книги из ГПНТБ / Де Барр, А. Е

наблюдаемому повреждению поверхности, что делает этот способ во многих случаях непригодным. Следовательно, ни один из термических методов не решает полностью проблемы обработки высокопрочных металлов в широком масштабе.

Химические методы, кроме способов травления, которые имеют ограниченное применение, включают электрохимическую обра­ ботку, которая будет предметом обсуждения далее. Подобно электроэрозионной обработке электрохимический метод можно использовать для обработки особо твердых и вязких электро­ проводных материалов.

При химической обработке металл удаляют с поверхности детали атом за атомом. Химическое фрезеррвание, или размерное травление, используют для съема металла с целью уменьшения массы некоторых деталей самолета, но оно совсем не применяется как обычный процесс обработки. Однако область применения метода может быть значительно расширена путем использования электрохимического процесса. Скорость съема металла электро­ химическим методом не зависит от твердости или прочности де­ тали или фактически от любого другого физического свойства при условии, что материал электропроводен. При этом одновременно могут быть достигнуты высокие скорость съема металла (не­ сколько тысяч кубических миллиметров в минуту) и классы чистоты поверхности, отсутствуют износ инструмента, остаточ­ ные напряжения или повреждения материала детали (так как температуры не превышают 100° С) и заусенцы на кромках реза.

3. ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Впервые явление электролиза было исследовано более 160 лет назад, а электрохимический съем металла практиковался в тече­ ние многих лет в операциях электротравления для удаления окисных пленок с поверхности металлических деталей.

Однако размерный электролитический съем металла впервые широко применялся при полировании поверхностей. Электроли­ тическое полирование впервые было обосновано Жаке в 1935 г. и сейчас широко используется при подготовке образцов для металлографического анализа. Повреждения поверхности образца при этом не наблюдается, как и при обычных методах полирова­ ния, и при правильно выбранных условиях получается хорошая полированная поверхность.

Электрохимические методы используют для удаления разру­ шенных стальных инструментов из алюминиевых или магниевых деталей. Во многих случаях детали со сломанным инструментом погружают в резервуар с электролитом, и разрушеннные части удаляются электролитическим методом. Однако этот процесс можно использовать только тогда, когда обрабатываемые детали не содержат включений двухвалентного железа. Когда необхо­ дима локализация процесса или отсутствует возможность погру-

жения в электролит очень больших деталей, используют автоном­ ное приспособление.

Станок для электрохимического съема металла был описан в 1946 г., но применение электрохимических методов в промыш­ ленных масштабах началось в 1950 г. в виде электролитического или электролитически сопутствующего шлифования. Электро­ химический съем металла осуществился на 8—10 лет позже в связи

свнедрением электрохимических станков для прошивки отверстий

иформообразования турбинных лопаток, и процесс теперь из­ вестен как электрохимическая обработка, с помощью которой можно прошивать отверстия, фрезеровать, обрабатывать полости, тела вращения и выполнять другие операции.

Впервые электрохимическая обработка была предложена в 1929 г., когда советский ученый В. Н. Гусев запатентовал про­ цесс электрохимической обработки со многими особенностями, почти идентичными процессу на современной стадии его развития.

формообразования (1956-—66 гг.), другие изучали электрохими­ ческую обработку применительно к шлифованию. Используя алмазные круги с металлической связкой, электропроводные электролиты в качестве «охлаждающей среды» и изоляцию круга от станины (постоянного тока) между деталью и кругом, они создавали разность потенциалов. Выступающие на круге алмазы обеспечивали изоляцию между кругом и деталью и в то же время поддерживали рабочий зазор около 0,1 мм. Судя по ранним сообщениям, электрохимическое шлифование уменьшает износ круга на Ул по сравнению с шлифованием без приложения по­ тенциала.

Был сделан вывод, что многие операции формообразования могут быть выполнены электрохимическим методом.

Чистовая обработка сложного профиля лопаток имела как достоинства, так и недостатки. При выполнении особенно трудоем­ ких и сложных операций весьма быстро получили хорошие ре­

того, процесс производителен и легко автоматизируется. В настоя­ щее время довольно широко используется сверление электрохими-

ческим методом, и достигнуты успехи в прошивке сложнофасоиных отверстий в труднообрабатываемых материалах.

При прошивке фасонных отверстий диаметром около 2,54 см точность обычно составляет 0,05 мм, поэтому электрохимический метод уже можно считать точным, как, например, и электрическую эрозию, которая позволяет получать указанную точность на чистовых режимах. Поэтому можно ожидать, что электрохими­ ческая обработка будет иметь все возрастающее значение в тех­ нологии металлообработки.

4. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Электрохимическую обработку можно рассматривать как про­ цесс, обратный электроосаждению. Если сделать деталь анодом в электрохимической ячейке, металл с нее можно удалить электро­ литическим растворением. Электрохимическая обработка отли­ чается от других процессов электролитического съема металла, таких как электрополирование или электролитическое травление,

осаждения (нанесения гальванического покрытия). В электро­ химической обработке и гальванопластике электролитический

цессов, которое имеет важное теоретическое и практическое зна­ чения, является величина плотности тока. При электрохимиче­ ской обработке плотность тока может достигать 800 А - с м - 2 , что примерно в 1000 раз больше, чем при электроосаждении или элек­ тролитическом травлении.

По существу электрохимическая обработка представляет собой процесс растворения детали—анода при прохождении тока через электролит в зазоре между деталью и инструментом соответству­

торых требуется удалить неровности. Скорость, с которой металл

также и от формы электродов и расстояния, разделяющего их. Вообще плотность тока будет максимальной в точках инстру­ мента и детали, разделенных наименьшим зазором (рис. 1.5, о). Итак, в процессе обработки инструмент подается по направлению к детали, поверхность которой растворяется (рис. 1,5, б) и в итоге приобретает форму инструмента.

Максимальное количество металла, которое можно удалить с детали за данный отрезок времени, определяется током, проходя­ щим через ячейку согласно закону Фарадея, и описывается ра­ венством

где т — масса удаленного материала в г; / — ток в А; / — время

тока. Практически достигаются скорости съема 75—100% теоре­ тической скорости. Теоретическая скорость зависит только от величины тока и химического состава материала детали и состав­ ляет примерно 8—16 с м 3 - м и н - 1 на 10 000 А.

Обычно зазор между инструментом и деталью поддерживается 0,125 мм, но можно вести обработку при зазорах 0,025—0,75 мм; плотность тока 200 А с м - 2 , но может быть и больше; напряжение

раствор хлористого натрия (поваренная соль). Для поддержания расчетной скорости съема металла необходимо через зазор между инструментом и деталью прокачивать электролит со скоростью 3000—6000 см сек"1 , что соответствует давлению 10—30 кгс см" 2 . Если электролит и материал, из которого изготовлен инструмент, выбраны правильно, «износа» инструмента не наблюдается. Однако электролит не должен вызывать коррозию материала инстру­ мента, и условия обработки должны быть такими, чтобы на нем не было осаждения металла.

Катод (инструмент) обычно изготовляют из электропровод­ ного материала, например меди, хотя чаще используют материалы, подобные нержавеющей стали, которые устойчивы в агрессивном кислотном и солевом электролите. Стружки, как при обычной

обработке, не образуется, за исключением солей или гидроокисей элементов сплава. Гидроокиси следует удалять из электролита с помощью фильтрования или химического осаждения. Непре­ рывная или периодическая очистка электролита влияет на под­ держание постоянных условий обработки. В раствор также сле­ дует добавлять воду. Резервуары и трубопроводы желательно изготовлять из пластиков для предотвращения обычной коррозии.

При электрохимической обработке используют устройства, которые обеспечивают перемещение инструмента по направлению к детали с постоянной скоростью и останов его после прохождения заданного пути. После обработки поверхность детали должна быть чистой и ровной и иметь форму, аналогичную форме инстру­ мента. Съем металла с анода — процесс, противоположный обыч­ ному резанию. Следовательно, можно ожидать, что качество по­ верхности детали в этом случае будет отличаться от качества поверхности обработки резанием. При электрохимическом методе равномерно удаляется как напряженный, так и деформированный поверхностный слой металла, который влияет на свойства детали. Этим процессом, следовательно, можно либо улучшить, либо ухудшить или не оказать никакого влияния на свойства детали, которые определяются состоянием ее поверхности.

Для большинства металлов и сплавов электрохимическая обработка не влияет на такие механические свойства, как предел текучести, предел прочности при растяжении и т. д. Однако при обработке деталей из таких металлов, как бериллий и воль­ фрам, поверхность которых склонна к повреждению при обра­ ботке резанием, электрохимическая обработка заметно улучшает механические свойства. Свойства повышаются в результате удале­ ния поврежденных поверхностных слоев без введения новых напряжений или надрезов.

В некоторых случаях, если предел выносливости детали, обработанной электрохимическим методом, сравнивается с пре­ делом выносливости отполированного или начисто обработанного металла, оказывается, что электрохимическая обработка снижает предел выносливости примерно на 10—25% (рис. 1.6). Однако часто чистовая отделка резанием вызывает наклеп поверхностных слоев, и это повышает предел выносливости. В противополож­ ность этому электрохимическая обработка ликвидирует наклеп и оставляет свободную от напряжений поверхность, что позволяет измерить истинный предел выносливости металла, без влияния поверхностных дефектов, вызываемых операциями чистовой от­ делки.

Критический предел выносливости можно увеличить последу­ ющей механической чистовой обработкой (рис. 1.7). Операции механической обработки после электрохимической могут вызвать наклеп, что приводит к тому, что обработанная деталь приобре­ тает свойства, fсравнимые или лучшие, чем свойства деталей, обработанных резанием.

