Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Нетрадиционные методы обработки материалов

1. Электрохимическая обработка

Размерная электрохимическая обработка (ЭХО) - изменение размера и формы детали в результате анодного растворения металла. В отличие от процессов электрополирования и травления, где также используется анодное растворение, при анодно-гидравлической обработке применяются более высокие плотности тока (в 10 - 100 раз больше), а локализация процесса обеспечивается конструкцией инструмента и созданием малых межэлектродных зазоров. Образующиеся при электролизе продукты растворения удаляются из межэлектродного промежутка потоком электролита.

Анодно-гидравлическая обработка проводится в растворах электролитов. Электролиты - это вещества, обладающие в кристаллическом и расплавленном или растворенном состоянии ионной проводимостью. При анодно-гидравли-ческой обработке в качестве электролита обычно применяются водные растворы солей, кислот и оснований (щелочей).

В электролитах молекулы вещества распадаются на электрически заряженные частицы - ионы, каждый из которых переносит один или несколько электрических зарядов. Количество положительных и отрицательных зарядов, переносимых ионами, одинаково и поэтому в целом электролит электрически нейтрален.

При отсутствии внешнего электрического поля ионы движутся в электролите хаотически и электрического тока в нем не наблюдается. При погружении же в электролит металлических проводников на границе раздела твердой (металл) и жидкой фаз (электролит) имеет место переход ионов одной фазы в другую. При переходе положительных ионов (катионов) в раствор металл приобретает отрицательный заряд и электрически удерживает вблизи своей поверхности катионы.

Возможен и обратный переход, когда ионы раствора, благодаря тепловому движению, приобретают достаточную скорость и входят в кристаллическую решетку металла. При растворении (окислении) металла и осаждении его (восстановлении) вблизи поверхности раздела образуются два электрически заряженных слоя: поверхностный слой металла, заряженный положительно или отрицательно, и слой ионов, имеющий противоположный заряд. Между этими слоями устанавливается определенный но величине и направлению скачок потенциала (равновесный потенциал). Если металл заряжен положительно относительно границы двойного слоя, его равновесный потенциал (ру положителен.

При отсутствии внешнего источника электродвижущей силы (э. д. с.) скачок потенциала на границе металл - раствор препятствует переходу катионов металла из одной фазы в другую. Однако характер процессов на границе фаз и в электролите существенно изменяется, если в цепь включить источник э. д. с., перемещающий электроны по внешней цепи из одного электрода в другой. Отвод электронов от поверхности положительного электрода устраняет электростатические силы, удерживающие катионы металла, и скорость окисления на аноде начинает превышать скорость восстановления - ионы металла будут переходить в раствор. Одновременно на катоде начинается восстановление ионов. Характер движения ионов в электролите также изменяется. Под воздействием электрического поля, образованного внешним источником э. д. с., ионы электролита начинают двигаться упорядочение - в определенном направлении: положительные - к катоду, отрицательные - к аноду. Вследствие этого вблизи электродов будет повышаться концентрация ионов противоположного знака. Дальнейший ход процесса будет зависеть от скорости диффузии ионов (движения, вызванного различным уровнем концентрации вещества), перемешивания, теплового движения и других условий процесса.

Рис. 1. Движение электрических зарядов при анодно-гидравлической обработке

Рассмотрим в качестве примера процесс анодного растворения металла (железа) в растворе электролита - хлористого натрия (рис. 1). Молекула хлористого натрия, растворяясь в воде, распадается на катион натрия Na⁺ и анион хлора С1^- Кроме того, сама вода содержит ионы водорода Н⁺ и гидроксила ОН^- Если к электродам, погруженным в этот раствор, приложить разность потенциалов, то анионы гидроксила ОН^- и хлора С1 ^- будут двигаться к аноду, а катионы водорода Н⁺ и натрия Na⁺ в сторону катода. Электрическая цепь (источник питания - электрод - электролит - электрод - источник питания) при этом замкнется и источник питания перемещает электроны по внешней пени. Ионы металла Ме⁺ⁿ будут переходить в раствор. Для железа это записывается следующим образом:

Fe + 2е Fe⁺².

Образующийся ион железа Me связывается с ионом гидроксила ОН^-, образуя гидрат окиси железа Me (ОН)_n, который плохо растворяется в воде и выпадает в осадок.

Fe⁺² + 20H^- Fe(OH)₂.

Ионы водорода Н⁺ разряжаются на катоде, образуя атомы водорода, которые в виде пузырьков газа уходят из раствора:

H⁺ + е Н;

Н + Н Н₂.

Кроме указанных основных электродных реакций, возможны и другие - побочные. Например, выделение газообразного кислорода на аноде

2ОН^- - 2е Н₂О + О;

О + О О₂ .

Содержащиеся в растворе ионы хлора и натрия переносят электрические заряды. Их присутствие может вызвать или образование щелочи NaOH и хлорного железа FeCl₂, или выделение газообразного хлора на аноде.

