Электрохимическая обработка (ECM):кинематика, динамика, работа и проектирование инструментов

В этой статье мы обсудим электрохимическую обработку (ECM):- 1. Значение и работа электрохимической обработки (ECM) 2. Электрохимия процесса ECM 3. Кинематика и динамика 4. Влияние тепла и образования пузырьков H2 5 .Влияние ECM на качество поверхности 6. Конструкция ECM 7. Используемые электролиты 8. Электрохимический обрабатывающий завод 9. Влияние ECM на материалы 10. Характеристики ECM.

Содержание:

1. Значение и работа электрохимической обработки (ECM)
2. Электрохимия процесса ECM
3. Кинематика и динамика ECM
4. Влияние тепла и образования пузырьков H2 в ECM
5. Влияние ECM на шероховатость поверхности
6. Инструментальное проектирование ECM
7. Электролиты, используемые в ECM
8. Электрохимический обрабатывающий завод
9. Влияние ECM на материалы
10. Характеристики ECM

---

1. Значение и работа электрохимической обработки (ЭХМ) :

Электрохимическая обработка - один из потенциально нетрадиционных процессов обработки. Хотя это новый процесс обработки металла, основной принцип был хорошо известен давно. Этот процесс можно рассматривать как обратный гальванике с некоторыми изменениями. Далее он основан на принципе электролиза.

В металле электричество проводят свободные электроны, но было установлено, что в электролите проводимость электричества достигается за счет движения ионов. Таким образом, протекание тока через электролит всегда сопровождается движением вещества.

Принцип электролиза долгое время использовался для гальваники, когда целью было осаждение металла на заготовке. Но поскольку при электрохимической обработке целью является удаление металла, заготовка подключается к положительной клемме, а инструмент - к отрицательной клемме. На рис. 6.25 показаны заготовка и инструмент подходящей формы, при этом зазор между инструментом и заготовкой заполнен подходящим электролитом. При пропускании тока происходит растворение анода.

Однако скорость растворения больше там, где зазор меньше, и наоборот, поскольку плотность тока обратно пропорциональна зазору. Теперь, если инструменту дается движение вниз, рабочая поверхность имеет тенденцию принимать ту же форму, что и инструмент, и в установившемся состоянии зазор будет однородным, как показано на рис. 6.25. Таким образом, форма инструмента воспроизводится в работе.

В процессе электрохимической обработки инструмент имеет постоянное движение подачи. Электролит прокачивается под высоким давлением через инструмент и небольшой зазор между инструментом и заготовкой. Электролит выбирается таким образом, чтобы анод растворялся, но на катоде (инструменте) не происходило осаждения. Порядок тока и напряжения - несколько тысяч ампер и 8-20 вольт. Зазор составляет порядка 0,1-0,2 мм.

На обычном станке скорость съема металла составляет около 1600 мм ³ / мин на каждые 1000 ампер. Для удаления 16 x 10 ³ требуется примерно 3 кВтч. мм ³ металла, что почти в 30 раз превышает энергию, требуемую в обычном процессе (конечно, когда металл легко поддается механической обработке). Но с ECM скорость съема металла не зависит от твердости заготовки. Таким образом, ECM становится выгодным, когда либо обрабатываемый материал обладает очень низкой обрабатываемостью, либо обрабатываемая форма усложняется.

В отличие от большинства других традиционных и нетрадиционных процессов, здесь практически отсутствует износ инструмента. Хотя кажется, что, поскольку обработка выполняется электрохимическим способом, инструмент не испытывает силы, но факт в том, что инструмент и деталь подвергаются очень большим силам, создаваемым текучей средой под высоким давлением в зазоре.

---

2. Электрохимия процесса ЭХМ:

Процесс электролиза регулируется следующими двумя законами, предложенными Фарадеем:

(i) Количество химического изменения, производимого электрическим током, то есть количество любого растворенного или осажденного материала, пропорционально количеству пропущенного электричества.

(ii) Количество различных веществ, растворенных или осаждаемых одним и тем же
количеством электричества, пропорционально их химическому эквивалентному весу. В количественной форме два закона Фарадея гласят:

Когда металлическое тело погружается в электролит (рис. 6.27), металлические атомы покидают тело и становятся ионами, а ионы перемещаются к телу и становятся атомами. Процесс идет непрерывно, и сохраняется равновесие. Между точкой на поверхности металлического тела (электрода) и соседней точкой в ​​электролите существует разность потенциалов.

