Главная Биржа Тендеры Форум

Баннер
Баннер

Вход


-= ВНИМАНИЕ! =- Эта регистрация действует только на ПОРТАЛЕ. На ФОРУМЕ и БИРЖЕ СТАНОЧНИКОВ нужно регистрироваться отдельно!



Главная СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ Электрохимическая обработка металлов
Электрохимическая обработка металлов PDF Печать E-mail
Рейтинг пользователей: / 7
ХудшийЛучший 
Автор: Главный механик №3 2010   
05.04.2013 12:38

Электрохимическая обработка металла

Рассмотрены принцип действия электрохимической обработки металлов, электролитические реакции, протекающие в процессе обработки, схема типовой промышленной установки, основные виды обработки и области ее применения.

Рис. 1. Электролиз в растворе сульфата меди (а) и схема электролитического растворения железа (б)


Исследования металлургических процессов, выполненные Майклом Фарадеем в период с 1818 по 1824 г., заложили основу для последующих открытий, приведших к широкому использованию легированных сталей в настоящее время. Много усилий ученых было направлено на улучшение их свойств, в том числе таких, которые позволили бы использовать эти материалы для изготовления металлорежущих инструментов. Цель, как всегда, заключалась в повышении производительности механической обработки и дополнялась желанием машиностроителей освоить обработку недавно появившихся более твердых материалов. При этом исследователи руководствовались известным принципом: материал инструмента должен быть более твердым, чем материал обрабатываемой заготовки. Этот подход позволил добиться хороших результатов, однако в последние годы появились исключительно труднообрабатываемые материалы, созданные в ответ на возросшую потребность промышленности в высокопрочных и жаростойких сплавах. Кроме этого, очень часто требовалось придавать изделиям из этих материалов сложную форму. Это потребовало поиска альтернативных методов механической обработки, поскольку разработка новых режущих инструментов стала отставать от достижений материаловедения. Технология электрохимической обработки (ЭХО) создавалась в первую очередь для труднообрабатываемых металлов и сплавов, хотя она применима для любого электропроводного материала [1]. ЭХО основана на закономерностях процесса электролиза, сформулированных М. Фарадеем в 1833 г.

Первые значительные успехи были достигнуты в 1950-е гг., когда возможности ЭХО были исследованы с целью изменения формы труднообрабатываемых сплавов. В 1990-е гг. ЭХО получает широкое распространение, например, в автомобильной, нефтедобывающей и медицинской отраслях промышленности, а главным образом, при производстве аэрокосмической техники.

Удаление металла заготовки для получения готовой детали достигается за счет ее электрохимического растворения при подключении к аноду электролитической ячейки, которая используется во всех вариантах технологии ЭХО. Твердые металлы с помощью ЭХО могут подвергаться электролитическому изменению формы, при этом скорость такой обработки не зависит от их твердости. Инструментальный электрод, используемый в данном процессе, не подвергается износу, поэтому, в отличие от традиционных методов, мягкие металлы могут быть использованы в качестве инструмента для изменения формы твердых деталей. Данный процесс используется для получения гладких поверхностей, сверления отверстий, создания сложных геометрических форм и удаления усталостных трещин в стальных конструкциях. Его сочетание с другими технологиями позволяет находить новые области применения в самых разных отраслях промышленности [2]. Последние разработки связаны с использованием компьютеризированных обрабатывающих систем и импульсных источников мощности, которые позволяют получать детали высокой точности.

Электролиз

Под электролизом понимают химические процессы, которые протекают, например, при прохождении электрического тока между двумя проводниками, погруженными в жидкий раствор. Типичным примером являются две медные проволоки, подключенные к источнику постоянного тока и погруженные в водный раствор сульфата меди (рис. 1а).

Электролиты отличаются от металлических проводников тем, что перенос электричества осуществляется не электронами, а атомами или группой атомов, потерявших или присоединивших электроны и таким образом получивших положительный или отрицательный заряд. Такие атомы называют ионами. Ионы с положительным зарядом передвигаются в электролите по направлению к катоду и называются катионами. Отрицательно заряженные ионы передвигаются в направлении анода и называются анионами. Движение ионов сопровождается потоком электронов вне ячейки в противоположном направлении положительному току в электролите. Обе реакции являются следствием приложения разности потенциалов от источника питания.

Положительно зараженный ион при достижении катода нейтрализуется или разряжается отрицательно заряженными электронами катода. Поскольку катион обычно является положительно зараженным атомом металла, результирующей реакцией является осаждение атомов металла. Для поддержания катодной реакции необходимо, чтобы электроны передвигались по внешней цепи. Они поступают из атомов металла анода, которые превращаются в положительно заряженные катионы и переходят в раствор. В этом случае реакция является обратной по отношению к катодной реакции.

