英语原文共 286 页
《先进加工过程》翻译80页至100页
4.1.4电解加工（ECM）设备
图4.2显示了电解加工（ECM）机器的主要组件：进料控制系统，电解液供应系统，电源单元和工件固定装置。如图4.3所示，进给控制系统负责在平衡加工过程中以恒定速率进给刀具。电源以恒定的直流（连续或脉冲）电压驱动加工电流。电解质供给单元以给定的速率、压力和温度供应电解质溶液。还包括用于电解质过滤，温度控制和污泥去除的设施。 ECM机器能够执行各种操作，例如复制，下沉和钻孔。半自动和全自动设备用于大型加工，例如汽车工业中的去毛刺。与传统机床相比，电解加工机器设计用于通过使用非金属材料来抵抗腐蚀。 对于高强度或刚性，建议使用非金属涂层的金属在www.unl.edu/。
图4.2 电解加工（ECM）元素。
图4.3 ECM系统组件
4.1.4.1供电
电解加工的直流电源具有以下功能：
1、2至30伏（V）的电压（脉冲或连续）
2、电流范围为50～10,000安培（A），允许电流密度为5～500 A / cmsup2;
3、不断调整间隙电压
4、在紧急情况下控制加工电流
5、短路保护0.001s
6、功率因数高，效率高，体积小，重量轻，成本低
4.1.4.2 电解质
电解加工中电解质的主要功能是：
1、为工件材料阳极溶解创建条件
2、传导加工电流
3、从间隙中去除电化学反应的碎片
4、消除加工过程产生的热量
5、保持加工区域的恒定温度
因此，电解质溶液应能够：
1、确保均匀、高速的阳极溶解
2、避免在阳极表面形成钝化膜（通常推荐含有Cl，SO4，NO3，ClO3和OH阴离子的电解质）
3、使阴极表面无沉积物，阴极形状保持不变（使用钾和钠电解质）
4、具有高导电性和低粘度，以减少由于电解质电阻和发热产生的功率损耗，并确保在极窄的电极间隙中的良好流动条件
5、安全，无毒，对机体的腐蚀性较小
6、在加工期间保持其稳定的成分和pH值
7、由于温度升高，其电导率和粘度变化很小
8、价格便宜，易于使用
最常用的电解质是氯化钠（NaCl），硝酸钠（NaNO 3）和氢氧化钠。工业电解加工操作通常涉及使用混合电解质以满足多种要求。
如表4.1所示，电解加工电解液的选择取决于工件材料，所需的尺寸公差，所需的表面光洁度和加工生产率。在电解加工期间，电解质在尺寸控制中起重要作用。如图4.4所示，硝酸钠溶液是优选的，因为在电流密度和电流效率都很高的小间隙位置处局部金属去除率高。另外，在电流密度和电流效率都很低的较大间隙位置处，局部去除率较低。这导致间隙分布倾向于均匀性。
表4.1各种工作材料的电解加工电解质和加工速率
电解液
|
工作材料 |
成分 |
浓度 g/L H2O |
去除率, mm3/(min A) |
|
灰口铸铁 |
NaCl |
300 |
2.0 |
|
NaNO3 |
600 |
2.0 |
|
|
白口铸铁 |
NaNO3 |
600 |
1.6 |
|
钢；工具钢 |
NaCIO3 |
780 |
2.0 |
|
钢；铁和镍 |
NaNO3 |
600 |
2.1 |
|
钴基合金 |
NaCl or KCl |
300 |
2.1 |
|
铜和铜合金 |
NaCl or KCl |
300 |
4.4 |
|
NaNO3 |
600 |
3.3 |
|
|
钨 |
NaOH |
180 |
1.0 |
|
钛合金 |
NaCl or KCl |
120 |
1.6 |
|
钼 |
NaOH |
180 |
1.0 |
|
NaCl or KCl |
300 |
1.0 |
|
|
锆 |
NaCl or KCl |
