Электрохимическая размерная обработка

Электрохимическая обработка (ЭХО) заключается в получении деталей требуемой геометрической формы, размеров и качества поверхностей путем снятия с поверхности заготовок слоя металла припуска электрохимическим растворением. Электрохимическая обработка основана на явлении анодного растворения металлов при электролизе.

Классификация и схемы процессов ЭХО. Область эффективного применения электрохимической обработки обусловлена следующими технологическими особенностями:

• • способ позволяет обрабатывать только электропроводные материалы;
• • производительность способа не зависит от твердости и прочности обрабатываемых материалов и в несколько раз превосходит производительность обработки резанием заготовок из высокопрочных твердых сплавов, металлокерамики и сталей в закаченном состоянии;
• • способ позволяет обрабатывать поверхности любой формы;
• • в металле обработанной поверхности отсутствуют остаточные напряжения и наклеп.

Недостатком метода является ограничение его применения обработкой только таких электропроводных материалов, которые при растворении не образуют труднорастворимых пленок. Для этих материалов наряду с электрохимическим воздействием требуется механическое или электротермическое воздействие, удаляющее образующиеся оксидные пленки.

Рассмотрим схему процесса ЭХО на примере обработки заготовки из железа в электролите — водном растворе хлорида натрия (рис. 32.6). Заготовка 4 подсоединяется к положительному полюсу источника питания 3 и является анодом («+»), а инструмент к отрицательному полюсу и является катодом («—»).

В электролите 2 молекулы вещества диссоциируют на электрически заряженные ионы Na⁺ и СГ, а ионы растворителя — на ионы Н⁺ и ОН^-. Когда к металлическим электродам, погруженным в электролит, прикладывают разность потенциалов, положительно заряженные ионы (катионы) движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы (анионы) — к аноду, в результате электрическая.

Рис. 32.6. Условная схема ЭХО:

1 — электрод-инструмент; 2 — электролит; 3 — источник питания постоянного (периодического) тока; 4 — обрабатываемая заготовка (анод); 5 — шлам; 5j_f 62 — зазоры МЭП; ДZ_max, AZ_mj_n — соответственно максимальное и минимальное значения припуска на обработку; v₃ — скорость прокачки электролита через МЭП.

Рис. 32.7. Кинематическая схема операций ЭХО:

а — объемное копирование; б — прошивание; в — отрезка; г — калибрование; д — вырезка; 1 — ЭИ; 2 — заготовка; 3 — подача электролита цепь замыкается. При этом перенос электрических зарядов в металлических проводниках осуществляют электроны, а в электролите — ионы. Изменение носителей заряда в электрической цепи происходит на поверхности электродов, погруженных в электролит.

На аноде под действием электрического поля электроны перемещаются к источнику питания, «оттягиваясь» от поверхности анода внутрь металла, облегчая непосредственное взаимодействие молекул воды с положительными ионами решетки металла анода.

Это явление нарушает межатомные связи в приповерхностном слое металла и обусловливает переход положительных ионов металла в электролит — растворение анода. В электролите ионы металла анода образуют гидроксид металла Fe (OH)2, который выпадает в осадок в виде шлама и уносится движущимся электролитом со скоростью прокачки v₃.

Кинематические схемы (рис. 32.7) операций ЭХО во многом схожи с кинематическими схемами процессов электроэрозионной обработки, но имеют некоторые особенности. Так, некоторые операции ЭХО, нс требующие съема больших объемов металла, такие как полирование, калибрование и маркирование, выполняются при неподвижных электродах. Стрелками указаны направления подачи инструмента и заготовки, а также направления движения электролита в межэлектродном зазоре.

Основные процессы и параметры ЭХО. Основным электрохимическим процессом ЭХО является процесс растворения анода.

Линейная скорость растворения, характеризующая производительность ЭХО, определяется из первого закона Фарадея. После ряда преобразований, учитывающих реальный процесс электролиза, уравнение для линейной скорости растворения анода принимает следующий вид:

где k_v — объемный электрохимический эквивалент растворяемого вещества; ае_эф — эффективная удельная электрическая проводимость электролита; г|_а — коэффициент, учитывающий потери тока на нагрев электролита и др.; U_:> — напряжение, приложенное к электродам; Дер — сумма электродных потенциалов поляризации анода и катода; б — межэлектродный зазор (МЭЗ) в рассматриваемом участке МЭП между поверхностями электродов, измеренный по нормали к обрабатываемой поверхности.

