Размерная электрохимическая обработка металлов

      Таким образом, особенностью размерной электрохимической обработки является неодинаковая скорость растворения металла обрабатываемой заготовки на участках с различными значениями межэлектродного промежутка. В связи с этим на все участки обрабатываемой заготовки, включая и участки с максимальным межэлектродным промежутком, назначают в зависимости от скорости растворения определенные припуски на обработку.

      Схема размерной электрохимической обработки  с одним перемещающимся электродом-инструментом изображена на рис.2.1.  

   Рисунок 2.1. Схема размерной электрохимической обработки с одним перемещающимся электродом-инструментом:

      1 − электрод-инструмент; 2 − электролит; 3 − заготовка-анод.

      Электрод-инструмент (рис 2.1), рабочий профиль которого имеет форму, соответствующую форме  окончательно обработанной детали или ее части, перемещается с определенной скоростью к неподвижно установленной заготовке-аноду в направлении, показанном стрелками. По мере растворения металла заготовки в основном на участках с минимальными значениями межэлектродного промежутка и перемещения на соответствующую величину электрода-инструмента обрабатываемая поверхность принимает форму обрабатывающей поверхности электрода-инструмента.

      Существуют  технологические схемы размерной  ЭХО с двумя подвижными электродами-инструментами, которые располагают по обе стороны заготовки (рис. 2.2). При этом формообразование обрабатываемой поверхности производится одновременно с двух сторон заготовки, жестко закрепленной в определенном положении.

      При электрохимическом формообразовании применяют также один, реже два неподвижных электрода. В этом случае по мере растворения металла заготовки увеличивается межэлектродный промежуток и соответственно уменьшается плотность электрического тока, что снижает производительность и точность электрохимической обработки. Такие технологические схемы ЭХО применяют для снятия небольшого (до 0,5-1,0 мм) слоя металла. 

      Рисунок 2.2. Типовые схемы  размерной электрохимической  обработки:

     1 – обрабатываемая деталь; 2 –  профильный инструмент-электрод  (катод); 3 – электролит; 4 – изолятор.

      При электрохимической обработке отверстий  и полостей используют подвижный  электрод-инструмент или подвижную  заготовку. Формообразование цилиндрических поверхностей по этой схеме может  сопровождаться вращением электрода-инструмента или заготовки; в отдельных случаях применяют одновременное встречное вращение заготовки и электрода-инструмента. Если при этом в качестве вращающегося электрода-инструмента используют токопроводящие алмазоносные пустотелые инструменты, то такой процесс ЭХО называют электроалмазным сверлением.

      Электрохимическое травление. Этот процесс ЭХО предназначен для удаления с обрабатываемой поверхности окисных пленок, образующихся при предварительной термической или химической обработке заготовок или деталей. В зависимости от толщины окисной пленки и ее химического состава применяют несколько способов электрохимического травления.

      Для удаления тонких окисных пленок, порядка  нескольких микрометров, используют анодное  травление. При этом заготовка подключается к положительному полюсу источника питания.

      В результате электролиза окисная  пленка высшей валентности (Fe₂O₃) переходит в пленку низшей валентности (FeО), которая, растворяясь в электролите, удаляется с поверхности детали или заготовки.

      Для отслоения относительно толстых окисных пленок (до 0,3-0,5 мм) применяют катодное травление. В этом случае заготовку подключают к отрицательному полюсу источника питания. При электролизе в местах разрывов (трещин) окисной пленки выделяются пузырьки водорода, которые отрывают («взрыхляют») пленку от основного металла заготовки, очищая тем самым ее поверхность.

      Наибольший  эффект при удалении толстых окисных  пленок достигается поочередным  подключением обрабатываемой детали к  положительному и отрицательному полюсам  источника питания, т.е. изменением полярности детали и электрода во времени. В течение первых 5 мин происходит катодное «взрыхление» окисной пленки, а в течение последующих 5 мин − анодное растворение ее остатков в электролите.

