Электрохимические способы обработки

Введение

В современном машиностроении возникают технологические проблемы, связанные с обработкой новых  материалов и сплавов (например, жаро и кислотостойкие, специальные никелевые  стали, тугоплавкие сплавы, композиты, неметаллические материалы: алмазы, рубины, германий, кремний, порошковые тугоплавкие материалы и т.п.) форму и состояние поверхностного слоя которых трудно получить известными механическими методами.

К таким проблемам  относится обработка весьма прочных  или весьма вязких материалов, хрупких  и неметаллических материалов (керамика), тонкостенных нежестких деталей, а также пазов и отверстий, имеющих размеры в несколько МКМ; получение поверхностей деталей с малой шероховатостью, и очень малой толщиной дефектного поверхностного слоя.

В этих условиях, когда возможность обработки резанием ограничены плохой обрабатываемостью материала изделия, сложностью формы обрабатываемой поверхности или обработка вообще невозможна, целесообразно применять электрофизические и электрохимические методы обработки. Их достоинства следующие:

1) механические нагрузки  либо отсутствуют, либо настолько  малы, что практически не влияют  на суммарную погрешность точности  обработки;

2) позволяют изменять  форму обрабатываемой поверхности  детали;

3) позволяют влиять  и даже изменять состояние поверхностного слоя детали;

4) не образуется наклеп  обработанной поверхности;

5) дефектный слой не  образуется;

6) удаляются прижоги  поверхности, полученные при шлифовании;

7) повышаются: износостойкость,  коррозионная стойкость, прочность  и другие эксплуатационные характеристики поверхностей деталей.

Кинематика формообразования поверхностей деталей электрофизическими и электрофизическими методами обработки, как правило, проста, что обеспечивает точное регулирование процессов  и их автоматизацию.

 

1. История развития электрохимической обработки

 

В начале 20 века исследователями  в России. Западной Европе, США были предложены различные способы и  технологические схемы применения ЭХО для размерной обработки  деталей, преимущественно на операциях  копирования и прошиваний отверстий различной формы.

Российскими инженерами В. Н. Гусевым и Л. Рожковым в 1928 году известная к этому времени  технологическая схема электрохимическая обработка была существенно усовершенствована, за счет принудительной интенсивной прокачки электролита через межэлектродное пространство (МЭП) и перемещения (подачи) электрод-инструмента со скоростью, равной скорости анодного растворения. Это позволило увеличить плотность тока и уменьшить рабочие межэлектродные зазоры и, соответственно, повысить выходные технологические показатели электрохимической обработки (точность, качество поверхности и производительность). В.Н. Гусев получил патент на электрохимическую обработку. Первые опыты по размерной электрохимической обработке металлов были проведены в 40-х годах прошлого столетия. В 1954 г. В.Н. Гусев получил патент на заточку сверл с вершинами из карбидов.

Начальный период развития метода характеризуется тем, что  наряду с его использованием в  производстве (для получения профиля  пера турбинных и компрессорных лопаток, ковочных штампов, пресс форм, кольцевых деталей, прошивки отверстий и щелей, заточки инструмента, удаления заусенцев и др.) происходило накопление экспериментальных и статических данных; делались попытки теоретических обобщений, которые позволили бы заранее, без испытаний, предсказать конечные результаты обработки.

Химические методы, кроме  способов травления, включают электрохимическую  обработку.

Этот метод можно  использовать для обработки особо  твердых и вязких электропроводных материалов. При этом достигается:

 

а) высокая скорость съема  металла (более 1000 мм/мин);

б) высокий класс точности;

в) отсутствует износ  инструмента;

г) отсутствуют остаточные напряжения;

д) отсутствуют повреждения  материала детали;

е) отсутствуют заусенцы на кромках реза.

Известный русский химик  Е.И.Шпитальный в 1911г. разработал процесс  электролитического полирования. В 1928 г. В.Н.Гусев применил этот процесс  для размерной обработки станин крупных металлорежущих станков. Электролит не прокачивался. Катод-плиту на время убирали и ручным инструментом удаляли слой продуктов растворения. Процесс был трудоемким и медленным. В.Н.Гусев и Л.А.Рожков предложили уменьшить зазор между электродами до десятых долей мм, а электролит принудительно прокачивать через межэлектродный промежуток.

