4. Проектирование инструментов для электрохимической обработки
4.1 Электроды-инструменты (эи)
Общая характеристика. Конструкция ЭИ определяется его типом, материалом для его изготовления, способом крепления в электродержателе станка, формой и размерами рабочих поверхностей, необходимостью применения электроизоляционного покрытия (ЭИП) (его видом и способом нанесения), а также механической прочностью.
Все ЭИ для ЭХО состоят из активных (рабочих) и пассивных (нерабочих) элементов и поверхностей, Первыми осуществляется электрохимическое растворение обрабатываемых поверхностей заготовки, а вторые используют для связи с элементами электрохимического станка, подвода электрического тока, подвода или отвода электролита. Активные элементы ЭИ всегда являются токопроводящими, а пассивные могут быть и нетокопроводящими. В последнем случае ток подводят непосредственно к активным поверхностям ЭИ.
Типы ЭИ. Конструкции ЭИ дисковой формы приведены в табл. 1.1. При ЭХО дисковыми ЭИ на токопроводящей связке применяют алмазные отрезные круги (ГОСТ 10110—78*Е), плоские алмазные круги (ГОСТ 16167—80), алмазные плоские круги с выточкой (ГОСТ 16170—81Е) и алмазные круги чашечной формы (ГОСТ 16172—80*Е).
Конструкции одноместных ЭИ для ЭХО цилиндрических отверстий показаны в табл. 1.2. Конструкции многоместных ЭИ для некоторых операций ЭХО приведены в табл. 1.3.
Рис.4.1 Конструкция сборного ЭИ
Крупногабаритные и сложнопрофильные ЭИ для такой операции, как электрохимическое объемное копирование, часто выполняют сборными. Это позволяет экономить металл и во многих случаях снижать трудоемкость их изготовления. Составные части таких инструментов соединяют так, чтобы крепежные отверстия не выходили на их активные поверхности. На рис. 4.1 приведен ЭИ сборной конструкции.
Конструкция ЭИ должна обеспечивать надежное и равномерное распределение и подачу в рабочую зону электролита на всем протяжении МЭП. Для этого при конструировании ЭИ необходимо: ограничиваться минимальным числом полостей, канавок и щелей, располагая их по осям симметрии активной части ЭИ, с тем чтобы протяженность пути прохождения электролита во всех направлениях была примерно одинаковой. Разница в длине самого короткого и самого длинного путей прохождения электролита не должна быть более 1,5 вне зависимости от способа подачи его в МЭП; при ступенчатой форме торца активной части ЭИ Канавки для подачи электролита должны обязательно проходить по той его части, которая первой вступит в работу; все канавки и щели должны разделять активную часть ЭИ примерно на равные части, с тем чтобы обеспечить равномерную подачу и циркуляцию электролита во всех местах МЭП; длина пути электролита по канавкам и щелям (особенно узким) не должна превышать 80—100 мм, она должна быть минимально возможной; размещение полостей, отверстий, канавок и щелей не должно приводить к образованию так называемых «мертвых зон», где отсутствует циркуляция электролита, что может иметь место на участках встречи потоков из противоположных канавок или щелей (в местах образования «мертвой зоны» ЭХО не происходит); канавки и щели на торце активной части ЭИ не должны доходить до краев ЭИ на 2—3 мм, их минимальная ширина 0,5— 1 мм при подаче электролита сжатым воздухом или газом и 1—2 мм — в остальных случаях; общая длина окружности всех отверстий для подачи электролита из накопительной камеры ЭИ в рабочую зону должна примерно соответствовать длине пути его в МЭП; кромки отверстий, канавок и щелей (особенно выходящих на активные поверхности ЭИ) необходимо закруглять максимально возможным радиусом; площадь накопительной камеры для электролита должна быть больше площади всех отверстий, канавок и других подобных элементов, через которые осуществляют подачу его в МЭП, что обеспечит равномерное распределение электролита.
В табл. 1.4 приводятся конструктивные особенности элементов рабочих частей некоторых ЭИ.
Материалы для ЭИ. Они должны обладать хорошей электропроводностью (или малым удельным сопротивлением), коррозионной стойкостью к воздействию электролитов, высокой адгезией к электроизоляционным покрытиям, механической прочностью к нагрузкам (в частности к давлению электролита и местному разрушению рабочей части при возникновении коротких замыканий), хорошей обрабатываемостью и ремонтноспособностью.
В табл. 1.5 дан перечень металлических материалов для изготовления ЭИ; сортамент их разнообразен: поковки, литье, листы, полосы, проволока, прутки и трубы различных профиля и сечения.
