11.3. Электрохимическая обработка (эхо)

Удаление металла происходит под действием электрического тока в среде электролита без контакта инструмента с заготовкой в результате анодного растворения материала заготовки. В качестве электролита применяются водные растворы хлорида натрия (поваренной соли), нитрата натрия и др., которые дешевы и безвредны для обслуживающего персонала. Растворенный металл уносится из зазора между катодом и анодом потоком электролита. При этом заготовка соединяется с положительным полюсом источника питания электрическим током, инструмент - к отрицательному и является катодом. Как установлено, катод-инструмент в процессе обработки практически не изнашивается, что является одним из достоинств ЭХО.

Сущность растворения материала анода заключается в следующем.

При растворении поваренная соль распадается на положительные катионы Nа⁺ и отрицательные анионы Cl ^- (см. рис.11.9).

Рис.11.9. Схема анодного

растворения металла

Анод-заготовка заряжается положительно, отдав электроны. Последние, взаимодействуя с положительными ионами водорода, движущимися к катоду, приводят к образованию водорода, который выделяется на катоде. В сторону анода, заряженного положительно, движутся отрицательно заряженные ионы гидроокиси ОН ^-, которые взаимодействуют с положительно заряженным металлом анода, образуя гидрат окиси металла Ме(ОН)_n, который не растворяется в воде и выпадает в виде осадка. Движущийся электролит уносит его от анода.

На катоде происходят следующие реакции (см. рис.11.9):

Н₂О + е → Н⁺ + ОН^-, Н⁺ + Н⁺ = Н₂↑

На аноде: Ме - nе → Меⁿ⁺, Меⁿ⁺+ nОН ^- = Ме (ОН)_n↓

2ОН^- - 2e = Н₂О + О^-, О^- + О^-= O₂↑

Согласно первому закону Фарадея

m = εQ,

где m - масса растворенного металла; Q – количество электричества; ε - коэффициент, называемый электрохимическим эквивалентом, мг/А с.

Q = J T,

где J - сила тока; Т - время его прохождения.

m = ε J T, ε = An/F,

где A - атомная масса; n – валентность, F = 96500 А.час - число Фарадея.

Числовые значения ε для различных элементов приводятся в справочниках, для сплавов его можно определить через значение ε_i для входящих в сплав элементов и их массовые содержания. Для сплава

ε_c = 100/ Σ(K_i/ε_i),

где K_i - массовое содержание в процентах i -того элемента в сплаве. Так, для стали 45 ε_c = 0,223 мг/А с, для стали 1Х18Н9Т ε_c = 0,165; титановых сплавов ε_c = 0,158…0,162, алюминиевых сплавов ε_c = 0,092 ... 0,093.

В действительности каждый элемент в сплаве характеризуется определенной скоростью растворения. Неодинаковая скорость растворения различных элементов приводит к образованию шероховатости.

Для практических целей необходимо знать скорость линейного растворения, определяющую скорость сближения электродов, то есть скорость подачи катода-инструмента. Массу растворенного металла можно выразить через площадь S и перемещение электрода-инструмента : m = ρ S ,

где ρ - плотность материала заготовки.

Сила тока определяется J = i S,

где i - плотность тока, А/м².

ρ S = ε i S T.

Скорость линейного растворения

.

Плотность тока

,

где U - напряжение; λ - удельная проводимость; Δ - зазор между электродами; Т – время.

.

Масса растворенного металла всегда меньше вычисленной по формуле Фарадея, так как некоторое количество электричества тратится на побочные реакции, образование газов и вторичные реакции. Эти потери учитываются коэффициентом выхода по току η, определяющимся отношением действительного количества растворенного металла к ожидаемому теоретическому. С учетом сказанного, можно написать

. (11.1)

Коэффициент выхода η при использовании раствора хлорида натрия в зависимости от материала заготовок изменяется в интервале 0,8...0,93. При использовании нитрата натрия при обработке сталей η = 0,6...0,7, для алюминиевых сплавов η = 1,1...1,35, так как к анодному растворению добавляется химическое.

Как было отмечено выше, на аноде выделяется кислород, который приводит к образованию окисной пленки на аноде и уменьшению скорости растворения обрабатываемого материала. Такое явление называется пассивацией анода. Для уменьшения пассивации в раствор вводят активирующие вещества: бром, йод и др. В некоторых случаях для уменьшения и устранения пассивации аноду сообщают механические колебания ультразвуковой частоты, снижающие прочность оксидной пленки, что облегчает ее механическое удаление. Можно также удалить оксидную пленку с помощью абразивного инструмента.