Эта разность потенциалов известна как потенциал электрода. Потенциал электрода варьируется в зависимости от комбинации электрода и электролита. Если два разных электрода (A и B) погружены в воду, между этими электродами будет существовать разность потенциалов, поскольку потенциалы A и B по отношению к общему электролиту различны. Эта разность потенциалов представляет собой электродвижущую силу (ЭДС) ячейки, создаваемую электродами и электролитом. Это поясняется на рис. 6.27. Например, если электроды из Fe и Cu погружены в рассол (раствор кухонной соли в воде), как показано на рис. 6.28a, потенциалы электродов равны -

Характер процесса электролиза зависит от используемого электролита. Чтобы понять, как осуществляется ЭХМ, рассмотрим водный раствор хлорида натрия в качестве электролита. Когда на электроды подается разность напряжений (рис. 6.28b), реакции на аноде и катоде следующие:

Вода получает два электрона от электрода, в результате выделяется водород и образуются ионы гидроксила. Положительные ионы металлов стремятся двигаться к катоду, а отрицательные ионы гидроксила притягиваются к аноду. Затем положительные ионы металлов объединяются с отрицательно заряженными гидроксильными ионами с образованием гидроксида двухвалентного железа в виде -

Этот гидроксид двухвалентного железа образует нерастворимый осадок. Таким образом, при такой комбинации электродного металла и электролита анод растворяется и H ₂ генерируется на катоде, оставляя форму катода неизменной. Это наиболее важная характеристика электрохимии процесса ECM. Следует отметить, что для ECM выбор электродов и электролита должен быть таким, чтобы не могло происходить осаждения ни на одном из электродов.

Эквивалентный вес металла в граммах определяется выражением =A / Z, где A - атомный вес, а Z - валентность образующихся ионов. Используя это в уравнении (6.20), мы получаем скорость удаления массы в виде -

Когда анод изготовлен из сплава, а не из чистого металла, скорость удаления можно определить, учитывая заряд, необходимый для удаления единицы объема каждого элемента. Если атомный вес и валентность (соответствующих ионов, входящих в электролит) равны A ₁ , A ₂ , А ₃ ,… И Z _1, Z ₂ , Z ₃ ,… Соответственно, а состав (по массе) сплава x ₁ % элемента 1, x ₂ % элемента 2,…, затем объем v см ³ сплава содержит vρx _i На 100 грамм i-го элемента, где ρ - общая плотность сплава в г / см ³ .

Заряд, необходимый для удаления всего i-го элемента в объеме v, равен -

---

3. Кинематика и динамика ECM:

На рис. 6.31 показан комплект электродов с плоскими и параллельными поверхностями. Изделие (верхний электрод) подается с постоянной скоростью ƒ в направлении -y (перпендикулярно поверхностям электродов).

Задача считается одномерной, и мгновенное расстояние рабочей поверхности от поверхности инструмента принимается равным y. Учитывая, что обрабатываемая деталь изготовлена ​​из чистого металла, скорость съема металла детали определяется уравнением (6.23). Если перенапряжение составляет ΔV, плотность тока, протекающего через электролит, определяется как -

Где K - проводимость электролита. Теперь удаление рабочего материала заставляет поверхность заготовки отступать (в направлении оси y) относительно исходной поверхности со скоростью, задаваемой Q ', где Q' - объемная скорость удаления металла заготовки на единицу площади поверхности детали. Таким образом, скорость, с которой изменяется зазор между заготовкой и поверхностью инструмента, составляет -

Теперь мы рассмотрим несколько основных случаев:

Нулевой поток:

Постоянный канал:

Постоянно увеличивающийся разрыв нежелателен в процессе ECM. Таким образом, на практике электрод имеет постоянную скорость подачи подходящей величины. Таким образом, в уравнении (6.28) ƒ постоянна. Очевидно, что когда скорость подачи ƒ равна скорости отклонения поверхности электрода из-за удаления металла, зазор остается постоянным. Этот зазор (который зависит от скорости подачи) называется равновесным зазором (y _e ). Таким образом, для равновесной щели уравнение (6.28) дает -

На рис. 6.32b показан график зависимости y̅ от t̅ для различных значений начального зазора. Видно, что зазор всегда приближается к равновесному значению независимо от начального состояния.

Движение подачи под наклоном к поверхности:

Когда вектор скорости подачи наклонен к поверхности (рис. 6.33), составляющая подачи, нормальная к поверхности, равна ƒ cos θ. В этом случае равновесная щель определяется как λ / (ƒ cos θ).

Обработка неровной поверхности:

Когда неровная рабочая поверхность подвергается ECM, металл удаляется со всех частей поверхности (в отличие от других операций обработки). Часть, выступающая наружу (холмы), находится ближе к поверхности инструмента и обрабатывается быстрее, чем часть, выступающая внутрь (полости). Таким образом, процесс ECM имеет эффект сглаживания неровностей.

