Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ФХО.docx
Скачиваний:
1
Добавлен:
01.04.2025
Размер:
998.97 Кб
Скачать

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.

  1. 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 сра- фг, где <ра 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 Аэ 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 ас 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 ир обычно выражается в мм/мин. Подставляя в формулу (2.1) выражение для массы раство­ренного вещества

где рм - 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 = — = цI, (2.2)

а#

где I - плотность тока.

Напряжение на электродах и складывается из падений на­пряжения в электролите и3 и в приэлектродных областях фЕ 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*

« = +ФЕ = Ф. =АОа+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~фЕ) 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 Аг = 200...300 мкм. В дальнейшем механизм формирова­ния микроповерхности полностью соответствует процессу при ак­тивном анодном растворении.

  1. 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 иэ. 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 ии' (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 ои. 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.

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

гг