книги из ГПНТБ / Де Барр, А. Е

ровать направление потока электролита на обрабатываемых уча­ стках. Их делают из изоляционных материалов, которые должны обладать хорошей термостойкостью и низким поглощением влаги, а также легко обрабатываться. Обычно используют эпоксидные смолы с минеральным наполнителем или слоистый материал из стекловолокна и эпоксидной смолы; более дешевыми аналогич­ ными материалами является поливинилхлорид.

Методы изготовления инструментов. Большинство материалов, используемых для изготовления инструментов, относительно легко обрабатываются, а выбор метода изготовления обычно зави­ сит от других факторов. Обычно требуется только один инструмент, но можно сделать и второй, предусматривая его случайные повреж­ дения; для этого предпочитают изготовлять его методом холодной ковки или электроформовкой.

Если есть деталь-прототип, ее можно использовать в качестве эталона для обработки инструмента при токе обратной полярности.

cos В проводимость будет изменяться автоматически. Таким обра­ зом, необходимость исправлений формы инструмента методом «под­ гонки» сводится к минимуму. Острые углы первоначальной детали будут, однако, скруглены дважды, когда применяют этот процесс. Каналы для подачи электролита в рабочий зазор и отвода его из зазора должны обеспечивать равномерный поток электролита. Узкие щели для потока электролита зачастую изготовляют эро­ зионным методом.

3. и з о л я ц и я ИНСТРУМЕНТОВ

Обеспечить эффективную изоляцию на поверхностях инстру­ мента трудно в том случае, если изоляция разрушается вследствие образования хлопьев шлама во время электрохимической обра­ ботки; это приведет к тому, что обрабатываться будут те поверх­ ности, которые не требуется обрабатывать. Повышение рабочего тока может быть слишком незначительным, и его можно обнару­ жить только в конце операции. Могут быть и вторичные поврежде­ ния. Если изоляция разрушается по ходу потока в зазоре, то между инструментом и деталью могут скопиться частицы; это приводит к искрению между катодом и деталью, и в этом случае как инструмент, так и деталь могут быть повреждены.

Покрытия должны обладать достаточной пластичностью, иметь коэффициент объемного расширения, близкий по величине к мате­ риалу инструмента, чтобы реагировать на изменения его размеров в результате колебаний температуры. Обычно для изоляции ин­ струментов используют эпоксидные смолы, но они, как правило, обладают недостаточной эластичностью. Исследования, целью ко­ торых является поиск покрытий с необходимой комбинацией свойств, продолжается, но ранее полученные результаты показы-

вают, что изоляторы на основе резины более пригодны, чем покры­ тия из эпоксидной смолы.

Адгезия между покрытием и инструментом должна быть хоро­ шей. Это зависит как от покрываемого металла, так и от покрытия, а также от точного соблюдения режимов процесса. Хотя медь яв­ ляется очень хорошим материалом для изготовления катодов (вследствие ее высокой электро- и термопроводности и сравни­ тельно легкой обработки), но она обладает низкой адгезией с по­ крывающим материалом. Кроме того, установлено, что важна большая осторожность во время различных стадий покрытия.

Одним из преимуществ электрохимической обработки является то, что срок службы инструмента может быть бесконечным. Однако изоляцию нужно ремонтировать, и поэтому желательно иметь два комплекта катодов-инструментов, чтобы не прерывать производ­ ственный цикл.

Г л а в а 10

КОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СТАНКОВ

1.Ж Е С Т К О С Т Ь

На первый взгляд может показаться, что при существовании зазора между инструментом и деталью в процессе электрохимиче­ ской обработки отсутствуют какие-либо силы, способные вызвать деформацию элементов станка и приспособлений, и поэтому можно использовать нежесткие конструкции. В действительности необ­ ходимо учитывать влияние электромагнитных, гидростатических и гидродинамических сил.

