Gia công điện
CHƯƠNG 4
GIA CÔNG ĐIỆN
4.1. GIA CÔNG ĐIỆN HÓA
4.1.1 Mô tả chung về nguyên lý gia công.
a. Nguyên lý gia công.
Phương pháp gia công điện hoá (Electric Chemical Machining - ECM) dựa trên
cơ sở định luật điện phân của Faraday.
Quá trình gia công điện hóa là một quá trình hòa tan anod điện hóa, trong đó
một dòng điện một chiều có cường độ cao và điện áp thấp chạy qua giữa chi tiết (được
nối với cực dương) và dụng cụ điện cực (nối với cực âm của nguồn). Hai điện cực đều
được đặt trong bể dung dịch điện phân. Tại bề mặt anod, kim loại được hòa tan vào
các ion kim loại và chi tiết sẽ được sao chép hình dạng của dụng cụ điện cực.
Chất điện phân luôn luôn chảy qua khe hở điện cực với vận tốc cao (thường lớn
hơn 5m/s)
Khi đóng mạch điện và các điều kiện điện phân được chọn hợp lý, dòng điện đi
qua bể có tác dụng làm hòa tan kim loại ở anod với một lượng được xác định theo
định luật Faraday. Trong khi gia công, thông thường điện cực được cho tiến về phía
chi tiết (anod) nhưng luôn đảm bảo tồn tại một khe hở nhỏ.
Quá trình điện phân kéo theo sự hòa tan anod và thoát khí hydro ở catod.
Lượng chất kết tủa hoặc hòa tan do điện phân tỷ lệ với lượng điện chạy qua.
Lượng các vật chất kết tủa hoặc hòa tan bằng lượng điện tương đương, tỷ lệ với
thành phần hóa trị của chúng (với hợp kim có nhiều nguyên tố khác nhau).
Biểu thức của định luật 1:
m = F / Kit (4.1)
Trong đó:
m: lượng kim loại hòa tan (g).
I: cường độ dòng điện (ampe).
t: thời gian (giờ).
F: hằng số Faraday lượng điện cần thiết để hòa tan 1 đương lượng gam
của kim loại, F = 96496 colomb.

P
100
theùp
K
++
=
(4.4)
Trong đó:
P
1
, P
2
, P
n
là thành phần hợp kim trong kim loại, tính theo phần trăm
trọng lượng.
K
1
, K
2
, K
n
là đương lượng điện hoá của mỗi thành phần hợp kim trong
kim loại.
Theo định luật Faraday phương pháp gia công điện hoá được thực hiện như
sau:
Nếu dùng catod làm khuôn có hình dáng gần giống với hình dáng của chi tiết
cần gia công thì ở bề mặt gần nhất với catod sự hòa tan anod diễn ra mạnh nhất. Lý do
là điện trở suất của dung dịch điện phân lớn hơn của kim loại. Như vậy dòng điện tập
trung vào khoảng cách điện cực nhỏ nhất tức là ở đây có dòng điện lớn nhất, bằng

vào
Cách điện
Van
chặn
Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp gia công điện hóa.
Hình 4.2. Mô tả quá trình cắt trong gia công điện hóa.
Các oxit trên mặt anod có tác dụng hạn chế quá trình gia công, hiện tượng này
xảy ra đối với hầu hết kim loại dùng trong công nghiệp, nó phụ thuộc vào mật độ
dòng điện, nhiệt độ và thành phần chất điện phân. Quá trình hạn chế này có thể dùng
tốc độ dòng chảy lớn của dung dịch điện phân để ngăn cản.
Tốc độ đẩy tới của điện cực phải thích hợp với lượng vật liệu lấy đi.
Vật liệu được lấy đi trong quá trình gia công được xác định theo định luật
Faraday:
Trong đó:
V
D
: năng suất lấy nguyên liệu.
A: khối lượng nguyên tử.
n : hóa trị của anod.
I: cường độ dòng điện.
γ: tỷ trọng (g/cm
3
).
Lưu ý: đối thép hợp kim thì chỉ tính gần đúng.
Những đặc trưng gia công của quá trình gia công điện hóa:
- Tốc độ gia công không phụ thuộc vào cơ tính của vật liệu gia công mà chỉ
phụ thuộc vào bản chất vật liệu gia công.
- Độ chính xác gia công phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của
- Độ nhám bề mặt tốt (với kim loại thông thường), R
a

