книги из ГПНТБ / Маслов, Е. Н. Теория шлифования материалов

роэрозионных процессов, создающих характерные мест­ ные (осповидные) углубления на поверхности детали.

При данном напряжении и плотности тока увеличение зоны одновременной обработки детали обеспечивает по­ вышение производительности без снижения качества обра­ ботанной поверхности.

Рис. 134. Схема электрохимического шлифования токопроводящего материала:

а — шлифование при оптимальном межэлектродном зазоре fr, б — шлифова­ ние при уменьшенном зазоре At; в — зазор h — 0: І — обрабатываемый токо­ проводящий материал; 2 — шлифующее зерно; 3 — продукты электрохими­

ческого растворения; 4 — электролит; 5 — связка круга

Увеличение зоны одновременной обработки можно достигнуть регулированием режимов резания. Например, при плоском шлифовании периферией круга зона обра­ ботки возрастает при значительном увеличении глубины резания с соответствующим уменьшением продольной подачи. При этом должна обеспечиваться оптимальная толщина среза, снимаемая зерном, не превышающая толщины анодной пленки.

В зависимости от комбинации электрических и меха­ нических режимов возможны два основных случая проте­ кания процесса электрохимического шлифования: 1) «чи­ стое» электрохимическое шлифование, когда абразивные или алмазные зерна удаляют с поверхности металла только

231

анодную пленку; 2) электрохимическое шлифование, со­ провождающееся элементами микрорезания и определен­ ным электроэрозионный воздействием на обрабатываемый металл. В первом случае толщина среза не превышает толщину анодной пленки, а во втором случае — превы­

шает.

При правильно выбранном режиме обработки основная часть припуска (до 85—90%) должна удаляться в резуль­ тате стабильного электрохимического, растворения и

Рис. 135. Схема станка для электрохимического шли' фования:

1 — изделие (затачиваемый резец); 2 — алмазный круг; 3 — установка для подачи электролита; 4—трубопровод; 5 — токо­ съемник; 6 — электрическая изоляция; 7 — источник постоян­ ного тока

остальная часть (15—10%) — в результате микрорезания и электроэрозионного воздействия на обрабатываемую деталь.

В качестве инструмента при электрохимическом шли­ фовании наиболее часто применяют алмазные круги, обеспечивающие большую производительность по сравне­ нию с абразивными кругами.

Электрохимическую заточку режущих инструментов осуществляют на специальных станках (мод. 3623 — для резцов, мод. ЗЭ667 — для фрезерных головок и др.),

атакже на универсально-заточных станках (мод. ЗА64Д

идр.) после соответствующей модернизации. Модерниза­ ция станка заключается в следующем (рис. 135): 1) изо­ ляция шпинделя станка или алмазного круга; 2) подвод

232

от выпрямителя (или генератора) постоянного тока, регу­ лируемого реостатом напряжением 3—20 В, силой 100— 400 А к алмазному кругу и обрабатываемой детали, слу­ жащих катодом и анодом; 3) подвод электролита в зону шлифования (примерно 3 л/мин). В качестве источника питания часто применяют выпрямитель ВУ/600 А.

тока (сила тока 380 А, напряжение 6—12 В), обрабаты­ ваемую деталь — анод — к положительному. Через меж­ электродный зазор, образуемый алмазными зернами, вы­ ступающими из связки алмазного круга (на 0,01—0,02 мм), подается электролит.

Механизм электрохимического растворения металла

Электрохимическими называются химические процессы, вызываемые электрическим током или сопровождающиеся его возникновением. В процессе электрохимического шли­ фования осуществляется электролиз, причем на электро­ дах происходят химические превращения. Сущность этих превращений заключается в том, что металл анода раст­ воряется, т. е. его атомы диссоциируют и переходят в раст­ вор в виде ионов, а на катоде происходит обратный про­ цесс — выделение атомов, в которые превращаются ионы металла из раствора. На катоде выделяется газообразный водород. При растворении металла анода и переходе его атомов в раствор в виде ионов имеем

Часто продукт первичного процесса (нейтральные атомы или атомные группы, образовавшиеся при разрядке атомов), подвергаются дальнейшему химическому изме-

233

нению. Такие процессы, называемые вторичными, могут состоять в том, что продукт первичного процесса всту­ пает в химическое взаимодействие с растворителем, с дру­ гими растворенными веществами или с материалом элек­ тродов.

Врастворах электролитов присутствуют свободные ионы — положительные и отрицательные. На электродах разряжаются те ионы, разрядка которых требует наимень­ шей затраты энергии, даже если концентрация их весьма незначительна.