На эффективность ЭХО большое влияние оказывает состав электролита, определяющего его электропроводность и скорость растворения. Для обеспечения высоких технологических показателей необходимо, чтобы, во-первых, в электролите не протекали побочные реакции, снижающие выход по току; во-вторых, чтобы растворение заготовки происходило только в зоне обработки; в-третьих, чтобы на всех участках обрабатываемой поверхности протекал расчетный ток. Скорость протекания электролита через зазор между электродами должна быть достаточной для удаления продуктов растворения (не менее 1...2 м/с). ЭХО производится при низком напряжении и большой плотности тока. Напряжение обычно не превышает 15В. При увеличении напряжения может произойти электрический разряд. В случае струйной подачи электролита напряжение должно быть значительно выше: от 100 до 900 В. Нередко с целью эффективного удаления продуктов растворения на электроды подается импульсное напряжение, когда в период отсутствия напряжения растворение анода не происходит и эффективно отводятся продукты растворения, происходящего в период подачи напряжения.

Как видно из зависимости (11.1), с уменьшением межэлектродного зазора увеличивается скорость анодного растворения. При этом повышается точность обработки. Однако при этом усложняется процесс его регулирования и возрастает сопротивление прокачки электролита через зазор, может произойти пробой - разряд, способный повредить обработанную поверхность. Чем больше площадь обрабатываемой поверхности, тем больше должен быть зазор. Для ЭХО отверстий, для разрезания заготовок применяют зазоры в пределах 0,1...0,3 мм, для крупных заготовок - 0,3...0,5. При струйной подаче электролита зазор может колебаться от 1 до 15 мм.

Точность обработки зависит от погрешности электрода-инструмента, отклонений режима ЭХО от расчетного и от точности самой заготовки. Чем выше точность заготовки, чем меньше начальный зазор; чем больше время обработки, тем выше точность. В настоящее время ЭХО позволяет достигнуть точности при неподвижном электроде со съемом слоя 0,2 мм в пределах 0,01...0,02 мм, при изготовлении пера лопаток в пределах 0,1...0,6 мм, при обработке полостей и разрезании деталей - по 12...14 квалитетам.

Шероховатость поверхности зависит от исходной шероховатости заготовки и равномерности растворения по ее поверхности. Наиболее интенсивно происходит межкристаллитное растворение материала и чем мельче зерно в заготовке, тем меньше шероховатость. При растворении с некоторым уменьшением копируется исходная шероховатость и лишь после снятия слоя толщиной в 6...10 раз превышающего высоту исходной шероховатости последняя перестает оказывать влияние на шероховатость обработанной поверхности. С увеличением плотности тока от 0,05 до 0,2 А/мм² высота неровностей R_Z уменьшается с 10 мкм до 1 мкм. ЭХО позволяет обеспечить шероховатость в пределах R_а = 0,3…2,5 мкм.

ЭХО не оказывает существенного влияния на физико-механические свойства поверхностного слоя: упрочнение не наблюдается, химический состав практически не изменяется, остаточные напряжения не наводятся.

ЭХО производится на соответствующих станках. По структуре эти станки близки к агрегатным. Они имеют стандартные элементы: источник питания электрическим током, насос, ванны для хранения электролита и промывочно-пассивирующих жидкостей, устройства для очистки электролита и систему управления. Механическая часть станка содержит устройства для установки и крепления обрабатываемых деталей, механизмы подачи электродов-инструментов, системы подвода рабочего напряжения и электролита.

Источники питания станков для ЭХО преобразуют переменное напряжение электрической сети в постоянное. Выходное напряжение обычно не превышает 36 В, сила тока может достигать 3000 А. Источники питания могут быть с плавным регулированием силы тока и напряжения, либо со ступенчатым. Они также могут быть электромеханическими и статическими. Первые представляют собой пару - электродвигатель и генератор. Вторые основаны на выпрямительной технике, создаются на селеновых или кремниевых выпрямителях. В основном применяются управляемые выпрямители на теристорных преобразователях. Источник питания включает понижающий трансформатор, напряжение от которого подается на выпрямитель, связанный с блоками регулирования и стабилизации процесса, позволяющей поддерживать заданные параметры независимо от условия обработки. Необходимая сила тока источника питания определяется по формуле

J = VSρ/εη,

где V - расчетная скорость съема металла с заготовки, мм/с; S - площадь рабочей части электрода-инструмента, мм².