Hydro thoát ra từ điện cực dụng cụ tạo thành một lớp có hai pha (gồm bọt khí
hydro và chất điện phân), khi đạt tới một điều kiện nhất định lớp này có thể lấp đầy
toàn bộ lỗ trống gia công.
Khi gia công điện hóa những chi tiết lớn, kéo theo sự mở rộng của khe hở điện
cực, do vậy, bọt khí phát sinh tại dụng cụ điện có thể lan ra khỏi bề mặt gia công và
chúng hòa trộn với dung dịch điện phân. Nếu quá trình này kéo dài, có thể làm giảm
bền dung dịch điện phân trong khe hở gia công, phát sinh va đập và cuối cùng quá
trình gia công sẽ bị ngừng lại.
Dòng điện đi qua dung dịch điện phân làm phát sinh nhiệt lượng. Môi trường
gần catod sẽ mất dần tính dẫn điện do nhiệt tăng lên.
4.1.2. Dụng cụ và dung dịch điện phân.
a. Điện cực dụng cụ (anod).
Vật liệu chế tạo dung cụ
- Điện cực chế tạo dụng cụ phải có tính dẫn điện cao, độ bền chống rỉ tốt. Ví
dụ: đồng thau, thép không rỉ, thép chịu nhiệt, hợp kim titan, grafit…
- Thép không rỉ dùng làm dụng cụ để gia công cách tuốc bin thủy điện, máy
nén khí, các khuôn dậy.
- Hợp kim dùng làm các ống vỏ mỏng dể làm dụng cụ mở lỗ sâu.
- Grafit dùng để làm dụng cụ dạng đĩa quay tròn trong sản suất đơn chiết hay
loạt nhỏ.
Phương pháp tạo hình các điện cực dụng cụ.
Để tạo biên dạng các dụng cụ ta dùng các phương pháp sau đây:
- Gia công cắt gọt.
- Đúc chính xác.
- Dập.
- Mạ chất dẻo, phun kim loại…
Đối với dụng cụ định hình biên dạng của chúng có khác với biên dạng của chi
tiết gia công, do đó để tăng độ chính xác của dụng cụ phải thiết kế biên dạng theo
phương pháp đồ thị và phương pháp giải tích (thiết kế dao tiện định hình).
Việc chọn các thông số hình học và sự phân bố các khe, các lổ trên bề mặt làm

mặt định hình, các lỗ có
đường kính lớn
Nhựa polyurêtan
Caprolon
Cao su tectolit
Ebonit
0,1 ÷ 0,2
0,1 ÷ 0,2
0,5 ÷ 5
0,5 ÷ 5
Tẩy bavia, gia công các bề
mặt có kích thước lớn
Thép không rỉ,
hợp kim titan,
hợp kim chịu
nhiệt
Men sứ
0,03 ÷ 0,08
Mở rộng các lỗ, rãnh hẹp,
lỗ định hình và lỗ sâu
Keo epôxy
0,1 ÷ 0,4
Mở rộng lỗ sâu
Nhũ tương
Teflon
Polyclovinyl
0,02 ÷ 0,05
0,08 ÷ 0,2
0,08 ÷ 0,2
Mở rộng lỗ đường kính

phân
Độ
đậm
đặc
theo
trọng
lượng
Tỷ
trọng
(g/cm
3
)
Độ dẫn
điện
(10
4
.Ω
-
1
.cm
-1
)
Nhiệt
dung
(cal/grad
)
Tính dẫn
nhiệt
(Kcal/m.
g.grad)