Сведения о некоторых неметаллических материалах, применяемых для изготовления ЭИ, приведены в табл. 1.6.
Абразивные материалы применяют для изготовления дисковых ЭИ и брусков, а также используются в качестве свободных зерен, поступающих в рабочую зону вместе с электролитом. Основные сведения об абразивных материалах, применяемых при ЭХАО, даны в табл. 1.7. Согласно ГОСТ 3647—80 шлифовальные материалы в зависимости от размера зерен делят на следующие группы:
Шлифзерно с размерами зерен От 2000 до 160 мкм
Шлифпорошки » » От 125 до 40 мкм
Микрошлифпорошки
с размерами зерен .... ........... От 63 до 14 мкм
Тонкие микрошлифпорошки
с размерами зерен ..... ...... От 10 до 3 мкм
Алмазные порошки по ГОСТ 9206—80 подразделяют на следующие группы:
Шлифпорошки с размерами зерен От 3000 до 40 мкм
Микропорошки » » » От 80 до 1 мкм и мельче
Субмикропорошки
с размерами зерен ......... ....... От 1 до 0,1 мкм и мельче
При ЭХАО применяют стандартные и специальные дисковые ЭИ с рабочим слоем из синтетических алмазов, имеющих относительную концентрацию 25, 50, 75 и 100. Их изготовляют на токопроводящих связках, сведения о которых приведены в табл. 1.8.
Способы крепления ЭИ. Базирование и крепление ЭИ в электродержателе электрохимического станка производят с помощью цанговых зажимов или подэлектродных плит. Через электродержатели и цанговые зажимы осуществляют подачу на ЭИ тока, а также подачу или отвод электролита. В подэлектродных плитах располагаются накопительные камеры для электролита, а также различные распределительные канавки, прорези и перегородки, обеспечивающие равномерное распределение потока электролита. Для базирования и крепления. ЭИ большой длины применяют переходные оправки.
Примеры базирования и крепления ЭИ приведены в табл. 1.3 и 1.4.
Форма, размеры и шероховатость рабочей части ЭИ. При ЭХО неподвижными ЭИ форма их рабочей части эквидистантна форме обрабатываемых поверхностей, а размеры отличаются на одинаковую для всех участков МЭП величину.
При выполнении операций ЭХО подвижными ЭИ форма МЭП (за исключением ЭХО плоскостей) не эквидистантна форме обрабатываемой поверхности заготовки и на различных участках имеются МЭЗ, значения которых зависят от расположения участков рабочей части ЭИ относительно направления подачи ЭИ и изменения свойств электролита по мере протекания его через МЭП. Форма и размеры рабочей части ЭИ для ЭХО внутренних поверхностей подвижными ЭИ определяются как алгебраическая разность, а при ЭХО внутренних поверхностей — как сумма размеров обрабатываемых поверхностей и значений МЭЗ.
Микронеровности рабочей части ЭИ при ЭХО не копируются на обрабатываемых поверхностях заготовок. Однако для снижения сопротивления течению электролита через МЭП рабочие поверхности ЭИ изготовляют с высотой шероховатости не более 1,6 мкм по параметру Ra.
Электроизоляционные покрытия (ЭИП). Применяют ЭИП для предотвращения электрохимического воздействия пассивных поверхностей ЭИ на неподвергаемые ЭХО или уже обработанные поверхности заготовок. Надежность и долговечность ЭИП во многом зависят от их вида, способов и соблюдения режимов нанесения их на ЭИ.
Типовые примеры применения ЭИП и их краткая характеристика приведены в табл. 1.9, а материалы, используемые для ЭИП, даны в табл. 1.10.
Прочность сцепления ЭИП с пассивными поверхностями ЭИ зависит от качества подготовки последних. Для высокопрочного соединения ЭИП с ЭИ необходимо удалить все загрязнения с поверхности ЭИ и обеспечить небольшую высоту шероховатости (3—10 мкм) этим поверхностям.
Удаление масел, пыли и стружки производят органическими веществами с высокой растворяющей способностью, малым поверхностным натяжением, умеренной летучестью и высокой температурой возгорания (например, уайтспиритом, трихлорэтиленом). Окисные пленки удаляют химическим и электрохимическим травлением, а также дробеструйной обработкой, которая применяется при больших габаритных размерах ЭИ.
Жидкие ЭИП наносят кистью, окунанием, пневмонапылением или протягиванием через состав.
