Курс лекций ЭФиЭХМО. Курс лекций эфиэхмо. Лекция Основные понятия. Классификация эф и эх методов
 Скачать 2.54 Mb.
|
|
Применение ЭЭО. В настоящее время применяют следующие операции электроимпульсной и электроискровой обработки: 1) копировально-прошивочные; 2) разрезные (электродом- проволокой); 3) электроэрозионное шлифование. Копировально-прошивочные — это операции по изготовлению фасонных полостей в штампах, пресс-формах, формах для литья, обработке рабочих колес турбин, компрессоров, турбинных и компрессорных лопаток, изготовлению соединительных 17 каналов, обработке тонкостенных деталей, решеток и сеток, прошиванию щелей и глубоких отверстий, клеймению, удалению сломанного инструмента. Наиболее широко электроимпульсный метод обработки внедрен на предприятиях автотракторной промышленности при изготовлении штампов на шатуны и крышки шатунов, крестовины дифференциала, коленчатые валы и т. д. В инструментальном производстве электроимпульсной обработкой изготавливают штампы на гаечные ключи, ножницы, плоскогубцы, ножи и т. д. Использование этого метода вместо фрезерования штампов значительно сокращает трудоемкость изготовления. Электроимпульсный метод применяют также при изготовлении литейных форм и пресс-форм на пластмассовые и резиновые детали, а также при изготовлении рабочих колес турбин и компрессоров. При этом на электроимпульcнyю обработку изделие подается после закалки, вследствие чего устраняется искажение профиля в результате термообработки. Кроме того, после электроимпульсной обработки припуск равномернее, а высота микронеровностей меньше, чем после фрезерования. Этим существенно сокращается объем слесарно-механических работ. При изготовлении турбинных и компрессорных лопаток применение электроимпульсной обработки как предварительной (черновой) в сочетании с последующей электрохимической дает возможность практически полностью исключить из технологического процесса режущий инструмент и значительно снизить себестоимость и трудоемкость изготовления. Одна из типовых операций электроискровой и электроимпульсной обработки — изготовление соединительных каналов в различных деталях гидро- и пневмоаппаратур. Это позволяет упростить конструкцию деталей без дополнительных технологических отверстий и выемок. Можно получать каналы некруглого сечения (прямоугольные, эллиптические), размещать их в труднодоступных места, исключать внешние трубопроводы. 18 Лекция 3. Электрохимическая обработка. Электрохимическое полирование. Пропускание электрического тока через систему «катод-электролит-анод» при определенных условиях сопровождается химическими процессами, изменяющими размеры, форму и качество поверхности электродов. Способы обработки металлов и сплавов, основанные на применении этих процессов, называются электрохимическими (ЭХО). Метод электрохимической обработки, основанный на анодном растворении металла в проточном электролите, был предложен в 1928 году ленинградскими инженерами Б.Н. Гусевым и Л.А. Рожковым [А.С. №28384 от 31.05.28 г]. Широкое его применение в про- мышленности качалось с 60-х годов, когда появились серийно выпускаемые газотурбинные реактивные двигатели, имеющие лопатки турбины фасонной формы ив труднообрабатываемых механическим резанием материалов. Характерным примером электрохимической обработки является операция прошивки ручья сложной формы в штампе (рис. 3.1). Заготовка штампа подключается к положительному полюсу (анод) источника технологического тока, электрод-инструмент — к отрицательному (катод). Между электродами прокачивается электролит. В результате химических реакций часть металллa анода в виде непрочных металлогидратных соединении (например, Fe(ОН3)) переходит в электролит и уносится потоком из зоны обработки. Благодаря этому на обрабатываемой заготовке образуется полость, являющаяся негативным изображением поверхности катода. Подобные процессы получили название процессов анодно-гидравлической обработки (АГО). В некоторых случаях продукты химических реакций носят характер пленок, покрывающих анод. Поток электролита оторвать от анода такие пленки не может. Процессы, в которых для удаления продуктов реакции применяется механическое воздействие инструмента на деталь, называют электрохимикомеханической обработкой. Механизм процесса электрохимической обработки (ЭХО). При растворении молекулы щелочей, кислот и солей диссоциируют на положительно и отрицательно заряженные ионы-катионы К n и анионы А n , где n — число, выражающее валентность иона. Так, например, образование ионов сопровождается растворением в воде хлористого натрия (NaCl), серной кислоты (H 2 SO 4 ), гидроксила калия (KOH): В диссоциированном состоянии находится незначительное число молекул растворителя, например, воды: H 2 O↔2H + +(OH) - Между несоприкасающимися электродами, опущенными в ионосодержащие растворы, под действием внешней э.