Операции ЭХО могут быть разделены на две группы.

1. Операции, выполняемые при невысокой плотности тока в неподвижном электролите

2. Операции, выполняемые при высокой плотности тока в проточном электролите.

ЭХО в стационарном электролите делят на полирование, профилирование, заострение (затачивание) и доводку.

ЭХО в проточном электролите включает операции: профилирование, разрезание, прошивание и калибрование.

Рис.11.10. Схема электрохимического полирования

ЭХО в стационарном электролите является операцией электрохимического шлифования или полирования, производящиеся с целью уменьшения шероховатости обработанной поверхности. Электрический ток, проходя через электролит и электроды 1 и 2 (см. рис.11.10) вызывает растворение преимущественно выступов неровностей. При этом продукты растворения залегают во впадины неровностей, препятствуют растворению металла в этих местах - происходит сглаживание и уменьшение шероховатости поверхности. Чем однороднее обрабатываемый материал, тем меньше шероховатость обработанной поверхности. Электрохимическое полирование может обеспечить шероховатость R_а = 0,1...0,3 мкм. Достоинство ЭХО в стационарном электролите - возможность обеспечения малой шероховатости, недостаток - низкая производительность процесса.

Схема установки для профилирования лопаток турбин показана на рис.11.11. Рабочие поверхности инструментов-катодов 1 эквидистантны обработанной поверхности лопатки 2, которая является анодом. Через зазор между электродами-инструментами и деталью прокачивается электролит.

Рис.11.11. ЭХО лопатки турбины

При обработке в проточном электролите параметры обработки могут выбираться в следующих пределах:

• напряжение на электродах, В 8...24;

• плотность тока, А/см² до 300;

• скорость потока электролита, м/с 1...30;

• межэлектродный зазор, мм 0,1...6;

• давление электролита в зазоре, МПа до 5.

Рис.11.12. Схема электрохимического прошивания

На рис.11.12 показана схема электрохимического прошивания. Через электрод-инструмент 1 в виде трубы, подключенной к отрицательному полюсу источника постоянного тока, прокачивается электролит. Инструмент перемещается в осевом направлении со скоростью V_u, обеспечивающей оптимальную величину зазора между его торцом и обрабатываемой заготовкой 2. Так как этот зазор меньше бокового зазора, то интенсивное растворение анода происходит у поверхности торца.

Анодно-механическая обработка производится при повышенной плотности тока. При этом анодное растворение обрабатываемого материала сопровождается электроэрозионным, что обеспечивает более высокую производительность. В качестве рабочей жидкости применяется раствор жидкого стекла, который является электропроводным.

Рис.11.13. Анодно-механическое затачивание резца

На рис.11.13 показана схема анодно-механического затачивания режущего инструмента - резца. Затачиваемый резец 5 и металлический диск 3 подключены соответственно к положительному и отрицательному полюсам источника тока 1. Диск 3 вращается со скоростью 10...20 м/с. В зону контакта резца и диска из насадки 4 подается рабочая жидкость - раствор жидкого стекла. Напряжение генератора 1 составляет 14…28 В, а плотность тока 1...25 А/см². В процессе заточки резец постоянно прижимается к торцевой поверхности диска.

Анодно-абразивная обработка сочетает два способа удаления припуска: анодное растворение и абразивное срезание слоев материала зернами абразивного токопроводящего круга.

Рис.11.14. Электроабразивное шлифование

Токопроводящий абразивный круг 2 (см. рис.11.14) вращается со скоростью 15...20 м/с и соединен с отрицательным полюсом выпрямителя 1 электрического тока. Обрабатываемая заготовка 5 совершает вращательные движения со скоростью 0,5...1 м/с и возвратно-поступательное движение вдоль своей оси. Она соединена с положительным полюсом источника тока. В зону контакта круга 2 и заготовки из насадки 3 подается рабочая жидкость - раствор жидкого стекла в воде. Напряжение питания 12...30 В, плотность тока 3...30 А/см². Чем выше напряжение и плотность тока, тем больше производительность и ниже качество обработки. Поэтому верхнее значение соответствует черновой обработке - шлифованию, а нижнее - доводке. Круг постоянно прижимается к поверхности обрабатываемой заготовки.