3.3. Технологические показатели
Точность обработки
Включает погрешности, вызванные неравномерностью припуска заготовки, нестабильностью режима обработки, отклонениями формы инструмента, кинематическими погрешностями оборудования.
Форму инструмента дорабатывают в зависимости от обрабатываемого профиля детали и после нескольких корректировок можно получить электрод с минимальной погрешностью. Исправное оборудование имеет минимальные погрешности (до 15% от общей погрешности). Наибольшее отклонение формы детали от требуемой вызвано нестабильностью режима обработки, в том числе за счет колебаний электропроводности, зазора (до 50% общей погрешности обработки). На точность ЭХО значительно влияет отклонение от расчетного режима течения электролита (до 20%). Составляющие и суммарная погрешность приведены в табл. 3.5.
Пути снижения погрешности
Наиболее эффективным способом повышения точности обработки является использование импульсно-циклических схем подачи электродов, при этом электрод периодически сближается с заготовкой до малых (0,02-0,05 мм) зазоров, позволяющих резко улучшить точность копирования профиля инструмента на детали. Здесь достигнута повторяемость размеров полостей в пределах 0,02-0,03 мм.
Вторым эффективным направлением снижения погрешностей является стабилизация режимов обработки в пределах 1-3%, что дает возможность повысить точность на 1-2 квалитета.
Третий путь – локализация процесса за счет подбора электролитов, наложения диэлектриков, введения в электролиты газов. Это позволяет снизить погрешность в 2-2,5 раза.
Четвертый путь – применение комбинированных методов с использованием алмазного, абразивного и другого токопроводящего инструмента. Механическое воздействие зерен ускоряет процесс локального съема металла и повышает точность на 1-2 квалитета.
Таблица 3.5. Погрешности обработки
Схема и метод обработки |
Припуск, мм |
Общая погрешность |
|
мм |
квалитет точности |
||
1. Обработка неподвижными электродами: |
|
|
|
1.1. безразмерная |
не ограничены в пределах погрешности заготовки |
||
1.2. размерное формообразование |
До 0,3 мм |
10% от глубины обработки |
|
2. Обработка подвижными электродами: |
|
|
|
2.1. прошивание углублений: |
|
|
|
- мелких полостей, отверстий |
- |
- |
3-10 |
- крупных полостей |
- |
- |
12-14 |
- глубоких отверстий |
- |
- |
10-12 |
- профиля пера лопаток с длиной: |
|
|
|
до 100 мм |
0,5-0,6 |
0,03-0,15 |
|
от 100 до 200 |
0,5-0,8 |
0,1-0,3 |
|
от 200 до 300 |
0,6-1,0 |
0,2-0,5 |
|
свыше 300 |
0,8-2,0 |
0,3-0,8 |
|
2.2. Точение |
0,4-0,8 |
- |
8-10 |
2.3. Протягивание |
0,3-0,6 |
0,04-0,08 |
8-10 |
2.4. Разрезание |
- |
- |
9-10 |
2.5. Шлифование |
0,2-0,6 |
0,05-0,07 |
7-9 |
2.6. Гравирование |
0,1 |
0,03-0,05 |
- |
Качество поверхностного слоя
Характеризуется шероховатостью после обработки, физическими (микротвердость, обезуглероживание и др.) показателями слоев материала, прилегающего к поверхности.
Шероховатость (микрорельеф) формируется без контакта инструмента с деталью, поэтому ее величина зависит от структуры материала, режимов обработки, припуска заготовки, формы неровностей после предшествующей операции. Так требуемая величина припуска на электрохимическую чистовую обработку после предшествующей операции штамповки и очистки поверхности меньше, чем для такой же заготовки после точения. Время формообразования конечной поверхности – не более нескольких секунд. На обработанных участках неровности, как правило, образуются на границах зерен и определяются, главным образом, их размерами. На этот показатель оказывает влияние температура электролита, форма и плотность рабочего тока, структура металла заготовки.
Измерение шероховатости после электрохимической обработки рекомендуется выполнять щуповым методом. Применение для этих целей оптических методов вносит большие погрешности из-за специфического профиля неровностей после анодного растворения.
Микроуглубления на границе зерна имеют форму клиновидной щели, поэтому измерительный щуп профилографа не может достичь донной части углубления. Полная глубина впадины характеризует шероховатость и измененный слой, определяющий эксплуатационные характеристики изделий.
Показатели качества поверхностного слоя материалов приведены в табл. 3.6
Физические свойства поверхностного слоя определяются отсутствием высоких температур в зоне обработки и контакта инструмента с заготовкой, что обеспечивает стабильность химического состава, микротвердости поверхностного слоя и сохранение его свойств относительно сердцевины. В отличие от механической обработки в рассматриваемом случае не создается наклепа поверхности.