д.с. протекает электрический ток. Носителями электронов в таком растворе являются ионы. Вещества с ионной проводимостью называются электролитами. В более широком смысле электролитами называют растворы 19 диссоциирующих веществ, проводящие электрический ток. В практике ЭХО, как правило, применяются растворы электролитов в воде. Рис. 3.1 Схема электрохимической (анодно-гидравлической) обработки: 1 — электрод-инструмент; 2 — источник технологического тока; 3 — электрод-деталь. Металлы (кроме щелочноземельных), погруженные в электролит при отсутствии внешней э.д.с. находятся в состоянии равновесия: число ионов металла, переходящих с электрода в раствор в единицу времени равно числу ионов, восстанавливающихся на том же электроде. Потенциал φ между электродом и электролитом при отсутствии тока в цепи «электрод-электролит» называется равновесным. Равновесный потенциал электрода можно измерить лишь, сопоставляя его с потенциалом какого-либо стандартизованного электрода. Таким электродом является специальный электрод, на котором протекает лишь реакция восстановления водорода. Потенциал такого водородного электрода принят за ноль. Равновесные потенциалы металлических электродов при t = 25°С и давлении 1 кгс/см 2 , измеренные относительно потенциала водородного электрода, называются стандартными электродными потенциалами и обозначаются φ 0в Химические реакции, вызывающие изменение формы и размеров электрода, идут лишь при приложении к электроду внешней э.д.с., нарушающей равновесное состояние. Величина этой э.д.с. зависит от ряда условий, в том числе от материала электрода, величины его стандартного потенциала (табл. 3.1). 20 Таблица 3.1 – Стандартные электродные потенциалы некоторых металлов При подаче напряжения технологического тока на электродах и в электролите протекают реакции, схемы которых показаны на рис. 3.1 (на примере электролита NaCl и металлов, сплавы которых наиболее часто встречаются в машиностроении). С точки зрения формообразования важнейшими являются реакции электролиза — анодного растворения металла детали. Характер этих реакций зависит от режима ЭХО. При размерной электрохимической обработке встречаются два основных режима электролиза: режимы транспассивации и анодной активации. В режиме транспассивации поверхность анода покрыта тончайшей пассивной пористой пленкой из оксидов и гидроксидов металлов (Me m O n , Me(OH) n ). Наиболее подвижные анионы (Br – , F – , Cl – ) проникают сквозь поры пленки и образуют с металлом анода легко растворимые соединения (например, FeCl 2 , TiBr 2 ). Эти соединения переходят в электролит с образованием катионов Me n+ . В электролите протекают необратимые реакции типа: Me n+ +n(OH) – →Me(OH) n ↓. Нерастворимые продукты реакции выпадают в осадок. При этом активные ионы (Cl – , Fe – , Br – ) практически не расходуются. Лишь незначительная часть их убывает вместе с водой, входящей в состав осаждающихся гидроокисей. В режиме анодной активации на поверхности анода пассивных пленок нет. Под действием э.д.с. источника технологического тока электроны с анода переходят в электролит. При этом ослабляется связь поверхностных ионизированных атомов анода с кристаллической решеткой. Ионизированные атомы металла образуют с анионами и гидроокислом легко растворимые комплексы типа {Me(OH) n– }A m– . Эти комплексы переходят в электролит диссоциируют в нем с образованием катионов Me n+ . Как и в режиме транспассивации, катионы Me n+ реагируют с имеющимися в растворе анионами (ОН) – Образующиеся при этом нерастворимые гидроксилы Me(OH) n выпадают в осадок. Образование анодных пассивных пленок наиболее вероятно при ЭХО сталей в растворах щелочей, хлоратной (HСlO 3 n H 2 O), нитратной (НNO 3 ) кислоте и их солей (например, NaClO 3 ). Анодное растворение в этих электролитах идет в режиме транспассивации. Режим анодной активации характерен для ЭХО металлов в растворах солей хлороводородной (НСl), фтороводородной (НF), бромоводородной (HBr) кислоты. Наиболее часто применяются натриевые и калиевые соли этих кислот (NaCl, КCl, КBr). Некоторые металлы (например, титан) покрываются пористыми пассивными пленками в большинстве применяемых электролитов. Обработка этих металлов идет в режиме транспассивации. Тип режима анодного растворения зависит так же и от ряда других факторов (от анодной плотности тока, локальной неоднородности электролита и т.