Электрохимическая обработка

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 заготовки (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.

Цель работы: проанализировать производительность процесса при ЭХО. Понять механизм действия методов электрохимической обработки.

Электрохимическая обработка (ЭХО) -- способ обработки электропроводящих материалов, заключающаяся в изменении формы, размеров и (или) шероховатости поверхности заготовки вследствие анодного растворения ее материала в электролите под действием электрического тока.

1. Историческая справка

электрофизический ковочный штамп броневой сталь

Разработка основ электрохимического метода и технологического его применения принадлежит талантливому ученому В.Н. Гусеву (1904…1956 гг.). В 1929 г. он получил патент на электрохимическую обработку. Первые опыты по размерной электрохимической обработке металлов были проведены в 40-х годах прошлого столетия. В 1954 г. он 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 и др.) происходило накопление экспериментальных и статических данных; делались попытки теоретических обобщений, которые позволили бы заранее, без испытаний, предсказать конечные результаты обработки.

Известный русский химик Е.И. Шпитальный в 1911 г. 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.

Это было рождением нового вида обработки -- размерной электрохимической обработки (ЭХО) - за счет анодного растворения металла. В 1948 г. 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 были достигнуты благодаря работам Ю.Н. Петрова, И.И. Мороза, Л.Б. Дмитриева и др.

2. Основы процесса

Электрохимическая обработка металлов основана на способности их растворяться в результате оксидных реакций, происходящих в среде электропроводного раствора -- электролита -- под действием на него постоянного электрического тока. Такой химический процесс растворения металлов называют электролизом. Электролиз протекает при наличии источника питания электрическим током, электролита и двух металлических проводников, называемых электродами, каждый из которых находится в электролитической ванне с электролитом.

В электролите свободными электрическими зарядами являются ионы, образующиеся при растворении, например в воде солей, кислот или щелочей. Молекулы таких веществ, взаимодействуя с молекулами растворителя -- воды, распадаются (диссоциируют) на положительно и отрицательно заряженные ионы. При этом движение ионов в электролите неупорядоченное. Под действием электрического поля, создаваемого источником питания, между электродом, соединенным с положительным полюсом и называемым анодом, и электродом-катодом, соединенным с отрицательным полюсом, возникает направленное движение ионов -- отрицательно заряженные ионы (анионы) движутся к аноду, а положительно заряженные ионы (катионы) -- к катоду. В электролите, таким образом, возникает электрический ток, представляющий упорядоченное движение положительно и отрицательно заряженных ионов.

Схема движения ионов в наиболее часто применяемом для ЭХО электролите -- водном растворе хлористого натрия NaCl -- приведена на рис. 1. При растворении хлористого натрия в воде его молекула распадается на катион натрия Na+ и анион хлора С1-. Вода Н20 при этом также частично диссоциирует на катионы водорода Н+ и анионы гидроксила ОН-.

Рис. 1. Схема электролиза: 1 - электрод-анод, 2 - электролит, 3 - электрод-катод, 4 - источник питания

При подаче на электроды напряжения от источника питания анионы гидроксила и катионы водорода вместе с анионами хлора и катионами натрия вынуждены под действием сил электрического поля перемещаться соответственно к катоду и аноду. Атомы поверхностного слоя электрода-анода 1, получая от движущихся к нему анионов хлора и гидроксила дополнительные отрицательные заряды, превращаются в положительные ионы железа.

Последние под действием сложных катодных и анодных реакций взаимодействуют с ионами гидроксила и образуют гидрат оксида железа Fe(OH)3, который в виде нерастворимого химического соединения выпадает в осадок. Таким образом, происходит электрохимическое анодное растворение железа. Одновременно с этим на катоде выделяется водород, выходящий из электролита в виде пузырьков. Реакции, протекающие на катоде, как правило, не разрушают его, т. е. катод при ЭХО не изнашивается.

3. Разновидность

Электрохимическое объемное копирование -- обработка, при которой форма электрода-инструмента отображается в заготовке.

Электрохимическое прошивание -- обработка, при которой электрод-инструмент, углубляясь в заготовку, образует отверстие постоянного сечения.