      В отдельных случаях, например при травлении деталей с малыми сечениями, применяют так называемое биполярное травление. В этом случае деталь размещают между двумя электродами, один из которых подключен к положительному, а второй − к отрицательному полюсам источника питания. При прохождении электрического тока в среде электролита от электрода-анода к электроду-катоду возникает падение напряжения на участках между электродами и деталью. В результате этого деталь заряжается отрицательно относительно электрода-анода и положительно относительно электрода-катода. При этом окисная пленка с правой плоскости детали удаляется по принципу анодного травления.

      Электрохимическое полирование. Этот процесс ЭХО применяют для сглаживания микронеровностей на поверхностях деталей, образующихся, например, при механической обработке металлов резанием.

      Деталь  присоединяют к положительному, а  электрод-инструмент − к отрицательному полюсам источника питания. При  подаче напряжения на электроды начинается процесс растворения металла  детали, являющейся анодом. Растворение металла протекает главным образом на выступах микронеровностей, так как толщина окисной пленки на них меньше, чем на впадинах, кроме того, плотность тока на вершинах микронеровностей  более высокая. В результате избирательного растворения, т.е. большей скорости растворения выступов, микронеровности сглаживаются, и поверхность детали приобретает характерный металлический блеск.

      При электрохимическом полировании  существенные дефекты (забоины, царапины и т.д.) с поверхностей деталей  не удаляются. В отличие от травления при электрохимическом полировании деталь подключают только к положительному полюсу источника питания, а электрод-инструмент − к отрицательному.

      Разновидностью  этого процесса ЭХО является электрохимическое  полирование в абразивонесущем  электролите. В этом случае анодное растворение микронеровностей сочетается с механическим удалением окисной пленки абразивными зернами, не связанными друг с другом какой-либо связкой.

      При таком способе полирования (анодно-механическом) брусок из дерева, пластмассы или другого диэлектрического материала, линейно перемещаясь относительно обрабатываемой поверхности, прижимает абразивные зерна к полируемой детали и перемешивает их. В результате этого одновременно с анодным растворением микронеровностей происходит механическое истирание их абразивными зернами.

      Электрохимическое хонингование и суперфиниширование. При этих процессах ЭХО механическое разрушение окисной пленки на обрабатываемой поверхности осуществляется абразивными зернами, находящимися не в свободном, а в связанном состоянии, т.е. абразивными брусками. Бруски закрепляют на металлической оправке-катоде специальными устройствами.

      Электрохимическое галтование. Этот процесс ЭХО предназначен в основном для скругления острых кромок деталей и удаления с них заусенцев. Обработку деталей выполняют в неинтенсивно обновляемом электролите с одновременным механическим воздействием на обрабатываемые поверхности твердых тел (фарфоровых шаров, кусков абразивных кругов и т.п.).

      Полость барабана, являющегося катодом, заполнена электролитом, абразивным материалом и обрабатываемыми деталями. В центре барабана расположен металлический стержень-анод. При относительно медленном вращении барабана на перемещающиеся в нем детали одновременно воздействуют абразивный материал и электролит, через который проходит электрический ток. При этом анодное растворение металла деталей протекает по рассмотренной ранее биполярной схеме. Обрабатываемые детали при перемещении в барабане электрически контактируют через электролит то со стенками барабана-катода, то со стержнем-анодом, и соответственно получают то положительную при соединении с анодом, то отрицательную при соединении с катодом полярность. Кроме того, по мере удаления деталей от анода или катода изменяется анодная плотность тока, что обусловливает активное или пассивное растворение металла. В связи с тем, что абразивный материал более интенсивно воздействует на выступающие части (заусенцы, острые кромки) деталей, удаление окисных пленок, а следовательно, и растворение металла на этих участках протекают быстрее, чем на других обрабатываемых поверхностях деталей. Регулируя время и параметры анодного растворения, добиваются удаления заусенцев и притупления острых кромок на деталях без изменения их формы и размеров.

