2.2. Электрохимическая размерная обработка

Механизм процесса анодного растворения металла.

Протекание тока в электролитической ячейке осуществляется посредством движения ионов под действием приложенного внешнего электрического поля.

Жидкие растворы, проводящие электрический ток за счет ионной проводимости, называются электролитами.

При ЭХРО в качестве электролитов используются водные растворы неорганических солей NaCl , NaNO3 ,Na2SO4 и др. реже кислот и щелочей. Удельная электропроводимость электролитов находится в пределах (0,1-0,4) 0м см , а их температура в интервале (4-60) ^оС. При этом применяют так называемые сильные электролиты, в которых все молекулы растворенного вещества диссоциируют на анионы (А^п- ) и катионы ( К^п+ ).

Например, водный раствор поваренной соли ( NaCl ) диссоциирует на Na⁺ (катион) и Cl^- (анион). Кроме этого сама вода содержит ион водорода Н⁺ и гидроксила (ОН)^- .

При отсутствии внешнего электрического поля (электроды разомкнуты) ионы движутся в электролите хаотически и электрического тока в нем не наблюдается. При этом на границе раздела твердой и жидкой фазы (металлического электрода и электролита) образуются два электрически заряженных слоя: поверхностный слой металла, заряженный положительно или отрицательно, и слой ионов, имеющий противоположный заряд.

Между этими слоями устанавливается определенный потенциал, который называется равновесным (Ф_р). Этот потенциал измеряется относительно стандартного водородного электрода, потенциал которого при всех условиях принимается равным нулю.

Подключение электродов ячейки к источнику напряжения сдвигает их потенциалы от равновесных: и вызывает протекание электродных процессов.

На аноде происходит: 1) основная реакция - растворение (окисление) металла с образованием гидрата окиси металла, выпадаемого в осадок при обработке в нейтральных и щелочных электролитах.

(2.1) Ме — ne —> Meⁿ⁺ ; Meⁿ⁺ + n OH^- —>Me(OH)_n где п - валентность металла (Ме)

или с образованием растворимой соли при обработке в кислотах

(2.2) Meⁿ⁺ + n R^- —>Me( R )_n

и 2) возможна побочная реакция - образование кислорода, снижающая К.П. Д. процесса анодного растворения:

(2.3) 2 OH^- - 2 e —> H₂O +O ; O+O—>O₂

На катоде происходит выделение водорода, процесс образования которого в зависимости от условий протекает по разному:

а) в кислотах и при малых плотностях тока в нейтральных и слабо щелочных растворах восстановление водорода осуществляется по схеме:

(2.4) H⁺ + e —> H ; H+H—>H₂

б) в нейтральных растворах при больших плотностях тока и больших напряжениях на электродах образование молекулярного водорода может осуществляться за счет разложения молекул воды:

(2.5) H₂O + e —> H+ OH; H+H—>H₂

Перечисленные уравнения отражают лишь конечный результат процесса анодного растворения, который представляет собой совокупность сложных взаимосвязанных процессов (диффузионных, миграции ионов, выделение тепла, гидродинамики электролита в зазоре, образование окисных пленок и др.). Схема взаимодействия основных процессов анодного растворения представлена на рис. 2.3.

Характер электрохимических реакций и технологических показателей ЭХРО зависят от кислотности и щелочности электролита, который оценивают водородным показателем рН. При обработке значительного количества деталей в одном и том же электролите его рН повышается до 9-11, что ухудшает условия растворения металлов.

Для сохранения постоянства шероховатости обработанной поверхности, скорости съема и энергоемкости процесса осуществляют стабилизацию рН электролита за счет буферирования раствора, например, борной кислотой в количестве 3-30 г/л.

О характере протекания электродных процессов можно судить по поляризационным кривым, которые представляют собой зависимость между плотностью тока ( i ) и потенциалом на электроде ( Ф ), сравниваемым с потенциалом стандартного водородного электрода.