Электромагнитные силы. В любой точке электрического про­ водника, по которому протекает ток, действуют силы магнитного поля. В длинном ровном цилиндрическом проводнике радиусом г сила действует по радиусу внутрь и эквивалентна давлению

С учетом плотности тока J

где А — площадь поперечного сечения (зхг2).

Итак, при постоянной плотности тока давление пропорцио­ нально площади проводника. В жидком проводнике с удельной магнитной проницаемостью, это давление небольшое; при площади 6,45 см2 и токе 1500 А оно равно примерно 0,003 кгс с м - 2 . Однако для электродов с ферромагнитными свойствами и проницаемостью, равной 1000, давление могло бы достигать 0,3 кгс с м - 2 .

Фактическое магнитное поле в узком зазоре между инструмен­ том и деталью будет зависеть от магнитной проницаемости электро­ дов и геометрических параметров зазора.

Гидростатические силы. Электролит в зазор можно подавать либо в направлении, перпендикулярном поверхности обрабатывае­ мой детали через полый электрод, либо параллельно обрабатывае­ мой поверхности. В любом случае среднее давление в зазоре между инструментом и деталью равно примерно половине прилагаемого давления. Таким образом, для станка с площадью обрабатываемой поверхности 53x23 см и давлением подводимого электролита

3,0 к г с - с м - 2 разжимающая сила в зазоре приблизительно равна 2000 кгс.

Гидродинамические силы. Если электролит подается через полый инструмент и растекается по поверхности детали равномерно во всех направлениях, тогда в расчете сил, действующих на инстру­ мент и деталь, не учитывается сила, направленная параллельно зазору. Если электролит подается в зазор параллельно поверх­ ности детали, то в результате сил трения на инструмент и деталь действуют силы, равнодействующая которых совпадает с направле­ нием потока. В приведенном примере давление на входе в зазор будет равно 3,0 кгс с м - 2 , и, полагая, что электролит подается в направлении наименьшего размера детали в промежуток, равный 0,125 мм, на инструмент и деталь будут действовать силы 1,135 кгс. Однако на практике эти силы, вероятно, должны быть гораздо больше, чем указанная, потому что часть кромок инструмента и детали будут воспринимать полное гидростатическое давление.

Из приведенных рассуждений видно, что элементы электро­ химических станков воспринимают значительные силы в направле­ нии, перпендикулярном рабочему зазору, и их необходимо учи­ тывать при проектировании оснастки и самих станков. Относи­ тельное смещение между инструментом и деталью вследствие упру­ гих деформаций узлов и приспособлений зависит не только от упругости системы (СПИД), но и от величины давления электро­ лита; итак, давление необходимо контролировать, особенно к концу процесса обработки. Чем жестче конструкция, вспомогательные узлы и приспособления, тем меньше погрешностей возникает в результате действия этих сил. Вследствие асимметричного рас­ положения электродов относительно шпинделя равнодействующая сила может быть направлена под углом к направлению подачи. Приспособления необходимо конструировать так, чтобы они обла­ дали соответствующей жесткостью в поперечных направлениях,

впротивном случае возникают погрешности формы. Рабочие за­ зоры обычно выбирают в диапазоне 0,125—0,5 мм, и отклонения из-за деформаций системы порядка 0,025 мм влияют на точность обработки. Следовательно, необходима высокая степень жесткости

внаправлении, перпендикулярном поверхности детали. На отно­ сительное смещение инструмента и детали влияет и изменение температуры. Поэтому необходимо тщательно контролировать тем­ пературу электролита.

Кроме постоянных, нужно учитывать и переменные силы. Такие силы могут возникать в результате пульсации потока электролита (что определяется характеристикой применяемого насоса), изме­ нения скорости подачи электрода или интенсивного выделения газа в зазоре, и если они возникают, то связанные с ними вибрации элементов станка приводят к изменению зазора. Иногда необхо­ димо применять устройства, которые фиксировали бы наличие вибраций, и если она существенна, приостанавливали бы процесс обработки.

