电化学加工 (ECM)：运动学、动力学、加工和刀具设计

在本文中，我们将讨论电化学加工 (ECM)：- 1. 电化学加工 (ECM) 的含义和工作原理 2. ECM 过程的电化学 3. 运动学和动力学 4. 热量和 H2 气泡产生的影响 5 . ECM 对表面光洁度的影响 6. ECM 的刀具设计 7. 使用的电解液 8. 电化学加工设备 9. ECM 对材料的影响 10. ECM 的特性。

内容：

1. 电化学加工 (ECM) 的含义和工作原理
2. ECM 过程的电化学
3. ECM 的运动学和动力学
4. ECM 中热量和 H2 气泡产生的影响
5. ECM 对表面光洁度的影响
6. ECM的工具设计
7. ECM 中使用的电解质
8. 电化学加工设备
9. ECM 对材料的影响
10. ECM 的特点

1.电化学加工（ECM）的意义和工作 :

电化学加工是最具潜力的非常规加工工艺之一。虽然它是一种新的金属加工工艺，但其基本原理早已为人熟知。这个过程可以被认为是电镀的逆过程，有一些修改。此外，它基于电解原理。

在金属中，电是由自由电子传导的，但已经确定，在电解质中，电的传导是通过离子的运动来实现的。因此，电流通过电解质的流动总是伴随着物质的运动。

电解原理长期以来一直用于电镀，其目的是在工件上沉积金属。但由于电化学加工的目的是去除金属，工件连接到正极，工具连接到负极端子。图 6.25 显示了一个工件和一个合适形状的工具，工具和工件之间的间隙充满了合适的电解液。当电流通过时，阳极发生溶解。

然而，当电流密度与间隙成反比时，间隙较小处的溶解速率较大，反之亦然。现在，如果刀具向下运动，则工作表面趋于与刀具形状相同，在稳定状态下，间隙是均匀的，如图 6.25 所示。因此，工具的形状在工作中重现。

在电化学加工过程中，刀具具有恒定的进给运动。电解液以高压泵送通过工具和工具与工件之间的小间隙。电解液的选择应使阳极溶解，但阴极（工具）上不发生沉积。电流和电压的顺序是几千安培和8-20伏。间隙为0.1-0.2mm的数量级。

在典型的机器中，金属去除率约为 1600 mm ³ /min 每 1000 安培。移除 16 x 10 ³ 大约需要 3 kWh 毫米 ³ 金属，这几乎是传统工艺所需能量的 30 倍（当然，当金属易于加工时）。但是使用 ECM，金属去除率与工件硬度无关。因此，当加工材料具有非常低的可加工性或要加工的形状复杂时，ECM 变得有利。

与大多数其他传统和非常规工艺不同，这里几乎没有工具磨损。虽然看起来，由于加工是电化学完成的，工具不会受到力，但事实是工具和工件会受到间隙中高压流体施加的非常大的力。

2. ECM工艺电化学：

电解过程受法拉第提出的以下两条定律支配：

(i) 电流产生的化学变化量，即任何物质溶解或沉积的量，与通过的电量成正比。

(ii) 相同
电量溶解或沉积的不同物质的量与其化学当量重量成正比。在定量形式中，法拉第的两条定律表明——

当金属物体浸没在电解质中时（图 6.27），金属原子离开物体并变成离子，离子移动到物体上并变成原子。该过程不断进行，并保持平衡。金属体（电极）表面上的一点与电解质中的相邻点之间存在电位差。

这种电位差称为电极电位。电极电位因电极-电解质组合而异。如果浸入两个不同的电极（A 和 B），由于 A 和 B 相对于公共电解质的电位不同，因此这些电极之间将存在电位差。该电位差是电池的电动势 (emf)，由电极和电解质产生。这在图 6.27 中进行了解释。例如，如果将 Fe 和 Cu 电极浸入盐水（食盐水溶液）中，如图 6.28a 所示，则电极电位为 –

电解过程的性质取决于所使用的电解液。要了解 ECM 是如何实现的，让我们考虑将氯化钠水溶液作为电解质。当在电极之间施加电压差时（图 6.28b），阳极和阴极的反应是 -

水从电极获得两个电子，结果产生氢气并产生氢氧根离子。正金属离子倾向于向阴极移动，而负氢氧根离子则被吸引向阳极。然后，正金属离子与带负电的氢氧根离子结合形成氢氧化亚铁作为-