Как показано на рис. 6.34, положение равновесной рабочей поверхности (y̅ =1) можно рассматривать как желаемую конечную поверхность обрабатываемой детали. Отклонения от этой желаемой поверхности представляют собой дефекты, характеризующиеся безразмерной глубиной или высотой (δ̅), в зависимости от того, является ли дефект долиной или холмом. Поскольку δ =y - y _e ,

Теоретически для полного устранения дефекта потребуется бесконечное время; однако на практике, как только δ̅ опускается ниже заранее заданного допустимого значения, процесс завершается. На рис. 6.35 показано, как сглаживаются холмы и долины.

---

4. Воздействие тепла и H ₂ Генерация пузырей в ECM:

Предполагалось, что различные параметры и свойства одинаковы по всей поверхности электродов. Но на практике это не так. Изменение этих свойств влияет на процесс обработки. Кроме того, электропроводность электролита изменяется по мере прохождения электролита по зазору из-за:(i) повышения температуры электролита, (ii) выделения пузырьков водорода и (iii) образования осадков, причем последний эффект невелик.

Из-за прохождения электричества температура электролита постепенно увеличивается, а проводимость изменяется, что приводит к неравномерности плотности тока вдоль направления потока электролита. Кроме того, образуются пузырьки, поскольку во время обработки образуется водород. Эти пузырьки уносятся электролитом, и концентрация таких пузырьков имеет тенденцию к увеличению в направлении потока электролита. В результате общая проводимость и плотность тока изменяются в одном и том же направлении. В результате этого возникает изменение равновесного зазора между электродами.

---

5. Влияние ECM на чистоту поверхности:

Поскольку, как правило, требуется очень хорошее качество поверхности деталей, обрабатываемых с помощью ECM, важно изучить возможности, которые могут привести к плохой отделке.

На качество поверхности отрицательно влияют:

(i) Избирательное растворение:

В сплавах разные составляющие имеют разные электродные потенциалы. В чистых металлах потенциалы растворения на границах зерен также отличаются от потенциалов растворения внутри зерен. Рассмотрим рабочую поверхность (с двумя составляющими A и B), показанную на рис. 6.38a. На этом рисунке также показан профиль напряжения на зазоре. Пусть потенциал растворения компонента B (V _дБ ) быть больше, чем потенциал растворения составляющей A (V _dA ).

Таким образом, необходимая разность потенциалов между точкой на поверхности и соседним электролитом для запуска ECM должна быть либо V _dA или V _дБ , в зависимости от местной составляющей. Поскольку вся поверхность анода является эквипотенциальной, а потенциал электролита меняется в зазоре, как показано, поверхность зерна B должна выступать от поверхности составляющей A (для встречи с электролитом с более низким потенциалом), чтобы большая разница , V _дБ Достигнут. Таким образом, в установившемся режиме рабочая поверхность будет неровной и не очень гладкой.

Чем выше градиент потенциала, тем меньше неравномерность. На рис. 6.38b показаны две ситуации с разными градиентами потенциала, остальные параметры остаются неизменными. Из этого рисунка очевидно, что высота выступа зерна компонента B меньше, когда градиент потенциала выше. Приблизительное выражение высоты выступа также можно получить следующим образом. Из рис. 6.38b,

(ii) Спорадическое разрушение анодной пленки:

Основной причиной спорадического разрушения анодной пленки является постепенное уменьшение разности потенциалов между рабочей поверхностью и электролитом в области, удаленной от зоны обработки. На рис. 6.39 показано изменение поверхностного потенциала анода в этой области. Здесь до точки P _1, потенциала достаточно, чтобы вызвать растворение всех фаз. На P ₁ , доступный потенциал падает ниже потенциала растворения одной фазы, и поэтому анод перестает растворяться.

За пределами P _1, потенциал поверхности анода продолжает падать, и все большее количество фаз перестает растворяться, что приводит к неровной поверхности. В конечном итоге, когда только несколько фаз остаются активными и растворяются, возникает концентрация электрического поля, поскольку активные фазы занимают небольшую часть поверхности анода. Эта концентрация поля заставляет эти фазы растворяться очень быстро, образуя глубокие ямы, как показано на рис. 6.39. За точкой P ₂ , поверхностный потенциал анода падает до такого низкого значения, что растворения не происходит.

