Размерная электрохимическая обработка металлов

      Электроэрозионно-химическая размерная обработка. Этот процесс ЭХО основан на совмещении размерной электрохимической обработки с электроэрозионным разрушением металла. Одна из особенностей электроэрозионно-химического процесса заключается в том, что напряжение U, подводимое к электродам от источника питания, изменяется во времени t, т.е. имеет импульсную форму. При этом максимальное напряжение U_им электрического пробоя подбирают равным напряжению электрического пробоя U_пр электролита в зависимости от величины а_пр межэлектродного промежутка.

      Электроэрозионно-химическую обработку называют также электрофизико-химической. Такой термин объективно отражает сущность этого процесса, т.к. здесь совмещены электрофизические (эрозия) и электрохимические (анодное растворение) процессы формообразования. 

      3. Электролиты.

      Все рассмотренные процессы ЭХО протекают  при наличии электролитов − химических растворов, обладающих электролитической  или ионной проводимостью, т.е. способностью пропускать электрический ток под  действием электрического напряжения за счет движения ионов. Этим же свойством обладает вода, спирт и другие жидкости. Электропроводность электролитов значительно меньше электропроводности металлов, у которых носителями тока являются свободные электроны. С повышением температуры при нагреве электропроводность, являющаяся величиной, обратной электрическому сопротивлению, уменьшается у металлов и увеличивается у электролитов.

      Различают слабые и сильные электролиты. Первые лишь частично диссоциируют на ионы, причем с ростом концентрации компонентов  степень диссоциации и электропроводность их значительно уменьшаются. Сильные электролиты, наоборот, полностью распадаются на ионы, несмотря на значительные концентрации компонентов, при этом существенно повышается их электропроводность. К сильным электролитам относят почти все растворы солей и кислот, а к слабым, например, растворы оснований.

      Металлы различных марок активно растворяются только в электролитах определенного  состава. Однако на технологические  характеристики процессов ЭХО (производительность, точность и качество обработки) влияет не только состав электролита, но и концентрация входящих в него компонентов, его температура, водородный показатель рН, характеризующий концентрацию ионов водорода в электролите, или «кислотность», а также скорость прокачки его в межэлектродном промежутке.

      Таблица 1.

      Электролиты для размерной  ЭХО.

      4.Технологические характеристики.

      Технологическими  характеристиками процессов ЭХО являются производительность, точность размеров и полученной формы, а также шероховатость обработанных поверхностей. К факторам, влияющим на технологические характеристики процессов ЭХО относят объемный электрохимический эквивалент (k) обрабатываемого металла, состав применяемого электролита, его удельную электропроводность (χ), напряжение источника питания (U), анодную плотность тока (i), коэффициент выхода металла по току (η), величину межэлектродного промежутка (а) и технологический припуск (z).

      Производительность. Производительность размерного электрохимического формообразования характеризуется скоростью анодного растворения металла, выражаемой в линейных (мм/мин) или в объемных (мм³/мин) единицах.

      Линейную  скорость электрохимического растворения (v_э.х.р) определяют по уравнению:

      v_э.х.р=100·U·χ·η·k/а, мм/мин.

      Данное  уравнение справедливо при постоянной величине межэлектродного промежутка а, что обеспечивается перемещением инструмента и заготовки относительно друг друга в процессе обработки. При этом скорость их перемещения должна быть равной скорости электрохимического растворения анода. Следовательно, указанное уравнение справедливо для ЭХО с подвижными электродами.

      При электрохимическом формообразовании с неподвижными электродами, когда величина межэлектродного промежутка изменяется в процессе в процессе обработки, производительность зависит от  многих факторов и в первую очередь от продолжительности процесса обработки. Так, с увеличением времени обработки соответственно увеличивается межэлектродный промежуток и снижается скорость электрохимического растворения.

      Общим для обоих случаев электрохимического формообразования с подвижными и  неподвижными электродами является то, что производительность таких процессов увеличивается с повышением напряжения, подводимого к электродам, удельной электропроводности электролита и коэффициента выхода металла по току. Снижается производительность этих процессов с увеличением межэлектродного промежутка.

      Объемный  электрохимический эквивалент k для  каждого вида металла имеет определенное значение и поэтому не влияет на производительность размерной ЭХО. Изменением же параметров U, χ, η, а до определенных предельных значений можно существенно снизить или повысить производительность размерного электрохимического формообразования.

      Так, напряжение, подводимое к электродам, можно повысить до значений, при  которых наступает электрический  пробой межэлектродного промежутка. При этом с возникновением электрического пробоя образуется электрический разряд, называемый дугой. Под действием этой дуги происходит нежелательное локальное выплавление электрода-инструмента и заготовки иногда глубиной до 10 мм. Поэтому, чтобы исключить такое явление, электрохимическое формообразование ведут, как правило, при напряжении 15-20 В. В некоторых случаях напряжение на электродах повышают до 30 В, например, при больших межэлектродных промежутках (2-3 мм). Чтобы снизить производительность размерной ЭХО, напряжение на электродах принимают равным 2-2,5 В; при меньших значениях электрического напряжения анодное растворение прекращается.