Струйное электрохимическое прошивание -- прошивание с использованием сформированной струи электролита

Электрохимическое калибрование -- обработка поверхности с целью повышения ее точности

Электрохимическое точение -- обработка, при вращении заготовки и поступательном перемещении электрода-инструмента

Электрохимическая резка -- обработка, при которой заготовка разделывается на части

Электрохимическое удаление заусенцев -- обработка, при которой удаляются заусенцы заготовки

Многоэлектродная электрохимическая -- обработка осуществляемая электродами, подключенными к общему источнику питания электрическим током и находящимися во время обработки под одним потенциалом

Непрерывная электрохимическая -- обработка при непрерывной подаче напряжения на электроды

Импульсная электрохимическая -- обработка при периодической подаче напряжения на электроды

Циклическая электрохимическая -- обработка, при которой один из электродов перемещается в соответствии с заданной циклограммой, а также другие смешанные виды электро-физико-химической обработки (ЭФХМО) включающие ЭХО: анодно-механическая обработка; электрохимическая абразивная обработка; электрохимическое шлифование; электрохимическая доводка(ЭХД); электрохимическое абразивное полирование; электро-эрозионно-химическая обработка(ЭЭХО); электрохимическая ультразвуковая обработка и др.

4. Технологические характеристики

Технологическими характеристиками процессов ЭХО являются производительность, точность размеров и полученной формы, а также шероховатость обработанных поверхностей. К факторам, влияющим на технологические характеристики процессов ЭХО, относят объемный электрохимический эквивалент (Kv) обрабатываемого металла, состав применяемого электролита, его удельную электропроводность (х), напряжение на электродах (Uэ), анодную плотность тока (i), коэффициент выхода металла по току (п), межэлектродный промежуток (а) и технологический припуск (z).

Производительность отделочных процессов ЭХО характеризуется скоростью обработки, выражаемой в различных единицах. Так, при электрохимическом травлении скорость обработки имеет размерность мм/мин и в зависимости от: вида обрабатываемого металла, состава электролита и других факторов колеблется от 0,05 до 0,2 мм/мин. Производительность электрохимического полирования определяют по продолжительности процесса, которая составляет, например, 5--10 мин при полировании углеродистых сталей и 2--3 мин при полировании алюминия.

Производительность электрохимического абразивного полирования оценивают площадью поверхности, обработанной в единицу времени. Например, электрохимическое абразивное полирование листов из нержавеющей стали Х18Н9Т с исходной шероховатостью поверхности 1,25 мкм по Ra до шероховатости 0,1 мкм Rz при оптимальных для данного материала состава электролита и плотности электрического тока выполняют с производительностью 1 м2/ч. При электрохимической жидкостно-абразивной обработке производительность в основном зависит от размеров удаляемых заусенцев, состава электролита, материала деталей и вида применяемых абразивных материалов. Например, удаление заусенцев размером 0,2--0,3 мм на деталях из конструкционных сталей занимает в среднем 1 ч при прочих оптимальных параметрах обработки.

При электрохимическом формообразовании подвижными электродами (рис. 2) межэлектродный промежуток а стремятся поддерживать постоянным, что обеспечивается перемещением электрода-инструмента или заготовки относительно друг друга со скоростью рабочей подачи уэ, равной скорости vэх.р.

Рис. 2. Межэлектродный промежуток при ЭХО с неподвижным электродом-инструментом

Рис. 3. Межэлектродный промежуток при ЭХО с подвижным электродом-инструментом: а - в начале обработки, б - в конце обработки

Производительность размерного электрохимического формообразования характеризуется скоростью анодного растворения металла, выражаемой в линейных (мм/мин) или в объемных (мм³/мин) единицах.

При ЭХО с неподвижными электродами-инструментами скорость электрохимического растворения металла заготовки по мере съема технологического припуска понижается. Это происходит потому, что межэлектродный промежуток, установленный в начале обработки, по мере съема металла заготовки постепенно увеличивается к концу обработки до значения, а с увеличением межэлектродного промежутка скорость электрохимического растворения соответственно снижается.

Линейную скорость (мм/мин) электрохимического растворения при ЭХО с неподвижными электродами определяют по формуле:

Общим для обоих случаев электрохимического формообразования с подвижными и неподвижными электродами является то, что производительность таких процессов увеличивается с повышением напряжения, подводимого к электродам, удельной электропроводности электролита и коэффициента выхода металла по току, а снижается -- с увеличением межэлектродного промежутка.

Объемный электрохимический эквивалент Kv для каждого вида металла имеет определенное значение и поэтому не влияет на производительность размерной ЭХО. Изменение же параметров Uэ, х, п, а до определенных предельных значений может существенно снизить или повысить производительность размерного электрохимического формообразования.