(iii) Разделение потоков и образование вихрей:

Наличие холмов и впадин на поверхности анода может вызвать разделение потока электролита и образование вихрей. В этих водоворотах, отделенных от основного потока, может накапливаться большая концентрация ионов металлов, что приводит к высокой концентрации над потенциалом в вихрях.

Это приводит к локальному изменению скорости съема и, как следствие, к неровности обработанной поверхности. Помимо наличия холмов и впадин, отрыв потока может быть вызван неправильной конструкцией инструмента и пути прохождения электролита. Таким образом, при проектировании пути потока электролита в инструменте необходимо проявлять большую осторожность.

(iv) Эволюция H ₂ Газ:

Текущий электролит собирает выделяющийся водород, образующийся на катоде. Наличие H ₂ в электролите снижает удельную проводимость раствора. Этот эффект усиливается по мере увеличения H ₂ концентрация продолжает увеличиваться ниже по потоку, и общий эффект заключается в ухудшении качества поверхности.

Помимо вышеуказанных четырех механизмов, есть и другие источники ухудшения качества поверхности. Но поскольку их значение не столь велико, мы не будем их обсуждать.

---

6. Инструментальный дизайн ECM:

Есть два основных аспекта проектирования инструментов.

Это:

(i) Определение формы инструмента так, чтобы желаемая форма работы была достигнута для данных условий обработки.

(ii) Проектирование инструмента с учетом других соображений, кроме (i), например, потока электролита, изоляции, прочности и крепежных приспособлений.

Теоретическое определение формы инструмента:

Когда желаемая форма обрабатываемой поверхности детали известна, можно теоретически определить требуемую геометрию поверхности инструмента для данного набора условий обработки.

Пусть приложенный потенциал, перенапряжение и скорость подачи равны V, ΔV и соответственно. Равновесный зазор между поверхностями анода и катода можно выразить как -

Дизайн для потока электролита :

Необходим достаточный поток электролита между инструментом и обрабатываемой деталью, чтобы отводить тепло и продукты обработки и способствовать процессу обработки с требуемой скоростью подачи, обеспечивая удовлетворительную чистоту поверхности. Следует избегать кавитации, застоя и образования вихрей, поскольку они приводят к плохой отделке поверхности. Одно из основных правил - на пути потока не должно быть острых углов. Все углы на пути потока должны иметь радиус не менее 0,7-0,8 мм.

Начальная форма компонента обычно не соответствует форме инструмента, и только небольшая часть площади вначале приближается к поверхности инструмента. Проблема подачи электролита на такую ​​площадь обычно решается методами ограничения потока.

Во многих ситуациях, когда исходная рабочая форма соответствует форме инструмента,

Инструмент с прорезью для подачи электролита прост в изготовлении, но такая прорезь оставляет на работе небольшие выступы. Однако гребни можно сделать очень маленькими, сделав прорезь достаточно узкой. Конечно, ширины щели должно быть достаточно, чтобы обеспечить адекватный поток. Поток из прорези идет в направлении, перпендикулярном прорези, и поток в конце плохой. Следовательно, паз должен заканчиваться около углов поверхности заготовки, как показано на рис. 6.43a.

Расстояние между концом прорези и углами должно быть не менее 1,5 мм, рекомендуется прорезь шириной 0,7-0,8 мм. Когда угол заготовки закруглен, конец паза должен быть больше, как показано на рис. 6.43b. Форма и расположение прорези должны быть такими, чтобы каждая часть поверхности снабжалась потоком электролита и не существовало пассивной зоны. На рисунке 6.44 показаны две ситуации, когда пассивные зоны существуют из-за неправильной конструкции слота.

На рис. 6.44a пассивная область не получает питания из-за наличия внешнего пространства между щелью и этой областью, тогда как на рис. 6.44b пассивная область создается из-за резкого изгиба щели ( а то что сток нормальный к слоту). Правильные конструкции показаны на рис. 6.45. Иногда для точной резки и получения поверхностей превосходного качества используется инструмент с обратным потоком, но этот процесс более сложен и дорог и обычно не рекомендуется.

Способы управления потоком электролита, когда исходная рабочая поверхность не соответствует форме инструмента, показаны на рис. 6.46. Общие правила установки ограничителя потока можно сформулировать следующим образом. Ограничитель потока должен находиться рядом с зоной первоначальной непосредственной близости (между инструментом и рабочей поверхностью) и не должен значительно увеличивать путь потока. Кроме того, он должен находиться на входе или выходе электролита.