При электролизе раствора солей различных токопрово­ дящих материалов они будут наслаиваться на катоде по­ следовательно, один за другим, в порядке следования их друг за другом в ряду напряжений, причем сначала вы­ деляются менее активные металлы.

Вводном растворе любой соли присутствуют ионы

гидроксония Н 30 +, возникающие при диссоциации воды:

2Н20 щі ОН- + Н 30 +.

Гидроксоний — комплексный ион, химическое соеди­ нение протона с молекулой воды. Водородный ион Н+ имеет простое строение: это протон (водородный атом), лишенный электрона, т. е. имеющий единичный положи­

вов (Т15К6 и др.) электролитом является вода с добавле­ нием определенных компонентов. Наиболее часто добав­ ляется 5% азотнокислого натрия (NaN03), 3% трифос­ фата натрия (Na3P04) и небольшое количество других добавок. Нитрит натрия обладает сильными окислитель­ ными свойствами, легко восстанавливаясь до NaO и NaNO. Окислительная способность нитритов используется при электрохимическом шлифовании для образования прочих пленок на обрабатываемых поверхностях токопро­ водящего материала (металла). При электролите, содержа­ щем NaN03 и Na3P 0 4, за счет гидролиза на аноде будут

накапливаться ионы ОН- , NOr, СОГ, РОГ и др. Интенсивнее разряжаются гидроксильные ионы О Н '

по сравнению с ионами кислорода; поэтому на аноде раз-

234

ряжаются ионы гидроокисла и при этом выделяется ки­

фрама, титана с кобальтовой связкой), то на аноде про­ исходит разложение карбидов:

Растворение кобальта сопровождается его окислением путем взаимодействия с гидроксильными ионами О Н ', образующимися в электролите при гидролизе Na2C03 и других солей этого типа:

Со + 20Н - — 2е — Со (ОН)2;

Со + ЗОН - — Зе -* Со (ОН)2.

На поверхности анода (шлифуемой детали) образуется трехокись вольфрама W 03, двуокись титана ТЮ2, окись углерода (СО) и водород. Трехокись вольфрама является порошком лимонного или оранжевого цвета, практически не растворимая в воде и кислотах (за исключением пла­ виковой); она выпадает в осадок.

Под действием щелочей трехокись вольфрама образует растворимые вольфрамиты — соли вольфрамовой кислоты H 2W04, например Na2W04. Двуокись титана Т і02 к воз­ действию кислот инертна (устойчива) и в растворах ще­ лочей растворяется незначительно. Гидраты кобальта также практически нерастворимы в воде.

На катоде присоединение свободных электронов к гидроксонию разряжает его с выделением водорода:

2Н30 + -f 2е — Н2 + 2Н20.

Такая разрядка вызывает смещение ионного равнове­ сия воды вблизи катода в направлении дальнейшей дис­ социации. На катоде — токопроводящем шлифовальном круге, выделяется водород.

235

Электрохимическое шлифование происходит обычно с некоторым перенапряжением, т. е. с некоторым получае­ мым извне дополнительным напряжением сверх потен­ циала разложения данного обрабатываемого материала. Такое перенапряжение (катодное и анодное) зависит глав­ ным образом от материала электродов, природы разря­ жающихся на электроде ионов, плотности тока и др.

где Э — электрохимический эквивалент, определяемый на основании закона Фарадея; I — сила тока в А; F — площадь детали в см2.

Условия эффективного электрохимического шлифования

На эффективность электрохимического шлифования влияют характеристика круга и режимы обработки.

Для электрохимической (алмазной) обработки твер­ дых сплавов применяются токопроводящие алмазные круги на металлических связках М5, Ml, МОІЗЭ и др., с зерном АСР и АСВ, зернистостью 80/63—125/100, кон­ центрации 100 и 50%; меньше применяются круги других характеристик.

Оптимальные электрические режимы предусматривают низкие напряжения тока (не выше 6—9 В) во избежание значительных электроэрозионных процессов и высокую плотность тока порядка 80—100 А/см2. Оптимальной ско­ ростью резания является ѵкр = 22н-25 м/с и скорость ос­ циллирующего движения 60—80 дв. ход./мин. Дальней­ шее возрастание скорости практически на увеличивает производительность, но резко увеличивает износ алмаз­ ного круга.

Важнейшее значение имеет удельная нагрузка круга на деталь, во многом обеспечивающая оптимальный меж­ электродный зазор и возможность возникновения сопут­ ствующих процессов (микрорезания и электроэрози­ онных). Для электрохимической заточки твердосплавных инструментов принимают удельную нагрузку р = (5-н -5- 10) ДО5 Н/м2.

