СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1 Историческаясправка
2 Методыразмерной электрохимической обработки
3 Теоритическиеосновы электрохимического процесса формообразования
4 Особенностирабочих процессов физико-химических методов
Используемая литература
ВВЕДЕНИЕ
В современноммашиностроении возникают технологические проблемы, связанные с обработкой новыхматериалов и сплавов (например, жаро и кислотостойкие, специальные никелевыестали, тугоплавкие сплавы, композиты, неметаллические материалы: алмазы,рубины, германий, кремний, порошковые тугоплавкие материалы и т.п.) форму исостояние поверхностного слоя которых трудно получить известными механическимиметодами.
К такимпроблемам относится обработка весьма прочных или весьма вязких материалов,хрупких и неметаллических материалов (керамика), тонкостенных нежесткихдеталей, а также пазов и отверстий, имеющих размеры в несколько МКМ; получениеповерхностей деталей с малой шероховатостью, и очень малой толщиной дефектногоповерхностного слоя.
В этих условиях,когда возможность обработки резанием ограничены плохой обрабатываемостьюматериала изделия, сложностью формы обрабатываемой поверхности или обработкавообще невозможна, целесообразно применять электрофизические иэлектрохимические методы обработки. Их достоинства следующие:
1) механическиенагрузки либо отсутствуют, либо настолько малы, что практически не влияют насуммарную погрешность точности обработки;
2) позволяютизменять форму обрабатываемой поверхности заготовки (детали);
3) позволяютвлиять и даже изменять состояние поверхностного слоя детали;
4) необразуется наклеп обработанной поверхности;
5) дефектныйслой не образуется;
6) удаляютсяприжоги поверхности, полученные при шлифовании;
7)повышаются: износостойкость, коррозионная стойкость, прочность и другиеэксплуатационные характеристики поверхностей деталей.
Кинематикаформообразования поверхностей деталей электрофизическими и электрофизическимиметодами обработки, как правило, проста, что обеспечивает точное регулированиепроцессов и их автоматизацию.
Цель работы:доказать преимущества, а в некоторых случаях незаменимость электрохимическойразмерной обработки. Понять механизм действия методов электрохимическойобработки.
1 ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
Разработкаоснов электрохимического метода и технологического его применения принадлежитталантливому ученому В.Н.Гусеву (1904…1956 г.г.). В 1929 г. он получил патент на электрохимическую обработку. Первые опыты по размерной электрохимическойобработке металлов были проведены в 40-х годах прошлого столетия. В 1954 г. он получил патент на заточку сверл с вершинами из карбидов.
Начальныйпериод развития метода характеризуется тем, что наряду с его использованием впроизводстве (для получения профиля пера турбинных и компрессорных лопаток,ковочных штампов, пресс форм, кольцевых деталей, прошивки отверстий и щелей,заточки инструмента, удаления заусенцев и др.) происходило накоплениеэкспериментальных и статических данных; делались попытки теоретическихобобщений, которые позволили бы заранее, без испытаний, предсказать конечныерезультаты обработки.
Химическиеметоды, кроме способов травления, включают электрохимическую обработку.
Этот методможно использовать для обработки особо твердых и вязких электропроводныхматериалов. При этом достигается:
а) высокаяскорость съема металла (более 1000 мм/мин);
б) высокийкласс точности;
в)отсутствует износ инструмента;
г)отсутствуют остаточные напряжения;
д)отсутствуют повреждения материала детали;
е) отсутствуютзаусенцы на кромках реза.
Известныйрусский химик Е.И.Шпитальный в 1911г. разработал процесс электролитическогополирования. В 1928 г. В.Н.Гусев применил этот процесс для размерной обработкистанин крупных металлорежущих станков. Электролит не прокачивался. Катод-плитуна время убирали и ручным инструментом удаляли слой продуктов растворения.Процесс был трудоемким и медленным. В.Н.Гусев и Л.А.Рожков предложили уменьшитьзазор между электродами до десятых долей мм, а электролит принудительнопрокачивать через межэлектродный промежуток.
Это былорождением нового вида обработки — размерной электрохимической обработки (ЭХО) –за счет анодного растворения металла.