д.). В реальных процессах из-за неравномерности припуска и по другим причинам значительно колеблется 21 величина межэлектродного промежутка. При сложной конфигурации электродов не всегда удается создать одинаковые для всех точек анода условия обмена электролита. В застойных зонах повышается концентрация продуктов анодного растворения и ионов (ОН) – . Поэтому плотность тока и состав электролита, а, следовательно, и режим анодного растворения в разных точках анода различны. Транспассивный режим по сравнению с активационным требует больших затрат энергии, съем металла в этом режиме меньше. Поэтому растворение разных участков анода в различных режимах может вызвать разный съем металла и ухудшение точности обработки. Во избежание этого при высоких требованиях к точности применяются электролиты, обеспечивающие транспассивные режимы растворения по всей обрабатываемой поверхности анода. При больших плотностях тока на аноде также идет реакция выделения кислорода (см. рис. 3.1). Это повышает расход энергии, увеличивает вероятность образования прочных пассивных пленок, снижает к.п.д. процессов ЭХО. Кроме того, атомарный кислород может вступить в реакцию соединения с водородом, выделяющимся на катоде, что часто приводит к взрыву. Для предупреждения взрывов электрохимические станки снабжаются вытяжной вентиляцией. Реакция восстановления водорода является важнейшей катодной реакцией процессов ЭХО. Восстановление иона водорода (разряд иона) заключается в отрыве с катода и присоединении электрона. В условиях, обычных для ЭХО, потенциалы разряда катионов металлов более отрицательны, чем потенциал разряда водорода (например, φ Na =2,71 В, а φ H =0,415 В). На разряд ионов металлов требуется больше энергии, чем на разряд ионов водорода, поэтому ионы металла на катоде не восстанавливаются и форма катода-инструмента в процессе обработки не изменяется. При растворении 1 см 3 железа (7,85 г) расходуется 6,3 г воды с образованием 0,28 г водорода (3 л при нормальном давлении и комнатной температуре). Объем реально выделяющегося водорода возрастает при больших токах, интенсифицирующих реакцию диссоциации воды. Анионы (ОН) – , образовавшиеся в результате этой реакция, при определенных условиях в электролите и придают ему свойства щелочи. Этот процесс называется защелачиванием. Защелачивание может носить общий и локальный характер. В первом случае концентрация ионов (ОН) – повышается не только в межэлектродном зазоре (МЭП), но и в баке. Во втором случае концентрация, (OH) – увеличивается лишь в отдельных местах МЭП (на участках, удаленных от входа потока электролита, и в застойных зонах). С наибольшей скоростью электродные реакции на железе и ряде его сплавов протекают в кислых электролитах. В этих растворах концентрация водородных ионов выше концентрации ионов гидроксила. Ионы водорода более подвижны, что позволяет работать при больших токах. Так как степень кислотности или щелочности электролита влияет на производительность и точность обработки, этот показатель качества раствора следует нормировать при разработке техпроцесса и контролировать при эксплуатации оборудования. Степень щелочности электролита численно характеризуется десятичным логарифмом концентрации водородных ионов, взятым с обратным знаком. Этот параметр называется водородным показателем рН. Величины рН изменяются в пределах от 0 до 14. Нейтральные растворы имеют рН = 7 (в этом случае lgC H+ = lgC (OH)– ). Для кислых растворов рН < 7 (lgC H+ > lgC (OH)– ). Для щелочных рН > 7. В основе критерия щелочности растворов 22 лежит закон действующих масс, согласно которому произведение концентрации ионов C H+ и C (OH)– в воде при определенной температуре есть величина постоянная. При ЭХО стали и ряда сплавов на основе железа в щелочных электролитах на поверхности деталей образуются темные пористые пленки. Более 90% массы этих пленок составляют негидратированные соединения γFe2O3 и незначительное количество FeO, остальные — адсорбированная и кристаллизационная вода, а также до нескольких процентов кристаллических щелочей и солей (KOH, NaOH, NaCl и др. в зависимости от состава электролита). Аналогичные пленки наблюдаются и при обработке в кислых электролитах, в связи с выделением на аноде кислорода. Такие пленки пассивны, т.