Электролит в своем объеме должен быть электрически нейтральным. Это означает, что внутри него должно существовать равное количество зарядов противоположного знака и, соответственно, протекать равное количество элементарных реакций на каждом катоде. Поэтому электролиз в растворе сульфата меди с медными электродами выражается результирующей реакции простого переноса металлической меди от анода к катоду. Взвешивание электродов в конце эксперимента покажет, что масса анодной медной проволоки уменьшилась на точно такое же количество, на которое увеличилась масса анода.

Наиболее распространенным применением электролиза являются процессы гальванопластики, в которых металлические покрытия получают осаждением металла на детали с катодным потенциалом. Примером анодного растворения может служить технология электролитического полирования. Поскольку растворение металла наиболее интенсивно протекает на вершинах неровностей, электролитическая обработка даже при неподвижном катоде выравнивает поверхность детали.

 

Технология ЭХО

ЭХО подобна электролитической полировке в том отношении, что при ее использовании происходит процесс растворения анода под действием постоянного тока высокой плотности при постоянном напряжении между деталью и инструментом (катодом) заранее подготовленной формы. На поверхности анодной детали металл послойно растворяется и форма инструмента копируется на детали.

Электролит перемешивают в зазоре между электродами с высокой скоростью, обычно превышающей 5 м/с, для интенсификации процесса переноса массы/заряда в слое, примыкающем к аноду, удаления продуктов реакции (продуктов растворения анода - гидрооксидов металла), выделяющихся пузырьков газа и отвода тепла. Обычно в промышленных технологиях инструмент подают в направлении образца, поддерживания небольшой зазор. При приложении электрического потенциала к электродам возможно протекание нескольких реакций.

Для растворения железа в водном растворе хлорида натрия характерны следующие реакции электролитической диссоции (рис. 1б):

H2O → H++(OH)-
и
NaCl → Na++Cl-


приводящие к образованию отрицательно заряженных анионов (ОН)-, Cl- и положительно заряженных катионов H+ и Na+ на катоде.

На аноде протекает реакция Fe → Fe++ + 2е, а на катоде - реакция образования водорода и гидроксильных ионов 2Н2O + 2е → Н2 + 2OН-. Результирующим эффектом этих реакций является соединение ионов железа с анионами, сопровождающееся выделением гидрата оксида железа Fe(OH)2 (рис. 1б).

Соль, например NaCl, не расходуется в электрохимическом процессе, поэтому для поддержания концентрации электролита на заданном уровне обычно требуется только добавлять воду.

При данном сочетании «металл - электролит» в результате электролиза происходит растворение железа на аноде и выделение водорода на катоде. Никакие другие процессы на электродах не протекают. Из этого следует, что форма катода не изменяется при использовании электролита на основе NaCl и он может быть использован в качестве инструмента для формоизменения детали-анода [3].

Для повышения точности изготовления детали и скорости удаления металла процесс проводят при очень высоких значениях плотности тока и относительно низком напряжении, поддерживая зазор между электродами шириной около 0,1 мм при подаче инструмента 1-20мм/мин. Растворенный металл, тепло и газ отводят из зазора принудительным перемешиванием электролита со скоростью 5-50 м/с (табл. 1).

Табл.1. Технические характеристики электрохимической обработки

Технические характеристики электрохимической обработки

Электрохимическая обработка, не являющаяся процессом механического удаления металла, может применяться к любым электропроводным материалам в широком диапазоне скоростей обработки независимо от их механических свойств.

В частности, на показатели ЭХО не оказывают влияния твердость, вязкость и другие механические свойства материала. Применение ЭХО особенно оправданно в тех случаях, когда необходимо изготавливать детали сложной формы из материала, плохо поддающегося обработке всеми другими способами.

Для ЭХО отличительной чертой является отсутствие необходимости использовать инструмент, более твердый, чем обрабатываемая деталь, при этом износ инструмента практически отсутствует.

Поскольку контакт между инструментом и деталью отсутствует, ЭХО является незаменимой технологией для изготовления тонкостенных, легкодеформируемых и хрупких компонентов, склонных к образованию трещин в поверхностном слое.

Как уже упоминалось, в большинстве разновидностей ЭХО формы инструментального электрода просто отражаются на поверхности детали, подсоединенной к аноду. Поэтому детали сложной формы можно получать посредством простого поступательного перемещения инструмента. По этой причине, а также из-за того, что ЭХО не оставляет заусенцев, эта технология может заменить несколько операций механической обработки. ЭХО удаляет дефектные слои материала, а также поверхностную часть материала, имеющую повреждения от предшествующей обработки или остаточные напряжения [4].

