4.1.2 Електроліти для електрохімічної обробки

Усі розглянуті процеси ЕХО протікають за наявності електролітів − хімічних розчинів, що мають електролітичну або іонну провідність, тобто здатністю пропускати електричний струм під дією електричної напруги за рахунок руху іонів. Цю ж властивість має вода, спирт й інші рідини. Електропровідність електролітів значно менше електропровідності металів, у яких носіями струму є вільні електрони. З підвищенням температури при нагріванні електропровідність, що є величиною, зворотною електричному опору, зменшується у металів і збільшується у електролітів.

Розрізняють слабкі і сильні електроліти. Перші лише частково диссоціюють на іони, причому із зростанням концентрації компонентів степінь дисоціації і їх електропровідність значно зменшуються. Сильні електроліти, навпаки, повністю розпадаються на іони, незважаючи на значні концентрації компонентів, при цьому істотно підвищується їх електропровідність. До сильних електролітів відносять майже усі розчини солей і кислот, а до слабких, наприклад, розчини основ.

Метали різних марок активно розчиняються тільки в електролітах певного складу. Проте на технологічні характеристики процесів ЕХО (продуктивність, точність і якість обробки) впливає не лише склад електроліту, але і концентрація компонентів, що входять до його складу, його температура, водневий показник рН, що характеризує концентрацію іонів водню в електроліті, або "кислотність", а також швидкість прокачування його в міжелектродному просторі. Дані про електроліти наведено у табл. 4.1.

Таблиця 4.1. Електроліти для розмірної ЕХО

Компоненти	Вміст компонентів у воді, %	Питома електропровідність при 20°С, Ом −1·см −1	Область застосування
Натрій азотно-кислий NaNO3	30	0,1606	Обробка порожнин ковальських штам-пів, прес-форм і т.ін.
Калій хлорис-тий KCl	21	0,281	Формоутворення отворів
Натрій хлорис-тий NaCl	25	0,2135	Обробка профілю пера турбинних лопастей
Амоній азотно-кислий NH4NO3	50	0,3633 (15°С)	Обробка порожнин в деталях із перлітової сталі
Соляна кислота HCl	10	0,6302	Формоутворення отворів невеликого діаметру
Азотна кислота HNO3	2	0,17	Обробні операції заготівель з алюмі-нієвих сплавів

4.1.3 Технологічні характеристики

Технологічними характеристиками процесів ЕХО є:

- продуктивність;

- точність розмірів і отриманої форми;

- шорсткість оброблених поверхонь.

До чинників, що впливають на технологічні характеристики процесів ЕХО відносять:

- об'ємний електрохімічний еквівалент (k) оброблюваного металу;

- склад вживаного електроліту і його питому електропровідність (χ);

- напругу джерела живлення (U);

- анодну густину струму (i);

- коефіцієнт виходу металу за струмом (η);

- величину міжелектродного проміжку (а);

- технологічний припуск (z).

Продуктивність. Продуктивність розмірного електрохімічного формоутворення характеризується швидкістю анодного розчинення металу, що виражається в лінійних (мм/хв) або в об'ємних (мм³/хв) одиницях.

Лінійну швидкість електрохімічного розчинення v_е.х.р, (в мм/хв) визначають за рівнянням

v_э.х.р=100·U·χ·η·k/а. (4.5)

Це рівняння справедливе при постійній величині міжелектродного простору а, що забезпечується переміщенням інструменту і заготівлі один відносно одного в процесі обробки. При цьому швидкість їх переміщення має бути рівна швидкості електрохімічного розчинення анода. Отже, вказане рівняння справедливе для ЕХО з рухливими електродами.

При електрохімічному формоутворенні з нерухомими електродами, коли величина міжелектродного простору змінюється в процесі обробки, продуктивність залежить від багатьох чинників і в першу чергу від тривалості процесу обробки. Так, зі збільшенням часу обробки відповідно збільшується міжелектродний простір і знижується швидкість електрохімічного розчинення.

Загальним для обох випадків електрохімічного формоутворення з рухливими і нерухомими електродами є те, що продуктивність таких процесів збільшується з підвищенням напруги, що підводиться до електродів, питомої електропровідності електроліту і коефіцієнта виходу металу за струмом. Знижується продуктивність цих процесів зі збільшенням міжелектродного простору.

Об'ємний електрохімічний еквівалент k для кожного виду металу має певне значення і тому не впливає на продуктивність розмірної ЕХО. Зміною ж параметрів U, χ, η, а до певних граничних значень можна істотно понизити або підвищити продуктивність розмірного електрохімічного формоутворення.

Так, напругу, що підводиться до електродів, можна підвищити до значень, при яких настає електричний пробій міжелектродного простору. При цьому з виникненням електричного пробою утворюється електричний розряд, що називається дугою. Під дією цієї дуги відбувається небажане локальне виплавлення електроду-інструменту і заготівлі іноді глибиною до 10 мм. Тому, щоб виключити таке явище, електрохімічне формоутворення ведуть, як правило, при напрузі 15-20 В. В деяких випадках напругу на електродах підвищують до 30 В, наприклад при великих міжелектродних просторах (2-3 мм). Щоб понизити продуктивність розмірної ЕХО, напругу на електродах приймають рівною 2-2,5 В, при менших значеннях електричної напруги анодне розчинення припиняється.