е. препятствуют дальнейшему ходу анодных реакций. Скорость анодного растворения металлов зависит от подвижности ионов. Чем выше температура электролита, тем подвижнее ионы, тем больший ток они переносят и тем быстрее идут реакции на электродах и в электролите. Однако при перегреве в электролите появляются парогазовые пузырьки, значительно снижающие его электропроводность и, следовательно, рабочий ток. Поэтому температура электролита в отношении производительность обработки имеет оптимум. Реакции, протекающие в электролите, обогащают его газом, растворимыми и нерастворимыми продуктами. Концентрация газа особенно велика вблизи катода. В длинных зазорах количество водорода возрастает столь быстро, что он забивает зазор, создаются газовые пробки. На газовых пузырьках, как на обкладках конденсатора, возникает перенапряжение и, вследствие этого, искрение. Съем металла становится неравномерным, снижается производительность и точность обработки. Увеличивается вероятность искродуговых пробоев МЭП через газовые пузырьки, повреждающие инструмент и деталь. В прианодном слое повышается концентрация шлама (Me(OH)n), снижается концентрация анионов (ОН) – , Cl – и др. Это также приводит к падению производительности и точности обработки, местным перенапряжениям. Изменение равновесного потенциала электрода, находящегося под током, вызванное изменением концентрации ионов, называется концентрационной поляризацией. При размерной ЭХО металлов с целью повышения производительности используются плотности тока в тысячи раз большие (10…200 А/см 2 ). В этих условиях объем продуктов реакций столь велик, что обычные процессы диффузии и миграции не могут поддержать стабильный режим обработки. Для удаления продуктов реакции и подвода свежих ионов приходится прокачивать через МЭП большое количество электролита. Режим движения ионов в электролите при интенсивной прокачке последнего получил название режима диффузионной кинетики. Точность ЭХО повышается с уменьшением МЭП, При малых МЭП режим диффузионной кинетики возможен при больших скоростях (до нескольких десятков м/с) и больших давлениях (до 20 кгс/см 2 ) прокачиваемого электролита. Поток электролита с такими параметрами не только вымывает из зазора отработанный электролит, но и срывает с поверхности анода непрочные пассивные пленки, состоящие из гидроксилов. Тем самым поддерживается непрерывность процессов анодного растворения металла. Масса металла M(t) растворяющегося на аноде да время t при пропускании тока I определяется уравнением Фарадея: M(t) = η I ⋅K э ⋅ I ⋅ t 23 где η I — коэффициент выхода по току К э — электрохимический эквивалент металла — масса данного металла, растворяющегося на аноде при пропускании тока силой I за единицу времени. Коэффициент выхода по току учитывает то, что энергия в системе "катод- электролит-анод" расходуется не только на растворении массы M(t) металла анода, но и на другие реакции (восстановление водорода, образование комплексов и т.д.). Обычно η I <1, однако в некоторых операциях анодного-гидравлической обработки наблюдаются η I ≈1 и даже η I >1. Высокие коэффициенты выхода по току характерны для процессов, сопровождающихся отрывом от анода и выносом в потоке электролита зерен металла, не подвергшихся анодному растворению. При ЭХО сталей в пассивирующих электролитах с ростом плотности тока D a коэффициент выхода по току также возрастает до некоторого предела. Для активных электролитов (например, NaCl) подобная зависимость необязательна, а иногда имеет обратный, характер. Зависимость выхода по току от скорости потока электролита носит экстремальный, характер (рис. 3.2). Рис. 3.2 Зависимость выхода по току от плотности тока (а) и скорости потока электролита (б) При прошивке с большой плотностью тока удается достичь линейной скорости подачи 50 мм/мин, однако типовые процессы идут со скоростью 0,1…10 мм/мин. Точность анодно-гидравлической обработки. Рассеивание размеров при анодно-гидравлической копировально-прошивочной обработке составляет 0,15…0,5 мм (экономическая точность). Двухпроходная прошивка и меры по стабилизации процесса позволяет обрабатывать некоторые детали с точностью до 0,05 мм. Положительное влияние на точность АГО сказывает обратная связь между величиной МЭП и плотностью тока: чем больше зазор, тем