В 1948г. быласоздана электрохимическая установка для изготовления отверстий в броневойстали. Тогда же были проведены первые опыты по обработке турбинных лопаток.Значительные успехи в развитии теории и совершенствовании технологии былидостигнуты благодаря работам Ю.Н. Петрова, И.И.Мороза, Л.Б. Дмитриева и др.
2МЕТОДЫ РАЗМЕРНОЙ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙОБРАБОТКИ
2.1 Обработка с неподвижнымиэлектродами
По этой схемеполучают местные облегчения в деталях, отверстия в листовых материалах, наносятинформацию (порядковые номера, шифры изделий и др.), удаляют заусенцы. [Схемаобработки с неподвижными электродами показана на рисунке 1]
Требуемаяформа углубления или отверстия получается за счет нанесения на заготовку 2 слоядиэлектрика 3. Электрод-инструмент 1 не перемещается к обрабатываемойповерхности – межэлектродный зазор по мере съема металла с заготовкой 2возрастает, а скорость /> прокачки электролита снижается. Процессбудет неустановившимся с нестационарным по времени режимов обработки.
Схема обработки снеподвижными электродами:
/>
Рисунок 1
1 – электрод —инструмент;
2 – заготовка;
3 – диэлектрик.
2.2 Прошивание полостей иотверстий
При такойсхеме электрод-инструмент 1 имеет одно рабочее движение — поступательноедвижение со скоростью /> к детали 2.Межэлектродный зазор S — постоянный, т.е. режим стационарный.Электролит прокачивается со скоростью />.
По этой схемеизготовляют рабочие полости ковочных штампов, пресс — форм, прошиваютотверстия, пазы, перья лопаток турбин, вырезают заготовки различного профиля. [Схема прошивания полостипоказана на рисунке 2]
Схема прошивания:
/>
Рисунок 2
1 – электрод-инструмент;
2 – заготовка.
2.2.1Получение отверстийструйным методом
Электрод-инструментсостоит из токопровода 1, омываемого потоком электролита. Токопровод находитсявнутри корпуса 3 из диэлектрика. Электролит создает токопроводящий канал междутокопроводом 1 и заготовкой 2.[Схема прошивания струйным методом показана нарис ] В месте контакта жидкости с обрабатываемой поверхностью материалзаготовки растворяется и образуется углубление. Процесс идет достаточно быстротолько при высоких напряжениях (до нескольких сотен вольт). Так получаютотверстия диаметром 1,5…2,0 мм и вырезают контуры деталей сложной формы.
Схема прошивания струйнымметодом:
/>
Рисунок 2.1
1 — электрод-инструмент(токопровод);
2 – заготовка;
3 – диэлектрическийкорпус.
1.3 Точение наружных ивнутренних поверхностей.
По такойсхеме электрод-инструмент 1 исполняет роль резца, без контакта. В зазор S прокачивается электролитсо скоростью />. [Схема обработки наружнойповерхности показана на рис 3]
/>
Рисунок 3Схема точения наружных поверхностей
1 – электрод-инструмент;
2 – заготовка.
При точениивнутренней поверхности электрод-инструмент 1 перемещается вдоль заготовки 2 соскоростью />. Межэлектродный зазор S может поддерживатьсядиэлектрическими прокладками 3. [Схема показана на рис3.1 на странице 6]
Схема точения внутреннихповерхностей:
/>
Рисунок 3.1
1 – электрод —инструмент;
2 – заготовка;
3 – прокладки диэлектрические.
2.4 Протягивание наружных ивнутренних поверхностей в заготовках
Заготовкидолжны иметь предварительно обработанные поверхности, по которым можнобазировать электрод-инструмент. Его устанавливают относительно заготовки спомощью диэлектрических прокладок. Электрод-инструмент продольно перемещается(иногда вращается). По такой схеме выполняют чистовую обработку цилиндрическихотверстий, нарезание резьбы, шлицев, винтовых канавок.
2.5 Разрезание заготовок
Приразрезании заготовок используется профилированный инструмент (вращающийся диск)или непрофилированный — проволока. [Схема разрезания профилированным инструментомпоказана на рисунке 4]При этой схеме зазор между инструментом-электродом и заготовкойдолжен быть постоянным.
