限制，已廣泛用於工業生產中。常用的電化學加工有電解加工、電磨削、電化學拋光、電鍍、電刻蝕和電解冶煉等。

基本介紹

• 中文名：電化學加工
• 外文名：electrochemical machining
• 加工對象：金屬材料
• 好處：不受材料硬度、韌性的限制
• 用途：電磨削、電化學拋光等

簡介

電化學加工(Electrochemical Machining，ECM)是特種加工的一個重要分支，目前已成為一種較為成熟的特種加工工藝，被廣泛套用於眾多領域。

電化學加工使用矽整流的穩壓電源，並以全波整流取代了過去的半波整流，保持5%以內的紋波，不僅提高了加工速度，而且還遏制了間隙內的電弧和防止污物沉積於陰極。在調壓方面，使用了飽和感抗器調壓和晶閘管調壓兩種方式。前者更適應目前電化學加工的水平。電源規格分為3檔：小型電源，電流為50～500安，用於加工小孔、去除毛刺、拋光和用於中小型的陰極進行電解車削；中型電源，電流為1000～5000安，用於加工中等面積（50～150厘米2）的型孔和型腔；大型電源，電流為10000～40000安，用於加工大型零件，加工面積可達200～1000厘米2或更大一些。通常使用的電壓範圍為12～20伏。對硬質合金、鎢、銅、銅鋅合金等材料進行電解加工時，要求使用特殊電源。因為若用普通的直流電源進行加工，則這些材料點格中的某些原子不易離子化，而點格中的另一些原子卻受到大量腐蝕。例如，碳化鎢點格中的碳原子，在正電位條件下不能加工掉，而必須有負電位（即電源電流有負半波）；加工銅鋅合金用的電源，不但要有負半波，而且對電流的波形，正半波與負半波的間隔和排列方式都有一定的要求。使用特殊電源也可解決間隙內某些相對惰性離子的積聚以及由此改變間隙電阻和電場分布的問題，從而能有效地提高加工精度。

由於電化學加工時，間隙內難免會產生短路，通常電源系統都具有良好的短路保護功能，以使陰極和工件在產生火花和短路時不發生損傷。

國內情況

中國在20世紀50年代就開始套用電解加工方法對炮膛進行加工，現已廣泛套用於航空發動機的葉片，筒形零件、花鍵孔、內齒輪、模具、閥片等異形零件的加工。近年來出現的重複加工精度較高的一些電解液以及混氣電解加工工藝，大大提高了電解加工的成型精度，簡化了工具陰極的設計，促進了電解加工工藝的進一步發展。

分類

電解加工

利用陽極溶解的電化學反應對金屬材料進行成型加工的方法。

當工具陰極不斷向工件推進時，由於兩表面之間間隙不等，間隙最小的地方，電流密度最大，工件陽極在此處溶解得最快。因此，金屬材料按工具陰極型面的形狀不斷溶解，同時電解產物被電解液沖走，直至工件表面形成與陰極型面近似相反的形狀為止，此時即加工出所需的零件表面。

電解加工採用低壓直流電源（6～24伏），大工作電流。為了能保持連續而平穩地向電解區供給足夠流量和適宜溫度的電解液，加工過程一般在密封裝置中進行。

導電磨削

又稱電解磨削。是電解作用和機械磨削相結合的加工過程。導電磨削時，工件接在直流電源的陽極上，導電的砂輪接在陰極上，兩者保持一定的接觸壓力，並將電解液引入加工區。當接通電源後，工件的金屬表面發生陽極溶解並形成很薄的氧化膜，其硬度比工件低得多，容易被高速旋轉的砂輪磨粒刮除，隨即又形成新的氧化膜，又被砂輪磨去。如此進行，直至達到加工要求為止。

電化學拋光

又稱電解拋光。直接套用陽極溶解的電化學反應對機械加工後的零件進行再加工，以提高工件表面的光潔度。電解拋光比機械拋光效率高，精度高，且不受材料的硬度和韌性的影響，有逐漸取代機械拋光的趨勢。電解拋光的基本原理與電解加工相同，但電解拋光的陰極是固定的，極間距離大（1.5～200毫米），去除金屬量少。電解拋光時，要控制適當的電流密度。電流密度過小時金屬表面會產生腐蝕現象，且生產效率低；當電流密度過大時，會發生氫氧根離子或含氧的陰離子的放電現象，且有氣態氧析出，從而降低了電流效率。

電鍍

用電解的方法將金屬沉積於導體（如金屬）或非導體（如塑膠、陶瓷、玻璃鋼等）表面，從而提高其耐磨性，增加其導電性，並使其具有防腐蝕和裝飾功能。對於非導體製品的表面，需經過適當地處理（用石墨、導電漆、化學鍍處理，或經氣相塗層處理），使其形成導電層後，才能進行電鍍。電鍍時，將被鍍的製品接在陰極上，要鍍的金屬接在陽極上。電解液是用含有與陽極金屬相同離子的溶液。通電後，陽極逐漸溶解成金屬正離子，溶液中有相等數目的金屬離子在陰極上獲得電子隨即在被鍍製品的表面上析出，形成金屬鍍層。例如在銅板上鍍鎳，以含硫酸鎳的水溶液作電鍍液。通電後，陽極上的鎳逐漸溶解成正離子，而在陰極的銅板表面上不斷有鎳析出。