Основные виды электрохимической обработки

Наиболее распространенными операциями ЭХО являются копирование, сверление и формирование выемок сложной пространственной формы при изготовлении штампов, литейных форм для стекла, лопаток турбин и компрессоров и многих других видов машиностроительных деталей. Принципиальная схема установки ЭХО приведена на рис. 2.

Процессы, протекающие на поверхности детали при химической обработке

В зависимости от материала некоторые электролиты могут давать эффект травленой поверхности. Внешний вид такой поверхности вызван диффузным отражением света от граней кристаллов, растворяющихся с различными скоростями. Электролит на основе хлорида натрия обычно дает травленую матовую поверхность деталей из стали и никелевых сплавов.

Получение полированных поверхностей электрохимическим способом обычно объясняют удалением атомов материала детали на аноде, поверхность которой в процессе обработки покрывается оксидной пленкой. Для управления этим процессом прибегают к подбору сочетаний электролит - металл. Тем не менее механизм электрохимического полирования при высоких плотностях тока до конца не изучен. Например, для никелевых сплавов формирование пленки оксида никеля, по-видимому, является необходимым условием для получения полированной поверхности. По имеющимся данным, для жаропрочного сплава на основе никеля Нимоник, обработанного в электролите насыщенного раствора хлорида натрия, толщина такой пленки равна 0,2 мкм. В других исследованиях было обнаружено образование оксидной пленки толщиной 0,1 мкм при электрохимическом полировании хромоникелевой стали в электролите на основе хлорноватокислого натрия [4].

В некоторых случаях образование оксидной пленки снижает эффективность ЭХО, которая ограничивается в этом случае только процессом полирования. Обработка титана сильно затруднена в электролитах на основе хлоридов и нитратов, так как образующаяся пленка обладает сильным нейтрализующим действием. Если увеличить напряжение до 50 В, чтобы удалить такую пленку, ее разрушение будет иметь настолько неравномерный характер, что воздействию подвергнутся границы зерен, расположенные глубоко под поверхностью металла.

Принципиальная схема установки ЭХО

Рис.2. Принципиальная схема установки ЭХО

Иногда некоторые участки поверхности металла, прошедшего ЭХО, содержат ямки или оспины, в то время как другие участки представляют собой полированную или травленую поверхность без явно выраженных дефектов. Образование оспин обычно связано с выделением пузырьков газа на аноде, которые пробивают отверстия в оксидной пленке.

Точность и управление размерными параметрами

Выбор электролита играет важную роль в ЭХО. При использовании хлорида натрия достигается намного более низкая точность, чем при использовании электролита на основе азотнокислого натрия. Последний электролит обеспечивает возможность более точного управления размерными параметрами благодаря характеру зависимости эффективности по току от его плотности: эффективность по току, соответственно и скорость удаления металла, увеличиваются при возрастании плотности тока.

Зоны высокой плотности тока возникают между рабочей кромкой инструмента и деталью, образующими рабочий зазор РЗ (рис. За). В боковом зазоре БЗ движение инструмента в направлении детали отсутствует, поэтому постепенное расширение зазора приводит к снижению плотности тока и скорости снятия металла V6Ha боковых поверхностях. Этот прием позволяет посредством подбора электролита подавлять излишнее удаление металла на участках детали, не подлежащих обработке.

Образование рабочего РЗ и бокового БЗ зазоров при электрохимической обработке
Рис.3. Образование рабочего РЗ и бокового БЗ зазоров при электрохимической обработке (а), сверление отверстий трубкой с изолирующим слоем (б) и электродом, помещенным в стеклянную трубку (в).

При использовании электролита на основе хлорида натрия, при прочих неизменных условиях, количество металла, удаленного в боковом зазоре, значительно увеличивается. В электролите этого типа эффективность потока остается постоянной почти на максимальном уровне в широком диапазоне значений плотности тока. Поэтому даже в боковом зазоре при снижении плотности тока удаление металла будет происходить со скоростью, сравнимой со скоростью удаления металла на режущей кромке инструмента Vn, и соответственно в этом случае будет получен более широкий разрез по боковой поверхности [5].

Периодическое изменение направления потока электролита на обратное обычно значительно повышает точность обработки.

Сверление отверстий является еще одним важным направлением применения ЭХО. Инструмент-катод в этом случае имеет трубчатую форму. Электролит подают по центральному каналу инструмента к рабочему зазору и отводят по боковому зазору между стеками инструмента и отверстия (рис. 3б и Зв).

Поскольку ширина бокового зазора БЗ со временем становится больше, чем зазор на рабочей кромке РЗ, скорость обработки детали в боковом направлении уменьшается. Следует отметить, что зазор на рабочей кромке имеет постоянное значение, так как удаление металла компенсируется подачей инструмента в направлении детали и несмотря на то, что установившаяся ширина рабочего зазора меньше, чем бокового, скорость удаления металла в прямом направлении Vn во много раз превосходит скорость снятия металла Vб на боковой поверхности.