В 1948г. была создана электрохимическая  установка для изготовления отверстий  в броневой стали. Тогда же были проведены  первые опыты по обработке турбинных  лопаток. Значительные успехи в развитии теории и совершенствовании технологии достигнуты с   помощь  работ Ю.Н.Петрова,

И.И.Мороза, Л.Б. Дмитриева  и др.

 

2. Методы размерной электрохимической обработки

2.1. Обработка с неподвижными электродами

 

По этой схеме получают местные облегчения в деталях, отверстия  в листовых материалах, наносят информацию (порядковые номера, шифры изделий и др.), удаляют заусенцы. Схема обработки с неподвижными электродами показана на рисунке 2.1

Требуемая форма углубления или отверстия получается за счет нанесения на заготовку 2 слоя диэлектрика 3. Электрод-инструмент 1 не перемещается к обрабатываемой поверхности – межэлектродный зазор по мере съема металла с заготовкой 2 возрастает, а скорость  прокачки электролита снижается. Процесс будет неустановившимся с нестационарным по времени режимов обработки.

Рисунок 2.1 Схема обработки с неподвижными электродами:

1 – электрод — инструмент;

2 – заготовка;

3 – диэлектрик.

 

2.2. Прошивание полостей и отверстий

 

При такой схеме электрод-инструмент 1 имеет одно рабочее движение —  поступательное движение со скоростью   к детали 2. Межэлектродный зазор S — постоянный, т.е. режим стационарный. Электролит прокачивается со скоростью .

По этой схеме изготовляют рабочие полости ковочных штампов, пресс — форм, прошивают отверстия, пазы, перья лопаток турбин, вырезают заготовки различного профиля. Схема прошивания полости показана на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2. Схема прошивания:

1 – электрод-инструмент;

2 – заготовка.

2.2.1. Получение отверстий струйным методом

Электрод-инструмент состоит  из токопровода 1, омываемого потоком  электролита. Токопровод находится внутри корпуса 3 из диэлектрика. Электролит создает токопроводящий канал между токопроводом 1 и заготовкой 2. Схема прошивания струйным методом показана на рис. 2.2.1.1. В месте контакта жидкости с обрабатываемой поверхностью материал заготовки растворяется и образуется углубление. Процесс идет достаточно быстро только при высоких напряжениях (до нескольких сотен вольт). Так получают отверстия диаметром 1,5…2,0 мм и вырезают контуры деталей сложной формы.

 

 

 

Рисунок 2.2.1.1. Схема прошивания струйным методом:

1 - электрод-инструмент (токопровод);

2 – заготовка;

3 – диэлектрический корпус.

Точение наружных и внутренних поверхностей.

По такой схеме электрод-инструмент 1 исполняет роль резца, без контакта. В зазор S прокачивается электролит со скоростью _. Схема обработки наружной поверхности показана на рис 2.2.1.2.

Рисунок 2.2.1.2. Схема точения наружных поверхностей

1 – электрод-инструмент;

2 – заготовка.

При точении внутренней поверхности  электрод-инструмент 1 перемещается вдоль заготовки 2 со скоростью . Межэлектродный зазор S может поддерживаться диэлектрическими прокладками 3. Схема показана на рис. 2.2.1.3.

 

Рисунок 2.2.1.3. Схема точения внутренних поверхностей:

1 – электрод — инструмент;

2 – заготовка;

3 – прокладки диэлектрические.

 

2.3. Протягивание наружных и внутренних поверхностей в заготовках

Заготовки должны иметь  предварительно обработанные поверхности, по которым можно базировать электрод-инструмент. Его устанавливают относительно заготовки с помощью диэлектрических  прокладок. Электрод-инструмент продольно перемещается (иногда вращается). По такой схеме выполняют чистовую обработку цилиндрических отверстий, нарезание резьбы, шлицев, винтовых канавок.