Электролиты для электрохимической обработки представляют собой водные растворы неорганических соединений. Большинство из применяемых электролитов вызывают коррозию металлов, так что в отличие от обычных станков электрохимические станки должны быть спроектированы с учетом стойкости их элементов против коррозии. Следовательно, в конструкции станков, где только возможно, необходимо использовать неметаллические ма­ териалы, например пластики. Однако, когда первостепенное зна­ чение приобретает прочность или жесткость, необходимо использо­ вать металлы с защитой их пластиками или краской в виде покры­ тий. Опыт эксплуатации станков показывает, что для таких эле­ ментов, как зажимы детали и подвижные части поршневых, плун­ жерных или ротационных насосов, неметаллические покрытия применять нельзя; поэтому нужно знать антикоррозионные свой­ ства применяемых металлов.

В приложении IV приведены данные о стойкости различных металлов против коррозии в кислотных, нейтральных и щелочных электролитах. Табл. IV. 1 в этом приложении, составленная по материалам каталогов, показывает, что материалов, стойких про­ тив двух кислотных растворов, очень мало, в то время как диапа­ зон материалов, пригодных для использования в нейтральных и щелочных растворах, гораздо шире, а сплавы, в частности хастеллой или его эквивалент лангаллой 5R, устойчивы против всех агрессивных сред. Результаты экспериментов, изложенные в табл. IV.2 (приложение IV), подтверждают хорошие эксплуата­ ционные качества сплава лангаллой 5R и титана в кислотном элек­ тролите.

Восемь неметаллов, включенных в табл. IV.2, стойки против коррозии, но многие из них оказывается поглощают электролит. Плексиглас и жесткий поливинилхлорид, которые не были иссле­ дованы, также могут быть использованы для изготовления электро­ химических станков. Там, где прочность имеет меньшее значение, можно рекомендовать полиэтилен и полипропилен. Чистые термо­ пласты, которые содержат реактивные наполнители, прочны и обладают большей жесткостью, чем только что рассмотренные тер­ мопластические материалы. Другие термопласты на основе поли­ эфира и эпоксидных смол, армированные стеклом, также могут находиться в контакте с растворами.

Табл. 10.1 служит руководством по материалам, которые можно использовать для покрытия" металлов, подвергающихся корро­ зионному воздействию электролитов при электрохимической обра­ ботке. Кроме того, покрытия должны быть стойкими против исти­ рания и случайных повреждений. Важна и электрическая изоля­ ция, так как должно обеспечиваться сопротивление изоляции до 30 в без пробоя.

Органические покрытия для защиты металлов от коррозии при электрохимической обработке

Кроме материалов, перечисленных в табл. 10.1, в качестве удов­ летворительной защиты можно применять и другие, но для этого нужны предварительные исследования. Тот, кто применяет покры­ тия для защиты металлов, должен иметь подробную информацию о методах нанесения покрытий, оптимальной толщине и их надеж­ ности. Хорошо подготовленная поверхность является одним из основных факторов, определяющих срок службы покрытия. До нанесения покрытия поверхность металла тщательно очищают с помощью дробеструйной обработки или химического травления. Жидкие покрытия можно наносить кисточкой, распылением или

тами — электростатическим или пламенным распылением. Тол­ щина покрытия зависит от применяемого материала и должна быть такой, чтобы к поверхности металла не было доступа электро­ лита. Во многих производственных процессах коррозия сводится к минимуму, но когда в электролиты для электрохимической обра­ ботки добавляют ингибиторы, то они могут оказывать вредное влияние на обработку. Например, добавление азотнокислого натрия в рассол хотя и уменьшает коррозию низкоуглеродистой стали, но снижает производительность обработки стальных дета­ лей. Другим ингибитором, добавляемым в солевые растворы, является хромат натрия; но при обработке стали хромат, вероятно,

быстро расходуется на окисление образующихся ионов железа. Опыт с применением ингибиторов на органической основе для кис­ лотных электролитов показывает отсутствие стабильности электро­ химической обработки на высоких плотностях тока.