В приведенных выше реакциях, чтобы растворить 1000 мм³ железа в течение 1 мин, нужно пропустить через электролит ток силой 450 а. При этом образуется 12,8 г гидроокиси двухвалентного железа Fe(ОН)₂, которая, окисляясь, превращается в 15 г. гидрата окиси Fe(ОН)₃. Из раствора выделяется 0,28 г. водорода (3,5 л при атмосферном давлении). Для связывания этого количества продуктов растворения железа расходуется 5,23 г. воды.

Характер электрохимических реакций и технологические показатели анодно-гидравлической обработки во многом зависят от состава и физических свойств электролита.

Наиболее распространенным электролитом для анодно-гидравлической обработки углеродистых и легированных сталей, жаропрочных сплавов, а также сплавов на основе титана, кобальта, марганца и др. является водный раствор хлористого натрия NaCl. Обработка в этом электролите отличается высокой стабильностью и низкой энергоемкостью. Приготовление и эксплуатация его любой концентрации безопасны для обслуживающего персонала.

В последнее время в практике анодно-гидравлической обработки все шире стали применять водные растворы азотнокислого натрия. Этот электролит также обладает длительной работоспособностью и универсальностью; 2 - 15% растворы азотнокислого натрия успешно применяются при обработке никелевых жаропрочных сплавов, деталей из алюминиевых и медных сплавов и других материалов.

Хорошие результаты для обработки аустенитных сталей дает применение растворов сернокислого натрия, а для обработки вольфрама и ниобия и т.д. - растворов щелочей. Известны также более сложные составы электролитов, содержащих лимонную кислоту, бром, фтор и другие компоненты.

Зарубежными фирмами для обработки различных материалов рекомендуются сложные электролиты. Так, например, для обработки штампов рекомендуется сложный электролит, в состав которого входят хлористый натрий (18%), борная кислота (2%) и серная кислота (0,9%). Для обработки деталей из алюминиевых сплавов предложен электролит из хлористого натрия (10%) и лимонной кислоты (1%).

Физические свойства электролита, необходимые при определении условий анодно-гидравлической обработки и технических характеристик источника питания и гидросистемы, приведены в табл. 1.

Важной характеристикой является удельная электропроводность электролита, которая зависит от его природы, концентрации и температуры раствора. С повышением концентрации электролита удельная электропроводность обычно вначале возрастает, достигает максимума и при дальнейшем увеличении концентрации - падает. С повышением температуры электропроводность электролита возрастает. Эта зависимость выражается уравнением

_t = ₁₈[1 - (t^o - 18)],

где ₁₈ - удельная электропроводность при температуре 18° С; - температурный коэффициент ( = 0,01 - 0,03 1/град).

В среднем при повышении температуры электролита на 1° С, удельная электропроводность возрастает у кислот на 1 - 1,5%, у щелочей на 2 - 3% и у солей на 2-2,5%.

В расчетах технологических показателей анодно-гидравлической обработки пользуются эффективными значениями удельной электропроводности (_эф). «Эффективная» удельная электропроводность определяется из вольтамперных характеристик процессов. Эта электропроводность учитывает концентрационные изменения в анодной и катодной областях. Эффективная электропроводность благодаря насыщению электролита продуктами электролиза меньше удельной электропроводности, приведенной в табл. 1.

На величину эффективной электропроводности , кроме свойств раствора, влияют условия электролиза, в частности межэлектродный зазор , скорость потока электролита v, напряжение на электродах U и материал обрабатываемой детали. Характер влияния этих условий показан на рис. 2 (электропроводность электролита во всех случаях равняется 0,14 ом^-1 *см^-1).

Рис. 2. Влияние условий анодно-гидравлической обработки на величину электропроводности _эф

Накопление в электролите гидратов окисей металлов и других соединений повышает энергоемкость обработки, снижает производительность и нарушает стабильность процесса. При малых межэлектродных зазорах продукты обработки (шлам) накапливаются

При анодно-гидравлической обработке формообразование детали происходит за счет объемного копирования формы электрода-инструмента. С этой целью деталь и инструмент подключают к источнику электрического тока, а межэлектродный промежуток заполняют электролитом. При таком формообразовании в каждом элементарном сечении межэлектродного промежутка устанавливается своя интенсивность съема: где зазор меньше, там интенсивность съема выше. Более удаленные участки растворяются медленнее.

Различие интенсивности съема приводит со временем к изменению формы обрабатываемой детали, так что во всех сечениях промежутка устанавливается одинаковый зазор. Поверхность детали становится эквидистантной поверхности инструмента; форма электрода-инструмента копируется и отображается на поверхности детали.

Скорость съема материала определяется по формуле:

, мм/мин,

где - выход по току, %; k_об - электрохимический эквивалент, мм³/Амин; U - напряжение, в; _эф - эффективная удельная электропроводность, Ом^-1см^-1; - межэлектродный зазор, мм.