Так, напряжение, подводимое к электродам, можно повысить до значений, при которых наступает электрический пробой межэлектродного промежутка. При этом с возникновением электрического пробоя образуется электрический разряд, называемый дугой. Под действием этой дуги происходит нежелательное локальное выплавление электрода-инструмента и заготовки иногда глубиной до 10 мм. Наибольшее предельно допустимое напряжение на электродах взаимно согласуется с межэлектродным промежутком, скоростью прокачки и степенью очистки электролита. С уменьшением промежутка и скорости прокачки электролита допустимое напряжение также уменьшается. С целью исключения образования дуги электрохимическое формообразование ведут, как правило, при напряжении на электродах 5--12 В. Чтобы снизить производительность размерной ЭХО, напряжение на электродах принимают равным 2--2,5 В.

Электропроводность электролита, зависящая от его состава, концентрации и рабочей температуры, также влияет на производительность размерной электрохимической обработки -- с повышением удельной электропроводности увеличивается производительность. Наибольшей электропроводностью среди водных растворов солей обладает 50%-ный раствор азотнокислого аммония NH4 N03 в воде. Его удельная электропроводность при рабочей температуре 15°С составляет 36,3 См/м. Иногда при относительно небольшой скорости обработки используют электролиты, имеющие меньшую электропроводность, например 5%-ный раствор NaCl в воде с удельной электропроводностью 4,1 См/м.

Во всех справочных таблицах, значения удельной электропроводности электролитов характеризуют состояние электролита перед зоной обработки. Однако при выполнении электрохимических формообразующих процессов обработки, характеризующихся высокой анодной плотностью тока, электролит по мере протекания через межэлектродный промежуток нагревается и насыщается пузырьками водорода и кислорода. В результате этого удельная электропроводность электролита, находящегося в межэлектродном промежутке и непосредственно влияющая на технологические параметры обработки, несколько отличается от удельной электропроводности перед зоной обработки.

Наибольшее влияние на коэффициент выхода металла по току оказывает сочетание таких факторов, как марка обрабатываемого металла и применяемый электролит.

С увеличением рабочей температуры электропроводность электролита повышается и соответственно увеличивается плотность тока на аноде. Повышение скорости прокачки электролита в межэлектродном промежутке способствует более интенсивному удалению из зоны обработки продуктов растворения, что также повышает электропроводность слоя электролита в межэлектродном промежутке. Обратное, т. е. снижение электропроводности, наблюдается при повышении значения рН более 8,5; при этом анодная плотность электрического тока резко снижается, а следовательно, падает и производительность обработки.

Коэффициент выхода металла по току при определенных сочетаниях таких параметров, как марка обрабатываемого металла, состав электролита, его температура, значение рН, плотность электрического тока и скорость прокачки электролита через межэлектродный промежуток, может находиться в пределах от 0,01 до 1,0.

Межэлектродный промежуток при электрохимическом формообразовании не должен быть меньше того значения, при котором обеспечивается истечение электролита с заданной скоростью и соответственно своевременное и качественное удаление продуктов растворения из рабочей зоны. Значение этого промежутка при размерной ЭХО может составлять от 0,05 мм при площади рабочей части электрода-инструмента около 5 мм² до 0,4--0,5 мм при площади последнего порядка 105 мм².

Сравнение этих двух вариантов расчета показывает, что линейные скорости формообразования при различных значениях параметров обработки могут резко отличаться (в данном случае примерно в 40 раз). С увеличением линейной скорости анодного растворения пропорционально возрастает и объемный съем металла; однако последнее может происходить не только за счет увеличения линейной скорости анодного растворения, но и при одновременной обработке нескольких заготовок или одной заготовки с большой площадью обрабатываемой поверхности.

Напряжение на электродах изменяют в пределах 5--10 В; при больших значениях напряжения происходит электрический пробой, что приводит к изнашиванию электрода-инструмента.

Сила тока I при электрохимическом шлифовании и заточке зависит также от площади контакта рабочей части электрода-инструмента и обрабатываемой поверхности заготовки. С увеличением площади контакта возрастает сила тока, а следовательно, и производительность, т. е. количество растворяемого металла в единицу времени. Так, при электрохимическом шлифовании больших поверхностей торцом круга чашечной формы при припуске на обработку 0,3--0,7 мм производительность равна 1500--2000 мм3/мин; в этих же условиях обработки, но при шлифовании периферией круга, т. е. при меньшей площади контакта, объемный съем металла составит 500--800 мм³/мин.

Производительность электрохимической заточки алмазными кругами на 20--30% ниже, чем производительность электрохимического шлифования, но в несколько раз выше по сравнению с производительностью алмазного шлифования, например твердых сплавов.