Учитывая эти общие замечания, рассмотрим три основных элемента электрохимического станка, которые наиболее подвер­ жены коррозии:

1) рабочие поверхности, близко расположенные к катоду и об­ рабатываемой детали (рабочая камера н базовые поверхности де­ тали и приспособления);

2) конструктивные элементы станка, удаленные от рабочей камеры, например станина, державка инструмента и т. д.;

3) вспомогательное оборудование, в которое входит насос для подачи электролита и трубопроводы (рабочая камера и базовые поверхности детали и приспособления).

Когда электролит протекает по поверхности детали, как, на­ пример, при формообразовании лопаток, то его поток необходимо ограничить до размеров рабочего зазора. В этом случае направля­ ющие для потока и фактически вся рабочая камера могут быть из­ готовлены из блоков акрилового пластика или плексигласа. Этот материал не реагирует с растворами кислоты и щелочи, и рабочая камера может быть достаточно жесткой, чтобы выдержать давление электролита. Этот же материал может быть использован тогда, когда электролит подводится перпендикулярно поверхности детали и отводится через полый электрод, как при прошивке отверстий с ре­ версированием потока. При обработке без реверсирования потока электролит подается через полый электрод и при выходе из зазора находится под атмосферным давлением. В этом случае ограждение является только предохранением от разбрызгивания и конструк­ ция его может быть не жесткой; например, лист из полиэтилена окажется вполне удовлетворительным. В некоторых случаях рабо­ чую камеру желательно изготовлять из металла. Для этих целей можно использовать низкоуглеродистые стали при условии, что внутренние стенки будут надежно защищены. Покрытия из смолы должны быть надежными, и в этом случае можно рекомендовать нерастворяющиеся эпоксидные смолы. Чтобы довести до минимума коррозию рабочей камеры, когда станок не работает, желательно в конце обработки промывать ее водой. Электроды иногда проекти­ руют таким образом, чтобы уплотняющие кольца под давлением электролита прижимались к поверхности детали и инструменту, обеспечивая полную герметизацию рабочей зоны, без применения дополнительных ограждений.

Материал, используемый для изготовления зажимов детали во время обработки, подвергается анодному травлению, и поэтому лучше использовать титан вследствие его анодной пассивности. Образцы, в которых прошивались глубокие отверстия, были за­ жаты в титановый блок: через это приспособление к образцам под­ водился ток и в процессе обработки поверхность титана не подвер138

галась травлению. Другим примером могут служить титановые патроны, применяемые при электрохимической заточке.

Такие элементы, как головки болтов, могут быть защищены органическими покрытиями, например, полиэтиленом или эпоксид­ ными смолами.

В присутствии электролита на разнородных металлах, находя­ щихся в контакте, особенно когда станок не работает, может наблю­ даться сильная биметаллическая коррозия. Поэтому важно, чтобы контактирующие металлы не очень отличались по своим электро­ химическим потенциалам. Например, металлы, находящиеся в кон­ такте, должны быть подобраны таким образом, чтобы напря­ жение образующегося гальванического элемента не превышало 0,25 В.

Конструктивные элементы станка. Рабочая камера, в которой находятся инструмент и деталь, содержит значительный объем электролита, способного вступить в контакт с элементами станка, благодаря неизбежному разбрызгиванию его и осаждению на неза­ щищенные поверхности. Коррозия может быть значительной из-за свободного доступа воздуха к поверхности металла, а также спо­ собности осевшей жидкости к испарению, что, в свою очередь, повышает концентрацию коррозионной среды.

