Электрохимические методы обработки материалов

Следует выбирать такую  величину зазора, при котором достигаются оптимальные скорость съема металла и точность формообразования.

Для ЭХО отверстий  и небольших полостей, лопаток  газотурбинных двигателей, а также при разрезании заготовок устанавливают и поддерживают зазор 0,1…0,3 мм; для крупных полостей, лопаток энергетических машин, для схем протягивания и точения задают зазор –0,3…0,5 мм; при струйном методе обработки расстояние между электродами выбирают в диапазоне 1…15 мм.

При ЭХО используется три способа регулирования зазоров.

1) При работе с неподвижными  электродами зазор постоянно возрастает, скорость анодного растворения снижается. Режим является нестационарным.

2) При постоянной скорости  подачи инструмента режим обработки с течением времени становится близким к стационарному.

3) При периодическом  перемещении электрода — инструмента относительно заготовки через определенные промежутки времени отключают рабочий ток, подводят электрод — инструмент до контакта с заготовкой, затем отводят его на расчетное расстояние и вновь включают рабочий ток.

Время между циклами замеряется секундомером, поэтому изменение зазора во времени незначительно и в расчетах его можно принимать равным расчетному, а режим считать стационарным.

   2.3     Припуск  на обработку

 Чтобы получить  деталь заданной формы, необходимо знать толщину слоя металла, удаляемого с заготовки, то есть припуск Z.

                         

Рисунок 3.10 — Схема  к расчету припуска на обработку

1 – электрод — инструмент; 2 – заготовка.

Припуск на заготовке 2 может  изменяться в пределах допуска ( ). При этом зазор также будет менять свой размер от до . Минимальный припуск рассчитывают в зависимости от допуска [ ] на деталь и глубины анодного растворения металла:                               (3.18)

где – съем металла на участке с минимальным зазором.

Минимальный припуск  при обработке неподвижными электродами и протягивании составляет 0,1…0,3 мм в зависимости от его неравномерности (отношения его наименьшего значения к наибольшему). Допустимая неравномерность припуска по такой схеме – 0,4.

По схеме прошивания и разрезания минимальный припуск  и его неравномерность не ограничиваются.

При точении и шлифовании с постоянной подачей минимальный припуск при зазоре до 0,5 мм изменяется в пределах 0,1…0,5 мм, а его неравномерность может быть не более 0,5.

                      

Технологические показатели ЭХО

 

                                 3.1. Точность обработки

Точность размеров и  формы детали зависят от погрешности электрода — инструмента и от погрешности, вызванной отклонениями режима ЭХО от расчетного.

Кроме того, погрешность  детали зависит от припуска на обработку, его неравномерности, стабильности процесса анодного растворения по обрабатываемой поверхности, точности оборудования.

В конце обработки  погрешность детали _дет должна быть в пределах допуска [ ], то есть [δ_дет].

Для идеального процесса ЭХО погрешность детали может  быть представлена через погрешность заготовки .

                             

                                       (3.19)

где и – съем металла в конце обработки на участках с зазором и ;

       τ – время обработки.

Приближенно погрешность  детали можно найти в предположении, что зазор

 

                                                 (3.20)

Погрешность размеров детали зависит от начальной погрешности размеров заготовки, зазора и припуска на обработку.

Кроме того, рабочей поверхности  электрода-инструмента придают форму, несколько отличающуюся от той, которую требуется получить в детали. Этот процесс называют корректированием электрода-инструмента.

Различные факторы неодинаково  влияют на общую погрешность обработки:

 —  наибольшее  влияние оказывает нестабильность  электропроводности электролита, зазора, выхода по току – до 50%;

 — отклонения от  расчетного режима течения электролита – до 20%;

 —  упругие и  температурные деформации – до 15%;

 —  погрешности  настройки и установки – до 15% от общей погрешности.