1,147
372
1211
1642
1957
0,945
0,901
0,865
0,507
0,497
1,05
1,11
1,17
1,34
0,085
0,190
0,30
0,535
1,5
1,2
1,1
0,9
Natri
cacbonat
NaCo
3
10
20
0,067
4

1,6
H
2
SO
4
2
5
1,015
1,035
1089
2085
0,985
0,951
0,505
0,490 0,98 1,01
NaOH 5
10
1,055
1,110
1935
3093
0,937
0,907
0,527
0,539.
1,27
1,68
1,34
1,86
1,2

và Fe
2
SO
4
tăng nhanh nhất là đối với Fe
2+
nhưng độ bóng thấp < 4µm). Nếu dùng HCl 1÷2%
trong dung dịch điện phân, tốc độ hòa tan anod tương đương với H
2
SO
4
nhưng độ
nhấp nhô <2µm.
Hợp kim trên cơ sở Ni.
Đối với loại hợp kim Cr-Ni có thể dùng dung dịch 6% H
2
SO
4
và 3÷10% NaCl,
độ nhấp nhô đạt 3,5µm trong khi đó đối với thép C là 4µm. Kết quả tương tự khi dùng
HCl.
Nếu dùng dung dịch điện Nitrit kali 15% NaCl 6÷10%, clorua amôn (NH
4
Cl)
3÷10% độ nhấp nhô có thể đạt thấp nhất 2µm.
Nếu dùng 4% NaCl + 6% NaSO
4
độ nhấp nhô sẽ cao.
Nếu dùng Nitrat natri (NaNO
3

, WCl
3
(clorua vonfram).
Molypđen:
Ở dạng cation, molypđen không tạo thành mối bền vững nhưnh oxit molypđen
hòa tan trong kiềm tạo thành các molypđat. Để gia công molypđen thường dùng dung
dịch điện phân như: 150g/l NaOH.
Thời gian sử dụng dung dịch điện phân
Trong quá trình gia công điện hóa dung dịch điện phân dần dần sẽ bị thay đổi
thành phần, khí H
2
bốc hơi làm cho tính dẫn điện kém đi, độ pH tăng tức tính kiềm
tăng.
Mặt khác do sự hình thành kết tủa làm tăng độ nhớt và giảm sự hòa tan anod,
tất cả các thay đổi này sẽ rút ngắn thời gian sử dụng dung dịch điện phân. Vì vậy nên
sử dụng phân theo định kỳ và có các biện pháp xử lý dung dịch điện để tiếp tục sử
dụng.
Các phương pháp xử lý khôi phục dung dịch điện phân.
- Làm sạch bằng cách lọc các chất kết tủa, các chất không hòa tan vì chúng
cản trở quá trình gia công.
- Dùng phương pháp ly tâm để loại các chất không hòa tan.
4.1.3. Các thông số và khả năng công nghệ.
a. Năng suất gia công.
Năng suất gia công được tính bằng lượng nguyên liệu được lấy đi trong một
đơn vị thời gian (V
D
, cm
3
/phút), tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện, như đã xác định
bằng định luật Faraday. Tốc độ tiến e của điện cực cũng được coi là năng suất

2,0
1,5
1,0
0,5
0
100 200 300
400
500
s (A/cm
3
)
e (cm/ph)
)(
.
A
R
U
U
FX
I
==
δ
Hình 4.4. Các máy gia công ECM thường được sử dụng.
trên thế giới.
Trong đó:
X: điện dẫn xuất, tức là khả năng dẫn điện của một khối dung dịch mỗi
cạnh bằng 1cm (1/Ω.cm).
F: bề mặt làm việc của điện cực (cm
2
).