Електропровідність електроліту, залежна від його складу, концентрації і робочої температури, також впливає на продуктивність розмірної електрохімічної обробки − з підвищенням питомої електропровідності збільшується продуктивність.

Зі збільшенням робочої температури електропровідність електроліту підвищується і відповідно збільшується густина струму на аноді. Підвищення швидкості прокачування електроліту в міжелектродному просторі сприяє більш інтенсивному видаленню із зони обробки продуктів розчинення, що також підвищує електропровідність шару електроліту в між електродному просторі.

Зворотний ефект, тобто зниження електропровідності, спостерігається при підвищенні значення рН до 8,5. При цьому анодна густина електричного струму різко знижується, а отже, падає і продуктивність обробки.

Із збільшенням лінійної швидкості анодного розчинення пропорційно зростає і об'ємне знімання металу; проте останнє може відбуватися не лише за рахунок збільшення лінійної швидкості анодного розчинення, але і при одночасній обробці декількох заготівель або однієї заготівлі з великою площею оброблюваної поверхні.

Шорсткість оброблених поверхонь. При ЕХО якість оброблених поверхонь визначається в основному їх шорсткістю.

На відміну від традиційних процесів механічної обробки різанням, коли різець, чинячи силову дію на оброблювану поверхню, утворює на ній деформовані (напружені) шари металу, електрохімічна обробка не викликає в поверхневих шарах оброблюваного металу будь-якого механічного напруження, що у ряді випадків позитивно позначається на якості оброблених поверхонь.

У загальному вигляді якість оброблених поверхонь залежить від поєднання певних значень таких параметрів, як склад електроліту, його температура, швидкість прокачування електроліту через міжелектродний простір і густина електричного струму.

Шорсткість поверхонь, отримана при розмірній електрохімічній обробці і при відповідному складі електроліту, як правило, дорівнює 2,5-1,25 мкм по Rа. Такі результати забезпечуються, наприклад, при обробці вуглецевих і нержавіючих сталей з використанням як електроліту розчину хлористого натрію. Підвищення температури електроліту негативно впливає на шорсткість поверхонь. Проте в деяких випадках, наприклад при розмірній ЕХО титанових сплавів, з підвищенням температури електроліту якість обробленої поверхні підвищується.

Швидкість протікання електроліту через міжелектродний простір при електрохімічному формоутворенні робить менший вплив на шорсткість оброблюваної поверхні. Проте при високих швидкостях протікання і відповідній робочій температурі електроліту шорсткість багатьох металів, що обробляються електрохімічним способами, можна значно понизити. Це пояснюється активнішим розчиненням виступів мікронерівностей при більш високих швидкостях протікання електроліту. Западини мікронерівностей при цьому заповнюються продуктами розчинення, тобто пасивуються, що уповільнює і навіть запобігає подальшому анодному розчиненню металу в западинах. Таким чином, за рахунок виборчого анодного розчинення відбувається поступове згладжування мікрорельєфу оброблюваної поверхні і зниження шорсткості.

Підвищення густини електричного струму знижує шорсткість оброблюваних поверхонь. Проте при щільності струму вище 15-20 А/см² подальше поліпшення якості оброблюваних поверхонь припиняється.

При розмірній ЕХО деяких металів відбувається розтравлення металу заготівлі по границях зерен. Глибина розтравлення в цьому випадку може досягати 20-30 мкм.

Точність обробки. Під точністю обробки розуміють міру наближення параметрів оброблених деталей до заздалегідь встановленим кресленням або іншою технічною документацією номінальним значенням.

Для отримання деталі із заданим номінальним розміром Н із заготівлі знімають певний шар металу, що називається припуском z. При цьому завершують процес формоутворення при одному і тому ж розмірі Х і величині міжелектродного простору, який рівній заданому номінальному значенню а_н. Під номінальним значенням а_н розуміють величину міжелектродного простору, що утворився після певного часу обробки при постійних параметрах процесу ЕХО (U χ, η). Проте вказані параметри ЕХО практично всі змінюються в процесі обробки в певних межах. Це призводить до того, що фактична величина міжелектродного простору а_к, що утворилася після обробки, відрізняється від а_н. Різницю між номінальним (а_н) і фактичним (а_к) значеннями міжелектродного простору називають похибкою Δ_а. При а_к >а_н розмір Н деталі виявиться менше заданого номінального значення, а при а_к< а_н на деталі залишається невидалена частина припуску, рівна Δ_а; при цьому розмір Н деталі перевищить задане номінальне значення.

З практичних даних відомо, що при всіх можливих похибках, що виникають або можуть виникнути при розмірній ЕХО, точність обробки може скласти 0,1-0,8 мм.