Электрохимическая обработка

Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВПО Реферат Тема электрохимическая обработка

Общая характеристика электрохимических методов обработки электрохимический метод обработка Электрохимическая обработка (ЭХО) — способ обработки электропроводящих материалов, заключающийся в изменении формы, размеров и шероховатости поверхности заготовки вследствие анодного растворения её материала в электролите под действием электрического тока.

Электрохимические методы обработки основаны на законах анодного растворения при электролизе. При прохождении постоянного электрического тока через электролит на поверхности заготовки, включенной в электрическую цепь и являющуюся анодом, происходят химические реакции и поверхностный слой металла превращается в химическое соединение.

Электрохимическое растворение металлов включает в себя две основные группы процессов: принудительное растворение за счет внешнего тока (анодное растворение) и самопроизвольное растворение в результате химического взаимодействия с окружающей средой (коррозионное разрушение).

На аноде происходят следующие реакции:

где n — валентность металла.

Как видно из реакций, ионизация металла протекает в присутствии иона гидроксила, который каталитически ускоряет анодный процесс и образует растворимые в воде соединения.

Кроме водорастворимых веществ, при электрохимическом разрушении образуются пленки нерастворимых слабопроводящих окислов металлов в результате выделения на аноде атомарного кислорода. Образование окисной пленки на поверхности металла ведет к замещению анодного растворения или к его полному прекращению.

Продукты электролиза переходят в раствор или удаляются механическим способом.

Производительность процессов электрохимической обработки зависит в основном от электрохимических свойств электролита, обрабатываемого токопроводящего материала и плотности тока.

Физико-химическая сущность метода Механизм съема (растворения, удаления металла) при электрохимической обработке основан на процессе электролиза. Съем металла происходит по закону Фарадея, согласно которому количество снятого металла пропорциональное силе тока и времени обработки. Один из электродов (заготовка) присоединен к положительному полюсу источника питания и является анодом, а второй (инструмент) — к отрицательному; последний является катодом. Особенностями электролиза являются пространственное окисление (растворение) анода и восстановление (осаждение) металла на поверхности катода. При ЭХО применяют такие электролиты, катионы которые не осаждаются при электролизе на поверхности катода. Этим обеспечивается основное достоинство ЭХО перед электроэрозионной обработкой — неизменность формы электрода-инструмента (ЭИ). Для стабилизации электродных процессов при ЭХО и удаления из межэлектродного промежутка (МЭЗ) продуктов растворения (шлама) применяют принудительную подачу в рабочую зону электролита, то есть прокачивают его с определенным давлением.

Наиболее широко используются следующие виды обработки:

Электрохимическое объемное копирование или размерная ЭХО—электрохимическая обработка, при которой форма электрода-инструмента отображается в заготовке.

Струйное электрохимическое прошивание — электрохимическое прошивание с использованием сформированной струи электролита.

Электрохимическое полирование — электрохимическая обработка поверхности с целью повышения ее точности.

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

Электрохимическая отрезка — электрохимическая обработка, при которой заготовка разделывается на части.

Электрохимическое удаление заусенцев — электрохимическая обработка, при которой удаляются заусенцы заготовки.

Электрохимическое маркирование

Электрохимическое объемное копирование или размерная ЭХО

Размерная ЭХО служит для предания детали нужной формы и размеров. Такая обработка происходит при непрерывном и интенсивном обновлении электролита, прокачиваемого через межэлектродный промежуток под давлением. Деталь является анодом. Размерная обработка основана на том, что скорость растворения металла обрабатываемой детали на участках с различными значениями межэлектродного промежутка разная. Чем меньше межэлектродное расстояние, тем выше плотность тока (так как сопротивление электролита на меньшем по длине участке — меньше) и интенсивнее протекает анодное растворение металла. Схема объёмного копирования показана на рисунке 1.

Рис.1: 1 — анод; 2 — катод; 3 — электролит;

Когда катод приближается к аноду, деталь начинает электрически растворяться и тем интенсивнее, чем ближе к аноду находится участок многопрофильного катода. В конечном итоге деталь принимает такую форму, что на выступ анода приходится углубление в детали и наоборот. Если при этом деталь вращать, можно осуществить электрохимическое точение, если использовать в качестве анода тонкий и длинный стержень, то можно осуществлять электрохимическое прошивание детали, заменяющее процесс сверления.