Рассмотрим влияние условий обработки (рис. 2.4) на процесс анодного растворения. Пусть первоначально обработка осуществляется в неподвижном электролите (рис. 2.4, кривая 1). Тогда при потенциалах близких к равновесному Ф_p1 (а - зона), наблюдается режим активного анодного растворения. Однако, дальнейшее увеличение потенциала приводит к образованию на поверхности анода окислов растворяемого металла и к торможению скорости растворения, несмотря на рост электродного потенциала. Кроме того, из-за возможной адсорбции кислорода, растворенного в воде, анодная поверхность может покрываться

пассивирующими соединениями и при более низких потенциалах, чем равновесный потенциал образования окислов (Ф_p2 ). Такое явление торможения скорости анодного процесса называется пассивацией. Полная пассивация наступает при так называемом потенциале Фладе (Ф_n ).

Если потенциал пассивного электрода увеличить, то при некотором значении Ф_пп (потенциал перепассивации) начинается растворение окислов. Снова резко возрастает анодный ток, т.е. поверхность металла становится активной.

Рис. 2.4. Схематические поляризационные характеристики при различных условиях

анодного растворения:

1- обработка в неподвижном электролите, 2- обработка в подвижном электролите без активирующих анионов, 3- обработка в подвижном электролите с активирующими анионами.

Значительное влияние на анодные пассивационные явления оказывает скорость прокачки электролита вдоль поверхности обрабатываемой детали (анода). С ростом этой скорости увеличивается скорость отвода ионов Ме и пассивация наступает лишь при больших плотностях тока.

Для многих сплавов (на основе никеля, железа, хрома и др.) устранение их пассивации возможно достигнуть введением в электролит активирующих анионов ( Cl , Вг ^- и др.), которые в определенных условиях частично или полностью вытесняют кислород из пассиввирующих соединений и образуют растворимые и легко диссоциирующие в электролите соединения (например, FeCl2 ).

Технические характеристики ЭХРО

Процесс формообразования поверхности детали происходит следующим образом. В начале обработки участки профиля инструмента расположены на различных расстояниях от поверхности детали. От этих расстояний (зазоров) зависит величина тока, протекающего через каждый локальный участок инструмента и детали. Чем меньше зазор, тем больше плотность тока, а, следовательно, и скорость анодного растворения участка детали. В результате зазоры между электродами выравниваются, поверхность детали приобретает форму инструмента (см.

рис. 2.2).

Электрод-инструмент для ЭХРО изготовляют из металлов с достаточно хорошей электропроводимостью и высокой стойкостью против коррозии (например, из меди, латуни, титана, коррозионностойкой стали и т. д.). Дня лучшей локализации процесса нерабочие участки инструмента изолируют диэлектрическими материалами (эпоксидными смолами, полипропиленом и др.).

Процесс электрохимического формообразования поверхностей может осуществляться с неподвижными или подвижными электродами, с односторонней или двусторонней обработкой детали.

Производительность процесса оценивают по количеству материала, снимаемого с обрабатываемой поверхности в единицу времени. Согласно закону Фарадея скорость удельного съема будет прямо пропорциональна электрохимическому эквиваленту растворяемого

материала ⁸ , выходу этого материала по току η и анодной плотности тока:

(2.6)

Выход по току η определяется как отношение действительного количества растворенного вещества к тому, которое должно было бы раствориться, если бы весь ток расходовался только

на реакцию растворения, исключая возможные побочные реакции. Значение η обычно находится в пределах 0,4-1,0.

Электрохимический эквивалент сплава подсчитывают по формуле:

(2.7)

где А_i - процентное содержание i-го элемента в сплаве; - его электрохимический эквивалент; N - число компонентов сплава. Согласно закону Фарадея и Ома практическую линейную скорость (интенсивность съема металла V_пр (мм/мин), равную скорости подачи катода-инструмента V_к , рассчитывают по уравнению:

(2.8)

где U - напряжение, подаваемое на электроды (заготовку и инструмент), В; -

падение напряжения на межфазовых границах между электродами и электролитом. В; ¹ -

локальный межэлектродный зазор, мм; в котором векторы V_pr , V_k совпадают и равны; ^χ -

удельная электропроводимость электролита, 0м^-1 , см^-1 ; ε_V -объемный электрохимический эквивалент, мм³ /(А мин); η - выход по току.