Длявыполнения в заготовках различных фигурных пазов, щелей особенно в нежесткихматериалах применяется непрофилированный инструмент-электрод в виде проволокииз латуни, меди или вольфрама. [Схема разрезания непрофилированным инструментомпоказана на рисунке 4.1 на странице 7]
Дляустранения влияния износа проволоки на точность обработки проволока непрерывноперематывается с катушки на катушку, что позволяет участвовать в работе всеновым ее элементам.
Схема разрезанияпрофилированным инструментом:
/>
Рисунок 4
1 – электрод — инструмент(диск);
2 – заготовка.
Схема разрезаниянепрофилированным инструментом:
/>
Рисунок 4.1
1 – инструмент — электрод(проволока);
2 – заготовка.
1.6 Шлифование
При этомиспользуется вращающийся металлический инструмент цилиндрической формы, которыйпоступательно движется вдоль заготовки 2 со скоростью />. [Схема шлифования показана на рисунке5] Этоокончательная операция при изготовлении пакетов пластин из магнитомягких материалов.
При обработкенедопустимы механические усилия. Применяется также для изготовления деталей извязких и прочных сплавов.
Схема шлифования:
/>
Рисунок 5
1 – электрод —инструмент;
2 – заготовка.
3Теоретическиеосновы электрохимического процессаформообразования(ЭХО)
Приэлектрохимической обработке образующиеся после подключения обрабатываемойдетали к положительному полюсу источника питания — положительно заряженные ионыметалла отводятся от поверхности анода под действием электрического поля.
Электрическаяячейка состоит в основном из двух не контактирующих электродов, погруженных вэлектролит, между которыми имеется разность потенциалов. Если условияэлектролиза выбраны правильно, прохождение тока через ячейку приводит крастворению материала анода со скоростью, определяемой согласно первому законуФарадея:
— количествовещества, осажденного или растворенного при электролизе, пропорционально количествупропущенного электричества
m=/>Q, г
где m— масса материала,растворенного с анода, г;
/> — коэффициентпропорциональности (электрохимический эквивалент);
Q — количествоэлектричества, пропущенное через электролит Кл (А∙с).
Посколькукаждый компонент сплава имеет свой электрохимический эквивалент, тосоответственно и свою скорость анодного растворения. Для нормального протеканияэлектрохимических реакций необходимо обеспечить интенсивный вынос продуктовобработки из межэлектродного промежутка (из зазора), поэтому электролит должениметь определенную скорость. Электролит может иметь ламинарный или турбулентныйхарактер течения. Вынос продуктов при турбулентном течении – быстрее! Однакорасчет ламинарного потока значительно проще, поэтому в технологических расчетахпринимают течение ламинарным!
3.1Подбор электролита
От составаэлектролита зависят его электропроводность и скорость растворения металла. Дляполучения высоких технологических показателей процесса необходимо, чтобы:
а) вэлектролите не протекали вовсе или протекали в минимальном количестве побочныереакции, снижающие выход по току;
б)растворение заготовки происходило только в зоне обработки;
в) на всехучастках обрабатываемой поверхности протекал расчетный ток.
Такихуниверсальных электролитов не существует, поэтому при подборе составаэлектролита приходится в первую очередь учитывать те требования, которыеявляются определяющими для выполнения данной операции.
Дляувеличения скорости растворения берут электролиты с большей удельнойпроводимостью, а для повышения точности лучше использовать электролит спониженной проводимостью.Электролиты подбирают в зависимости от обрабатываемогоматериала.
3.2 Требования при подбореэлектролита
1)Содержащиеся в водном растворе электролита анионы (отрицательно заряженныеионы) и катионы (положительно заряженные ионы) должны хорошо диссоциировать(разъединяться) при любых комбинациях.
2) Потенциалматериала электрода — инструмента был более положительным, чем потенциалосаждения катионов. Это препятствует осаждению металлических катионов на электрод-инструмент.
Данноеусловие выполняется, если катионы электролита обладают большим отрицательнымстандартным потенциалом.*
(* этопотенциал, измеренный относительно нормального водородного электрода, наповерхности которого в стандартных условиях протекает обратимая реакция />e).
3) Наличие вэлектролите активирующих анионов, разрушающих под действием тока поверхностныеоксидные пленки. Это обеспечивает преимущественное протекание на аноде реакциирастворения и высокую производительность.
