Электрохимическая обработка (ЭХО): кинематика, динамика и проектирование инструмента

В статье рассматривается электрохимическая обработка (ЭХО): 1. Суть и принцип работы ЭХО 2. Электрохимия процесса 3. Кинематика и динамика 4. Влияние тепла и генерации H₂ 5. Влияние на шероховатость 6. Проектирование инструмента 7. Используемые электролиты 8. ЭХО-оборудование 9. Влияние на материалы 10. Характеристики.

Содержание:

1. Суть и принцип работы электрохимической обработки (ЭХО)
2. Электрохимия процесса ЭХО
3. Кинематика и динамика ЭХО
4. Влияние тепла и генерации H₂ в ЭХО
5. Влияние ЭХО на шероховатость
6. Проектирование инструмента ЭХО
7. Электролиты в ЭХО
8. Электрохимическая обработка — установка
9. Влияние ЭХО на материалы
10. Характеристики ЭХО

---

1. Суть и принцип работы электрохимической обработки (ЭХО)

ЭХО — один из самых перспективных нетрадиционных методов обработки металлов. Хотя процесс новый для металлообработки, базовый принцип давно известен. Его можно считать обратным гальваническому наплывению с модификациями. Основан на электролизе.

В металле ток идет свободными электронами, в электролите — движением ионов. Ток через электролит всегда сопровождается переносом вещества.

Электролиз давно используется для гальваники — наплыв металла на деталь. В ЭХО цель — удаление металла, поэтому деталь — анод (плюс), инструмент — катод (минус). Рисунок 6.25: деталь и соответствующей формы инструмент, зазор заполнен электролитом. При прохождении тока растворяется анод.

Скорость растворения выше там, где зазор меньше, и наоборот, так как плотность тока обратно пропорциональна зазору. Если инструменту дать движение вниз, поверхность детали стремится принять форму инструмента, и в стационарном режиме зазор становится равномерным (рис. 6.25). Форма инструмента воспроизводится в детали.

В ЭХО инструменту задают постоянную скорость подачи. Электролит накачивают под высоким давлением через инструмент и малый зазор. Электролит подбирают так, чтобы анод растворялся, а на катоде не происходило осадки. Токи — тысячи ампер, напряжение 8–20 В. Зазор 0,1–0,2 мм.

На типичном станке скорость удаления ~1600 мм³/мин на 1000 А. На удаление 16·10³ мм³ нужно ~3 кВт·ч — почти в 30 раз больше энергии, чем при традиционной обработке (для легкообрабатываемых металлов). Но скорость удаления в ЭХО не зависит от твердости детали. Поэтому ЭХО выгодна при очень низкой резаемости материала или сложной форме.

В отличие от большинства процессов, здесь практически нет износа инструмента. Казалось бы, силу нет, но на самом деле инструмент и деталь испытывают огромные усилия от высокого давления электролита в зазоре.

---

2. Электрохимия процесса ЭХО

Процесс электролиза регулируется двумя законами Фарадея:

(i) Количество химического изменения (материала, растворенного или осажденного) пропорционально пройденному заряду.

(ii) Количества разных веществ, растворенных или осажденных одним и тем же зарядом, пропорциональны их химическим эквивалентным массам. В количественной форме:

Когда металлическое тело в электролите (рис. 6.27), металлические атомы уходят в раствор как ионы, и ионы возвращаются как атомы. Процесс مستمر, равносилия поддерживается. Существует разность потенциалов между точкой на поверхности металла (электродом) и соседней точкой в электролите — электродный потенциал. Он зависит от пары электрод-электролит. Если два разных электрода (А и Б) в электролите, между ними возникает ЭДС элемента.

Природа электролиза зависит от электролита. Чтобы понять ЭХО, рассмотрим водный раствор хлорида натрия. При приложении напряжения (рис. 6.28б) реакции на аноде и катоде:

Вода получает два электрода от электрода, выделяется водород, образуются гидроксид-ионы. Положительные металлические ионы движутся к катоду, отрицательные гидроксид-ионы — к аноду. Металлические ионы соединяются с гидроксид-ионами, образуя гидроксид железа — нерастворимый осадок. При такой комбинации анод растворяется, на катоде выделяется H₂, форма катода не меняется. Это ключевая характеристика электрохимии ЭХО. Для ЭХО электроды и электролит подбирают так, чтобы ни на одном электроде не было осадки.