X (1/Ω.cm)
5%
10%
15%
20%
25%
Nồng độ
Hình 4.7. Quan hệ giữa mật độ dòng điện (s) và lưu điện (q) của dung dịch
(l/ph).
Các yếu tố khác.
Ap suất trong dung dịch điện phân phụ thuộc vào bề mặt làm việc của điện cực,
khe hở điện cực và hệ thống lưu thông dung dịch.
Chất lượng của dung dịch điện phân cũng đóng vai trò quan trọng. Người ta
dùng dung dịch muối có tính acid, kiềm hoặc trung tính. Dùng dung dịch trung tính thì
có lợi hơn vì không cần phải bảo vệ thiết bị chống ăn mòn. Gia công lỗ nhỏ thì dùng
dung dịch có tính acid, khoan lỗ lớn thì dùng dung dịch muối (NaCl).
Phoi được lấy ra cũng gây nhiễu cho quá trình gia công. Do đó cần dùng bể
chứa và thường xuyên làm sạch(lượng sắt tối đa trong dung dịch điện phân là 1%). Có
thể lọc hoặc dùng ly tâm để gạn ra. Ở phân xưởng lớn thì cứ 8 giờ thì phải thay dung
dịch điện phân.
Nguyên liệu của điện cực không đóng vai trò quan trọng. Điều quan trọng là
phải dẫn điện tốt và chống ăn mòn trong dung dịch acid. Thông thường dùng vật liệu
bằng đồng hoặc vật liệu không rỉ.
b. Độ chính xác gia công.
Trong quá trình gia công, giữa chi tiết gia công và mặt đầu của điện cực tồn tại
khe hở (δ
h
).
Trong trường hợp khoan lỗ cụt, thì khe hở mặt đầu ảnh hưởng đến độ chính xác
và độ sâu của lỗ. Với tốc độ tiến không đổi của điện cực thì khe hở là hàm số của

nâng điện áp để làm khe hở trở nên không đổi.
Dòng điện không những chỉ đi qua khe hở mặt đầu, mà còn ở khe hở giữa
thành trong của lỗ và mặt bao qanh điện cực. Ở khe hở này thì tác dụng điện hóa xảy
ra chậm hơn. Tốc độ hòa tan tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa các bề mặt của điện
cực. Do đó trường hợp gia công lỗ bằng điện cực hình trụ thì đường sinh của lổ có
dạng parabol (4.9).
Hình 4.9. Hình dạng của lỗ gia công bằng điện hóa.
Kích thước của khe hở trên sẽ là hàm số của độ sâu lỗ như trình bày trên hình
4.10.
0,4
0,3
0,2
0,1
0
5 10
15
20
U (V)
δ
h
(mm)
e =0,32 mm/ph
e =0,5 mm/ph
e =1 mm/ph
e =2 mm/ph
h
δ
h
e
δ

tạo hình điện cực bằng thực nghiệm. Phương pháp này khá tốn kém, nên chỉ trong sản
0
1
2
3
4
2
4
6 8
10 12
14
h (mm)
δ (mm)
e=0,6 m/ph
e=1
e=2
e=3
: cách điện
:không cách điện
e
a (+)
b
c (-)
d
5R
1,7R
a: chi tiết.
b: dung dịch điện phân.
c: điện cực.
d: lớp cách điện.