Струйное электрохимическое прошивание Электрод-инструмент состоит из токопровода 1 (рис. 2), омываемого потоком электролита. Токопровод находится внутри корпуса 3 состоящего из диэлектрического материала. Электролит создаёт токопроводящий канал между токопроводом 1 и заготовкой 2. В месте контакта жидкости с обрабатываемой поверхностью материал заготовки растворяется и образуется углубление. Процесс идёт достаточно быстро при высоких напряжениях (до нескольких сотен вольт). С помощью этого метода обработки можно получить отверстие диаметром 1,5…2,0 мм.

Схема прошивания струйным методом:

Рис. 2: 1 — электрод-инструмент (токопровод); 2 — заготовка; 3 — диэлектрический корпус;

Электрохимическое полирование При этом процессе электродом служит металлическая пластинка из свинца, меди, стали. Для большей интенсивности процесса электролит подогревают до температуры 40…80⁰. При подаче напряжения на электроды начинается процесс растворения металла заготовки-анода. Растворение происходит на выступах микронеровностей поверхности вследствие более высокой плотности тока на их вершинах. В результате избирательного растворения, т. е. быстрого растворения выступов микронеровности сглаживаются, и обрабатываемая поверхность приобретает металлический блеск. Электрохимическое полирование улучшает электрофизические характеристики деталей, так как уменьшается глубина микротрещин, поверхностный слой обрабатываемой поверхности не деформируется, исключаются упрочнение и термическое изменение структуры металла, повышается коррозионная стойкость. Схема электрохимического полирования изображена на рисунке 3.

Рис. 3: 1- ванна; 2 — обрабатываемая заготовка; 3 — пластина-электрод; 4 — электролит;

Существенными факторами, влияющими на течение процесса электрохимического полирования, являются также плотность тока и напряжение.

На рисунке 4 показана типичная зависимость плотности тока от напряжения в ванне при электрохимическом полировании.

Рис. 4

На участке АБ повышение плотности тока почти пропорционально увеличению напряжения. На участке БВ режим нестабилен, наблюдается колебание тока и напряжения. Предельный ток, соответствующий участку ВГ, характеризует процесс формирования на аноде пассивной пленки. При этом повышение напряжения в довольно широком интервале не сопровождается изменением плотности тока. По достижении напряжения, соответствующего точке поворота Г на кривой, начинается новый процесс — образование газообразного кислорода.

В зависимости от состава электролита и обрабатываемого металла полирование ведут при режимах соответствующих различным участкам кривой.

Электрохимическая отрезка Электрохимическая отрезка алмазными кругами. В отличие от анодно-механической отрезки этот процесс ЭХО характеризуется отсутствием дефектного слоя на поверхности реза, что обеспечивает меньший расход металла заготовок. Наиболее эффективная область применения электрохимической отрезки — получение заготовок из таких труднообрабатываемых металлов, как вольфрам, титановые и твердые сплавы. Заготовки из таких металлов отличаются небольшими размерами сечений.

В качестве электродов-инструментов при электрохимической отрезке используют алмазные отрезные круги. Они состоят из металлической основы — конструкционных сталей и металлоалмазного токопроводящего слоя. Который содержит алмазные зерна зернистостью 315—80 мкм, связанные между собой сплавом на медной основе. Такие круги могут иметь наружный диаметр от 50 до 400 мм. Для электроалмазной отрезки наиболее часто применяют серийно выпускаемые круги с размерами: D = 90−160; d = 25−32; S= 2,54−5 и Н = 0,45−0,7 [мм].

Электрохимическую отрезку алмазными кругами выполняют по двум технологическим схемам: с рабочей подачей заготовок навстречу направлению вращения круга и с рабочей подачей, совпадающей с направлением вращения круга. При отрезке по любой из этих схем заготовку ориентируют относительно круга таким образом, чтобы отрезка выполнялась при наименьшей длине реза. Это обусловливается тем, что при электрохимической отрезке в отличие от анодно-механической с увеличением длины реза из-за ухудшения условий обновления электролита в межэлектродном промежутке заметно понижается скорость съема металла. Схему со встречной подачей применяют, в частности, при отрезке заготовок небольшой толщины, когда при прочих равных условиях обработки длина реза относительно невелика, что обеспечивает сохранение свойств электролита на всей длине межэлектродного промежутка. При отрезке заготовок толщиной более 5 мм по этой схеме длина межэлектродного промежутка возрастает, что приводит к изменению свойств электролита на отдельных участках реза и соответственно к уменьшению производительности. Схема с попутной подачей позволяет разрезать заготовки большей толщины (диаметра). В этом случае создаются более благоприятные условия для поступления в зону резания электролита, причем изменение его свойств происходит на выходе круга из заготовки, что практически не оказывает отрицательного влияния на производительность резания.