Известно, что анодное растворение металла протекает более интенсивно на участках заготовки с amin, чем на участках, более удаленных от обрабатывающей поверхности электрода-инструмента. Если Zmin относительно мал, а Zmax относительно велик, то после обработки на детали остается неудаленная часть максимального припуска Zmax. Эта погрешность AzK обусловлена неравномерностью припуска по всей обрабатываемой поверхности в начале обработки. Погрешность Да влияет на точность размеров детали, а погрешность Az одновременно с этим -- и на точность геометрической формы детали. Оценивая допустимое значение каждой из указанных погрешностей, учитывают сумму всех погрешностей, возникающих в процессе обработки, которая не должна превышать установленное чертежом поле допуска на размер детали Н, т. е. АН.

Рассмотренные погрешности Aа и Az свойственны всем процессам ЭХО, однако наибольшее влияние они оказывают на точность формообразующих процессов; при отделочных операциях влияние указанных погрешностей на точность размеров деталей практически незначительно.

При выполнении формообразующих операций к указанным погрешностям Аа и Az добавляются погрешности, вызванные упругими деформациями как самого станка, так и элементов крепления заготовки и электрода-инструмента. Эти деформации возникают под действием гидродинамических сил в результате прокачки электролита через межэлектродный промежуток и других факторов.

Для снижения Да при формообразующих операциях необходимо стабилизировать параметры ЭХО, так как с повышением требований к точности размеров возрастают и требования к степени стабилизации параметров электрохимического формообразования.

Современные станки для электрохимического копирования и прошивания, выполняющие непрерывную подачу электрода-инструмента, позволяют стабилизировать параметры ЭХО в пределах 5--10%, что ограничивает погрешность Аа в пределах 0,05--0,3 мм. Наименьшее значение Да = 0,05 мм возникает при ЭХО с межэлектродным промежутком, равным 0,1--0,15 мм; Да = 0,3 мм при а = 0,5-0,8 мм. Таким образом, погрешность Да уменьшается не только за счет повышения степени стабилизации параметров ЭХО, но и с выполнением процесса при наименьших значениях межэлектродного промежутка.

Импульсно-циклический режим ЭХО дополняет циклический тем, что время подачи на электроды напряжения импульсной формы составляет сотые доли секунды. Это позволяет вести обработку при значениях межэлектродного промежутка в несколько раз меньших, чем при непрерывном или циклическом режиме. Ведение процесса ЭХО на малых значениях а существенно снижает погрешность обработки Аа.

При обработке в циклическом и импульсно-циклическом режимах погрешность Да, возникающая из-за нестабильности параметров процесса (U3, х, п, vэ), не накапливается, а с каждым циклом уменьшается после непосредственного контакта электрода-инструмента с поверхностью заготовки и последующего отвода его на заданный межэлектродный промежуток. Поэтому при обработке в прерывистом режиме требования к стабилизации параметров процесса размерной ЭХО несколько снижаются. Недостатком прерывистого режима по сравнению с непрерывным является несколько меньшая (в 2--5 раз) производительность обработки, что обусловлено перерывами в электрохимическом растворении металла.

В общем виде точность размерной ЭХО зависит от погрешностей, возникающих из-за нежесткости системы стенок--приспособление--инструмент--деталь, погрешностей базирования заготовки, отклонений формы и размеров электродов-инструментов от заданных документацией и погрешностями Аа и Az.

Первая причина возникновения погрешностей не зависит от оператора -- она определяется конструкцией станка. Возникновение погрешностей из-за остальных перечисленных причин во многом определяется квалификацией электрохимобработчика.

Шероховатость обработанных поверхностей. При ЭХО, как и при выполнении других технологических процессов, качество обработанных поверхностей определяется в основном их шероховатостью.

В отличие от традиционных процессов механической обработки резанием, когда резец, оказывая силовое воздействие на обрабатываемую поверхность, образует на ней деформированные (напряженные) слои металла, электрохимическая обработка не вызывает в поверхностных слоях обрабатываемого металла каких-либо механических напряжений, что в ряде случаев положительно сказывается на качестве обработанных поверхностей.

В общем виде качество обработанных поверхностей зависит от сочетания определенных значений таких параметров, как состав электролита, его температура, скорость прокачки электролита через межэлектродный промежуток и плотность электрического тока.

При электрохимическом травлении шероховатость обрабатываемых поверхностей зависит не только от перечисленных факторов, но и от способа травления. Так, при катодном травлении заготовок, когда не происходит электрохимического растворения металла, обрабатываемые поверхности сохраняют исходную шероховатость. Однако выделяющийся на поверхности детали-катода водород проникает в обрабатываемый металл и ухудшает его прочностные свойства. При продолжительном анодном травлении несколько ухудшается исходная шероховатость поверхностей детали.