      Электропроводность  электролита, зависящая от его состава, концентрации и рабочей температуры, также влияет на производительность размерной электрохимической обработки − с повышением удельной электропроводности увеличивается производительность.

      С увеличением рабочей температуры  электропроводность электролита повышается и соответственно увеличивается  плотность тока на аноде. Повышение  скорости прокачки электролита в межэлектродном промежутке способствует более интенсивному удалению из зоны обработки продуктов растворения, что также повышает электропроводность слоя электролита в межэлектродном промежутке. Обратное, т.е. снижение электропроводности, наблюдается при повышении значения рН до 8,5. При этом анодная плотность электрического тока резко снижается, а следовательно, падает и производительность обработки.

      С увеличением линейной скорости анодного растворения пропорционально возрастает и объемный съем металла; однако последнее может происходить не только за счет увеличения линейной скорости анодного растворения, но и при одновременной обработке нескольких заготовок или одной заготовки с большой площадью обрабатываемой поверхности.

      Шероховатость обработанных поверхностей. При ЭХО качество обработанных поверхностей определяется в основном их шероховатостью.

      В отличие от традиционных процессов  механической обработки резанием, когда  резец, оказывая силовое воздействие на обрабатываемую поверхность, образует на ней деформированные (напряженные) слои металла, электрохимическая обработка не вызывает в поверхностных слоях обрабатываемого металла каких-либо механических напряжений, что в ряде случаев положительно сказывается на качестве обработанных поверхностей.

      В общем виде качество обработанных поверхностей зависит от сочетания определенных значений таких параметров, как состав электролита, его температура, скорость прокачки электролита через межэлектродный промежуток и плотность электрического тока.

      Шероховатость поверхностей, полученная при размерной электрохимической обработке и при соответствующем составе электролита, как правило, равна 2,5-1,25 мкм по Rа. Такие результаты обеспечиваются, например, при обработке углеродистых и нержавеющих сталей с использованием в качестве электролита раствора хлористого натрия. Повышение температуры электролита отрицательно сказывается на шероховатости поверхностей. Однако в некоторых случаях, например при размерной ЭХО титановых сплавов, с повышением температуры электролита качество обработанной поверхности повышается.

      Скорость  истечения электролита через  межэлектродный промежуток при электрохимическом  формообразовании оказывает меньшее  влияние на шероховатость обрабатываемой поверхности. Однако при высоких скоростях истечения и соответствующей рабочей температуре электролита шероховатость многих металлов, обрабатываемых электрохимическим способами, можно значительно снизить. Это объясняется более активным растворением выступов микронеровностей при более высоких скоростях истечения электролита. Впадины микронеровностей при этом заполняются продуктами растворения, т.е. пассивируются, что замедляет и даже предотвращает дальнейшее анодное растворение металла во впадинах. Таким образом, за счет избирательного анодного растворения происходит постепенное сглаживание микрорельефа обрабатываемой поверхности и снижение шероховатости.

      Повышение плотности электрического тока снижает  шероховатость обрабатываемых поверхностей. Однако при плотности тока выше 15-20 А/см² дальнейшее улучшение качества обрабатываемых поверхностей прекращается.

      При размерной ЭХО некоторых металлов происходит растравливание металла  заготовки по границам зерен в  условиях определенного сочетания  электролита с другими параметрами  процесса ЭХО. Глубина растравливания в этом случае может достигать 20-30 мкм.

      Точность  обработки. Под точностью обработки понимают степень приближения параметров обработанных деталей к заранее установленным чертежом или другой технической документацией номинальным значениям.

   Для получения детали с заданным номинальным размером Н с заготовки снимают определенный слой металла, называемый припуском z. При этом завершают процесс формообразования при одном и том же размере Х и величине межэлектродного промежутка, равной заданному номинальному значению а_н. Под номинальным значением а_н понимают величину межэлектродного промежутка, образовавшегося после определенного времени обработки при постоянных параметрах процесса ЭХО (U, χ, η). Однако указанные параметры ЭХО практически изменяются в процессе обработки в определенных пределах. Это приводит к тому, что фактическая величина межэлектродного промежутка а_к, образовавшаяся после обработки, отличается от а_н. Разницу между номинальным (а_н) и фактическим (а_к) значениями межэлектродного промежутка называют погрешностью Δа. При а_к >а_н размер Н детали окажется меньше заданного номинального значения, а при а_к< а_н на детали остается неудаленная часть припуска, равная Δа; при этом размер Н детали превысит заданное номинальное значение.