Таблица 3.6. Качество поверхностного слоя
после электрохимической обработки
Обрабатываемый материал |
Схема и метод обработки |
Электролит |
Вид тока |
Шероховатость поверхности Ra, мкм |
Глубина растравленного слоя, мкм |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
Конструкционные стали |
химическое полирование |
кислоты |
- |
0,04-0,53 (при шероховатости исходной поверхности 0,32-1,0) |
(1,2-1,5)Rz |
|
электрохимическое полирование |
кислоты |
постоянный, импульсный |
0,04-0,18 0,03-0,12 |
не наблюдается |
|
размерное формообразование |
хлорид натрия |
постоянный |
0,16-0,32 0,1-0,2 |
не наблюдается |
нитрат натрия |
постоянный, импульсный |
0,20-0,63 0,16-0,32 |
|||
Нержавеющие, жаропрочные сплавы |
размерное формообразование |
хлорид натрия |
постоянный, импульсный |
1,25-2,5 0,63-1,25 |
15-30 10-15 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
нитрат натрия |
постоянный, импульсный |
0,63-1,25 0,32-0,63 |
10-15 8-10 |
Чугуны |
размерное формообразование |
хлорид натрия |
постоянный |
1,25-2,5 |
2-5 |
Титановые сплавы |
размерное формообразование |
хлорид натрия |
постоянный |
1,25-2-5 |
50-60 |
хлорид натрия с бромистым калием |
постоянный |
0,63-1,25 |
30-40 |
||
Алюминиевые сплавы |
химическое полирование |
кислоты |
постоянный |
0,1 |
не наблюдается |
электрохимическое полирование |
кислоты |
постоянный |
0,16 |
|
|
размерное формообразование |
нитрат натрия |
постоянный |
0,32-1,25 |
не наблюдается |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
Медные сплавы |
химическое полирование |
кислоты |
постоянный |
0,1 |
не наблюдается |
электрохимическое полирование |
кислоты |
постоянный |
0,16-0,63 |
||
Материалы из металлических порошков |
размерное формообразование |
хлорид натрия |
постоянный, импульсный |
0,16-0,32 0,1-0,16 |
не наблюдается |
нитрат натрия |
постоянный, импульсный |
0,32-0,63 0,16-0,32 |
не наблюдается |
Форма микроуглублений вызывает появление остаточных напряжений в поверхностном слое, часть которых показана в табл. 3.7. Максимальная глубина залегания остаточных напряжений после электрохимической обработки не превышает аналогичного показателя после базового варианта обработки шлифованием, а величина напряжений в несколько раз ниже по сравнению с базовым вариантом.
С повышением плотности тока, снижением температуры электролита величина и глубина залегания остаточных напряжений снижаются.
В процессе анодного растворения выделяется водород, который при определенных условиях может вызывать наводораживание (табл. 3.8) обрабатываемой поверхности, что вызывает повышенную хрупкость материала и снижает усталостную прочность сплава. Снизить наводораживание можно за счет изменения режимов, повышения скорости протекания электролита, что ускоряет вынос из межэлектродного промежутка газообразных продуктов обработки.
Таблица 3.7. Остаточные напряжения [109]
Обрабатываемый материал |
Электрохимическая обработка в растворах нейтральных солей |
Механическая обработка |
||
наибольшая величина напряжений, МПа |
наибольшая глубина залегания напряжений, мм |
наибольшая величина напряжений, МПа |
наибольшая глубина залегания напряжений, мм |
|
Конструкционные стали |
30-40 |
0,02-0,05 |
130-220 |
0,1-0,12 |
Титановые сплавы |
500-600 |
0,1-0,15 |
700-800 |
0,1-0,15 |
Алюминиевые сплавы |
50-60 |
0,05-0,08 |
70-120 |
0,05-0,08 |
Имеются стандарты на предельное содержание водорода в поверхностном слое. После электрохимической обработки превышение содержания водорода наблюдается для титановых сплавов, причем, этот показатель изменяется в широких пределах не только за счет режимов обработки, но и в течение времени после окончания процесса анодного растворения. Так, содержание водорода в материале ВТ3-1 через 50-60 дней снижается до предела, допустимого стандартами. Аналогичный эффект дает вакуумный отжиг.