Электроалмазная отрезка заготовок наиболее распространена в серийном и массовом производстве, где за счет применения этого процесса удается получить значительную экономию времени. В этих условиях наиболее целесообразно разрезать заготовки набором отрезных кругов, т. е. многоместными электродами-инструментами.

На одной оправке закрепляют несколько отрезных кругов; расстояния между ними ограничены прокладками, которые определяют толщину отрезаемых заготовок.

Характерно, что при резании заготовок многоместными электродами-инструментами наружный диаметр каждого следующего круга, считая их от отрезаемого торца заготовки, должен быть меньше предыдущего. Этим обеспечивается последовательное отделение от заготовки очередной отрезаемой части; при этом связь остальных отрезаемых частей не нарушается. Разница в диаметрах каждого очередного круга составляет обычно 0,1— 0,2 мм. Набор комплектуют кругами одного наружного диаметра, а затем, установив его на станок, занижают наружный диаметр каждого последующего круга на указанный размер. Занижение диаметров кругов производят при одновременном электрохимическом растворении связки круга и механическом удалении алмазных зерен с помощью алмазного карандаша. При этом напряжение, подводимое к кругу и катоду, составляет 8 В.

Важным условием для обеспечения высокопроизводительной и качественной электрохимической отрезки является отсутствие торцового и осевого биения кругов. Биение их после сборки на оправке устраняют также электрохимическим растворением связки круга и правкой алмазными карандашами.

Состав электролита и режим электрохимической отрезки зависят от свойств разрезаемого металла и устанавливаются согласно требованиями технологического процесса. Для отрезки сплавов на никелевой основе в качестве электролита применяют, например, раствор азотнокислого натрия в воде 10—20%-ной концентрации с добавлением 0,5% глицерина. При этом напряжение на электродах 8—9 В; окружная скорость вращения круга 30—36 м/с. Давление круга в зоне касания на заготовку обычно 780—980 кПа. Указанные режимы позволяют разрезать заготовки из твердых сплавов с производительностью 6—15 мм/мин из углеродистых, нержавеющих и титановых сплавов и сталей с производительностью 20—60 мм/мин.

При выдержке заданного напряжения на электродах и требуемой рабочей подачи износ алмазных кругов обычно составляет 1—2% от объема удаленного метала. При электрохимической отрезке необходимо следить за износом кругов и в случае превышения указанного значения снизить напряжение на электродах и уменьшить рабочую подачу до минимально допустимых значений. К увеличению износа кругов может приводить и недостаточное поступление электролита в межэлектродный промежуток. Признаком, характеризующим нехватку электролита, является интенсивное искрение в рабочей зоне. В этом случае оператор должен прекратить обработку и увеличить подачу электролита в межэлектродный промежуток. Повышение износа кругов определяется не только отклонением параметров обработки от значений, указанных в технологической документации, но и в результате увеличения электрического сопротивления цепи протекания технологического тока. Последнее может возникать в результате окисления мест присоединения токоподводов, загрязнения щеток коллектора или при наличии окалины на токопроводящих поверхностях заготовок. Признаком, характеризующим увеличение сопротивления цепи, является пониженное значение технологического тока, которое указывается стрелкой амперметра, расположенного на пульте управления станком. При соответствии напряжения на электродах и концентрации электролита значениям, указанным в технологической документации, и в то же время меньшем технологическом токе все места присоединения токоподводов следует отсоединить, зачистить, смазать техническим вазелином и снова смонтировать; щетки и коллектор промыть бензином.