Грамм-эквивалентная масса металла ԑ = A / Z, где A — атомная масса, Z — валентность ионов. Подставляя в уравнение (6.20), получаем скорость массового удаления:

Если анод из сплава, а не чистого металла, скорость удаления находится через заряд, необходимый для удаления единичного объема каждого элемента. При атомных массах A₁, A₂, A₃… и валентностях Z₁, Z₂, Z₃… и массовом составе x₁%, x₂%…, объем v см³ сплава содержит vρx_i/100 грамма i-го элемента (ρ — плотность сплава в г/см³).

Заряд для удаления всего i-го элемента в объеме v:

---

3. Кинематика и динамика ЭХО

Рис. 6.31: электроды с параллельными плоскостями. Деталь (верхний электрод) подается с постоянной скоростью ƒ в направлении -y (нормаль к поверхностям).

Задача одномерная, мгновенное расстояние между поверхностями — y. Считаем деталь чистым металлом, скорость удаления металла детали по уравнению (6.23). При пере Напряжении ΔV плотность тока через электролит:

где K — проводимость электролита. Удаление материала заставляет поверхность детали отступать (в направлении y) относительно исходной с скоростью Q', где Q' — объемная скорость удаления на единицу площади поверхности детали. Скорость изменения зазора между деталью и инструментом:

Рассмотрим базовые случаи:

Нулевая подача:

Постоянная подача:

Вечно растущий зазор нежелателен. На практике электроду задают постоянную скорость подачи. В уравнении (6.28) ƒ = const. Очевидно, когда скорость подачи ƒ равна скорости отступа поверхности из-за удаления металла, зазор остается постоянным. Этот зазор (зависящий от скорости подачи) называется равновесным зазором (y_e). Для равновесного зазора уравнение (6.28) дает:

Рис. 6.32б — график y̅ от t̅ для разных начальных зазоров. Зазор всегда стремится к равновесному значению независимо от начального условия.

Подача под углом к поверхности:

Когда вектор скорости подачи наклонен к поверхности (рис. 6.33), нормальная составляющая ƒ cos θ. Равновесный зазор = λ / (ƒ cos θ).

Обработка неровной поверхности:

При ЭХО неровной поверхности металл удаляется со всех участков (в отличие от других методов). Выступы (холмы) ближе к инструменту и обрабатываются быстрее, чем впадины. ЭХО сглаживает неровности.

Рис. 6.34: равновесная позиция поверхности детали (y̅ = 1) — желаемая конечная поверхность. Отклонения — дефекты, характеризуемые безразмерной глубиной или высотой (δ̅), в зависимости от впадины или холма. Так как δ = y – y_e,

Теоретически полное устранение дефекта требует бесконечного времени; на практике процесс заканчивают, когда δ̅ падает ниже допуска. Рис. 6.35 — сглаживание холмов и впадин.

---

4. Влияние тепла и генерации пузырьков H₂ в ЭХО

Параметры и свойства предполагались равномерными по всей поверхности электродов. На практике это не так. Вариация свойств влияет на процесс. Проводимость электролита меняется по ходу зазора из-за: (i) роста температуры электролита, (ii) выделения водородных пузырьков, (iii) осадков (малое влияние).

Из-за прохождения тока температура электролита растет, проводимость меняется, вызывая неравномерность плотности тока по направлению течения. Кроме того, образуются пузырьки водорода. Их уносит поток, концентрация растет по направлению течения. В результате общая проводимость и плотность тока варьируют в том же направлении. Совокупный эффект заставляет равновесный зазор меняться.

---

5. Влияние ЭХО на шероховатость поверхности

Так как в ЭХО обычно требуется высокая чистота поверхности, важно изучить причины ее ухудшения.

Шероховатость ухудшается из-за:

(i) Селективного растворения:

В сплавах разные компоненты имеют разные электродные потенциалы. В чистых металлах потенциалы растворения на границах зерен отличаются от внутренностей. Рассмотрим поверхность с двумя компонентами А и Б (рис. 6.38а). Показан профиль напряжения по зазору. Пусть потенциал растворения Б (V_dB) больше, чем А (V_dA).