Таблица 3.8. Содержание водорода в поверхностном слое после электрохимической обработки в растворах нейтральных солей (скорость электролита 10 м/с)
Обрабатываемый материал |
Вид обработки |
Содержание водорода в слое, % |
Изменение содержания водорода относительно базового варианта, % (+ возрастание, - снижение) |
Конструкционные стали |
шлифование (базовый вариант) |
0,00025 |
- |
электрохимическая обработка при температуре, К 307 313 323 |
0,00025 0,00021 0,00020 |
0 -16 -20 |
|
Легированные сплавы |
шлифование |
0,00022 |
- |
электрохимическая обработка при 295 К |
0,00020 |
-9 |
|
Титановые сплавы
|
шлифование |
0,010 |
- |
электрохимическая обработка при 313-320 К |
0,019 |
+90 |
Имеются способы снижения содержания водорода в поверхностном слое путем последующей обработки со снятием припуска (табл. 3.9).
Время обработки рассчитывают в зависимости от схемы метода обработки, величины припуска (табл. 3.10).
Таблица 3.9. Изменение содержания водорода после ЭХО и последующей обработки
Обрабатываемый материал |
Содержание водорода при обработке, % |
|||
электрохимическая обработка (ЭХО) |
ЭХО с последующим упрочнением |
ЭХО с последующим шлифованием и упрочнением |
Полирование после ЭХО с припуском 0,02 мм |
|
Сталь 40ХНМА |
0,00025 |
0,00018 |
0,0002 |
0,00018 |
Титановый сплав ВТ3-1 |
0,019 |
0,0155 |
0,019 |
0,015 |
Припуск при электрохимической обработке назначают, учитывая специфику бесконтактного анодного растворения, при которой копирование формы инструмента на заготовке происходит медленнее, чем в случае, например, резания. Для этого должен быть предусмотрен гарантированный минимальный припуск, за время удаления которого погрешность заготовки снизится до пределов допуска на деталь (табл. 3.11). Если показанный на чертежах детали и заготовки припуск меньше гарантированного, то его следует назначить не менее рекомендуемой в табл. 3.11 величины.
Выход по току представляет отношение действительного и теоретически ожидаемого количества растворенного вещества и характеризует долю полезного использования тока. Он зависит от состава электролитов, режимов обработки (табл. 3.12).
Таблица
3.10. Время отработки (
)
Схема и метод обработки |
Расчетная зависимость |
Параметры в зависимости |
Источники информации |
1 |
2 |
3 |
4 |
1.1. Безразмерная: - химическое полирование - электрохимическое полирование 1.2. Размерное формообразование |
|
Z – припуск на обработку; V – скорость растворения металла; S0 – начальный зазор между электродами; η – выход по току; γ – плотность материала заготовки; α – электрохимический эквивалент; χ – удельная проводимость электролита; U – напряжение на электродах;
|
табл. 3.11
-
табл. 3.4
табл. 3.12 справочники табл. 3.13
табл. 3.1
табл. 3.14 |
U
– потери напряжения.
1 |
2 |
3 |
4 |
2. Обработка подвижными электродами: |
|
|
|
2.1. Прошивание углублений |
|
S – установившийся зазор; |
табл. 3.4 |
2.2. Точение |
|
L – длина обрабатываемой поверхности; h – ширина рабочей части электрода-инструмента (без учета отверстий для подвода электролита); |
чертеж детали
чертеж электрода-инструмента
чертеж электрода-инструмента |
2.3. Протягивание |
|
lр – длина рабочей части электрода-инструмента; |
чертеж электрода-инструмента |
2.4. Разрезание: - без вращения заготовки - с вращением заготовки |
|
D – диаметр обрабатываемой поверхности; |
чертеж детали
чертеж детали |
1 |
2 |
3 |
4 |
2.5. Шлифование:
|
|
Lр – длина реза (для круглых заготовок Lр=D); |
|
2.6. Гравирование |
|
LГ – длина пути гравирования |
|
В табл. 3.12 для алюминиевых сплавов выход по току превышает 100%, что объясняется дополнительным съемом материала за счет химического растворения металла в щелочных продуктах реакции.
Энергоемкость процесса в киловатт-часах на килограмм снятого металла изменяется в широких пределах и в несколько раз превышает аналогичный показатель для механообработки.
Электрохимические эквиваленты сплавов могут быть рассчитаны через валентность и атомную массу элементов. Однако в многокомпонентных сплавах валентность изменяется в широких пределах, поэтому удобнее использовать экспериментальные данные (табл. 3.13).
Потери напряжения, подаваемого в межэлектродный промежуток, происходят в двойном электрическом слое и зависят от величины напряжения, состава электролита и других факторов (табл. 3.14).