меньше плотность тока. Благодаря этой зависимости на участке обрабатываемой поверхности с макровыступом плотность тока выше, чем на участке с наибольшим МЭП. Большая плотность тока вызывает более интенсивное растворение макровыступа, поверхность анода (точнее говоря, зазор) выравнивается. Точность АГО ухудшается под действием таких факторов, как колебание химического состава, концентрации и температуры электролита. Турбулентность потока электролита, его загрязненность, неравномерный прогрев вызывают локальные изменения 24 электропроводности и, как следствие, случайные колебания скорости анодного растворения различных участков детали. Для обработки деталей с точностью около 0,05 мм температура электролита на входе в МЭП должна колебаться не более чем на ±10°С, удельную электропроводность необходимо поддерживать с точностью ±0,004 Ом –1 /см –1 . Колебания ЭДС источника технологического тока не должны превышать ±0,2 В. Химический состав и свойства электролита вдоль зазора (по направлению прокачки) будут постоянными, если на каждый грамм снятого за одну минуту металла будет прокачиваться 1…8 л/мин электролита. С повышением объема прокачиваемого электролита возрастает скорость его течения. Это в свою очередь, делает вероятным отрыв потока электролита от электродов, особенно в местах крутого изменения направления движения. Следствием такого нарушения сплошности потока являются микронеровности овражистого типа, часто наблюдаемые на сложнофасонных анодах. Эти микронеровности получили название струйностей. Струйность значительно снижает точность обработки. Для предупреждения струйности и других отрицательных последствий турбулентности на выходе потока электролита часто ставят дросселирующие устройства, препятствующие свободному истечению электролита из промежутка. Если давление электролита на входе в промежуток равно 10…20 кгс/см 2 , то противодавление может достигать 6 кгс/см 2 и более. Вторым способом борьбы с локальной турбулентностью является подача в МЭП газа (воздуха, углекислоты). Газ вводится в электролит на входе в зазор под давлением, незначительно превышающим давление электролита. Мелкодисперстные, хорошо сжимаемые пузырьки газа равномерно распределяются в электролите, препятствуют локальным резким изменениям давления в потоке и тем самым стабилизируют сплошность потока, его загазованность и электропроводность. Известно, что наибольшей точности удается достичь при АГО в промежутках, сопоставимых с предельно допустимым рассеиванием размеров. Так, например, для изготовления детали с размером А±0,05мм обработку необходимо вести при МЭП 0,05…0.1 мм. При столь малых МЭП уменьшается объем электролита в зазоре, катастрофически возрастает загазованность и загрязненность электролита, затрудняется удаление продуктов реакции и подача свежего электролита, учащаются опасные короткие замыкания электродов. Эти трудности удалось преодолеть с помощью ряда приемов. По одному из способов обесточенный катод перемещается до металлического касания с анодом и отводится на определенное расстояние, после чего к электродам подается импульс технологического тока. После прекращения импульса катод еще некоторое время продолжает двигаться от анода. При этом МЭП увеличивается, его гидравлическое сопротивление снижается. Этим облегчается эвакуация отработанного и поступление в зазор свежего электролита. При обработке вибрирующим катодом технологический ток подается на электроды незадолго до достижения минимума МЭП и отключается через непродолжительное время после перехода через минимум. В остальных фазах движения катода (при относительно большом зазоре) идет интенсивная прокачка электролита. При копировально-прошивочной обработке точность размеров, как правило, увеличивается с ростом скорости прошивки. В частности, с повышением скорости подачи 25 катода снижается конусность прошиваемых полостей. Объясняется это снижением времени действия токов рассеивания, распространяющихся от рабочих элементов катода через электролит к ранее обработанным поверхностям анода. Для повышения скорости прошивки необходимо увеличивать плотность тока. При ограниченной мощности источников тока это достигается двухпроходной обработкой поверхностей. На черновом проходе площадь обработки велика, плотность тока, скорость прошивки и точность обработки малы. На чистовой проход оставляют малый припуск. Площадь обработки снижается, плотность тока, скорость и точность прошивки повышается. |