16

5. МАСШТАБЫ ПРИМЕНЕНИЯ И ПРЕИМУЩЕСТВА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

На данной сравнительно ранней стадии развития электро­ химического метода обработки было бы ошибочно считать его универсальным. Существующее многообразие методов обработки необходимо принимать во внимание; из них можно выделить два

вые методы оправдают себя, но в настоящее время применение их составляет незначительный процент в общем объеме обработки. Предполагается, что со временем это отставание исчезнет, а тем временем во всех направлениях быстрыми темпами будут разви­ ваться новые методы.

Электрохимический метод можно использовать для сверле­ ния, обработки тел вращения, резания и т. д. Некоторые возмож­ ные схемы применения метода показаны на рис. 1.8. В некоторых из них изолируется часть поверхности инструмента для локали­ зации процесса на желаемых участках. Следует принять во вни­ мание возможность «скруглення» острых кромок, как, например, снятие заусенцев с зубчатых колес, обработка фасонных глухих отверстий или выемок с автоматически образующимися радиус­ ными переходами.

Преимущества этого процесса очевидны при обработке слож­ ных криволинейных поверхностей. Изготовив один комплект катодов-инструментов, например, из нержавеющей стали, можно

обработать партию деталей с высокой степенью точности и же­ лаемого контура; это объясняет ранее отмеченный повышенный интерес к применению этого метода для обработки лопаток газо­ вых турбин, а также для обработки большого количества лопаток паровых турбин.

Предполагая, что при этом удовлетворяются условия низкой стоимости, электрохимический метод следует применять для

является преимуществом, присущим электроискровой обработке, но электрохимической обработкой можно также получить поверх­

и отпущенных штампах. Во многих случаях обработанная по­ верхность после электрохимической обработки лучше, чем по­ верхность после чистовой электроискровой обработки; для послед­ него процесса характерно упрочнение поверхностного слоя.

Позднее, кроме электролитического или электрохимического шлифования, появилось усовершенствованное электрохимическое хонингование, при котором экономятся хонинговальные бруски вследствие увеличения их срока службы в 3 раза.

Некоторые конструкторы станков предлагают совместить элек­ трохимическую и электроискровую обработку, и одна японская фирма уже выпустила оборудование для предварительной обра­ ботки электрохимическим методом и «чистовой обработки» элек­ троискровым методом. Независимо от формы деталей оба метода будут развиваться и дальше, и без сомнения, применяться будет лучший из них. Электрохимическая обработка зарекомендовала себя положительно, и нельзя представить, что в последующие годы она не найдет себе определенного места в металлообработке.

Основными недостатками электрохимического метода является то, что электрохимическое оборудование относительно дорого и проблемы, возникающие при его применении, еще не знакомы тем, кто имеет дело с традиционными процессами металлообра­ ботки. Так как процесс относительно новый, можно предположить, что потребуется значительное количество исследований для опре­ деления оптимальных условий его осуществления. Тем не менее быстрый рост как теории, так и практики электрохимической обработки, о чем сообщается на страницах этой книги, уже привел к результатам, которые дают ответы на многие практические вопросы.

Цель данной книги — способствовать правильной оценке новой

(рис. 2.1). Чтобы получить хорошую полированную поверхность, плотность тока по поверхности анода контролируют с помощью градиентов концентрации раствора около анода. Зазор между анодом и катодом должен быть несоизмеримым по сравнению с неровностями, которые нужно удалить, и плотность тока должна быть ограничена скоростью, с которой ионы могут диффунди­ ровать от анода. На выступающих участках поверхности детали плотность тока больше, чем на впадинах, и съем металла про­ исходит избирательно. На отполированной поверхности отсут­ ствуют остаточные напряжения и наклеп, не отделимые от обычных методов полирования. Местная шероховатость поверхности может быть очень низкая, но вся поверхность часто бывает волнистой.

Полирование деталей осуществляется в ваннах, причем анод­ ное растворение металла происходит через поляризационную пленку. Растворы высокополяризующего электролита содержат только ограниченное количество воды. Плотность тока должна быть достаточно высокой, чтобы скорость растворения анода была ограничена градиентом концентрации электролита. Для электро­ полирования материалов разработаны различные растворы элек­ тролитов. Электрополирование используют также для подготовки образца при металлографическом анализе.

Электролитическое травление. Травление металлических дета­ лей погружением в кислоту или щелочь для удаления окалины может быть интенсифицировано с помощью электрического тока. Электролитическое травление используют для очистки металли­ ческих деталей и для электролитического окисления или раскис­ ления нержавеющей стали. В последнем случае электролитом является раствор тринатрийфосфата и каустика. Процесс обычно применяют Для очистки перед электрополированием или лужением, например, бесконечной ленты (рис. 2.2). Раствор фосфорнокислого и едкого натрия часто используют для электролитической очистки стальных полос. Однако электролитическое травление не является процессом формообразования детали.

Электролитическое удаление разрушенных инструментов. Элек­ трохимический метод удаления разрушенных стальных инстру­ ментов, например метчиков из алюминиевых деталей, был при-