4)Необходимо, чтобы сродство компонентов обрабатываемого сплава к анионамэлектролита и их сродство к кислороду были близки между собой. Это обеспечиваетизбирательность растворения сплава, высокое качество поверхности и точность обработки.
5)Соответствие концентрации анионов, имеющих близкое сродство к тому или иномукомпоненту обрабатываемого сплава, содержанию этого компонента в сплаве. Этопозволяет достичь равномерного анодного растворения всей поверхности заготовки.
6)Обеспечение в ходе реакций в электролите перехода продуктов реакции анодногорастворения в нерастворимое состояние. Это дает возможность постоянно удалятьпродукты обработки из раствора (например, отстоем, фильтрованием,центрифугированием) и поддерживать требуемый состав электролита.
7)Необходимо, чтобы электролит обладал невысокой вязкостью для облегченияпрокачки и ускорения процессов тепло – и массопереноса в зазоре.
8) Электролитдолжен обладать невысокой коррозионной активностью к оборудованию, бытьбезвредным для здоровья, пожаро-и взрывобезопасным.
В качествеэлектролитов наиболее часто используют растворы неорганических солей: хлориды(калия хлорид); нитраты (азотнокислые соли, производные азотной кислоты – HNO3, калийная селитра KNO3); сульфаты натрия икалия – соли серной кислоты.
В растворымогут вводиться добавки:
а) буферныевещества для снижения защелачивания электролита (борная, лимонная, соляная кислоты);
б) ингибиторы(от латинского – удерживаю) коррозии (нитрит натрия); производные азотистойкислоты – HNO2;
в) активирующиевещества, которые снижают пассивирующее действие оксидной пленки;
г) поверхностно— активные вещества для снижения гидравлических потерь и устранения кавитации(моющая жидкость ОП— 7);
д) коагуляторы– ускорители осаждения продуктов обработки (1…5 г/л полиакриламида).
Чащеиспользуются следующие электролиты: 8…18% растворы хлорида натрия (NaCl) и 15…20% растворынитрата натрия (Na2SO4).
Для каждогоэлектролита удельная проводимость может быть самой различной в зависимости отего состава, концентрации, температуры.
Для хлориданатрия наибольшая удельная проводимость при концентрации – 250 г/л, а длянитрата натрия – 210 г/л.
С увеличениемконцентрации электролита удельная проводимость растет, достигает максимума, азатем снижается, так как сильнее проявляется взаимное притяжение ионов, котороеснижает их подвижность и возможность переноса зарядов.
3.3 Технологическиепоказатели ЭХО
3.3.1Точность обработки
Точностьразмеров и формы детали зависят от погрешности электрода — инструмента и отпогрешности, вызванной отклонениями режима ЭХО от расчетного. Кроме того,погрешность детали зависит от припуска на обработку, его неравномерности,стабильности процесса анодного растворения по обрабатываемой поверхности,точности оборудования. Погрешность размеров детали зависит от начальнойпогрешности размеров заготовки, зазора и припуска на обработку. Кроме того,рабочей поверхности электрода-инструмента придают форму, несколько отличающуюсяот той, которую требуется получить в детали. Этот процесс называюткорректированием электрода-инструмента.
Различныефакторы неодинаково влияют на общую погрешность обработки:
а) наибольшеевлияние оказывает нестабильность электропроводности электролита, зазора, выходапо току – до 50%;
б) отклоненияот расчетного режима течения электролита – до 20%;
в) упругие итемпературные деформации – до 15%;
г) погрешностинастройки и установки – до 15% от общей погрешности.
3.3.2Пути снижения погрешности
а). Формаисходной поверхности заготовки должна иметь минимальный припуск с минимальнойего неравномерностью;
б).Уменьшение межэлектродного зазора; малые зазоры (,02…0,05 мм) получаютустановкой на поверхности инструмента твердых упоров из изоляционных материалов(алмазных игл, абразивных зерен). Для схемы с неподвижными электродами — спериодической перестановкой электродов.
Одним изспособов уменьшения межэлектродного зазора является применение импульсногонапряжения. В период пауз удается добиться полного выноса продуктов обработкииз зазора, стабилизировать температуру, состав электролита. Импульсный токиспользуют одновременно с ускоренным сближением и отводом электродов. Напряжениена электроды подают как в момент сближения электродов, отключая его непосредственноперед их касанием, так и во время отводов электродов после касания.