При нанесении ЭИП кистью получают слои толщиной 0,03—0,05 мм. Каждый слой сушат при комнатной температуре в течение 30 мин, а покрытия ЭП-586М и ЭП-566— при температуре 57—67 °С в течение 60 мин.
При окунаний получают ЗИП толщиной 0,1—0,3 мм. Применяют этот способ в основном для ЭИ с рабочим пояском на активной части. Вязкость жидкого ЗИП должна составлять 15—20 с. Титановые эмали Т-1, ЭВ-55 и ЭВ-300 наносят в два слоя; сушат поочередно оба слоя при температуре примерно 75 С в течение 10—15 мин. Эти ЭИП после просушивания термообрабатывают при t = 850—900 °С в течение 3—5 мин. Состав из лаков ЭП-075 и Э-4100 наносят в три слоя; первые два сушат при комнатной температуре в течение 30 мин; последний — при 170—180 °С в течение 60 мин.
Пневмораспылением получают покрытия толщиной 0,03—0,04 мм из всех жидких материалов при их вязкости 20—35 с и давлении сжатого воздуха на выходе из распылителя не менее 0,19—0,21 МПа. Каждый слой сушат по аналогичной с предыдущей технологии.
Протягиванием наносят ЭИП преимущественно на поверхности цилиндрических ЭИ диаметром до 2 мм и длиной более 80—.100 мм. Толщина одного слоя покрытия — 0,03—0,05 мм. Электродные инструменты протягивают через отверстия в стенках ванны. После сушки очередного слоя, операцию повторяют до получения нужного диаметра ЭИ или толщины ЭИП.
Порошкообразные ЭИП обладают более высокой стойкостью; их наносят в сосудах, в которых порошок находится во взвешенном состоянии при нагретом ЭИ. Применяют вихревой, вибрационный и вибровихревой способы нанесения таких покрытий. Первым наносят покрытия П-ЭП-177 и П-ЭП-91; вторым — ЭП-45Д; третьим — ПВХ-716, Ф-40ДП, Ф-4МП, Ф-ЗОП и пентапласт А.
При нанесении порошкообразных ЭИП в электростатическом поле не требуется осуществлять предварительный нагрев ЭИ. Покрытие отличается равномерностью слоя с общей толщиной порядка 0,25 мм. Этим способом наносят эпоксидные краски П-ЭП-177 и П-ЭП-91, а также фторопластовые композиции Ф-4МП и Ф-ЗОП. Термообработку первых осуществляют при t == 75—95 °С в течение 10—15 мин; краску зеленого цвета — в течение 60 мин. Фторопластовые композиции обрабатывают при t = 255—285 °С в течение 10—12 мин. Охлаждение производят при комнатной температуре.
Компаунд бутокрил заливают в металлические формы, в которые предварительно устанавливают оправку ЭИ с припаянной к ней активной частью. Надежное соединение ЭИП с инструментом обеспечивается при шероховатости контактирующих с бутокрилом поверхностей ЭИ, превышающей шероховатость соответствующих поверхностей формы (примерно 3,2 и 0,63 мкм).
Механическая прочность. Электродный инструмент с нежесткой тонкостенной рабочей частью необходимо усиливать, создавая тело равного сопротивления. Критические для прочности ЭИ сечения должны выдерживать рабочее давление электролита.
Работоспособность тонкостенных ЭИ можно обеспечить за счет противодавления электролита в рабочей зоне и точного направления его по отверстиям в устройствах, создающих противодавление, а также с помощью специальных приспособлений, например, для базирования и крепления заготовок.
Электродный инструмент с асимметричной рабочей частью нужно по возможности в верхней части делать симметричным. Полости для электролита изготовляют не снижая механической прочности стенок ЭИ (особенно при асимметричной его форме).
Износ ЭИ. При выполнении операций, в которых съем металла заготовки осуществляется только за счет электролиза, износ рабочей части ЭИ отсутствует. Однако при проведении таких операций возможны повреждения рабочей поверхности ЭИ в результате касания поверхности заготовки или при наличии в МЭП большого количества шлама,
Износ ЭИ неизбежен при выполнении операций, в которых съем металла заготовки происходит за счет электролиза и одновременного механического или электротермического воздействия.Износ ν (%) ЭИ оценивается отношением величины изношенной его рабочей части к величине снятого при ЭХО слоя металла заготовки
При выполнении электрохимической жидкостно-абра-зивной обработки (ЭХУЗ) во вращающихся барабанах некоторые стенки, являющиеся анодом, изнашиваются приблизительно на 1 мм после 100 ч работы.