 

2.4. Разрезание заготовок

При разрезании заготовок  используется профилированный инструмент (вращающийся диск) или непрофилированный - проволока. Схема разрезания профилированным инструментом показана на рис. 2.4.1. При этой схеме зазор между инструментом-электродом и заготовкой должен быть постоянным.

Для выполнения в заготовках различных фигурных пазов, щелей особенно в нежестких материалах применяется непрофилированный инструмент-электрод в виде проволоки из латуни, меди или вольфрама. Схема разрезания непрофилированным инструментом показана на рис. 2.4.2.

Для устранения влияния  износа проволоки на точность обработки проволока непрерывно перематывается с катушки на катушку, что позволяет участвовать в работе все новым ее элементам.

Рисунок 2.4.1. Схема разрезания профилированным инструментом:

1 – электрод — инструмент (диск);

2 – заготовка.

Рисунок 2.4.2. Схема разрезания непрофилированным инструментом:

 

1 – инструмент — электрод (проволока);

2 – заготовка.

Шлифование

При этом используется вращающийся  металлический инструмент цилиндрической формы, который поступательно движется вдоль заготовки 2 со скоростью  . Схема шлифования показана на рис. 2.4.3. Это окончательная операция при изготовлении пакетов пластин из магнитомягких материалов.

При обработке недопустимы  механические усилия. Применяется также  для изготовления деталей из вязких и прочных сплавов.

Рисунок 2.4.3. Схема шлифования:

1 – электрод — инструмент;

2 – заготовка.

 

3. Теоретические основы электрохимического процесса формообразования (ЭХО)

 

При электрохимической  обработке образующиеся после подключения  обрабатываемой детали к положительному полюсу источника питания - положительно заряженные ионы металла отводятся  от поверхности анода под действием  электрического поля.

Электрическая ячейка состоит в  основном из двух не контактирующих электродов, погруженных в электролит, между  которыми имеется разность потенциалов. Если условия электролиза выбраны  правильно, прохождение тока через  ячейку приводит к растворению материала анода со скоростью, определяемой согласно первому закону Фарадея:

— количество вещества, осажденного или растворенного  при электролизе, пропорционально  количеству пропущенного электричества

m= Q, г

где m — масса материала, растворенного с анода, г;

 — коэффициент пропорциональности (электрохимический эквивалент);

        Q — количество электричества, пропущенное через электролит Кл (А∙с).

Поскольку каждый компонент  сплава имеет свой электрохимический  эквивалент, то соответственно и свою скорость анодного растворения. Для  нормального протекания электрохимических реакций необходимо обеспечить интенсивный вынос продуктов обработки из межэлектродного промежутка (из зазора), поэтому электролит должен иметь определенную скорость. Электролит может иметь ламинарный или турбулентный характер течения. Вынос продуктов при турбулентном течении – быстрее! Однако расчет ламинарного потока значительно проще, поэтому в технологических расчетах принимают течение ламинарным!

 

3.1. Подбор электролита

 

От состава электролита  зависят его электропроводность и скорость растворения металла. Для получения высоких технологических показателей процесса необходимо, чтобы:

а) в электролите не протекали вовсе или протекали  в минимальном количестве побочные реакции, снижающие выход по току;

б) растворение заготовки  происходило только в зоне обработки;

в) на всех участках обрабатываемой поверхности протекал расчетный  ток.

Таких универсальных  электролитов не существует, поэтому  при подборе состава электролита  приходится в первую очередь учитывать  те требования, которые являются определяющими  для выполнения данной операции.

Для увеличения скорости растворения берут электролиты  с большей удельной проводимостью, а для повышения точности лучше  использовать электролит с пониженной проводимостью. Электролиты подбирают в зависимости от обрабатываемого материала.

 

 

3.2. Требования при подборе электролита

 

1. Содержащиеся в водном растворе электролита анионы (отрицательно заряженные ионы) и катионы (положительно заряженные ионы) должны хорошо диссоциировать (разъединяться) при любых комбинациях.

2. Потенциал материала электрода — инструмента был более положительным, чем потенциал осаждения катионов. Это препятствует осаждению металлических катионов на электрод- инструмент.

Данное условие выполняется, если катионы электролита обладают большим отрицательным стандартным потенциалом.*