Таблица 3.11. Гарантированный припуск
Схема и метод обработки |
Начальный межэлектродный зазор, мм |
Гарантированный припуск, мм |
Допустимая неравномерность припуска |
|
без механообработки |
после механообработки |
|||
1. Обработка неподвижными электродами:
2. Обработка подвижными электродами: 2.1 Прошивание углублений
2.2 Точение
2.3 Протягивание
2.4 Шлифование: - на врезание
- с продольной подачей |
0,3-1,0
до 0,2 св. 0,2
до 0,3 0,3-0,5 св. 0,5
до 0,2 0,2-0,5 0,5-1,0
до 0,3 св. 0,3
до 0,1 св. 01 до 0,2 св. 0,2 |
не применяется
0,08-0,1 0,1-0,2
0,2-0,4 0,3-0,5 0,4-0,7
0,1-0,3 0,2-0,5 0,3-0,6
0,3-0,6 0,3-0,6
0,1-0,2 0,2-0,3 0,2-0,3 0,2-0,4 |
0,002-0,015
0,08-0,2 0,1-0,3
0,3-0,5 0,35-0,7 0,4-0,9
0,1-0,3 0,3-0,5 0,4-0,6
0,3-0,7 0,4-0,9
0,1-0,2 0,2-0,5 0,2-0,3 0,2-0,4 |
не регламентируется 0,3-0,4 0,2-0,3
0,4-0,6 0,4-0,5 0,3-0,4
0,4-0,5 0,3-0,4 0,2-0,3
0,4-0,6 0,3-0,4
0,3-0,5 0,2-0,4 0,4-0,6 0,2-0,3 |
Таблица 3.12. Выход по току и энергоемкость (скорость электролита 10м/с)
Обрабатываемый материал |
Электролит |
Межэлектродный зазор, мм |
Выход по току |
Энергоемкость процесса, кВТ·ч/кг |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Конструкционные стали |
15% растворхлорида натрия при температуре: 300 К
315 К
325 К |
0,6 0,3 0,3 0,6 0,3 0,6 |
0,82 0,78 0,83 0,85 0,9 0,92 |
10-12 |
Инструментальные стали типа У10 |
25 % раствор хлорида натрия при 290 К 25% раствор нитрата натрия при 290 К |
0,2-0,5
0,1-0,3 |
0,77-0,86
0,3-0,4 |
7-7,5
23-30 |
Жаропрочные сплавы |
15% раствор хлорида натрия
25% раствор нитрата натрия |
0,1 0,3
0,2 0,3 0,5 |
0,83-0,85 0,86-0,96 0,67-0,73 0,7-0,75 0,73-0,76 |
11-12
13-16 |
Чугуны |
18% раствор нитрата натрия |
0,3-0,5 |
0,3-0,35 |
40-45 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Титановые сплавы |
10% раствор хлорида натрия и 2% бромистого калия |
0,3-0,5 |
0,83-0,85 |
20-25 |
Алюминевые сплавы |
20% раствор нитрата натрия |
0,2-0,5 |
1,12-1,25 |
18-20 |
Медные сплавы |
25% раствор нитрата натрия |
0,2-0,3
|
0,5-0,6 |
18-22 |
Материалы из металлических порошков |
10% раствор хлорида натрия и 5% углекислого натрия |
0,3-0,5 |
0,92-0,96 |
100-120 |
Таблица 3.13. Электрохимический эквивалент сплава
Обрабатываемый материал |
Типовые марки |
Электрохимический эквивалент |
|
г/А·с(10-4) |
мм3/А·с (10-3) |
||
1 |
2 |
3 |
4 |
Конструкционные стали |
сталь 45 |
0,22 |
28 |
Инструментальные стали |
У10 |
0,25 |
31,8 |
Жаропрочные сплавы |
ХН77ТЮР и др. |
0,264-0,288 |
32,6-35,6 |
Чугуны |
- |
0,09 |
12,7 |
Титановые сплавы |
ВТ3-1 ВТ8, ВТ9 ВТ20 ОТ4 |
0,158-0,162
0,2 |
34,8-35,2
43 |
1 |
2 |
3 |
4 |
Алюминиевые сплавы |
Д1, Д16 АК4, АК6 ВД17 |
0,092-0,098
0,145 |
34-38
52,6 |
Медные сплавы |
Л62 Бр06Ц6С3 |
0,44 0,56 |
53 65 |
Материалы из металлических порошков |
на базе железа
|
0,26-0,28 |
33-36 |
Таблица 3.14. Потери напряжения (средние значения)
Состав электролита |
Плотность тока, А/см2 |
Скорость движения электролита, м/с |
Потери напряжения, В |
Хлорид натрия |
5
10
20 |
8 25 8 25 8 25 |
1,7 2,2 2,0 2,2 1,7 2,4 |
Нитрат натрия |
5 10 20 |
10 10 10 |
3,2 4,0 4,5 |