 

                         Пути снижения погрешности:

 

1). Форма исходной поверхности  заготовки должна иметь минимальный  припуск с минимальной его  неравномерностью;

2). Уменьшение межелектродного  зазора; малые зазоры (,02…0,05 мм) получают установкой на поверхности  инструмента твердых упоров из изоляционных материалов (алмазных игл, абразивных зерен). Для схемы с неподвижными электродами - с периодической перестановкой электродов.

Одним из способов уменьшения межэлектродного зазора является применение импульсного напряжения. В период пауз удается добиться полного выноса продуктов обработки из зазора, стабилизировать температуру, состав электролита.

Импульсный ток используют одновременно с ускоренным сближением и отводом электродов.

Напряжение на электроды  подают как в момент сближения  электродов, отключая его непосредственно перед их касанием, так и во время отводов электродов после касания.

Или другой способ — чередуют включение напряжения и прокачки электролита, что позволяет стабилизировать режим ЭХО и избежать местных дефектов от неравномерного движения потока электролита.

3). Вибрация электродов  применяется совместно с импульсным напряжением или при постоянном токе. Вибрация электродов может осуществляться параллельно или перпендикулярно направлению подачи как с одинаковой, так  и с разной амплитудой колебаний по обоим направлениям.

4). Локализация процесса  анодного растворения позволяет  ограничить прохождение тока  через участки заготовки, прилегающие к обрабатываемому, и за счет этого повысить точность формообразования;

5). Для чистовой обработке турбинных лопаток применяют растворы NaCl с малой массовой концентрацией (50…60 г/л). За счет малого количества ионов резко снижается степень рассеяния;

6.)  Введение в электролит  воздуха и других газов под  напором;

7). Применение локальной  обработки заготовки отдельными секциями электрода- инструмента, на которые последовательно подают напряжение. Последовательность включения секций направлена против движения электролита, поэтому все продукты отработки удаляются из зазора, минуя работающую секцию;

8). Наиболее широко  применяют локализацию обрабатываемого участка путем диэлектрических покрытий детали (например, с помощью фотохимии).

Если бы удалось получить одинаковые режимы обработки по всей обрабатываемой поверхности, то погрешность  при изготовлении деталей любой сложности не превышала бы нескольких мкм.

Так при прошивании точных углублений желательно было бы иметь:

 —  нестабильность  напряжения в пределах 0,1…0,2 В;

 — скорость подачи  электрода-инструмента-до 1%;

 —  электропроводимость  электролита-2%.

Стабилизировать параметры  в указанных пределах практически не удается, так как они изменяются по длине зазора.

Наиболее сложно добиться постоянства проводимости электролита, которая зависит от температуры, количества газообразных продуктов обработки. Задача облегчается, если в зазоре отсутствуют газообразные продукты обработки.

Советскими учеными  предложены электролиты, в которых  водород в атомарном виде сразу  вступает в реакцию — такие  электролиты называются безводородными.

Это хлорид аммония, дихлорид железа, которые вызывают активную коррозию оборудования.

Удаляют газообразные продукты – отсосом по длине зазора (погрешность  снижается в 2…3 раза).

Применение комбинированных  способов обработки (электроалмазного, электроабразивного) с механической депассивацией поверхности также позволяет повысить точность ЭХО.

В настоящее время  ЭХО позволяет получить:

 — при обработке  неподвижными электродами со  съемом по глубине до 0,2 мм-погрешность  не более 0,02 мм, при большей  глубине-0,03…0,050 мм;

 — при прошивании  мелких отверстий (Ø до 2 мм) –  точность по 9…10-му квалитету СЭВ;

 —  при обработке  полостей и разрезании-по12…14-му  квалитету СЭВ;

 —  для схем  точения точность-8…10-му квалитету;

 — при шлифовании  металлическими, электроабразивными и электроалмазными кругами точность по 6…7-му квалитету СЭВ.