Или другойспособ — чередуют включение напряжения и прокачки электролита, что позволяетстабилизировать режим ЭХО и избежать местных дефектов от неравномерногодвижения потока электролита.
в). Вибрацияэлектродов применяется совместно с импульсным напряжением или при постоянномтоке. Вибрация электродов может осуществляться параллельно или перпендикулярнонаправлению подачи как с одинаковой, так и с разной амплитудой колебаний по обоимнаправлениям.
г).Локализация процесса анодного растворения позволяет ограничить прохождение токачерез участки заготовки, прилегающие к обрабатываемому, и за счет этогоповысить точность формообразования;
д). Длячистовой обработки турбинных лопаток применяют растворы NaCl с малой массовойконцентрацией (50…60 г/л). За счет малого количества ионов резко снижаетсястепень рассеяния;
е.) Введениев электролит воздуха и других газов под напором;
ж).Применение локальной обработки заготовки отдельными секциями электрода-инструмента, на которые последовательно подают напряжение. Последовательностьвключения секций направлена против движения электролита, поэтому все продуктыотработки удаляются из зазора, минуя работающую секцию;
з). Наиболеешироко применяют локализацию обрабатываемого участка путем диэлектрическихпокрытий детали (например, с помощью фотохимии).
Если быудалось получить одинаковые режимы обработки по всей обрабатываемойповерхности, то погрешность при изготовлении деталей любой сложности непревышала бы нескольких мкм. Наиболее сложно добиться постоянства проводимостиэлектролита, которая зависит от температуры, количества газообразных продуктовобработки. Задача облегчается, если в зазоре отсутствуют газообразные продуктыобработки.
Ученымипредложены электролиты, в которых водород в атомарном виде сразу вступает вреакцию — такие электролиты называются безводородными. Это хлорид аммония,дихлорид железа, которые вызывают активную коррозию оборудования.
В настоящеевремя ЭХО позволяет получить:
а) приобработке неподвижными электродами со съемом по глубине до 0,2 мм-погрешностьне более 0,02 мм, при большей глубине-0,03…0,050 мм;
б) припрошивании мелких отверстий (Ø до 2 мм) – точность по 9…10-му квалитету СЭВ;
в) приобработке полостей и разрезании-по12…14-му квалитету СЭВ;
г) для схемточения точность-8…10-му квалитету;
д) пришлифовании металлическими, электроабразивными и электроалмазными кругамиточность по 6…7-му квалитету СЭВ.
3.3.3 Шероховатось
Формированиемикрорельефа поверхности при ЭХО зависит от:
а) структурыматериала заготовки;
б) составаматериала; его температуры;
в) скоростипрокачки электролита;
Если ЭХОвыполняют после механической обработки, то в начале процесса анодногорастворения микрорельеф повторяет профиль заготовки. Характер микронеровностейзависит от структуры обрабатываемого материала. Чаще наблюдаетсямежкристаллитное растравливание, так как зерна растворяются медленнее. Оно иопределяет шероховатость поверхности. Чем мельче зерно, тем меньше глубинамежкристаллитного растравливания. Глубина микронеровностей зависит от плотноститока. Для большинства сплавов с увеличением плотности тока шероховатостьобрабатываемой поверхности снижается. Чем ниже температура электролита (при тойже плотности тока), тем меньше высота неровностей. В большинстве случаевтемпература электролита равна 17…37°С. Для обработки титановых сплавов-47°С; Длячистовой обработки нержавеющих сталей -4°С.
3.3.4Физические свойства поверхности
После ЭХО вповерхностном слое не наблюдается снижение содержания углерода и изменениятвердости, отсутствует наклеп. Напряжения повышаются вследствие растравливания— есть концентрация напряжений, так как межкристаллитные углубления имеютменьше радиус закруглений. Для уменьшения напряжений в поверхностном слое нужноповышать плотность тока, применять охлажденные электролиты, использоватьимпульсный ток, стабилизировать параметры электролита.
Влияниекачества поверхности после ЭХО на механические свойства материала:
а). Приэксплуатации деталей на них могут воздействовать статические, динамические(ударные) и циклические (знакопеременные) нагрузки.