Из уравнения (32.2) можно сделать следующие выводы.

• 1. Скорость растворения участков анода, при прочих равных условиях, обратно пропорциональна значению МЭЗ на этих участках: 1>_лу/г)_л2 = 82/61. Этим объясняется выравнивание поверхности анода в МЭП при ЭХО и повышение производительности обработки с уменьшением зазора. Минимально допустимым зазором при ЭХО принят зазор 0,02 мм.
• 2. При подаче напряжения на электроды растворение анода идет с разной скоростью, но по всей обрабатываемой поверхности, что осложняет получение деталей с требуемой точностью размера и формы.
• 3. Скорость растворения зависит от электрической проводимости электролита, поэтому факторы, влияющие на электрическую проводимость, определяют производительность ЭХО.
• 4. Скорость растворения возрастает с увеличением напряжения. Однако экспериментально установлено, что при (/_э = 30 В происходит электрический пробой зазоров, используемых при ЭХО, поэтому обработка ведется при напряжении -15 В.

Электролиты. Электрическая проводимость электролита зависит от его состава и происходящих в электролите явлений. Наиболее распространенными электролитами при ЭХО являются нейтральные водные растворы неорганических солей: хлориды, нитраты и сульфаты натрия и калия. Приготовление электролитов требуемого состава и концентрации относится к основной операции ЭХО. Оптимальные значения концентраций, обеспечивающих максимальное значение электрической проводимости электролита заданного состава, приводятся в справочной литературе. Например, максимальная электрическая проводимость электролита NaOIT обеспечивается при его концентрации в воде, равной 15%.

Концентрация электролита в процессе ЭХО может изменяться из-за образующегося шлама, нарушая при этом процесс и снижая его производительность. Постоянство концентрации электролита обеспечивается технологически — его очисткой. Для этого используются методы центрифугирования (воздействия центробежных сил), фильтрования с помощью пористых материалов, отстаивания в специальных резервуарах и флотации — очистки всплывающими пузырьками газа или воздуха.

Па электрическую проводимость электролита существенное влияние оказывает сопутствующий электролизу нагрев электролита проходящим током. Так, нагрев электролита из водного раствора солей на один градус увеличивает его электрическую проводимость на 2—2,5%. Поэтому при ЭХО для выведения шлаков и выравнивания температуры электролита применяют прокачку электролита через МЭП под давлением. Необходимая скорость течения электролита v₃ определяется из условия удаления продуктов электролиза со скоростью, превышающей скорость их образования, и технологически задается давлением вводимого в раствор электролита. Для стабилизации температуры электролита в станках ЭХО применяют теплообменники с автоматическими терморегуляторами, встроенными в систему подачи электролита.

Точность размеров и формы деталей при ЭХО определяется точностью электрода-инструмента и точностью его положения при обработке относительно оси его главного движения, неравномерностью Z припуска заготовки и стабильностью всех параметров режима, ответственных за процесс электрохимического растворения.

Во всех случаях ЭХО подвижным и неподвижным инструментом форма и размеры обрабатываемых поверхностей определяются как сумма или разность размеров ЭИ и межэлектродного зазора соответственно для наружных и внутренних поверхностей. Поэтому их точность зависит от точности ЭИ и стабильности зазора в процессе обработки. В процессе обработки ЭИ не изнашивается, однако, находясь в электролите, он может корродировать, поэтому рабочую часть электродов изготавливают из нержавеющей стали, а при изготовлении электродов сложной формы используют хорошо обрабатываемые коррозионностойкие медные сплавы — латунь и бронзу. Поверхность ЭИ обрабатывается с точностью, на два класса превышающей требуемую точность обрабатываемой заготовки.

Величина зазора (6) оказывает влияние на точность обработки. Снижение величины зазора до минимально допустимого (0,02 мм) обеспечивает наибольшую точность. Стабильность величины зазора в процессе ЭХО обеспечивается стабилизацией напряжения на электродах (v₃)_y концентрации электролита и скорости подачи инструмента (v") за счет автоматизации процесса и применения специальной апаратуры. Так, постоянство заданного напряжения обеспечивается стабилизатором напряжения; скорость подачи прецизионным приводом подачи и системой ее регулирования;

температура — теплообменниками с терморегуляторами; концентрация электролита — прокачкой и очисткой электролита.