В целях обеспечения стабильности процесса и высокого качества обработки из межэлектродного промежутка (МЭП) за счет движения электролита непрерывно удаляют газообразные и нерастворимые продукты электрохимических реакций.

Интенсивный обмен раствора необходим также для отвода тепла, выделяемого при нагреве электролита в рабочей зоне. Процесс идет нормально, если перепад температур по длине МЭП не превышает 10--15 ⁰С, для чего необходимо обеспечить расход раствора 0,3-35 см³ /с на 1 А технологического тока.

Для определения необходимых значений расхода F и скорости течения раствора электролита в зазоре w пользуются формулами:

(2.9)

(2.10)

где ^α- температурный коэффициент удельной электропроводимости; 1- длина межэлектродного промежутка; I - ток; ΔT - перепад температуры по длине МЭП; С_э - удельная теплоемкость раствора электролита; i_a - плотность анодного тока; ρ_э – плотность электролита.

Достижимая скорость обработки при ЭХРО определяется предельной анодной плотностью тока, которая лимитируется минимальным зазором, достижимым по условиям удаления продуктов процесса, нагрева электролита и возможностью электрического пробоя промежутка. Удаление анодных продуктов облегчается, если трасса протока электролита невелика и межэлектродный зазор равномерен. Для каждой величины зазора существует своя оптимальная скорость электролита, при которой достигается максимальная производительность процесса. При ЭХРО удается достигнуть плотности тока до ( 200-500) А/см² , что обеспечивает скорости съема до 8-10 мм/мин. для широкого диапазона обрабатываемых материалов.

Точность обработки в зависимости от сложности профиля и его размеров обычно находится в пределах 8-11 квалитета (0,1-0,4 мм). Повышение точности ЭХРО в настоящее время является наиболее важной задачей, решение которой позволит полностью реализовать высокие показатели процесса, особенно в приборостроении. В последнее время для повышения точности ЭХРО до 7-8 квалитета (до 0,02-0,1 мм) применяют вибрацию электрода-инструмента, импульсный технологический ток, введение в электролит различных газов, стабилизацию параметров процесса, корректировку инструментов и другие методы.

Шероховатость поверхности, полученной после ЭХРО зависит от многих факторов, основными из которых являются: химический состав и структура обрабатываемого материала; состав, температура и степень очистки электролита; плотность тока; величина межэлектродного зазора и припуск материала, удаляемого с поверхности заготовки; скорость и стабильность движения электролита в зазоре.

Из всех перечисленных факторов наибольшее влияние на шероховатость оказывает состав, температура и скорость подачи электролита, и плотность тока.

В зависимости от условий растворения и материала детали шероховатость поверхности изменяется в широком диапазоне от R_z = 10-40 мкм до R_z = 0,1-0,8 мкм. При оптимальном режиме растворения шероховатость обычно находится в пределах R=0,32-2,5 мкм (R_z =10-1,6).

Как уже отмечалось, при ЭХРО на поверхности отсутствуют остаточные напряжении и наклепанный слой. Однако в отдельных случаях возможно снижение качества поверхностного слоя из-за растравливания материала по границам зерен. Наибольшему растравливанию подвержены сплавы на основе никеля и в меньшей степени сплавы на основе железа. Глубина растравливания увеличивается с повышением температуры электролита и уменьшением плотности тока, изменяясь от 0,007 до 0,06 мм. Однако, существует критическая плотность тока, выше которой растравливания не наблюдается, так например, для никелевых сплавов она лежит в пределах (18-60) А/см² .

Оборудование и технологические операции ЭХРО

Наиболее распространенные электрохимические станки по своей структуре очень близки к электроэрозионным копировально-прошивочним станкам и включает в себя: механическую часть, источник технологического тока (ИТТ), систему автоматического регулирования процесса и гидросистему. Однако специфика ЭХРО (применение агрессивных растворов, подача электролита под давлением и т. д.) выдвигает ряд частных требований к элементам станка таких как: повышенная жесткость механической части, необходимость коррозионной защиты, герметизации рабочей камеры и др. Структурная схема электрохимического станка показана на рис, 2.5.