这种氢氧化亚铁形成不溶性沉淀。因此，通过这种电极金属-电解质组合，阳极溶解并在阴极生成 H2，使阴极形状保持不变。这是 ECM 过程电化学的最重要特征。应该注意的是，对于 ECM，电极和电解液的选择必须确保在任何一个电极上都不会发生沉积。

金属的克当量由 ԑ =A / Z 给出，其中 A 是原子量，Z 是所产生离子的化合价。在等式 (6.20) 中使用它，我们得到以下形式的质量去除率 -

当阳极由合金而不是纯金属制成时，可以通过考虑去除单位体积每种元素所需的电荷来计算去除率。如果（进入电解质的相应离子的）原子量和化合价分别为 A1、A2、A3、……和 Z1、Z2、Z3、……，并且合金的组成（按重量计）为元素的 x1% 1，元素 2 的 x2%，…，然后是体积 v cm ³ 合金中含有 vρxi /100 克第 i 个元素，其中 ρ 是合金的总密度，单位为 g/cm ³ .

移除体积 v 中所有第 i 个元素所需的电荷为 –

3. ECM 的运动学和动力学：

图 6.31 显示了一组具有平面和平行表面的电极。工作（上电极）在 -y 方向（垂直于电极表面）以恒定速度 ƒ 馈送。

该问题被认为是一维的，工作表面到工具表面的瞬时距离被取为 y。考虑到工件为纯金属，工件金属的去除率由公式（6.23）给出。如果过电压为 ΔV，则通过电解液的电流密度由下式给出 –

其中 K 是电解质的电导率。现在，工件材料的去除导致工件表面（在 y 方向）以 Q' 给定的速度相对于原始表面后退，其中 Q' 是工件金属去除的体积率。工件表面的单位面积。因此，工件和刀具表面之间的间隙变化的速率为 –

我们现在将调查一些基本情况：

零饲料：

持续供稿：

在 ECM 过程中，不断增加的间隙是不可取的。因此，实际上，电极具有合适大小的恒定进给速度。因此，在等式 (6.28) 中， ƒ 是常数。显然，当进给率 ƒ 等于电极表面因金属去除而后退的速度时，间隙保持不变。这个间隙（取决于进料速度）称为平衡间隙（ye）。因此，对于均衡缺口，方程（6.28）产生 –

图 6.32b 显示了不同初始间隙值的 y̅ 与 t̅ 的关系图。可以看出，无论初始条件如何，差距总是接近平衡值。

倾斜到表面的进给运动：

当进给速度矢量与表面倾斜时（图 6.33），垂直于表面的进给分量是 ƒ cos θ。在这种情况下，平衡间隙由 λ / (ƒ cos θ) 给出。

加工不平整的表面：

当对不平整的工作表面进行 ECM 处理时，金属会从表面的所有部分去除（与其他机加工操作不同）。向外突出的部分（山丘）更靠近刀具表面，并且比向内突出的部分（型腔）更快地加工。因此，ECM 工艺具有平滑不均匀性的效果。

如图 6.34 所示，平衡工作表面位置 (y̅ =1) 可以视为所需的最终工件表面。与此所需表面的偏差是由无量纲深度或高度 (δ̅) 表征的缺陷，具体取决于缺陷是山谷还是山丘。由于δ =y – ye，

理论上，完全消除缺陷需要无限的时间；然而，在实践中，一旦 δ̅ 低于预先指定的允许值，该过程就结束了。图 6.35 显示了如何平滑山丘和山谷。

4. ECM 中热量和 H2 气泡产生的影响：

假设整个电极表面的不同参数和特性是一致的。但是，在实践中，事实并非如此。这些特性的变化会影响加工过程。此外，电解液的电导率随着电解液通过间隙而发生变化，原因是 - (i) 电解液温度升高，(ii) 氢气泡的产生，以及 (iii) 沉淀物的形成，最后一个影响很小。

由于电流的作用，电解液温度逐渐升高，电导率发生变化，导致沿电解液流动方向的电流密度不均匀。除此之外，由于在加工过程中会产生氢气，因此会形成气泡。这些气泡被电解液扫过，并且这些气泡的浓度沿着电解液流动的方向有增加的趋势。结果，总电导率和电流密度沿同一方向变化。这些的结果导致电极之间的平衡间隙发生变化。