Необходимая разность потенциалов для начала ЭХО должна быть либо V_dA, либо V_dB в зависимости от локального компонента. Вся поверхность анодная — равно потенциал, потенциал электролита меняется по зазору. Зерно Б должно выступать от поверхности А (чтобы встретить электролит с более низким потенциалом), чтобы достичь большей разности V_dB. В стационарном режиме поверхность будет неровной.

При более высоком потенциальном градиенте неровность меньше. Рис. 6.38б — две ситуации с разными градиентами. Высота выступления зерна Б меньше при большем градиенте. Приближенное выражение высоты выступления можно вывести. Из рис. 6.38б:

(ii) Спородическое разрушение анодной пленки:

Причина — постепенное падение разности потенциалов между поверхностью детали и электролитом вдали от зоны обработки. Рис. 6.39 — изменение поверхностного потенциала анода. До точки P₁ потенциал достаточно для растворения всех фаз. В P₁ он падает ниже потенциала растворения одной фазы — анод перестает растворяться. Далее потенциал продолжает падать, все больше фаз прекращают растворяться — поверхность становится неровной. В итоге остаются только несколько активных фаз, концентрация электрического поля заставляет их растворяться очень быстро, образуя глубокие ямы (рис. 6.39). За точкой P₂ потенциал падает так низко, что растворения нет.

(iii) Разделение потока и образование вихрей:

Холмы и впадины на аноде могут вызывать разделение потока электролита и вихри. В вихрях, отделенных от основного потока, накапливается большая концентрация металлических ионов, создавая высокий конcentration пере Напряжение.

Это вносит локальную вариацию скоростей удаления и, следовательно, неровную поверхность. Помимо рельефа, разделение потока может вызывать неудачное проектирование инструмента и тракты электролита. Поэтому тракт электролита в инструменте требует тщательного проектирования.

(iv) Выделение газа H₂:

Текущий электролит уносит выделяющийся на катоде водород. Присутствие H₂ снижает удельную проводимость раствора. Эффект усиливается по мере роста концентрации H₂ по течению, общая картина — ухудшение шероховатости.

Помимо четырех механизмов, есть другие источники ухудшения, но их значимость ниже — не рассматриваем.

---

6. Проектирование инструмента ЭХО

Два основных аспекта проектирования инструмента:

Это:

(i) Определение формы инструмента для получения нужной формы детали при заданных условиях.

(ii) Проектирование инструмента для других соображений: поток электролита, изоляция, прочность, крепление.

Теоретическое определение формы инструмента:

Когда известна желаемая форма поверхности детали, можно теоретически определить требуемую геометрию поверхности инструмента для заданных условий.

Пусть приложенное напряжение, пере Напряжение и скорость подачи — V, ΔV, ƒ. Равновесный зазор между анодом и катодом:

Проектирование для потока электролита:

Достаточный поток электролита между инструментом и деталью необходим для отвода тепла и продуктов обработки и обеспечения процесса при заданной подаче с хорошей шероховатостью. Кавитация, застой, вихры избегают — они портят финиш. Базовое правило: в тракте потока нет острых углов. Все углы тракта должны иметь радиус минимум 0,7–0,8 мм.

Начальная форма детали обычно не соответствует форме инструмента, и только малая площадь близка к инструменту в начале. Проблема снабжения электролитом решается методами ограничения потока.

Во многих случаях, когда начальная форма детали соответствует форме инструмента,

Инструмент с фурой для подачи электролита прост в изготовлении, но фурка оставляет небольшие гребни на детали. Гребни можно сделать очень маленькими, сделав фурку достаточно узкой. Ширина фурки должна обеспечивать достаточный расход. Поток из фурки идет перпендикулярно ей, на конце плохой. Поэтому фурку заканчивают у углов поверхности детали (рис. 6.43а).

Расстояние от конца фурки до углов не менее 1,5 мм, ширина фурки 0,7–0,8 мм. При скругленном углу детали конец фурки делают больше (рис. 6.43б). Форма и расположение фурки должны обеспечивать подачу электролита на каждый участок поверхности без пассивных зон. Рис. 6.44 — две ситуации с пассивными зонами из-за ошибок проектирования фурки.