300 |
2.1 |
资料来源：金属手册（1989年）的数据。
图4.4电流密度对不同电解质电流效率的影响
图4.5 电解加工中电解液供给的模式
电解加工的当前效率取决于阳极材料和电解质。当施加脉冲电压而不是常用的连续电压时，正确使用脉冲参数（例如，脉冲接通时间）可显著提高电流效率和表面质量。根据工具的形状和加工操作的类型，有如图4.5所示的几种向加工间隙供应电解液的方法。电解液供应方法的选择取决于零件几何形状，加工方法，所需精度和表面光洁度。典型的电解质条件包括22～45℃的温度，100～200kPa的压力和25～50m / s的速度。
4.1.4.3 工具
为所需工件设计合适的工具形状和尺寸是一个主要问题。预计工件形状将大于工具尺寸。在确定在稳态条件下使用的工具的几何形状时，应预先指定很多变量，例如要加工的表面的所需形状、工具进给速率、间隙电压、工作材料的电化学可加工性，电解质。电导率，阳极和阴极极化电压。通过计算机集成制造，可以以更低的成本和更高的精度生产阴极。首先使用计算机辅助设计（CAD）系统来设计阴极工具。该设计通过铣削和车削编程用于CNC生产。在ECM之后，坐标测量机检查由该工具生成的工件，并将数据发送回CAD计算机辅助制造（CAM）单元以分析结果，进行阴极工具的迭代，以便选择最佳的工具设计。
用于电解加工工具的材料应是导电的，并且易于加工成所需的几何形状。满足以上目的的各种材料包括铜、黄铜、不锈钢、钛和铜钨。工具绝缘控制侧电解电流，从而控制过大的尺寸。喷涂或浸渍通常是最简单的绝缘方法。耐用绝缘应确保高电气接受性、均匀性、平滑性、耐热性、对电解质的耐化学性、低吸水性以及机器导向装置和固定装置的耐磨性。聚四氟乙烯、尿素、苯酚、环氧树脂和粉末涂料通常用于工具绝缘材料（金属手册，1989）。
4.1.5基本工作原则
最简单的情况是垂直平行电极垂直于进给方向，如蒂普顿（1971）所述，如图4.6所示。考虑电导率k和密度的电解质，其在通道中以平均速度u，在增加x的方向上流动。假设通道延伸到原点x=0的左侧，刀具和工件在此处开始，流量达到稳定状态，入口条件可以忽略不计。假设系统的所有属性都与z方向无关。工件表面相对于工具的位置以及间隙厚度由坐标y表示。工件表面以增加y的方向远离工具表面移动，其速率与电流密度J成比例且等于
图4.6在恒定间隙电压下与平面平行电极的工作间隙
当进给速率a，在减小y的方向上，工件的位置变化率dy/dt可表示为
其中，=溶解过程的当前效率，％
F=法拉第常数，每离子96,500 C / g
=电解质电导率,mm
rho;=阳极材料密度，g / mm
ε=化学当量重量
V=施加电压，V
△v=过电压，V
电流效率定义为观察到的金属溶解量与法拉第定律预测的理论量之比，在相同的电化学当量，电流等条件下，表观电流效率值可能是由于：
1、选择错误的价
2、阳极表面的钝化
3、晶界攻击，导致电解质力去除金属颗粒
4、阳极表面的气体释放
将特定工件 - 电解质组合（m.min）的加工常数C写成下式：
然后，
整理，
图4.7在恒定进料速率和各种初始间隙下获得平衡间隙
图4.7显示y如何随着接近平衡值的时间而变化渐渐地，对于零进给的情况（a = 0），
如果工件表面在t=0的初始位置是，那么
因此，间隙与时间的平方根成比例增加，如图4.8所示。在恒定的进给速率a下，工件表面将是静止的，间隙厚度变得恒定，当
或者，
图4.8零进给时初始间隙随加工时间的变化