Дизайн изоляции:

Области на инструменте, где электрохимическая обработка нежелательна, должны быть изолированы. При штамповке инструмент также должен быть должным образом изолирован, чтобы свести к минимуму случайную обработку. На рисунке 6.47 показан процесс ECM без надлежащей изоляции и с ней. На рис. 6.48 показано погружение матрицы без надлежащей изоляции и с ней.

Изоляция должна быть прочной и надежно приклеенной к поверхности инструмента. Это может быть обеспечено путем прикрепления армированного твердого пластика к дорожному покрытию с помощью цемента на основе эпоксидной смолы и пластмассовых винтов. Иногда изоляция также может быть выполнена путем нанесения покрытия из синтетического каучука на поверхность инструмента из искусственно окисленной меди. Для этого используется горячий раствор химического окисления. Границы изоляционного слоя не должны подвергаться высокоскоростному потоку электролита, так как это может привести к разрыву склеенного слоя.

---

7. Электролиты, используемые в ECM:

Электролит в ECM выполняет три основные функции, а именно:

(i) Завершение электрической цепи и пропускание больших токов

(ii) поддержание необходимых электрохимических реакций,

(iii) Отвод выделяемого тепла и отходов.

Первая функция требует, чтобы электролит в идеале обладал большой электропроводностью. Вторая функция требует, чтобы электролит был таким, чтобы на аноде материал детали непрерывно растворялся, и разряд иона металла на катоде не должен происходить. Обычно катионная составляющая электролита представляет собой водород, аммиак или щелочные металлы. Растворение анода должно поддерживаться на высоком уровне эффективности.

Также электролит должен обладать хорошей химической стабильностью. Помимо всего этого, электролит должен быть недорогим, безопасным и не вызывающим коррозии, насколько это возможно. Обычно используют водный раствор неорганических соединений. В таблице 6.4 перечислены электролиты, используемые для различных типов сплавов.

---

8. Электрохимический обрабатывающий завод:

При проектировании электрохимической машины следует иметь в виду несколько важных моментов. К ним относятся жесткость и материал компонентов. Хотя на первый взгляд кажется, что усилие обработки незначительно, поскольку нет физического контакта между инструментом и поверхностью заготовки, между ними могут возникать очень большие силы из-за высокого давления электролита, необходимого для поддержания адекватного скорость потока через узкий зазор.

Таким образом, станок должен обладать достаточной жесткостью, чтобы избежать значительного отклонения инструмента, которое может снизить точность обрабатываемых деталей. Изменение температуры также может вызвать относительное смещение инструмента и заготовки, и конструкция должна учитывать это.

Во избежание коррозии по возможности следует использовать неметаллические материалы. Когда требуются прочность и жесткость, следует использовать металлы с пластиковым покрытием. Материал, используемый для удержания заготовки, подвержен анодному воздействию, и Ti представляется наиболее подходящим из-за его пассивности. При контакте различных металлов в присутствии электролита, особенно когда машина не работает, может возникнуть коррозия.

Чтобы свести к минимуму это, контактирующие металлы следует выбирать так, чтобы они не сильно различались по своему электрохимическому поведению. Направляющие скольжения нельзя защитить постоянно, поэтому они сильно покрыты смазкой. Иногда защита от коррозии может быть обеспечена путем приложения небольшого электрического потенциала в таком направлении, что вся конструкция становится более благородной электрохимически. Это широко известно как катодная защита.

Насос - важнейший элемент вспомогательного оборудования. Обычно используются поршневые насосы прямого вытеснения (аналогичные шестеренным) из нержавеющей стали. Бак для электролита, трубопровод и клапаны обычно изготавливаются из ПВХ.

---

9. Влияние ECM на материалы:

В отличие от обычных процессов обработки, удаление материала во время ECM происходит плавно и бережно. В результате максимальное остаточное сжимающее напряжение на поверхности детали очень низкое. Кроме того, глубина механического упрочнения поверхностного слоя незначительна. Когда глубина наклеенного упрочненного поверхностного слоя составляет около 0,5 мм и 1,5 мм для токарной обработки и фрезерования, соответственно, это в ECM составляет всего около 0,001 мм. Точно так же порядок величины остаточного напряжения на поверхности, обработанной обычным способом, составляет около 50 кг / мм ² . , тогда как с ECM почти ноль.

Это приводит к снижению усталостной прочности деталей, производимых ECM, на 10-25%. Это связано с тем, что кончики микротрещин обнажаются на поверхности, создаваемой ECM, а также потому, что в результате процесса остается поверхность, свободная от напряжений. Для повышения усталостной прочности можно использовать некоторые механические процессы (например, механическую полировку, струйную очистку стеклянных шариков и пароструйную очистку).

---

10. Характеристики ЭБУ:

---