236

При поддержании оптимальной плотности тока уве­ личение обрабатываемой площади приводит к пропор- -циональному возрастанию производительности обработки. В связи с этим эффективнее производить обработку с боль­ шими площадями шлифуемой детали, например торцом круга A4 К.

При шлифовании деталей периферией круга АПП сле­ дует применять большие глубины резания с соответствую­ щим уменьшением продольной подачи для поддержания оптимальной толщины среза зерном.

При электрохимическом (алмазном) шлифовании твер­ дых сплавов оптимальным является электролит состава (по весу): 5% азотнокислого натрия NaN03, 5% фтори­ стого натрия NaF, 0,3% азотнокислого натрия NaN02; вода — остальное. Растворы NaN03 или KN03 обеспе­ чивают наиболее интенсивное формирование анодной пленки; его концентрация свыше 5% не влияет на процесс обработки. Фтористый натрий повышает производитель­ ность в результате предотвращения соединений ионов металла с гидроксильными ионами и образование раствори­ мых соединений с металлами. Азотнокислый натрий яв­ ляется ингибитором, уменьшающим коррозию оборудо­ вания без снижения производительности обработки. Рас­

суммарная сила является результатом взаимодействия шлифующих зерен круга с обрабатываемым металлом, гидродинамического действия электролита и давления во­ дорода, выделяющегося при электролизе.

При алмазно-электрохимическом шлифовании нормаль­ ная сила, прижимающая деталь к кругу, уменьшается на 10—30% по сравнению с обычным шлифованием вслед­ ствие давления газов электролита.

По расчетам, проведенным Коулом [99], величина силы действия водорода на образец квадратного сечения

(132)

где k — коэффициент, зависящий от принятой размер­ ности; Ь — длина образца; ра — давление окружающей

237

среды; ц — вязкость газоэлектролитной смеси; / — сум­ марный ток; h — зазор между шлифовальным кругом и образцом; Ѳн — температура при нормальных условиях; Ѳэ — температура электролита.

Формула (132) может лишь ориентировочно характери­ зовать величину давления водорода, так как величины ц и h не могут быть определены с необходимой для расчета точностью. Однако давление газообразного водорода способствует сохранению повышенных величин радиаль­ ной составляющей силы при электролитическом шлифо­ вании.

Ниже приведены результаты экспериментального из­ мерения сил резания при электрохимическом и обычном шлифовании образцов шириной 6 мм из твердого сплава Т15К6 алмазным кругом АСВ 100/80 и стали Р18 кругом

измерялись динамометром УДМ, соединенным со шлей­ фовым осциллографом Н700 через тензометрический уси­ литель ТА-5.

В результате опытов получены следующие силовые зависимости при электролитическом шлифовании:

1) твердого сплава Т15К6

<»

При обработке с одинаковыми режимами резания ве­ личины сил при электрохимическом шлифовании меньше, чем при обычном. Эта разница является большей для гори­ зонтальной составляющей и меньшей для вертикальной.

238

Отношение сил соответственно:

ГУО

При обработке других материалов наблюдается анало­ гичная закономерность. Такое изменение составляющих силы резания определяется влиянием давления газообраз­ ного водорода при электролитическом шлифовании. При обычном алмазном шлифовании с повышением степени легирования обрабатываемых материалов (увеличения карбидов вольфрама и титана в твердом сплаве, воль­ фрама и молибдена в быстрорежущей стали) обрабатывае­ мость таких материалов ухудшается и силы резания во­ зрастают. При электрохимическом шлифовании разница в степени легирования обрабатываемых материалов ска­ зывается менее резко. С увеличением размера зерен круга в диапазоне средних номеров зернистости силы шлифо­ вания снижаются.

Объяснение изложенного следует искать в увеличении размеров срезов и снижении условных напряжений при увеличении размера зерен, а также некоторого увеличения межэлектродного зазора, благоприятно сказывающихся на процессе электрохимического травления.

При весьма крупных алмазных зернах (свыше 125/100) силы возрастают в связи с чрезмерно большим межэлек­ тродным зазором, уменьшением силы тока и снижением интенсивности удаления анодных пленок. Повышению концентрации алмазов в круге соответствует некоторый рост сил резания, что объясняется, видимо, большей трудностью удаления стружки из межзеренного простран­ ства, наличием определенных электрических контактов связки круга с обрабатываемым материалом и ухудше­ нием условий электрохимического растворения.

Температура и качество поверхностного слоя

На процесс формообразования влияет температура в зоне обработки. Температура электролитического шли­ фования ниже, чем обычного, что особенно заметно при больших глубинах шлифования.

239