thuộc tính khác của vật liệu cần gia công.
+ Vật liệu làm dụng cụ điện cực không cần có độ cứng cao hơn vật liệu
của chi tiết gia công.
- Do không có sự tiếp xúc giữa dụng cụ và chi tiết nên gia công điện hóa có
thể gia công các vật liệu mỏng, dễ biến dạng, giòn mà không gây rạn nứt
lớp bề mặt.
- Do hình dạng chi tiết được quyết định bởi hình dạng của điện cực dụng cụ
nên có thể gia công chi tiết có hình dạng phức tạp một cách dễ dàng.
• Nhược điểm.
- Đắt tiền và chiếm nhiều diện tích nhà xưởng cho việc gia công.
- Dung dịch điện phân sẽ ăn mòn các thiết bị khác.
- Ô nhiễm môi trường là một vấn đề rất quan trọng trong gia công điện hóa
do phát sinh chất thải.
- Dễ phát nổ do sự tích tụ khí hydro.
- Công nhân phải được bảo hộ một cách khắt khe để tránh bị nhiễm độc.
- Cần có khu nhà xưởng riêng biệt dành cho gia công điện hóa.
b. An toàn trong gia công điện hóa.
Cả trong lý thuyết và thực nghiệm đều cho thấy rằng gia công kim loại bằng
phương pháp điện hóa là sự kết hợp của các nhân tố nguy hiểm sau đây:
- Hiệu ứng của khí độc và khí arosol, sản phẩm của quá trình gia công điện
hóa.
- Tác động hóa học bởi dung dịch điện phân.
- Nguy hiểm về điện (điện giật).
- Dễ phát cháy trong trường hợp ngắn mạch giữa hai dây âm, dương.
- Những nhân tố cơ khí.
- Mối nguy hiểm về nổ khí.
- Hiệu ứng trường điện từ.
Khí độc và khí arosol phát sinh trong quá trình điện hóa, khi hít vào, có thể là
nguyên nhân gây tổn hại mãnh liệt đến các cơ quan nội tạng. Ngoài ra chúng còn làm
nhiễm độc và gây ra sự cáu gắt cho công nhân.

Sau
Hình 4.4
Hình 4.12. Một số chi tiết trước và sau khi gia công điện hóa.
Phổ biến nhất là dùng phương pháp này để gia công tạo hình kgông gian phức
tạp bằng thép chịu nhiệt, chịu mài mòn và thép không rỉ. Ví dụ đặc trưng là gia công
cánh tuabin.
Hình 4.13. Gia công cánh tuabin trên máy chuyên dùng điện hóa.
Cánh tuabin rèn bằng thép chịu nhiệt, kích thước 292 x 100 mm. Hai điện cực
gia công với tốc độ tiến e = 0,18 mm/phút, cùng tiến đồng thời, và việc gia công chỉ
mất từ 5 ÷ 10 phút. Trên máy mài thì thao tác này phải mất gần 1 giờ.
Một trường hợp đặc biệt là: điện cực gia công là một ống được uốn theo qui
định và tiến theo một hướng nhất định, dùng để tạo hình mà không cần làm mòn hết
cả khoảng thể tích vật liệu cần lấy đi (hình 4.12). Điện cực là một ống có xẽ rãnh
(hình 4.14).
Hình 4.14. Lấy phoi bằng cách xoi thủng.
m
e
e: điện cực bằng
ống có xẻ rãnh.
m: chi tiết.
b (-)
d
c
a (+)
v
v
e
b (-)
a: cánh tuabin.
b: điện cực gia công.

Hình 4.18. Quá trình làm nhẵn bóng trong phương pháp đánh bóng điện hóa.
b. Các thông số công nghệ.
Ba thông số ảnh hưởng đến quá trình đánh bóng điện hóa đó là:
-
Mật độ dòng điện trên bề mặt được đánh bóng.
-
Nhiệt độ của dung dịch điện phân ở gần phần chi tiết gia công.
-
Thời gian đánh bóng.
a
b
c
a
b
c
Hình 4.19. Anh hưởng của mật độ dòng điện đối với
lượng nguyên liệu lấy đi.
Hình 4.19 trình bày ảnh hưởng của mật độ dòng điện đối với lượng nguyên liệu
đã lấy đi từ bề mặt được đánh bóng. Có thể nhận thấy rằng khi mật độ dòng điện quá
lớn thì đồ thị giảm xuống, như vậy không nên gia công với mức độ dòng điện lớn đến
mức đó.
Nhiệt độ càng cao thì lượng phoi càng lớn (hình 4.20).
Hình 4.20. Anh hưởng của nhiệt độ (t) dung dịch điện phân đến tốc độ lấy phoi
(v) và công suất lấy phoi trung bình (V
D
/F).
Trên hình 4.21 có thể nhận thấy, để đạt được các độ bóng khác nhau (bóng
nhoáng, bóng vừa và bóng đục) thì cần phải gia công với nhiệt độ và mật độ dòng
điện trong phạm vi bao nhiêu.
0,8