Для уменьшения бокового зазора применяют нанесение изолирующего материала на внешнюю сторону инструмента, затрудняющего протекание тока на этом участке (рис. 3б), или используют в качестве инструмента трубки из непроводящего материала с размещенным внутри нее катодом (рис. Зв).

Другой способ основывается на применении электролита, который обеспечивает максимальную эффективность по току при наибольшей плотности тока, как, например, раствор азотнокислого натрия [6, 7].

Недостатки электрохимической обработки

Прежде всего следует отметить, что перенесение формы инструментального электрода на деталь с высокой точностью связано с достаточно большими трудностями. Это вызвано тем, что точное ограничение электрохимического воздействия на деталь в границах подлежащего обработке участка сильно затруднено. Некоторая часть металла растворяется в прилегающих к этому участку зонах.

Установки ЭХО имеют такую же, если не более высокую, стоимость, что и металлообрабатывающие станки, кроме того, они требуют большего рабочего пространства.

Электролит оказывает вредное действие на оборудование, и, кроме того, возникают экологические проблемы, связанные с утилизацией отработанных материалов.

Комбинированные процессы электрохимической обработки

Сопротивление материала образца механической обработке резанием или шлифованием зависит от температуры, возникающей в зоне обработки. Как правило, при повышении температуры сопротивление разрушению снижается, а пластичность материала возрастает. На рис. 4 показана температурная зависимость прочности жаропрочных сплавов на основе никеля. Логично принять, что при высокой температуре усилие резания и энергозатраты снижаются, обрабатываемость материала механическими средствами его удаления улучшается. Это обстоятельство было учтено при создании комбинированных технологий, в которых для повышения производительности и качества обработки были использованы дополнительные средства воздействия на удаляемый металл: вращение катода, электрический разряд, импульсное изменение напряжения на электродах, лазерное излучение, ультразвук, вибрация и т. п. [8-10].

Изменение предела текучести и предела прочности жаропрочных сплавов на основе никеля в зависимости от температуры

Рис.4. Изменение предела текучести и предела прочности жаропрочных сплавов на основе никеля в зависимости от температуры


В статье рассмотрены лишь основы электрохимической обработки и простейшие случаи ее применения. Комбинированные технологии электрохимической обработки, интенсивно развивающиеся в настоящее время, позволяют изготавливать изделия, получение которых крайне затруднено или невозможно с помощью других видов обработки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК


1.    Advanced Methods of Machining, J.A. McGeough, Chapman and Hall, London, 1988.

2.    Electrochemical machining, J. A. McGeough, in «Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology» (5th edition), Vol. 9. P. 590-606, J.I. Kroschwitz (editor), Wiley-lnterscience, NY, 2005.

3.    Маслов A. P. Высокие технологии в машиностроении / А. Р. Маслов // ИТО новости. Приложение к журналу «Комплект: инструмент, технология, оборудование». 2007. N° 11. С. 8-11.

4.    Machining methods: electrochemical, J. A. McGeough and X.K. Chen, in «Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology» (4th edition), Vol. 15. P. 608-622.

5.    Surface Effects on Alloys Drilled by Electrochemical Arc Machining, A. DeSilva and J. A. McGeough, «Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B, Journal of Engineering Manufacture». 1986. Vol. 200. P. 237-246.

6.    Deburring-2: Electrochemical Machining, D. Graham, «The Production Engineering». 1982. Vol. 61, No. 6. P 27-30.

7.    Drilling Without Drills, G. Bellows and J.D. Kohls, «American Machinist». 1982. P. 178-183.

8.    Study of Electrical Discharges in Electrolyte by High-Speed Photography, X. Ni, J.A. McGeough, and C.A. Greated, «Journal of Electrochemical Society». 1993. Vol. 140. P 3505-3512.

9.    Study of Pulse Electrochemical Machining Characteristics, K. P. Rajurkar, J. Kozak, and B. Wei, «Annals International College for Production Research». 1993. Vol. 42. P. 231-234.

10.   An Electrochemical Machining Method for Removal of Samples and Defective Zones in Metal Pipes, Vessels and Structures, D. Clifton, J. W. Midgley,andJ.A. McGeough, «Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B, Journal of Engineering Manufacture». 1987. Vol 201. P. 229-231.

А.И. Преображенский,
канд. техн. наук, главный редактор журнала «Главный механик»



Следующие материалы:
Предыдущие материалы:

Обновлено 05.04.2013 13:46
 

Просьба оставлять свои комментарии. Этим вы поможете развитию сайта, сделав его содержание более полезным! Также в комментариях можно писать о замеченных ошибках и неработающий ссылках.


Защитный код
Обновить