В 6.44а пассивная зона не получает подачу из-за внешнего пространства между фуркой и зоной, в 6.44б — из-за резкого изгиба фурки (поток нормален к фурке). Правильные конструкции на рис. 6.45. Иногда используют инструмент с обратным потоком для высокой точности, но это сложнее и дороже, не рекомендуется обще.

Методы контроля потока при несоответствии начальной поверхности инструменту на рис. 6.46. Общие правила установки ограничителя потока: ограничитель должен быть рядом с зоной начального сближения инструмента и детали, не должен значительно удлинять тракт потока, и должен находиться на входе или выходе электролита.

Проектирование для изоляции:

Зоны инструмента, где ЭХО нежелательно, нужно изолировать. При штамповке инструмент тоже должен быть правильно изолирован для минимизации посторонней обработки. Рис. 6.47 — ЭХО без и с правильной изоляцией. Рис. 6.48 — штамповка без и с изоляцией.

Изоляция должна быть прочной и надежно склеенной. Можно закрепить прочный пластик на эпоксидном клее и пластиковых винтах. Иногда наносят синтетический каучук на искусственно оксидированную медную поверхность инструмента с горячим химическим окислителем. Границы изоляционного слоя не должны подвергаться высокоскоростному потоку электролита — это может сорвать склеенный слой.

---

7. Электролиты в ЭХО

Электролит в ЭХО выполняет три базовые функции:

(i) Замыкание электрической цепи и пропускание больших токов,

(ii) Обеспечение необходимых электрохимических реакций,

(iii) Отвод тепла и продуктов обработки.

Первая функция требует высокой электрической проводимости. Вторая — чтобы на аноде материал детали непрерывно растворялся, а на катоде не происходило осадки металлических ионов. Обычно катионный компонент электролита — водород, аммиак или щелочные металлы. Растворение анода должно идти с высокой эффективностью.

Также электролит должен иметь хорошую химическую стабильность. Помимо этого — недорог, безопасен, максимально некоррозионен. Обычно используют водные растворы неорганических соединений. Таблица 6.4 — электролиты для различных сплавов.

---

8. Электрохимическая обработка — установка

При проектировании ЭХО-станка учитывают жесткость и материалы компонентов. Казалось бы, сила обработки пренебрежимо мала — нет контакта инструмента с деталью, но огромные силы возникают из-за высокого давления электролита в узком зазоре.

Станок должен иметь достаточно жесткости, чтобы избежать деформации инструмента, разрушающей точность. Температурные изменения тоже могут вызывать относительные смещения — конструкция должна это учитывать.

Для защиты от коррозии везде, где возможно, используют неметаллы. Когда нужны прочность и жесткость — пластик-наметалл. Материал закрепления детали подвергается анодной атаке, титан наиболее устоятелен из-за пассивности. При контакте разных металлов в электролите, особенно при простое, возможна коррозия. Чтобы минимизировать, металлы в контакте подбирают с близкой электрохимической поведением. Направляющие не защитить навсегда, их густо смазывают. Иногда катодная защита — приложение малого потенциала, делающего структуру более благородной электрохимически.

Насос — ключевой элемент периферии. Обычно поршневые насосы (как шестеренчатые) из нержавейки. Емкость для электролита, трубопроводы, клапаны — из ПВХ.

---

9. Влияние ЭХО на материалы

В отличие от традиционных методов, удаление материала при ЭХО плавное и мягкое. Остаточные сжатые напряжения на поверхности очень низки. Глубина закаленного слоя пренебрежима. При токарной обработке ~0,5 мм, фрезеровке ~1,5 мм, при ЭХО — только ~0,001 мм. Порядок остаточных напряжений при традиционной обработке ~50 кг/мм², при ЭХО — почти ноль.

Это дает на 10–25% более низкий предел усталости деталей от ЭХО. Из-за микротрещин на поверхности и отсутствия остаточных напряжений. Для повышения предела усталости применяют механические операции (полировка, дробеструйка, паровая струйка).

---

10. Характеристики ЭХО

---