5. ECM对表面光洁度的影响：

由于一般而言，ECM 加工的零件需要非常好的表面光洁度，因此研究可能导致光洁度不佳的可能性很重要。

表面光洁度受到以下因素的不利影响：

(i) 选择性溶解：

在合金中，不同的成分具有不同的电极电位。在纯金属中，晶界处的溶解电位也不同于晶粒内部的溶解电位。让我们考虑图 6.38a 中所示的工作表面（具有两个成分 A 和 B）。在该图中，还显示了间隙两端的电压分布。让成分 B 的溶解电位 (VdB) 大于成分 A 的溶解电位 (VdA)。

因此，ECM 启动所需的表面点与相邻电解质之间的电势差必须为 VdA 或 VdB，具体取决于局部成分。由于整个阳极表面是等电位的，并且电解液电位在如图所示的间隙中变化，因此 B 颗粒的表面必须远离成分 A 的表面（以遇到具有较低电位的电解液），以便有更大的差异, VdB 达到。因此，在稳定状态下，工作表面会不平整且不是很光滑。

当电位梯度较高时，不均匀性较小。图 6.38b 显示了具有不同电位梯度的两种情况，其他参数保持不变。从该图中可以明显看出，当电位梯度较高时，成分 B 的颗粒的投影高度较小。投影高度的近似表达式也可以导出如下。从图 6.38b，

(ii) 阳极薄膜的零星故障：

阳极膜偶发性击穿的主要原因是远离加工区的工作表面与电解液之间的电位差逐渐下降。图 6.39 显示了该区域阳极表面电位的变化。在这里，直到点 P1，电位足以引起所有相的溶解。在 P1 处，可用电位低于一相的溶解电位，因此阳极停止溶解。

超过 P1，阳极表面电位继续下降，越来越多的相停止溶解，导致表面不平整。最终，当只有少数相保持活性并溶解时，会产生电场集中，因为活性相占据阳极表面的一小部分。这种场集中导致这些相非常迅速地溶解，形成如图 6.39 所示的深坑。在点 P2 之外，阳极表面电位下降到如此低的值，以至于不会发生溶解。

(iii) 流动分离和涡流的形成：

阳极表面的山丘和山谷的存在可能导致电解液流和涡流形成分离。在这些与主流分离的涡流中，可能会积累大量的金属离子，导致涡流中的高浓度超过电位。

这会导致去除率的局部变化，从而导致不平整的成品表面。除了存在山丘和山谷外，流动分离可能是由于工具和电解液流动路径设计不当造成的。因此，在设计工具中的电解液流动路径时必须非常小心。

(iv) H2 气体的演化：

流动的电解液收集在阴极产生的析出氢气。电解液中 H2 的存在降低了溶液的比电导率。这种影响随着下游 H2 浓度的增加而增加，总体影响是表面光洁度的恶化。

除了上述四种机制外，还有其他一些表面劣化的来源。但由于它们的重要性较低，我们将不讨论它们。

6. ECM的工具设计：

工具设计有两个主要方面。

这些是：

(i) 确定刀具形状，以便在给定的加工条件下实现所需的工作形状。

(ii) 设计工具时要考虑 (i) 以外的因素，例如电解液流动、绝缘、强度和固定布置。

刀具形状的理论确定：

当加工工件表面的所需形状已知时，就可以从理论上确定给定的一组加工条件下所需的刀具表面几何形状。

设施加的电位、过电压和进给速率分别为 V、ΔV 和 ƒ。阳极和阴极表面之间的平衡间隙可以表示为 -

电解液流动设计 ：

刀具和工件之间需要充足的电解液流动，以带走热量和加工产物，并以所需的进给速率协助加工过程，产生令人满意的表面光洁度。应避免气蚀、停滞和涡流形成，因为这些会导致表面光洁度不佳。一项基本规则是流路中不应有尖角。流路中的所有拐角的半径至少应为 0.7-0.8 毫米。

零件的初始形状通常与工具形状不符，并且最初只有一小部分区域靠近工具表面。在这样的区域上供应电解液的问题通常通过限流技术来解决。

在很多情况下，当初始工件形状与刀具形状一致时，

带有电解液供应槽的工具制造起来很简单，但这样的槽会在工件上留下小脊。然而，通过使槽足够窄，脊可以做得非常小。当然，狭缝宽度应该足以提供足够的流量。来自槽缝的流动发生在垂直于槽缝的方向上，末端的流动很差。因此，槽应终止于工件表面的拐角附近，如图 6.43a 所示。