 

                              

Качество поверхности

 

В технологии машиностроения качество поверхности характеризуют:

 —  геометрическими  (микрорельеф) показателями;

 — физическими  показателями (микротвердость, обезуглероженный слой) слоя материала, прилегающего к поверхнос

 

Шероховатось

 

Формирование микрорельефа поверхности при ЭХО зависит от:

 —  структуры  материала заготовки;

 —  состава материала;  его температуры; 

 —  скорости  прокачки электролита;

 —  электрических  параметров режима.

Все эти факторы постоянно  меняются во времени и процесс анодного растворения в каждой точке протекает по-разному.

Если ЭХО выполняют  после механической обработки, то в начале процесса анодного растворения микрорельеф повторяет профиль заготовки.

Характер микронеровностей зависит от структуры обрабатываемого материала. Чаще наблюдается межкристаллитное растравливание, так как зерна растворяются медленнее. Оно и определяет шероховатость поверхности.

Чем мельче зерно, тем  меньше глубина межкристаллитного растравливания.

Глубина микронеровностей зависит от плотности тока. Для большинства сплавов с увеличением плотности тока шероховатость обрабатываемой поверхности снижается.

Чем ниже температура  электролита (при той же плотности  тока), тем меньше высота неровностей.

В большинстве случаев  температура электролита равна 17…37°С. Для обработки титановых сплавов-47°С; для чистовой обработки нержавеющих сталей -4°С.

При обработке в электролитах на базе NaCI шероховатость поверхности различных материалов находится в следующих пределах:

 —  конструкционных сталей-R_a=0,32…0,1 мкм;

 —  нержавеющих  сталей-R_a=1,25…0,32 мкм;

 —  титановых  сплавов-R_a=2,5…1,25 мкм;

 —  алюминиевых  сплавов-R_a=2,5…0,63 мкм.

 

3.2.2  Физические свойства  поверхности

После ЭХО в поверхностном  слое не наблюдается снижение содержания углерода и изменения твердости, отсутствует наклеп. Напряжения повышаются вследствие растравливания — есть концентрация напряжений, так как межкристаллитные углубления имеют меньше радиус закруглений.

Для уменьшения напряжений в поверхностном слое нужно повышать плотность тока, применять охлажденные электролиты, использовать импульсный ток, стабилизировать параметры электролита.

Выделяющийся водород  в зазоре приводит к охрупчиванию поверхности и снижению усталостной прочности (особенно у титановых сплавов). Для выноса водорода скорость электролита должна быть не ниже расчетной.

 

Влияние качества поверхности после ЭХО на механические свойства материала

При эксплуатации деталей  на них могут воздействовать статические, динамические (ударные) и циклические (знакопеременные) нагрузки.

Низкая шероховатость  поверхности после ЭХО повышает механические свойства материалов, так  как качество поверхности одинаково  во всех направлениях.

Отсутствие же наклепа  поверхности от воздействия инструмента снижает механические показатели, особенно сопротивление усталости.

Ухудшают качество поверхностного слоя микрорастравливание по границам зерен, которое является концентраторами напряжений и наводораживание сплавов.

Предел прочности при  статических и ударных нагрузках  образцов из конструкционных сталей после ЭХО при растяжении, сжатии, кручении и изгибе такой же, как у механически обработанных образцов.

У образцов из сплавов, склонных к межкристаллитному растравливанию (никелевых, титановых), предел прочности на растяжение и угол изгиба после ЭХО снижается на 10…15%, поэтому для деталей высоконагруженных конструкций после ЭХО необходимо механически удалять припуск на глубину растравливания:

 —  для никелевых  сплавов припуск-более 0,15 мм;

 —  для титановых  сплавов-более 0,3 мм.

 

 

Сопротивление усталости

По значению предела  выносливости образцы из конструкционных сталей и алюминиевых сплавов после ЭХО близки к шлифованным образцам. Детали из этих материалов после ЭХО можно использовать в конструкциях, работающих в условиях вибраций, знакопеременных нагрузках.