在这样的条件下，每单位面积的金属去除率（C/）等于进给速率（a），相应的间隙厚度称为平衡间隙。如图4.7所示，如果间隙厚度大于，则金属去除率小于进给速率，因此间隙朝向闭合。如果初始间隙小于，则去除率大于进给速率，因此随着过程的进行，间隙总是倾向于均衡值。在电解加工钻削过程中，降低进给速度会导致加工间隙变宽，从而导致尺寸精度不足。另一方面，间隙太小会引起火花或间隙短路，从而损坏工具和工件。
4.1.6过程特征
如图4.9所示，电解加工主要依赖于通过阴极工具和阳极工件之间的离子运动而发生的电子捕获检测器。
图4.9 电解加工过程图
4.1.6.1材料去除率
法拉第定律描述了材料去除率。对于纯金属，具体的去除率[mm sup3;/（min.A）]由卡兹玛瑞克（Kaczmarek，1976）给出：
对于加工电流I，体积去除率（mm3 / min）由下式给出
线性去除Q1（mm / min）是电流密度J的函数：
这里，
特定的去除率描述了如何有效地利用加工电流从工件中去除材料。值越高，每单位安培的去除率越好。由于大多数金属以不同的化合价溶解，由于电极间隙中出现随机现象，因此理论上去除率的准确确定很困难。当不正确的价态归因于溶解过程时，可能会出现混淆。在这方面，低电位差下，镍通常在硝酸盐和氯化物溶液中以二价状态溶解。这种溶解模式在较高的电位差下切换到三价态。类似地，已观察到铜在氯化物溶液中以单价溶解并在硝酸盐溶液中以二价态溶解。铜溶液的表观价态也随溶解模式而变化。在硝酸盐和硫酸盐溶液中，铜以2的化合价溶解。对于过量溶解的条件，已发现该化合价在1和2之间（1.6在60A / cm 2）。电解加工主要在硬质材料和合金上进行。对于含有不同百分比的n种组分的合金，去除速率的预测变得更加困难。 兹玛瑞克（Kaczmarek，1976）给出了该特定合金的体积去除率Qv。
线性去除率Q1由下式给出
为了获得更好的电解加工指数，更高的精度和更好的表面光洁度，必须选择合适的电解液化学成分和适当的电流密度。应该使用多组分电解质，以便对于合金的每种元素，在电解质溶液中将存在相应的组分。在实际的电解加工中，基于合金中存在的最大组分选择电解质（Kaczmarek，1976）。低电流效率值可能表示无法选择最佳加工条件，从而导致高移除率和精确尺寸。由于电解质性质的变化，可能会发生电流损失。选择不良的电解质形成，或者是阳极表面上的薄层升高的气体或氧化物薄膜。氧化膜难以去除，因此增加了极化电阻。假设电流效率为100％，图4.10根据理论去除率排列一些合金。钢4340具有最高的材料去除率，而锂合金L605具有最低的材料去除率。
Khayry（1989）建议镍作为电解加工中的易切削材料，因为它可以使用25 A / cmsup2;的低电流密度以100％的电流效率进行加工。如果电流密度增加（250 A / cmsup2;），由于气体逸出，效率降低到85％至90％。
图4.10假设电流效率为100％，电流密度为1.53 A / mmsup2;的合金电解加工的理论去除率
在加工钛时，在NaCl电解液中，可获得10％至20％的电流效率。当用一些基于荧光的电解质的混合物代替NaCl溶液时，在60V电压下可获得更高的效率，但60V电压下会破坏在机加工表面上形成的粘性氧化膜。然而，McGeough（1988）报道，这种坚韧、轻质和耐腐蚀的膜层使钛在航空发动机工业中变得非常有用。由于电解液流速较低，因此间隙内的加工产品积聚会阻碍金属的进一步溶解，从而降低电流效率。另外，阴极产生的气体的累积可导致工具和工件之间的短路，这终止了加工过程并损坏了工具和工件。
电解质浓度也是决定间隙电
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