      Несколько по другой схеме происходит электрохимическое галтование полостей литых крупных заготовок. В этом случае в полость заготовки, являющейся анодом, вводят один или несколько металлических катодов, а межэлектродный промежуток заполняют на 20-30% его объема абразивонесущим электролитом. При медленном вращении катода и анода относительно друг друга происходит электрохимическое галтование, т.е. частичное или полное удаление литейных пороков.

      Электроабразивная и электроалмазная  обработка. Эти процессы ЭХО основаны на сочетании анодного растворения и механического воздействия инструмента на обрабатываемую заготовку. В качестве инструмента применяют абразивные круги, проводящие электрический ток. На практике наиболее часто применяют электроабразивное и электроалмазное шлифование, а также электроалмазное затачивание резцов и других режущих инструментов.

      Электроабразивное (или электроалмазное) шлифование выполняют  следующим образом. На периферию  вращающегося абразивного круга-катода через сопло подают электролит. Часть  его под действием центробежных сил отбрасывается, а часть увлекается в зону резания, т.е. в межэлектродный промежуток, соответствующий величине «вылета» абразивных зерен. Анодное растворение и абразивное резание зернами отбрасываемого металла происходит только в зоне непосредственного контакта режущей части инструмента с обрабатываемой поверхностью заготовки. Съем металла со всей обрабатывающей площади производится при перемещении заготовки относительно инструмента, соответствующем движению заготовки при механическом шлифовании.

      В отличие от приведенного процесса ЭХО  электроалмазное затачивание производят одновременно по всей обрабатываемой поверхности при механическом контакте ее с торцовой поверхностью круга.

      Анодно-механическая обработка. Этот процесс ЭХО основан на сочетании электротермических и электрохимических процессов при одновременном механическом воздействии инструмента-катода на обрабатываемую поверхность. Электротермические процессы заключаются в том, что при кратковременном электрическом контакте микровыступов обрабатываемого участка заготовки с рабочей частью инструмента-катода происходит разрушение окисной пленки и образование так называемых каналов проводимости тока вследствие ионизации межэлектродного промежутка. По этим каналам при соответствующем напряжении на электродах (17-20 В) проходит электрическая энергия в виде импульсных и дуговых разрядов. В результате высокой концентрации энергии на относительно небольших участках обрабатываемой поверхности повышается температура поверхностного слоя заготовки; при этом металл заготовки плавится, частично испаряется и в виде расплавленных частиц переходит в электролит. Разрушение (эрозия) металла под действием электротермических процессов продолжается до тех пор, пока не будет удален весь металл, находящийся на расстоянии, при котором возможен электрический пробой межэлектродного промежутка.

      В этом случае под действием электротермических явлений разрушается в зоне обработки  не только заготовка, но и электрод-инструмент. При анодно-механическом формообразовании в качестве электролита используют водный раствор силиката натрия Na₂SiO₃, или жидкое стекло. При прохождении через этот раствор электрического тока катионы натрия Na⁺ на катоде вступают в реакцию с водой, образуя щелочь NaОН и водород Н₂. Одновременно с этим двуокись кремния SiO₃ распадается на окись кремния SiO₂ и кислород, в результате чего на аноде образуется силикатная пленка (окись кремния), обладающая высоким электрическим сопротивлением. При напряжении на электродах ниже 15 В силикатная пленка разрушается перемещающимся относительно обрабатываемой поверхности инструментом, что активизирует последующее анодное растворение. Одновременно перемещающийся инструмент удаляет и продукты растворения из зоны обработки. При повышении напряжения на электродах до 17-20 В происходят электрический пробой межэлектродного пространства и эрозионное разрушение металла заготовки; при этом процесс анодно-механической обработки ускоряется в десятки раз.