Электрохимическое удаление заусенцев Электрохимическое удаление заусенцев осуществляют в труднодоступных местах деталей, например с кромок перекрещивающихся отверстий, с крупномодульных шестерен и шлицевых валов. При растворении заусенцев небольшого размера. Электролит прокачивается между электродом-анодом и вершиной заусенца. При этой схеме обработки происходит постепенное растворение заусенца от его вершины к основанию. При удалении заусенцев больших размеров электрод-инструмент располагают у основания заусенца. При этом весь заусенец не растворяется, а растворяется только часть его у основания. Вершина заусенца после электрохимического растворения его основания уносится из рабочей зоны прокачиваемым через межэлектродный промежуток электролитом. Особенность процесса электрохимического удаления заусенцев заключается в том. что наряду с растворением заусенцев происходит неизбежное сопряжение кромок заготовок, с которых удаляются эти заусенцы.

Электрохимическое маркирование Электрохимическое маркирование служит для нанесения маркировок, пометок и различных изображений на металлические поверхности. Обычно электрохимическое маркирование происходит в конце процесса обработки детали.

Принцип действия электрохимической маркировки основан на протекании электрохимических реакций в среде электролита при воздействии электрического тока низкого напряжения, при котором изображение с трафарета переносится на токопроводящую поверхность маркируемого изделия. Результатом таких реакций является либо изменение цвета поверхности изделия, либо изменение рельефа поверхности на глубину от 2−6 мкм до 0,2 мм в случае травления изделия из мягких металлов.

От остальных методов маркировки электрохимический отличается:

— простотой и высокой производительностью;

— отсутствием деформации и повреждений маркируемого изделия;

— контрастностью изображения;

— высокой надёжностью маркировочного оборудования;

Системы электрохимической маркировки позволяют успешно маркировать разнообразные изделия вне зависимости от их размеров, формы (круглые, плоские, криволинейные) и предварительной обработки (закалка, упрочнение, хромирование, никелирование, и т. д.)

В настоящее время применяют более 50-и разновидностей ЭХО. Она наиболее эффективна при изготовлении сложных по профилю деталей из трудно обрабатываемых резанием металлов и токопроводящих сплавов, для обработки рабочих элементов штампов и пресс-форм, формообразования профильной части турбинных лопаток и др.

Электрохимические станки Технологические установки для реализации процесса ЭХО как правило являются узкоспециализированными под определенный технологический процесс, в связи с низкой производительностью (в сравнении с другими методами формообразования: механическая обработка, электроэрозионная обработка) и сложностью процесса. Однако ЭХО обладает рядом уникальных технологических свойств (постоянство формы обрабатывающего электрода, обработка твердых и хрупких токопроводящих сплавов, обработка которых механическими методами резания и шлифования невозможна, или низко производительна, минимальные нагрузки на обрабатываемую заготовку позволяют обрабатывать тонкостенные, ажурные детали, отсутствие измененного слоя в детали после обработки (оплавление, наклеп, термоупрочнение) поверхностного слоя, возможность подвода электрода в труднодоступные полости и отверстия деталей)) которые позволяют осуществлять обработку деталей, неосуществимую другими известными методами обработки.

Широкое распространение электрохимические станки получили в авиационной промышленности. Распространены установки для получения рабочей поверхности пера лопатки турбореактивных двигателей (лопаточные станки), данные станки позволяют получать готовые изделия с минимальным применением доводочных, слесарных операций, требующих больших затрат времени и высококвалифицированного персонала. Именно по этим причинам большинство специализированных электрохимических установок уникально и изготавливается в единичном числе.

Однако, распространены и универсальные электрохимические станки, выпускаемые серийно, как правило, это копировально-прошивочные станки, позволяющие обрабатывать широкую номенклатуру деталей прямым копированием. Данные станки обладают одной координатой Z иногда снабжаются дополнительными координатами (X и Y) для настройки и базирования взаимного расположения электрода и обрабатываемой поверхности в заготовке. Данные станки широко применяются в инструментальной промышленности для обработки штампов, пуансонов и других твердосплавных формообразующих технологических элементов.

1. http://ru.wikipedia.org/Электрохимическая_обработка/

2.Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных специальностей / А. М. Дольский, Т. М. Барсукова, Л. Н. Бухаркин и др.; Под общей ред. А. М. Дольского. — 4-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2002. — 512с.: ил.

3. http://www.ngpedia.ru

4. http://metallicheckiy-portal.ru

5. http://www.newlaser.ru