б). Низкаяшероховатость поверхности после ЭХО повышает механические свойства материалов,так как качество поверхности одинаково во всех направлениях.
в). Отсутствиеже наклепа поверхности от воздействия инструмента снижает механическиепоказатели, особенно сопротивление усталости.
г). Повышениепредела прочности при статических и ударных нагрузках образцов изконструкционных сталей после ЭХО при растяжении, сжатии, кручении и изгибетакой же, как у механически обработанных образцов.
3.3.5Сопротивление усталости
По значениюпредела выносливости образцы из конструкционных сталей и алюминиевых сплавовпосле ЭХО близки к шлифованным образцам. Детали из этих материалов после ЭХОможно использовать в конструкциях, работающих в условиях вибраций, знакопеременныхнагрузках.
Одним изосновных методов повышения механических свойств материалов после ЭХО являетсяпоследующее полирование (виброполирование) для снятия растравленного слоя ивыполнения наклепа. ЭХО часто используют взамен точения, фрезерования, долбления.
3.3.6Технологичность деталейпри размерной ЭХО
Для болееполного использования преимуществ ЭХО необходимо проектировать детали с учетомособенностей процесса анодного растворения сплавов.
При любомрежиме ЭХО высота неровностей соответствует чистовым операциям механическойобработки, и с возрастанием скорости съема металла шероховатость поверхностиснижается. В отличие от механической обработки технологические показания ЭХОдаже повышаются с увеличением твердости материала заготовки. Кроме того, приЭХО инструмент либо вообще не изнашивается, либо изнашивается незначительно.
3.3.7 Требования приЭХО
При использованииЭХО необходимо удовлетворить следующим требованиям, общим для всех видов заготовоки схем обработки:
а)Поверхность перед ЭХО должна быть очищена от окалины и другихнеэлектропроводных веществ.
б) В местах,где удаление металла планируют выполнить с применением ЭХО, не допускаетсяместная зачистка поверхности, например, для контроля твердости.
в) ЭХОнеобходимо проводить после термической обработки заготовки. Это позволяетизбежать нарушения точности за счет коробления при термической обработке,предотвращает появления обезуглероженного слоя в готовой детали.
г) Припроектировании заготовок припуск не должен быть меньше некоторого предельногозначения, определяемого с учетом возможного растворения на обрабатываемых исоседних поверхностях, где металл может раствориться за счет токов рассеяния иускоренного съема на кромках детали.
д) Втехнологическом процессе не предусматривают операции и переходы по удалениюзаусенцев и округлению кромок на поверхностях после ЭХО.
4 Особенности рабочихпроцессов физико-химических методов и процесса резания
Особенностирабочих процессов физико-химических методов и процесса резания приведены втаблице 1.
Таблица1
Способ
обработки
Рабочий
процесс
Используемая
энергия
Мощность удельная,
Nуд, Вт/см2 Рабочая среда Род обрабатываемых материалов 1 2 3 4 5 6 Электро-эрозионный Эрозия в импульсных разрядах Тепловая
104… 108 Жидкость диэлектрическая Электропроводящие Электро-контактный Механическое удаление нагретого металла то же
104 Воздух, газ то же Электро-химический Анодное растворение Химическая
103… 104 Электролит _____,,_____
ИСПОЛЬЗУЕМАЯЛитература
1. Артамонов, Б. А., Волков, Ю. С., Дрожалова, В. И. и др.Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов. Учебноепособие (в 2-х томах). /под ред. В. П. Смоленцева. — М.: Высшая школа, 1983.
2. Бирюков, Б. Н. Электрофизические иэлектрохимические методы размерной обработки. / Б. Н. Бирюков — М.:Машиностроение, 1981.
3. Мороз, И. И. Электрохимическая обработкаметаллов. / И. И. Мороз — М.: Машиностроение, 1969.
4. Попилов, Л. Я. Электрофизическая иэлектрохимическая обработка материалов. / Л. Я. Попилов. Справочник. 2 — е изд.доп. и перераб. — М.: Машиностроение, 1982.
5.Петруха.П.Г.Технология обработки конструкционных материалов. / Под ред.П. Г. Петрухи — М: Высшая школа, 1991.