Снижение наследственного влияния неравномерности припуска AZ на точность формы заготовки решается технологическими методами. Во-первых, повышением точности исходных заготовок, выполняемых методами литья, ОМД и порошковой металлургии. Во-вторых, увеличением припуска на обработку, в 6—9 раз превышающего исходную погрешность AZ_min. В этом случае обеспечивается условие для выравнивания всей обрабатываемой поверхности, но тем не менее метод обеспечивает точность формы не выше 0,1 мм.

Шероховатосжъ поверхности и эксплуатационные свойства. Шероховатость обработанных ЭХО поверхностей определяется процессами растворения электрода, удаления шлама, исходной шероховатостью и фазовым составом материала заготовки.

Повышение анодной плотности тока, увеличение скорости прокачки электролита под большим давлением и снижение его температуры повышают чистоту обработанной поверхности.

Процесс ЭХО не оказывает на обрабатываемую поверхность ни температурного, ни силового воздействия, в поверхностных слоях отсутствуют остаточные напряжения и нс происходят структурные изменения. Поэтому ЭХО обеспечивает высокое качество поверхностеи с шероховатостью в диапазоне v — V. Эксплуатационные свойства поверхностей находятся на уровне свойств материала.

Однако при значительной химической и фазовой неоднородности обрабатываемых материалов наблюдается явление растравливания границ зерен и фаз на глубину до 0,01 мм. В этом случае эксплуатационные свойства детали, чувствительные к надрезу (циклическая, ударная прочность), снижаются на 5—10%.

К параметрам режима ЭХО относятся напряжение на электродах, ток, скорость подачи ЭИ, величина межэлектродиого зазора, давление прокачиваемого электролита и его состав. В качестве оборудования для размерной ЭХО используются станки, которые состоят из источника тока в виде выпрямителя (ток 5000—30 000 А); электрохимической ячейки, в которой происходит анодное растворение обрабатываемого материала; системы прокачки электролита с устройствами для термостабилизации и очистки; системы подачи катода, поддерживающей постоянным значение МЭП. Процесс ЭХО обеспечивает широкое регулирование режимов от черновых до чистовых без съема детали со станка.

В современных станках процессом обработки управляет система ЧПУ. Она задает и контролирует значения напряжения и тока, постоянство рабочего зазора, скорость и концентрацию потока электролита. Универсальные электрохимические станки позволяют обрабатывать поверхности площадью 600 см² и более с точностью ±(0,1—0,3) мм и производительностью по стали 5—25 см³Дшн.

Примеры технологических операций ЭХО. Заготовительные операции. Методы ЭХО используют для резки заготовок из труднообрабатываемых жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов и высокопрочных сталей. Дисковым и ленточным металлическим инструментом разрезают ленточный прокат, а вырезку фасонных заготовок из листа выполняют па станках с ЧПУ (см. рис. 32.7, д). Положительной особенностью способа является отсутствие на заготовке заусенцев.

Формообразующие операции широко применяют при изготовлении деталей методами копирования, электрохимического точения и прошивания (рис 32.7, а —в).

Объемным копированием получают лопатки турбин из жаропрочных и титановых сплавов; рабочие элементы ковочных штампов и пресс-форм из высокопрочных инструментальных сталей; глухие полости, отверстия сложной формы в машиностроительных и приборных деталях из труднообрабатываемых металлов и сплавов (точность обработки ±0,1 мм).

Электрохимическое калибрование выполняют при подвижном и неподвижном ЭИ (рис. 32.7, г). Например, при использовании ЭХО после механической обработки шнеков точность формы и размеров винтовых поверхностей возросла в 3—4 раза, а шерохо;

0.1 г- 1.8,;

ватость снизилась до v — «V .

Отделочные операции (удаление заусенцев и полирование поверхностей) выполняют при неподвижных электродах. ЭХО позволяет удалять заусенцы в труднодоступных местах, например во внутренней полости при пересечении отверстий, полученных сверлением.

Электрохимическое полирование улучшает микрогеометрию деталей, снижая се шероховатость на 2—3 класса, увеличивает прочностные характеристики обработанной поверхности, придает ей зеркальныи блеск, получая шероховатость v .

Процесс широко используется при изготовлении ответственных деталей, металлической оптики и подготовке поверхности для нанесения покрытий.