Электрохимические методы обработки материалов

                                          

 

Рисунок  3.1 —  Схема обработки с неподвижными электродами

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка; 3 – диэлектрик.

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.

    

2). Прошивание углублений, полостей  и отверстий.

 

 

Рисунок 3.2. —  Схема прошивания

1 – электрод-инструмент; 2 – заготовка.

 

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.

К такой схеме относят  и получение отверстий струйным методом.             

 

Рисунок 3.3 —  Схема  прошивания струйным методом

1 - электрод-инструмент (токопровод); 2 – заготовка;

3 – диэлектрический корпус.

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.

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.

 

3). Точение наружных  и внутренних поверхностей.

 

                                   

 

Рисунок  3.4 —  Схема точения  наружных поверхностей

1 – электрод-инструмент; 2 – заготовка.

 

По такой схеме электрод-инструмент 1 выполняет роль резца, без контакта. В зазор S прокачивается электролит со скоростью _. При точении внутренней поверхности электрод-инструмент 1 перемещается вдоль заготовки 2 со скоростью .

Межэлектродный зазор S может поддерживаться диэлектрическими прокладками 3.

                            

Рисунок 3.5 —  Схема точения внутренних поверхностей

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка; 3 – прокладки диэлектрические.

4). 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.

 

5).  Разрезание заготовок

При разрезании заготовок используется профилированный инструмент (вращающийся диск) или непрофилированный-проволока.

 

 

Рисунок 3.6 —  Схема разрезания профилированным инструментом

1 – электрод — инструмент (диск); 2 – заготовка.

 

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.

                              

Рисунок 3.7 —  Схема  разрезания непрофилированным инструментом

1 – инструмент —  электрод (проволока); 2 – заготовка.

 

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

 

 

                                6).  Шлифование

 

При этом используется вращающийся  металлический инструмент цилиндрической формы, который поступательно движется вдоль заготовки 2 со скоростью .

 

                              

 

 

Рисунок 3.8 — Схема  шлифования

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка.

 

Это окончательная операция при изготовлении пакетов пластин из магнитомягких материалов, когда при обработке недопустимы механические усилия, а также для изготовления деталей из вязких и прочных сплавов.

 

 

Теоретические основы электрохимического процесса формообразования (ЭХО)

 

Законы электролиза  М.Фарадея

 

Майкл Фарадей (1791 — 1867 г.г.)-английский физик, основоположник учения об электромагнитном поле. В 1831 г. он выявил законы электромагнитной индукции, а в 1833…1834 г.г. установил законы электролиза.

При ЭХО образующиеся при подключении  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                                                   (3.1)

 

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

        — коэффициент пропорциональности (электрохимический эквивалент);

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

При использовании постоянного  тока количество электричества находится из зависимости:

                                Q =

где  I – сила тока, А;

        – время его прохождения, с.

Тогда зависимость (3.1.) можно  записать в виде

                                m = , г                      (3.2)

Электрохимический эквивалент ( ) находится следующим образом

                               

                                = ,     г/А∙с

где  А — атомная масса элемента;

       n — валентность металла;

       F — число Фарадея, равное 96500 (это количество электричества, необходимое для растворения 1 грамма – эквивалента металла), Кл/г — экв. или 26,8 А∙ч/г-экв .

Числовые значения для различных элементов приводятся в справочных материалах.

Электрохимический эквивалент любого сплава можно найти через эквиваленты входящих в него элементов и через массовое содержание в % элемента k_i в сплаве.

                           

                                                     (3.3)

 

Количества различных веществ, осажденных или растворенных одинаковым количеством электричества, пропорциональны их химическим эквивалентам.

Объединенный закон Фарадея  гласит, что масса материала в граммах (m), осажденного или растворенного на электроде, пропорциональна произведению . Таким образом, обобщенный закон Фарадея можно записать так

 

                 m = I /26,8   ,г                                     (3.4)

где   — время протекания тока, ч.

Поскольку каждый компонент сплава имеет свой электрохимический эквивалент, то соответственно и свою скорость анодного растворения.

Для практических целей необходимо знать скорость линейного растворения, которая позволяет найти скорость подачи инструмента при изготовлении деталей.

Из уравнения (3.1) m =   массу материала, растворенного с анода, можно записать через площадь обрабатываемого участка S и перемещение электрода — инструмента к детали:

                                 m = ,    г.                         (3.5)

где    — плотность материала, г/см³.

Силу тока можно выразить через  площадь участка S и плотность тока j.

I=S∙j

       

Тогда уравнение (3.2) примет вид

 

                            ,  г.              (3.6)

Если левую и правую части выражения (3.6) разделить на время  , то отношение   называется скоростью линейного растворения материала анода:

                           

 ;               

                     

Таким образом  ,    см/с                         (3.7)

Плотность тока j по закону Ома мажет быть выражена через напряжение U и удельную проводимость , без учета потерь напряжения на электродах и в токоподводящих цепях.

 

,   А/см²           (3.8)     где   — ход электрода, см.

С учетом формул (3.7) и (3.8) закон анодного растворения может быть записан в следующем виде:

                              , см³/с                     (3.9)

Если зазор не изменяется в процессе анодного растворения, то режим ЭХО стационарный. В формуле (3.9) учитывается действие только электрического поля. Не учитываются гидродинамические факторы, а именно принудительное удаление продуктов обработки принудительной прокачкой электролита.

Масса металла, растворимого с анода  получается меньше, чем по формуле (3.2) закона Фарадея, так как количество электричества тратится на:

 —  побочные реакции на  электродах; образование газов; вторичные  реакции.

Эти потери учитываются коэффициентом    — выходом по току, поэтому

        

              ,    см³/c                                 (3.10)

  —  зависит от плотности  тока, материала заготовки, скорости прокачки, температуры и степени защелоченности электролита.

Электролит —  хлорид натрия:

 —  для конструкционных  и низколегированных сталей ;

 —  для жаропрочных  сплавов  ;

 —  для титановых  сплавов  ;

Электролит-нитрат натрия:

 —  для большинства  сталей  ;

 —  для алюминиевых  сплавов ;

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!

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.

                      Требования при подборе электролита: