Глава 2. Виды обработки, основанные на электрохимическом воздействии на обрабатываемый материал

2.1. Физические основы технологических процессов электрохимической обработки заготовок

1. Общие сведения об электрохимической обработке

Честь открытия почти всех известных в настоящее время про­цессов, в которых использовано электрохимическое воздействие на заготовку, принадлежит русским и советским ученым. Известный русский химик Е. И. Шпитальный еще в 1911 г. разработал процесс электролитического полирования.

В 1928 г. В. Н. Гусев применил этот процесс для размерной обработки станин крупных металлорежущих станков. Катодом служила шабровочная плита, установленная над обрабатываемой поверхностью. Промежуток между катодом и анодом (заготов­кой) заполняется элктролитом. Анодная поверхность в процессе обработки покрывалась слоем продуктов растворения, и скорость съема металла с анода быстро падала. Катод-плиту на время уби­рали и ручным инструментом удаляли слой продуктов. Такой способ обработки был очень трудоемким и медленным. В. Н. Гу­сев и Л. А. Рожков предложили уменьшить расстояние между элек­тродами до десятых долей миллиметра, а электролит принуди­тельно прокачивать через межэлектродный промежуток. Это было рождением нового вида обработки - размерной электрохимической обработки (ЭХО).

Под размерной электрохимической обработкой понимают процесс получения из заготовки детали требуемой формы и размеров за счет анодного растворения металла.

Полученные в годы Великой Отечественной войны результа­ты по изучению основных физико-химических закономерностей процессов не утратили своего значения и до настоящего времени. В 1948 г. была создана электрохимическая установка для изготов­ления отверстий в броневой стали. Тогда же были проведены пер­вые опыты по обработке турбинных лопаток. В. Н. Гусев трижды удостаивался звания лауреата Государственной премии СССР.

Значительные успехи в развитии теории и совершенствовании технологии были достигнуты благодаря работам Ю. Н. Петрова, И. И. Мороза, Л. Б. Дмитриева, В. Д. Кащеева, Д. Я. Длугача, В. В. Лю­бимова и др.

2. Основные закономерности анодного растворения металлов

Удаление металла при размерной электрохимической обра­ботке (ЭХО) происходит под действием электрического тока в сре­де электролита без непосредственного контакта между инструмен­том и заготовкой. В основе процесса лежит явление анодного растворения металлов.

Анодное растворение может протекать в электролитах раз­личного состава, в том числе в неагрессивных электролитах - вод­ных растворах хлорида натрия, нитрата натрия и др. Эти соли де­шевы и безвредны для обслуживающего персонала.

Под действием тока в электролите материал анода растворя­ется и в виде продуктов обработки выносится из промежутка пото­ком электролита. В результате реакций образуются газообразные продукты, которые удаляются в атмосферу. Катод, который служит инструментом, не изнашивается, что является одной из положи­тельных особенностей процесса ЭХО.

При растворении в воде молекулы (например, солей) распа­даются на положительные (катионы) и отрицательные (анионы) ионы. Молекулы воды поляризуются и располагаются в виде сфе­ры вокруг какого-то центрального иона (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Схема растворения в воде молекулы солей

Если электроды погружены в электролит, то на их поверхно­сти протекает обратимая реакция

Ме —*• Ме"⁺ + пе,

где п - валентность металла;

Ме"⁺ - ион в растворе; е - электрон.

На поверхности металла возникает положительный заряд, и к нему притягиваются отрицательно заряженные ионы из раствора. На границе электролита с металлом образуется так называемый двойной электрический слой (рис. 2.2), подобный тому, какой воз­никает на обкладках конденсатора. Один слой представляет по­верхностные зарвды в металле (+), другой - ионы в растворе (-). За счет этого на электродах возникают скачки электрического потен­циала.

Рис. 2.2. Схема образования двойного электрического слоя на границе электролита с металлом

Протекание процесса ЭХО становится возможным, если при­ложить внешнее напряжение, превышающее разность ср_а- ф_г, где <р_а скачок потенциала на аноде, а - скачок потенциала на катоде.

При подаче напряжения на электроды равновесный потен­циал изменяется. На аноде из-за отвода электронов источником питания значительно облегчается переход катионов металла в раствор (рис. 2.3).

Перешедшие в раствор катионы металла вступают в реакцию с ионами электролита и образуют нерастворимый осадок.

	©	- _ -А-
—		' — -ГЩр:	п !	-
-				_
-		-(ЙЗНЗР)-		-

Рис. 2.3. Схема перехода катионов металла в раствор

На аноде справедлива следующая схема перехода металла в нерастворимый гидроксид:

Ме — пе —► Ме"⁺,

Ме"* + лОН~ — Ме (ОН)_я|.

Первое уравнение описывает процесс отвода электролита с анода и переход катиона металла в раствор, второе - отражает ре­зультаты сложного процесса с образованием гидрата окиси металла.

Одновременно образуется молекулярный кислород:

20Н'-2е-> Н₂0 + 0',

о' + о‘—► 0₂|.

На катоде происходит ускоренное разложение молекул воды с выделением молекулярного водорода:

Н₂0 + е -+ НҐ + ОН”,

Н‘+Н' -»Н₂Т.

Таким образом, в результате реакции на катоде выделяется газ (водород), на аноде - осадок (гидроксид металла) и газ (кислород).

Продукты обработки выносятся потоком электролита из про­межутка. При большой силе тока возможны также и другие реак­ции, в ходе которых на поверхности анода могут образовываться оксиды. Они снижают скорость растворения металла с заготовки и ухудшают ее обрабатываемость.

Процесс электрохимической обработки, использующий анод­ное растворение, описывается законом Фарадея

т ~г\аИ, (2.1)

где т — масса растворенного материала;

а - электрохимический эквивалент растворяемого материала; /-ток между электродами;

/-время;

т] - выход по току.

Электрохимический эквивалент прямо пропорционален атомному весу металла А_э и обратно пропорционален валентности, с которой он переходит в раствор.

Электрохимический эквивалент элемента а рассчитывается по формуле

где /^г- число Фарадея, равное 26,8 А-ч.

Значения электрохимических эквивалентов приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Электрохимические эквиваленты некоторых металлов

Материал	Валент­ ность	Электрохими­ ческий эквивалент		Материал	Валент­ ность	Электрохи­ мический эквивалент
Вольфрам	6	1,140		Молибден	3	1,190
	8	0,860			4	0,894
Железо	2	1,040			6	0,598
	3	0,694		Никель	2	1,100
Кобальт	2	1,100			3	0.730
	3	0,746		Титан	3	0,594
Марганец	2	1,03			4	0,450
	4	0,512		Хром	2	0,973
	6	0,340			3	0,650
	7	0,294			6	0,323

Электрохимический эквивалент сплава а_с рассчитывается по формуле

100 2^/а,

где с, — процентное содержание /-го элемента в сплаве;

а, - электрохимический эквивалент /-го элемента.

Выход по току - безразмерная величина, которая учитывает отклонение реального процесса от идеального анодного растворе­ния. Выход по току при электрохимической обработке зависит от условий, при которых реализуется процесс, от состава электролита, степени его загрязнения продуктами реакций, температуры, плот­ности тока и других факторов. На практике выход по току опреде­ляется экспериментально для конкретных условий обработки.

Скорость анодного растворения и_р обычно выражается в мм/мин. Подставляя в формулу (2.1) выражение для массы раство­ренного вещества

где р_м - плотность материала;

2 - толщина растворенного припуска;

5 - площадь обработки, и переходя к бесконечно малым величинам, получаем формулу для определения скорости анодного растворения

сЬ а .

и = — = ц—I, (2.2)

а#

где I - плотность тока.

Напряжение на электродах и складывается из падений на­пряжения в электролите и₃ и в приэлектродных областях ф_Е и на­зывается суммарным потенциалом поляризации.

Суммарный потенциал поляризации складывается из потен­циала поляризации анода ф* падения напряжения в диффузионном анодном слое Д[/_а, вызванного различной концентрацией реаги­рующих веществ и продуктов растворения в диффузионном слое и основном потоке электролита, падения напряжения в диффузион­ном катодном слое АО* и потенциала поляризации катода <р*

« = +Ф_Е = Ф. =АО_а+АС/,+ф,. (2.3)

Падение напряжения в электролите рассчитывается по фор­

муле

и=1Я,

где - сопротивление электролита между электродами. Учитывая, что Л, = а/%Б, получаем

(2.4)

где а - расстояние между электродами;

X - удельная электропроводность электролита.

Подставляя (2.3) и (2.4) в (2.2), получаем скорость анодного растворения

%а{и~ф_Е) А

ир = ті

Рио

где А — характеристика режима.

Значения удельной электропроводности электролитов, наибо­лее часто применяемых при электрохимической обработке, приве­дены в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Значения удельной электропроводности электролитов

Электролит	Удельная электропроводимость (Ом'см'1) при концентрации. %
	5	10	15	20
КС)	0,069	0.136	0,202	0,268
ЫаС1	0,067	0,121	0.164	0,196
кш3	0,045	0,084	-
ЫаЖ)3	0,0436	0,0782	0,1041	0,130 і
Ка2804	0,041	0.069	0,089	~ і

Потенциал поляризации наиболее полно характеризует про­цессы, происходящие при электрохимической обработке. Зависи­мость плотности тока от потенциала поляризации называется поляризационной характеристикой. Поляризационная характе­ристика определяется экспериментально и зависит от обрабаты­ваемого материала, состава электролита, его температуры и других параметров процесса. Типичная поляризационная характеристика приведена на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Пример поляризационной характеристики

Участок АБ кривой соответствует активному анодному рас­творению. Для этого участка характерна почти пропорциональная связь между плотностью тока и приложенным напряжением к электродам. Для некоторых материалов и электролитов характерно пассивное состояние, при котором на анодной поверхности образу­ется окисная пленка, оказывающая экранирующее воздействие и приводящая к росту потенциала поляризации и снижению плотно­сти тока. Пассивация может наступить также из-за образования на поверхности металла адсорбционных слоев из продуктов растворе­ния. Точка В кривой и ф„ характеризуют начало пассивации. Уча­сток ГД соответствует полной пассивации.

В ряде случаев возможна активация пассивного состояния, при котором разрушается пассивная пленка и процесс снова пере­ходит в активный. Активации соответствует точка Е кривой и ф„т. Такое состояние называется транспассивным, и ему соответствует участок ЕИ.

Электрохимическая обработка в зависимости от вида поля­ризационной характеристики может осуществляться в активном, пассивном ■ транспассявном состояниях.

Формирование микроповерхности в активном состоянии.

При анодном растворении в активном состоянии из-за структурной неоднородности материала распределение плотности тока нерав­номерно. На границах зерен и прослойки плотность тока больше,

чем в середине зерна. Поэтому растворение границ происходит более интенсивно, что приводит к их скругленню. Толщина прослойки зна­чительно меньше размеров зерен, поэтому растворение ее происхо­дит практически одновременно с растворением границы зерен, и микроповерхность приобретает вид, показанный на рис. 2.5, где 1 - зер­но, 2 - прослойка. Высота микронеровностей по параметру /?₂ при растворении в активном состоянии составляет обычно

1. .1,2 мкм. Высота микронеровностей существенно зависит от раз­меров зерен и с уменьшением размера зерна уменьшается.

2

Рис. 2.5 Вид микроповерхности при анодном растворении в активном состоянии

Формирование микроповерхности в транспассивном со­стоянии. В транспассивном состоянии обрабатываются титановые сплавы, например сплав ТС-5 в растворе №ЫОэ. При анодном рас­творении в начальный момент на поверхности титана (рис. 2.6) происходит интенсивный рост окисной пассивной пленки /, вслед­ствие чего снижается плотность тока и увеличивается потенциал поляризации. Дальнейшее повышение потенциала поляризации приводит к активации анодной поверхности в результате местных разрушений 2 пассивной пленки и к образованию очагов 3 с актив­ным состоянием поверхности.

2

3

Рис. 2.6. Вид микроповерхности при анодном растворении в транспассивном состоянии

Вследствие развития очагов и дальнейшего разрушения пас­сивной пленки обрабатываемая поверхность постепенно переходит полностью в активное состояние. Этот переход сопровождается нарастанием плотности тока и резким ухудшением качества по­верхности А_г = 200...300 мкм. В дальнейшем механизм формирова­ния микроповерхности полностью соответствует процессу при ак­тивном анодном растворении.

3. Классификация электрохимических методов обработки

Электрохимические методы по способу съема материала и удаления продуктов обработки из рабочей зоны можно разделить на три основные группы.

1. Электрохимическая обработка (аиодно-гидравлнческая) - материал растворяется в активном состоянии, продукты растворе­ния удаляются потоком электролита.

2. Анодно-абразивная обработка - совмещенный способ об­работки, при котором наряду с электрохимическим растворением происходит механическое резание материала абразивными зерна­ми. Растворение материала возможно как в активном, так и в пас­сивном состоянии. Продукты обработки удаляются потоком элек­тролита и инструментом.

3. Анодно-механическая обработка - растворение происхо­дит в пассивном состоянии, инструмент оказывает депассивирую­щее воздействие на обрабатываемую поверхность. Продукты обра­ботки удаляются в основном либо инструментом, либо абразивом.

На рис. 2.7 приведена такая классификация с указанием ос­новных технологических операций, выполняемых с помощью дан­ных методов. Разновидности ЭХО значительно отличаются по тех­нологическим возможностям и областям применения.

1. Электрохимическая (анодно-гидравлическая) обработка фасонных поверхностен. Способ электрохимической размерной обработки (ЭХО) в проточном электролите предложен в 1928 г.

В. Н. Гусевым. При электрохимической обработке на обрабаты­ваемую анод-деталь и катод-инструмент, находящиеся в электро­лите, подается напряжение порядка 12 В от источника постоян­ного тока. В качестве электролита используются преимущественно растворы нейтральных солей ШС1 и ИаШз. Материал растворя­ется в активном состоянии. Продукты растворения - газы, окислы

	Анодно­ абразивная		Анодно-механическая

Электрохимическая

(анодно-гидравлическая)

С подвижными или

неподвижными

электродами

Обработка фасонных полостей и прошивка отверстий

С вращающимся катодом- инструментом

Операции, аналогичные плоскому и фасонному фрезерованию

С вращающимся абразивным кругом на токопроводящей связке

Плоское и профильное шлифование

С абразиво- несущим электролитом

Зачистка

фасонных

поверхностей

Галтовка

Чистовая

обработка

Полирование

плоскостей

Полирование тел вращения

Черновая

обработка

Разрезка

Обработка

тел

вращения

Шлифование тел вращения

Обработка тел вращения

Снятие

заусенцев

Хонингование

Заточка

инструмента

I

Маркировка

Разрезка

диском

Рис. 2.7. Классификация электрохимических методов обработки

и гидраты окислов - удаляются из межэлектродного промежутка потоком электролита, скорость которого 10-15 м/с. Зазор между электродами во время обработки составляет 0,05...0,5 мм. Плот­ность тока при этом достигает 20-100 А/см², а ток в зависимости от площади обработки - 10 000 А. При этих условиях скорость рас­творения может достигать 5 мм/мин при = 1,5...5 мкм. Точность копирования формы катода-инструмента на детали достигает 0,05...0,3 мм. Обработка осуществляется без силового воздействия инструмента на деталь, катод-инструмент практически не изнаши­вается.

Процесс формообразования поверхности происходит сле­дующим образом. В начале обработки участки профиля катода- инструмента расположены на различных расстояниях от обрабаты­ваемой поверхности. Где меньше зазор, там больше плотность то­ка, там выше скорость растворения. В результате такого неравно­мерного распределения скоростей растворения зазоры между элек­тродами постепенно выравниваются и поверхность детали приоб­ретает форму, близкую к форме катода-инструмента.

ЭХО целесообразно применять для обработки деталей из жа­ропрочных, титановых и других высокопрочных сталей и сплавов, скорость резания которых не превышает 10 м/мин. В ряде случаев ЭХО оказывается эффективной при обработке деталей из обычных конструкционных материалов, но имеющих сложную форму. Эго объясняется тем, что при ЭХО происходит копирование формы ин­струмента на детали сразу по всей поверхности.

Основные технологические операции, выполняемые ЭХО, - прошивание сквозных и глухих отверстий как круглых, так и фа­сонных, изготовление фасонных полостей. Преимущественная об­ласть применения - изготовление ковочных штампов и пресс- форм, изготовление деталей сложной формы, таких как турбинные лопатки, винтовые поверхности, а также удаление заусенцев, клеймение и маркирование.

Перед электрохимической обработкой детали, как правило, обезжириваются для удаления масла, эмульсии и других жировых загрязнений. После обработки остатки электролита с детали смы­ваются проточной водой или в ультразвуковой ванне. Для предо­хранения от коррозии детали пассивируют.

Схема прошивания углублений, полостей, отверстий приве­дена на рис. 2.8, а. При такой схеме электрод-инструмент 1 имеет одно рабочее движение - поступательное перемещение со скоро­стью и„ к детали. Система регулирования зазора поддерживает по­стоянный межэлектродный зазор 5 (т. е. имеет место стационарный режим).

а

б

Рис. 2.8. Схемы прошивания углублений, полостей, отверстий

Через межэлектродный промежуток прокачивают электролит со скоростью и_э. В заготовке иногда предусматривают технологи­ческие отверстия для подвода и отвода электролита и продуктов обработки.

Схема получения отверстий струйным методом приведена на рис. 2.8, б. Электрод-инструмент состоит из токоподвода 1, омы­ваемого потоком электролита. Токоподвод находится внутри кор­пуса 3 из изоляционного материала. Электролит создает токопро­

водящий канал между токоподводом 1 и заготовкой 2. В месте кон­такта жидкости с обрабатываемой поверхностью материал заготов­ки растворяется и образуется углубление. По мере увеличения глу­бины отверстия корпус 3 сближают с заготовкой 2. Процесс идет достаточно быстро только при высоких напряжениях (до несколь­ких сотен вольт). Так получают отверстия диаметром 1,5...2,0 мм и вырезают контуры деталей сложной формы.

Схемы обработки наружных и внутренних поверхностей при­ведены на рис. 2.9. При такой схеме электрод-инструмент 1 выпол­няет роль резца, но, в отличие от обработки на токарных станках, он не имеет механического контакта с заготовкой 2, а находится от нее на расстоянии я. Электрод-инструмент может двигаться как поперек заготовки со скоростью о„ (рис. 2.9, а), так и вдоль нее со скоростью и_и' (рис. 2.9, б). Межэлектродный зазор 5 может под­держиваться диэлектрическими прокладками 3.

а

б

Рис. 2.9. Схемы обработки наружных и внутренних поверхностей

Схема протягивания наружных и внутренних поверхностей в заготовках, имеющих предварительно обработанные поверхности, по которым можно базировать элекггрод-инструмент 1, приведены на рис. 2.10. Его устанавливают относительно заготовки 2 с помо­щью диэлектрических элементов 3. Электрохимическое протягива­ние осуществляют при продольном перемещении (иногда с враще­нием) инструмента со скоростью и„. По такой схеме выполняют чистовую обработку цилиндрических отверстий, нарезание резьб, шлицев, винтовых канавок.

Рис. 2.10. Схема протягивания наружных и внутренних поверхностей

в заготовках

Схемы разрезания заготовок приведены на рис. 2.11. Инстру­ментом может быть вращающийся диск 1 (рис. 2.11, а) или прово­лока 1 (рис. 2.11, б).

а

6

+

Рис. 2.11. Схемы разрезания заготовок

Инструменты подают к заготовке 2 со скоростью о_и. При этом необходимо сохранять постоянным зазор Б. По этой схеме выпол­няют пазы, щели, подрезку нежестких деталей, например пружин.

Схема шлифования с использованием вращающегося метал­лического инструмента 1 цилиндрической формы, который посту­пательно движется вдоль заготовки 2 со скоростью и„, приведена на рис. 2.12.

Электрохимическое шлифование используют в качестве окончательной операции при изготовлении пакетов пластин из магнитомягких материалов, когда при обработке недопустимы ме­ханические усилия, а также для изготовления деталей из вязких и прочных сплавов.

Наиболее широкое промышленное применение ЭХО нашла при обработке сложных поверхностей, например, таких как у пера турбинной лопатки (рис. 2.13). Заготовка 2 устанавливается в гер­метичном контейнере 3 и обрабатывается одновременно с двух сторон двумя катодами-инструментами 1.

Рис. 2.13. Применение ЭХО при обработке пера турбинной лопатки

Штампованную заготовку предварительно обрабатывают меха­нически: обрезают облой, удаляют окалину, подрезают входные и выходные кромки, подготавливают базовые поверхности для креп­ления. Точность ЭХО подобных деталей составляет 0,2...0,3 мм и в большинстве случаев исключает слесарную доводку, что экономиче­ски выгоднее обработки на копировально-фрезерных станках или на другом оборудовании при объеме партии более 100 шт.

ЭХО сложных поверхностей типа гравюр ковочных штампов, пресс-форм, литейных форм и им подобных проводится после тер­мообработки и шлифования базовых поверхностей. Припуск под окончательную слесарную доводку определяется точностью и обычно не превышает 0,3...0,4 мм. ЭХО штампов экономически целесообразно при объеме партии свыше 35...40 штук в год.

Установка для электрохимической обработки фасонных по­верхностей копировально-прошивочного типа (рис. 2.14) представ­ляет собой комплекс оборудования, включающий собственно ста­нок 3, источник технологического тока 2 с токоведущими шинами, систему стабилизации и контроля технологических параметров, систему подачи и очистки электролита.

Рис. 2.14. Установка для электрохимической обработки фасонных поверхностей копировально-прошивочного типа

Насосный агрегат 6 осуществляет подачу электролита в зону обработки и возвращение его в баки 4. Установка имеет приточно­вытяжную вентиляцию 5, обеспечивающую безопасную концен­трацию водорода. Для защиты от разбрызгивания электролита об­работка ведется в закрытой камере 1.

Электрохимический метод позволяет эффективно удалять за­усенцы любых размеров, в том числе расположенные в труднодос­тупных местах, а также совмещать травление заусенцев с опера­циями по доводке и калибровке. Локальность процесса достигается благодаря работе на малых зазорах, применению катодов в виде узких ленточек, повторяющих конфигурацию обрабатываемых кромок, и изоляции нерабочих участков катода и анода.

Для съема заусенцев в местах сопряжения двух отверстий (рис. 2.15) электролит через полый катод-инструмент 3 с изоляцией 2 попадает в зону обработки, а затем через отверстия в аноде- детали 1 возвращается в баки.

Рис. 2.15. Схема обработки для съема заусенцев

Качество съема заусенцев, равномерности и плавности скруг­лення и шероховатости поверхности на кромках весьма высокое. Отсутствие износа катода-инструмента и использование непод­вижных электродов в процессе обработки создают благоприятные условия для автоматизации.

Клеймение и маркирование деталей, например, электрохими­ческое маркирование по трафарету, производится следующим об­разом (рис. 2.16). Маркируемую деталь 5 устанавливают на кон­тактной плите /, присоединенной к положительному полюсу ис­точника питания. К отрицательному полюсу присоединяют элек­трод 2 маркера. Электрод маркера покрыт прокладкой 3 из сукна, войлока или другого материала, смоченного электролитом. На про­кладку накладывается трафарет 4, в котором вырезаны требуемые для маркирования знаки. При легком прижатии маркера к детали электролит из прокладки заполнит вырезы в трафарете.

Рис. 2.16. Схема электрохимического маркирования по трафарету

При включении тока происходит анодное растворение по­верхности детали в открытых местах трафарета.

При электрохимической бестрафаретной маркировке изготав­ливают из металла гравированием катод-инструмент, у которого промежутки между знаками заполнены изолирующей пластмассой. В этом случае для маркирования поверхность детали смачивают электролитом и устанавливают катод-инструмент с незначитель­ным зазором.

Маркирование может производиться как на постоянном, так и на переменном токе напряжением от 6 до 20 В. В зависимости от режима маркирования глубина клеймения может достигать не­скольких десятых долей миллиметра или определяться только толщиной темной оксидной пленки в 2—3 мкм. Время маркирова­ния при нанесении оксидной пленки составляет 1-2 с. При глубо­ком маркировании время определяется глубиной клейма и может достигал. 25 с.

2. Анодно-абразивная обработка. Анодно-абразивное шли­фование осущесталяется абразивными кругами в среде электролита при прохождении электрического тока (рис. 2.17).

гг