槽尖与角部的距离应至少为1.5 mm，而推荐宽度为0.7-0.8 mm的槽。当工件角是圆角时，槽端应做得更大，如图 6.43b 所示。槽的形状和位置应使得表面的每个部分都提供电解液流，并且不存在无源区域。图 6.44 显示了由于插槽设计错误而存在无源区的两种情况。

在图 6.44a 中，由于插槽和该区域之间存在外部空间，因此无源区域没有获得电源，而在图 6.44b 中，由于插槽中有急剧弯曲，因此创建了无源区域（以及流与槽正常的事实）。正确的设计如图 6.45 所示。有时，使用逆流工具来精确切割并产生优质的表面，但此过程更复杂且成本更高，通常不推荐使用。

当初始工作表面不符合工具形状时控制电解液流动的技术如图 6.46 所示。放置限流器的一般规则如下。限流器必须靠近最初接近的区域（在工具和工作表面之间），并且不应显着增加流动路径。此外，它必须位于电解液入口或出口位置。

绝缘设计：

工具上不希望进行电化学加工的区域必须绝缘。在开模时，工具也应适当绝缘以最大程度地减少杂散加工。图 6.47 显示了没有和有适当绝缘的 ECM 过程。图 6.48 说明了没有和有适当绝缘的下沉。

绝缘材料必须坚固且牢固地粘合到工具表面。它可以通过用环氧树脂水泥和塑料螺钉将增强型固体塑料材料固定到通行费上来提供。有时，也可以通过在人工氧化的铜工具表面涂上合成橡胶涂层来实现绝缘。为此，使用热的化学氧化溶液。绝缘层的边界不应暴露于高速电解液流中，因为这可能会撕裂胶合层。

7. ECM 中使用的电解质：

ECM 中的电解质执行三个基本功能，即：

(i) 完成电路并允许大电流通过，

(ii) 维持所需的电化学反应，

(iii) 带走产生的热量和废物。

理想情况下，第一个功能要求电解质具有大的电导率。第二个功能要求电解液在阳极处使工件材料连续溶解，并且不应发生阴极上的金属离子放电。通常，电解质的阳离子成分是氢、氨或碱金属。阳极的溶解应该保持在高效率水平。

此外，电解质必须具有良好的化学稳定性。除此之外，电解液应该便宜、安全且尽可能无腐蚀性。通常，使用无机化合物的水溶液。表 6.4 列出了用于各种类型合金​​的电解液。

8、电化学加工厂：

在设计电化学机器时，应牢记几个重点。这些包括组件的刚度和材料。虽然乍一看，由于刀具和工件表面之间没有物理接触，因此加工力似乎可以忽略不计，但由于需要保持足够的电解液压力，因此它们之间可能会产生很大的力通过狭窄间隙的流速。

因此，机床必须具有足够的刚性，以避免刀具出现任何可能破坏被加工零件精度的明显偏转。温度的变化也可能引起刀具和工件之间的一些相对位移，设计时应注意这一点。

为避免腐蚀，应尽可能使用非金属材料。当需要强度和刚度时，应使用塑料涂层金属。用于固定工件的材料会受到阳极侵蚀，而 Ti 似乎是最合适的，因为它具有被动性。当不同的金属在电解液的存在下接触时，特别是在机器闲置时，可能会发生腐蚀。

为了最大限度地减少这种情况，应选择接触的金属，使它们的电化学行为差别不大。滑道无法永久保护，因此它们涂有大量油脂。有时，可以通过在整个结构变得更加电化学惰性的方向上施加小的电势来提供腐蚀保护。这通常称为阴极保护。

泵是辅助设备中最重要的元件。一般采用不锈钢材质的容积泵（类似于齿轮泵）。电解液罐、管道和阀门通常由 PVC 制成。

9. ECM对材料的影响：

与传统的加工工艺相比，ECM 过程中的材料去除平滑而温和。因此，工件表面的最大残余压应力非常低。此外，加工硬化表面层的深度可以忽略不计。当车削和铣削加工硬化表面层的深度分别为0.5mm和1.5mm时，ECM中的深度仅为0.001mm左右。同样，常规工艺加工的表面残余应力的数量级约为50 kg/mm ² ，而 ECM 几乎为零。

这导致 ECM 生产的零件的疲劳强度降低 10-25%。这是因为微裂纹尖端暴露在 ECM 产生的表面上，也因为该过程留下了无应力的表面。为了增加疲劳强度，可以使用一些机械工艺（例如机械抛光、玻璃珠喷砂和蒸汽喷砂）。

10、ECM的特点：