0,16
0,32
0,48
0,56
V
D
/F (g/dm
3
.ph)
Hình 4.21. Sự hình thành bề mặt được mài bóng đạt các độ bóng khác nhau, với mật
độ dòng điện và nhiệt độ tương ứng với nhau:
1. bóng nhoáng. 2. bóng vừa. 3. bóng đục.
Có thể kết luận rằng , độ bóng nhoáng có thể đạt được với độ phoi lớn, có
nghĩa là với mật độ dòng điện lớn và nhiệt độ cao.
Lượng phoi tăng tỷ lệ thuận với thời gian.
Hình 5.22. Lượng phoi và thời gian đánh bóng.
Ngoài các yếu tố trên, còn có những yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến quá trình
gia công như: vật liệu của vật cần được đánh bóng, thành phần dung dịch điện phân,
điện áp giữa anod và catod.
c. Đặc điểm và phạm vi ứng dụng.
• Đặc điểm
Đánh bóng điện phân không ứng dụng để sửa chữa các bề mặt quá gồ ghề. Độ
gồ ghề được giảm nhiều lắm cũng chỉ 3 – 4 cấp (hình 4.23)
25
50
75
100
S (A/dm
2
)

2
.
3: 25A/dm
2
.
4: 5A/dm
2
.
10
20
30
40
50
60
70
1 2
3
4
5
6
R
max
(µm)
h (µm)
Hình 4.23. Sự biến đổi của độ gồ ghề (R
max
) và bề dày (h) của
lớp vật liệu đã lấy đi.
Đánh bóng bằng điện phân bề mặt thô dù có tiến hành trong thời gian dài cũng
không làm mất đi những vết rạn nhỏ li ti và những nhấp nhô trên đó.

bề mặt sẽ bị đen.
Khoảng cách giữa vật gia công và điện cực là khá lớn. sự hòa tan nguyên liệu
xảy ra trên mọi điểm của bề mặt, nhưng ở trên cạnh thì nhiều hơn. Cực catod cần có
hình dạng sao cho điện trường phân bố đồng nhất. Vật liệu điện cực catod thường là
chì.
• Ưu điểm.
Năng suất đánh bóng bằng 3 – 4 lần so với đánh bóng bình thường. Ưu điểm,
cũng như tính chất của phương pháp đánh bóng bằng điện phân có thể tóm tắt dưới
đây:
-
Độ bóng bề mặt rất tốt.
-
Có thể đánh bóng mặt trong và mặt ngoài bất kỳ hình dạng nào.
-
Năng suất gia công tăng mà không đòi hỏi nhiều lao động bằng tay.
-
Thiết bị gia công rẻ và đơn giản.
-
Chất lượng bề mặt được cải thiện hơn.
• Nhược điểm.
-
Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào sự đồng nhất của vật liệu.
-
Khó giữ được đúng kích thước và hình dạng cũ.
-
Tuổi thọ của dung dịch điện phân có hạn.
-
Chỉ áp dụng được với bề mặt không quá gồ ghề.
• Phạm vi ứng dụng.
Với phương pháp đánh bóng bằng điện phân, có thể đánh bóng các vật liệu

Vật liệu Điện áp
(V)
Mật dộ dòng điện
(A/dm
2
)
Thời gian đánh bóng
(phút)
Ni 15,68
CrNi 26,68
CrNi 45,68
CrV 150
6
6
6
17
50
50
60
70
6
6 – 8
7
8 - 10

4.2.2. Gia công lỗ điện hóa.
Gia công lỗ điện hóa là ứng dụng của phương pháp gia công điện hóa trong
việc khoan những lỗ rất nhỏ bằng cách sử dụng dòng điện có điện áp cao và dung
dịch điện phân axit. Dụng cụ như là một đầu thủy tinh có điện cực bên trong. Người ta
d