2. Ультразвуковая обработка

Ультразвуковая обработка твердых хрупких материалов является разновидностью механической обработки. Сущность ее состоит в том, что удаление материала производится скалыванием микрочастиц с поверхности обрабатываемого материала ударяющимися абразивными зернами. Большое количество одновременно ударяющихся абразивных зерен (30 - 100 тыс. на 1 см²), а также высокая частота повторения ударов (18 - 25 тыс. раз в 1 сек) обусловливают интенсивный съем обрабатываемого материала. Движение абразивным зернам сообщается вибрирующим с ультразвуковой частотой торцом инструмента.

Согласно гипотезе, которая нашла экспериментальное, вибрирующий с большой частотой инструмент, ударяя по зернам, заставляет их внедряться в обрабатываемый материал (рис. 1)

Рис. 1. Схема ультразвуковой установки:

1 - магнитострикционный сердечник; 2 - переходный стержень; 3 - концентратор; 4 - инструмент; 5 - обрабатываемая деталь; 6 - генератор ультразвуковой частоты; 7 - источник постоянного тока; 8 - помпа подачи суспензии

Ультразвуковая обработка наиболее эффективно происходит в жидкой среде. Кавитационные явления, сопутствующие распространению ультразвука в жидкости, способствуют интенсивному перемешиванию абразивных зерен под инструментом и замене изношенных зерен новыми. Для того чтобы отработавшие зерна быстрее заменялись новыми, абразивная суспензия в зоне обработки должна все время принудительно сменяться. Соответственно этому очевидно, что ультразвуковой метод применим только к хрупким материалам. Лучше всего обрабатываются хрупкие непрочные материалы, такие как стекло, керамика, феррит.

Более прочные материалы, например твердый сплав, обрабатываются значительно труднее. Пластичные материалы ультразвуковым методом практически не обрабатываются.

В табл. 1 дано относительное время, необходимое для обработки различных материалов при одинаковых условиях по сравнению с временем обработки стекла.

Таблица 1

Основными элементами ультразвуковой установки для обработки твердых хрупких материалов являются следующие.

1. Преобразующая система, при помощи которой электрические колебания ультразвуковой частоты преобразуются в механические колебания той же частоты.

2. Колебательная система, имеющая назначением передачу колебаний, возникающих в преобразующем узле, их трансформацию по скорости и подвод к обрабатываемой поверхности. Иногда преобразующую и колебательную системы рассматривают как единое целое, называемое колебательной системой. Методически удобнее рассматривать эти системы раздельно.

3. Генератор ультразвуковой частоты, служащий для возбуждения преобразующей системы.

4. Система подачи абразивной суспензии в зону обработки (гидросистема).

Механические колебания ультразвуковой частоты создаются в преобразующей системе при помощи сердечника, изготовленного из материала, обладающего магнитострикцией, т.е. способностью изменять свои размеры в зависимости от величины магнитного потока, проходящего через него.

При пропускании тока от генератора ультразвуковой частоты через обмотку, намотанную на сердечник из магнитострикционного материала, длина сердечника изменяется синхронно с частотой тока.

Магнитострикциониый эффект имеет нелинейный характер зависимости от напряженности ноля, поэтому одновременно с переменным магнитным полем в сердечнике создают постоянное поле, с помощью которого смещают рабочую точку магнитострикционного сердечника в область с наилучшей магнитострикцией.

Частота колебаний генератора устанавливается равной собственной частоте механических колебаний сердечника. Возникающий резонанс увеличивает амплитуду колебаний сердечника, которая достигает величины 10 - 12 мкм.

Магнитострикционный сердечник в процессе работы нагревается, поэтому для предотвращения чрезмерного нагрева он непрерывно охлаждается проточной водой.

К нижнему торцу магннтострикционного сердечника присоединена колебательная система, включающая волновод - переходный металлический, обычно стальной стержень, имеющий длину, кратную половине длины волны возникающих колебаний. Во время работы в преобразующей и колебательной системах вдоль их оси устанавливаются стоячие волны с чередующимися узлами и пучностями колебаний. Крепление колебательной системы к основанию станка осуществляется при помощи переходного стержня в узловых его плоскостях. Колебания через переходный стержень передаются другому узлу системы - металлическому концентратору (трансформатору скорости), на конце которого находится инструмент.

Передаваемая через концентратор акустическая энергия колебаний концентрируется на его выходном торце, сечение которого в несколько раз меньше входного сечения, что приводит к одновременному увеличению амплитуды, являющемуся необходимым условием повышения производительности обработки. Амплитуда колебаний инструмента может достигать 100 мкм.

При работе установки инструмент устанавливают на деталь с некоторым давлением. В процессе обработки инструмент постепенно углубляется в деталь, образуя отверстие, копирующее сечение инструмента.

электрохимический генератор анодный ультразвуковой

Литература

1. Электорофизические и электрохимические методы обработки материалов: Учебное поосбие (в 2-х томах) / Под ред. В.П. Смоленцева. - М.: Высш. школа, 1983.

2. Вишицкий А.Л., Ясногородский И.З., Григорчук И.П. Электрохимическая и электромеханическая обработка металлов. - Л.: Машиностроение, 1971. - 212 с.

3. Аренков А.Б. Основы электрофизических методов обработки материалов. - Л.: Машиностроение, 1967. -372 с.

Размещено на Allbest.ru