Элементы станка, находящиеся в непосредственной близости от рабочей камеры, могут быть изготовлены из коррозионностойкого материала, например, нержавеющей стали, но их, вероятно, лучше делать из чугуна или низкоуглеродистой стали и защищать краской или пластмассовым покрытием. Защитные покрытия на большие поверхности наносятся щеткой или распылением. В ка­ честве примера можно привести хлоркаучук, который на подготов­ ленную поверхность металла наносят в следующем порядке: грун­ товка, нижнее и верхнее (последнее) покрытия. Толщина всего покрытия приблизительно равна 0,25 мм. Эпоксидные и полиуретановые покрытия также оказываются удовлетворительными. Необходимо часто мыть стенки, так как немногие покрытия обес­ печивают полную защиту в течение длительного времени. Направ­ ляющие станков, например электрохимического токарного и про­ шивочного, покрывают смазкой, которая защищает открытые по­ верхности, и ее защитные свойства могут быть повышены добавле­ нием ингибиторов.

Дополнительным методом защиты базовых поверхностей в ра­ бочей камере станка является наложение небольшого электриче­ ского потенциала в таком направлении, что вся конструкция при­ обретает более положительный потенциал, тем самым уменьшая возможность возникновения коррозии. Этот метод, известный под названием катодной защиты, широко используют для защиты длинных трубопроводов, проложенных под землей; он заключается в сдвиге потенциала защищаемой конструкции по сравнению со вспомогательным анодом с получением отрицательных значений с помощью внешней э. д. с.

Вспомогательное оборудование. Насос электрохимического станка может быть центробежного типа; рабочее колесо и кожух могут быть изготовлены из графита, керамики или нержавеющей стали, но покрытие металла не исключается, так как покрытия устойчивы к сильной турбулентности. Поршневые плунжерные или ротационные насосы необходимо изготовлять с повышенной точностью для получения удовлетворительных характеристик; их обычно не защищают покрытиями, так что в этом случае нужно использовать коррозионностойкие материалы. Довольно стойким считается сплав ланголлой 5R, но даже низкая скорость коррозии его в кислотных растворах может быть достаточно большой, чтобы сильно повлиять на работоспособность определенных типов насо­ сов, например поршневых.

Когда используют нейтральные растворы, можно применять такие материалы, как нержавеющая сталь, монель, орудийные стали и определенные типы алюминиевой бронзы. Насосы, изго­ товленные из титана, могут непрерывно пассивироваться анодным потенциалом, и небольшой центробежный насос с анодным потен­ циалом проработал вполне удовлетворительно в горячем 50%-ном водном растворе серной кислоты. Незащищенный титан корроди­ рует в этой среде со скоростью примерно 25,4 мм-год"1 , цо нало­ жение небольшого положительного потенциала уменьшает кор­ розию до 0,002 мм - год - 1 . Расход энергии при этом составляет только 3 Вт на 100 м2 погруженного титана.

Резервуары для электролита изготовляют из пластических материалов, например полиэфира или эпоксидных смол, армиро­ ванных стекол или даже из полиэтилена, в тех случаях, когда не важна прочность. Более высокую прочность, однако, обеспечивают стальные или бетонные резервуары, облицованные поливинилхлоридом или смолой.

Трубопроводы, выдерживающие максимальные давления 0,6 кгс-см"2 , изготовляли из жесткого поливинилхлорида, нотам, где требуется эластичность, оказался пригодным пластифициро­ ванный поливинилхлорид, армированный нейлоновыми кольцами. Эти материалы также можно с успехом использовать при работе под высокими давлениями при условии применения жестких соеди­ нений; для очень высоких давлений рекомендуется, например, стальной трубопровод, облицованный синтетической смолой.

Клапаны изготовляют из поливинилхлорида, но для более вы­ сокой прочности предпочитают металлы. Титан или ланголлой 5R пригодны для кислотных электролитов, а нержавеющая сталь, монель и некоторые медные сплавы — для солевых растворов. Можно использовать также обычные металлы, но при условии, что изнутри они должны быть покрыты стеклом или хлорированным полиэфиром, известным под названием «пентон».

Фильтры для очистки кислотных электролитов целесообразнееизготовлять из керамических материалов, а для солевых растворов из коррозионностойких фиброматериалов, например стеклоткани.