В процессе электрохимического полирования одновременно со сглаживанием выступов микронеровностей частично удаляется напряженный слой металла. Состав электролитов и режимы полирования подбирают в этом случае так, чтобы исключить растравливание металла по границам зерен.

Электрохимическое абразивное полирование является единственным процессом ЭХО, позволяющим производить обработку деталей из относительно вязких металлов, например деталей из нержавеющих сталей; при этом шероховатость обработанной поверхности равна 0,08--0,02 мкм по Ra.

При электрохимическом хонинговании качество обрабатываемой поверхности определяется в основном не электрохимическим воздействием на металл, а абразивными свойствами применяемых брусков. Шероховатость обработанных поверхностей в этом случае составляет 0,16--0,02 мкм по Ra.

Электрохимическая жидкостно-абразивная обработка одновременно с удалением заусенцев снижает и шероховатость поверхностей деталей. Обычно после этой операции шероховатость обработанных поверхностей составляет 1,25--0,32 мкм по Rz.

Шероховатость поверхностей, полученная при размерной электрохимической обработке и соответствующем составе электролита, как правило, равна 2,5--1,25 мкм по Rz. Такие результаты обеспечиваются, например, при обработке углеродистых и нержавеющих сталей с использованием в качестве электролита раствора хлористого натрия. Повышение температуры электролита, как правило, отрицательно сказывается на шероховатости поверхностей. Однако в некоторых случаях, например при размерной ЭХО титановых сплавов, с повышением температуры электролита качество обработанной поверхности повышается.

Скорость истечения электролита через межэлектродный промежуток при электрохимическом формообразовании оказывает меньшее влияние на шероховатость обрабатываемой поверхности. Однако при высоких скоростях истечения и соответствующей рабочей температуре электролита шероховатость многих металлов, обрабатываемых электрохимическими способами, можно значительно снизить. Это объясняется более активным растворением выступов микронеровностей при более высоких скоростях истечения электролита. Впадины микронеровностей при этом заполняются продуктами растворения, т. е. пассивируются, что замедляет и даже предотвращает дальнейшее анодное растворение металла во впадинах. Таким образом, за счет избирательного анодного растворения происходят постепенное сглаживание микрорельефа обрабатываемой поверхности и снижение шероховатости.

Повышение плотности электрического тока снижает шероховатость обрабатываемых поверхностей. Однако при плотности тока выше 15--20 А/см2 дальнейшее улучшение качества обрабатываемых поверхностей прекращается.

Заключение

В начале ХХI века наблюдается возросший интерес к электрохимическому формообразованию. Появляются фирмы, как в России, так и за рубежом по разработке нового оборудования. В связи с появлением высокотехнологичных отраслях промышленности (точного приборостроения, медицины и медицинской техники, авиадвигателестроения и др.) новых групп высокопрочных и твердых материалов (в том числе нано-структурированных), усложнением формы деталей и ужесточением требований к качеству поверхностного слоя, возникла потребность в новых технологиях электрофизической и электрохимической обработки.

При их реализации становится достижимым обеспечение малых погрешностей (0,001..0,005 мм) обработки, создание на поверхностях деталей регулярных макро- и микрорельефов с в микронном и субмикронном диапазоне, и получение оптически гладких поверхностей (Ra 0,1..0,01 мкм). И все это при существенно более высокой (в сравнении с конкурирующим технологиями) производительностью на финишных операциях.

Технологическими характеристиками процессов ЭХО являются производительность, точность размеров и полученной формы, а также шероховатость обработанных поверхностей.

Список литературы

1. Артамонов, Б.А., Волков, Ю.С., Дрожалова, В.И. и др. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. Учебное пособие (в 2-х томах) /под ред. В.П. Смоленцева. -- М.: Высшая школа, 1983.

2. Бирюков, Б.Н. Электрофизические и электрохимические методы размерной обработки. / Б.Н. Бирюков -- М.: Машиностроение, 1981.

3. Мороз, И.И. Электрохимическая обработка металлов. / И.И. Мороз -- М.: Машиностроение, 1969.

4. Попилов, Л.Я. Электрофизическая и электрохимическая обработка материалов. / Л.Я. Попилов. Справочник. 2-е изд. доп. и перераб. -- М.: Машиностроение, 1982.

5. Петруха П.Г. Технология обработки конструкционных материалов. / Под ред. П.Г. Петрухи -- М: Высшая школа, 1991.

Размещено на Allbest.ru