電刻蝕

又稱電解刻蝕。套用電化學陽極溶解的原理在金屬表面蝕刻出所需的圖形或文字。其基本加工原理與電解加工相同。由於電刻蝕所去除的金屬量較少，因而無需用高速流動的電解液來沖走由工件上溶解出的產物。加工時，陰極固定不動。電刻蝕有以下4種加工方法。

①按要刻的圖形或文字，用金屬材料加工出凸模作為陰極，被加工的金屬工件作為陽極，兩者一起放入電解液中。接通電源後，被加工件的表面就會溶解出與凸模上相同的圖形或文字。

②將導電紙（或金屬箔）裁剪或用刀刻出所需加工的圖形或文字，然後貼上在絕緣板材上，並設法將圖形中各個不相連的線條用導線在絕緣板背面相連，作為陰極。適於圖形簡單，精度要求不高的工件。

③對於圖形複雜的工件，可採用制印刷電路板的技術，即在雙面敷銅板的一面形成所需加工的正的圖形，並設法將圖形中各孤立線條與敷銅板的另一面相連，作為陰極。不適於加工精細且不相連的圖形。

④在待加工的金屬表面塗一層感光膠，再將要刻的圖形或文字製成負的照相底片覆在感光膠上，採用光刻技術將要刻除的部分暴露出來。這時陽極仍是待加工的工件，而陰極可用金屬平板製成。

電解冶煉

利用電解原理，對有色和稀有金屬進行提煉和精煉。分為水溶液電解冶煉和焙鹽電解冶煉兩種。

水溶液電解冶煉在冶金工業中廣泛用於提取和精煉銅、鋅、鉛、 鎳等金屬。例如銅的電解提純：將粗銅（含銅99%）預先製成厚板作為陽極，純銅製成薄片作陰極，以硫酸和硫酸銅的混和液作為電解液。通電後，銅從陽極溶解成銅離子向陰極移動，到達陰極後獲得電子而在陰極析出純銅（亦稱電解銅）。粗銅中雜質如比銅活潑的鐵和鋅等會隨銅一起溶解為離子。由於這些離子與銅離子相比不易析出，所以電解時只要適當調節電位差即可避免這些離子在陽極上析出。比銅不活潑的雜質如金和銀等沉積在電解槽的底部。

套用

(1)模具型腔加工：電解加工適應難加工材料(高鎳合金鋼、粉末合金)、複雜結構的優勢。電解加工在模具製造領域中已占據了重要地位。

(2) 葉片型面加工：這類加工效率高，生產周期短;加工質量好;但設備、陰極均較複雜，須採用三頭或斜向進給工具機、複合雙動陰極。國外自動生產線上已採用此方案，國內開始試製。

(3)型孔及小孔加工

4. 槍、炮管膛線加工：傳統的槍管膛線製造工藝為擠線法，該法生產效率高，但擠線沖頭製造困難，毛坯材料損耗嚴重，且校正、電鍍、回火等輔助工序較多。

5. 整體葉輪加工：通常整體葉輪多為不鏽鋼、鈦合金或高溫耐熱合金等難切削材料;再加之其為整體結構且葉片型面複雜，使得其製造非常困難。

6. 電解去毛刺：電解去毛刺的加工間隙較大，加工時間又很短，因而工具陰極不需要相對工件進給運動，即可採用固定陰極加工方式，工具機不需要工作進給系統及相應的控制系統。

7. 數控展成電解加工：數控展成電解加工工具陰極形狀簡單(棒狀、球狀及條狀)，設計製造方便，且適用範圍廣，大大縮短了生產準備周期，因而可適應多品種、小批量生產趨勢，彌補電解加工在小量、單件加工時經濟性差的缺點。

8. 微精電解加工：目前微精電解加工還處於研究和試驗階段，其套用還局限於一些特殊的場合，如電子工業中微小零件的電化學蝕刻加工(美國IBM公司)、微米級淺槽加工(荷蘭飛利浦公司)、微型軸電解拋光(日本東京大學)已取得了很好的加工效果，精度已可達微米級。

微米級加工

隨著科技的發展，面向精密微機電器件的微細加工技術已經成為各國研究的熱點。微細加工技術主要有聚焦離子束、電子束、雷射微細加工、微細電火花加工以及微細電化學加工等。電化學加工的原理是利用電化學反應去除工件材料，理論上可以達到離子級的加工精度，但由於存在雜散腐蝕、加工穩定性差等缺陷，因此加工精度不夠高。將電化學加工套用於微細加工必須提高定域蝕除能力，解決微能脈衝加工電源、工具電極製作以及加工狀態的檢測控制等問題。