Механическая часть станка обеспечивает установку и крепление электрода-инструмента и детали, а при необходимости имеет устройство относительного перемещения электродов. Для защиты элементов станка и оператора от брызг и паров электролита зона обработки ограждена рабочей камерой, из которой во избежание взрыва в процессе обработки удаляются продукты анодного растворения: водород и кислород. ИТТ - обычно источник постоянного тока, который состоит из понижающего трансформатора, выпрямителя и системы защиты электродов от короткого замыкания. Отличительной особенностью источников является значительная токовая нагрузка (до 25 кА и более) при относительно низких выходных напряжениях (от 5 до 35В). Гидросистема установки включает в себя емкость для электролита, насос высокого давления, систему очистки электролита от шлака и загрязнений и систему стабилизации температуры и рН электролита.

Копировально-прошивочные операции используются для изготовления сложных поверхностей, различных отверстий и пазов в деталях приборов. Особенность операций -копирование на заготовке формы инструмента при его простом поступательном перемещении. Скорость съема металла: 0,3-10 мм/мин, шероховатость поверхности R_£l =2,5-0,16 мкм, точность обработки 8-11 квалитет (0,1-0,4 мм). Обработка сквозных отверстий осуществляется полым электродом, наружная боковая поверхность которого изолирована для предохранения от растравливания боковой поверхности отверстия (см. рис. 2.6 а). С помощью ЭХРО изготовляют отверстия диаметром от 0,6-20 мм глубиной до 40% мм. Для осуществления перечисленных операций применяются универсальные копировально-прошивочные станки мод. 4421; 4422; 4423; 4А423ФЦ и др.

Электрохимическое профильное фрезерование (рис. 2.6 б) - обработка производится вращающимся дисковым электродом-инструментом (1), на периферийной цилиндрической поверхности которого нанесен негативный профиль детали (2). Электролит нагнетается в зазор за счет вращения инструмента, окружная скорость которого составляет 20-30 м/с. Точность изготовления различных профильных изделий лежит в пределах 7-8 квалитета (0,01-0,03мм) шероховатость поверхности R_a = 2,5-0,16 мкм в зависимости от обрабатываемого сплава, электролита и режима обработки. Если профильный электрод заменить на дисковый с боковыми изолированными стенками, то можно осуществлять операцию разрезания.

Электрохимическое точение используется при обработке тел вращения при этом на суппорте станка вместо резца закрепляется катод--инструмент, имеющий форму, близкую к форме детали.

Рис. 2.6. Операции размерной электрохимической обработки:

а- прошивание отверстий, б- электрохимическое фрезерование, в- обработка непрофилированным электродом-инструментом, г- снятие заусенцев:

1- инструмент-катод, 2- заготовка, 3- сопло, 4- шайба для создания противодавления, 5-струя электролита, 6- рабочий стол, 7- электроизоляционное покрытие.

Электрохимическая обработка не профилированным инструментом (проволокой, стержнем (см. рис. 2.6 в)) применяется при изготовлении фасонных поверхностей деталей, отверстий, пазов (в том числе глухих), а также для чистовых операций разрезания. Электрод-проволока (1) или стержень неподвижен, вдоль которого о помощью сопла (3) подается со скоростью до 50 м/с струя электролита круглого сечения (5). При сложно контурном вырезании траектория движения детали (2) относительно инструмента задается с помощью устройств ЧПУ. Процесс обеспечивает скорость резания 0,5-10 мм/мин, точность обработки 7-8 квалитет (0,02-0,06 мм). Электрохимическое снятие заусенцев, округление кромок (рис. 2.6 г) осуществляется при зазоре между электродами 0,3-5 мм плотности анодного тока 5-25 А/см² , напряжении на электродах (6-15) В и давлении электролита 0,01-0,8 МПа, время обработки 0,1­5 мин. После удаления заусенцев производится промывка деталей водой с целью удаления продуктов электрохимических реакций и остатков электролита, а также пассивирование и сушка деталей. Пассивирование обычно осуществляется в водном растворе, содержащем 3% NaNO₃ , 0,5% NaCO₃ , 10 % хромпика, за время 10-30 с.