Электрохимическая обработка:определение, детали или конструкция, принцип работы, преимущества, недостатки, применение

В этой статье мы подробно изучим определение, детали или конструкцию, принцип работы, преимущества, недостатки, применение электрохимической обработки.

Начнем с определения,

Определение электрохимической обработки:

Электрохимическая обработка (ЭХО), характеризуемая как нетрадиционная обработка, представляет собой усовершенствованный процесс бесконтактной обратной гальванопокрытия (ЭХО удаляет материал, а не осаждает его). В ECM сильный электрический ток проходит между инструментом и заготовкой через проводящую жидкость. Сильный ток и токопроводящая жидкость используются для ионизации и удаления атомов металла с заготовки, в результате чего на поверхности не остается заусенцев.

В обычных или традиционных процессах обработки материал инструмента должен быть тверже материала заготовки. Но поразительная особенность электрохимической обработки, которая не зависит от прочности, твердости и ударной вязкости материала заготовки, делает ее пригодной для обработки любого проводящего материала, а также для обработки сложных полостей в высокопрочных материалах.

Процесс электролиза является наиболее фундаментальной деятельностью ECM, основанной на «законах электролиза (гальванизации). сформулировал Фарадей в 1833 году.

Электролиз — это химическое явление, происходящее между двумя проводниками, погруженными в подходящий раствор, при пропускании между ними электрического тока.

В твердых проводниках ток переносится электронами.

В электролитах ток переносится атомами или группой атомов. Атомы называются ионами, когда они приобретают положительный или отрицательный заряд при потере или присоединении электронов соответственно. Положительные ионы (катионы) притягиваются к катоду в направлении положительного тока через электролит, а отрицательные ионы (анионы) притягиваются к аноду.

Эта установка электродов и электролитов называется электролитической ячейкой.

Электрохимическая обработка деталей или конструкции:

Электрохимическая обработка состоит из следующих основных частей:

• Электропитание
• Электролит
• Заготовка
• Инструмент
• Блок фида
• Танк
• Стол для удержания заготовок
• Датчик давления
• Расходомер
• Клапан управления потоком
• Редукционный клапан
• Насос
• Резервуар
• Фильтры
• Контейнер для шлама
• Центрифуга
• Вытяжка дыма
• Корпус

Электропитание:

Напряжение должно поддерживаться на низком уровне, чтобы избежать короткого замыкания, поскольку зазор между инструментом и заготовкой невелик для обеспечения точности высоких частот

Скорость съема материала ∝ Плотность тока. Поэтому для процесса ECM используются высокие значения тока.

Ниже приведены параметры питания для процесса ECM:

<ол тип="а">

Источником питания в ECM является электричество.

Тип:постоянный ток

Ток:от 50 до 40 000 А

Напряжение поддерживается низким (для предотвращения короткого замыкания ) :2–35 В

Электролит:

Электролиты являются проводящими жидкостями и подбираются по аналогии с электродами. Некоторые комбинации электролит-электроды приведены ниже:

• Хлорид натрия (NaCl) в концентрации 20 % используется для сплавов черных металлов.
• Нитрат натрия (NaNO3) используется для сплавов черных металлов.
• Соляная кислота (HCl) используется для никелевых сплавов.

Смесь хлорида натрия (NaCl) и серной кислоты (H2SO4) используется для никелевых сплавов.

Смесь 10 % плавиковой кислоты (HF), 10 % соляной кислоты (HCl), 10 % азотной кислоты (HNO3), применяемая для титана.

Гидроксид натрия (NaOH) означает карбид вольфрама (WC).

Электролиты должны обладать следующими свойствами:

<ол тип="1">

Высокая проводимость

Низкая вязкость

Низкая токсичность и коррозионная активность

Химическая и электрохимическая стабильность для лучшего удаления материала.

3 функции электролита:

<ол тип="а">

Проводит ток между инструментом и заготовкой

Удаляет продукт из внутреннего зазора электрода.

Отводит тепло, выделяемое при прохождении тока.

Параметры электролита в ECM следующие:

• Температура:20–50 °C
• Расход:20 литров/мин на ток 100 А
• Давление:от 0,5 до 20 бар
• Разведение:от 100 г/л до 500 г/л.

Заготовка:

Заготовка – это объект, который необходимо обработать, из которого материал переходит в раствор. Заготовка изготавливается анодом в ЭХО. Скорость съема материала или механическая обработка зависят только от атомного веса и валентности обрабатываемого материала.

Заготовка может быть выполнена из любого электропроводящего материала и изолирована от системы, чтобы не было утечки или короткого замыкания тока.

Инструмент:

Инструмент используется для удаления материала с заготовки. Он выполнен катодным и подключен к минусовой клемме источника питания. Инструмент подбирается и изготавливается с учетом следующих свойств:

• Хороший проводник электричества.
• Достаточно жесткий, чтобы выдерживать нагрузку и давление жидкости.
• Химически инертен по отношению к электролиту.
• Легко формуется и обрабатывается до нужной формы.
• Должен быть изготовлен с большой точностью

Полость, полученная в заготовке, является копией формы инструмента. Таким образом, точность обработки заготовки напрямую зависит от точности формы инструмента.

Доступный материал для изготовления инструментов :Медь, латунь, титан, медь-вольфрам, нержавеющая сталь, алюминий, графит, бронза, платина, карбид вольфрама.

Материал осаждается в инструменте в процессе ECM. Однако для промышленных целей механической обработки осаждение материала не рекомендуется, и материал в растворе удаляется раствором электролита.

Инструмент изолирован от системы, чтобы не было утечки или короткого замыкания тока.

Единица фида:

Серводвигатель используется для обеспечения контролируемой подачи инструмента для удаления материала с заготовки. Скорость подачи от 0,5 мм/мин до 15 мм/мин.

• Танк :содержит электролит, в который погружены инструмент и заготовка.
• Стол для удержания заготовок :стол для удержания заготовки надежно удерживает заготовку.
• Датчик давления :показывает давление, при котором электролит подается в инструмент.
• Расходомер :показывает скорость потока электролита в зону обработки.
• Клапан управления потоком :помогает контролировать скорость потока электролитов.
• Клапан сброса давления: Клапан сброса давления открывается и перепускает электролит в бак в случае повышения давления в линиях подачи.

Насос:

Насос помогает в циркуляции электролита. Скорость перекачки и давление, при котором будут перекачиваться электролиты, должны быть определены заранее в зависимости от применения или требований процесса.

Поэтому насос для перекачки электролитов следует выбирать соответственно.

Резервуар :Сохраняет электролит.

Фильтры:

Фильтр помогает фильтровать примеси, присутствующие в электролите, которые могут закупорить линии подачи.

Фильтры используются для реализации точного ECM с высокой экономической эффективностью за счет поддержания постоянного качества электролита и удаления остаточных токсичных ионов из электролита в целях охраны здоровья и окружающей среды.

Контейнер для шлама :Сохраняет шлам, образующийся во время обработки.

Центрифуга :центрифуга — это устройство, использующее центробежную силу для отделения шлама от электролита.

Вытяжка дыма :вытяжка дыма — это устройство, в котором используется вентилятор с отрицательной тягой для удаления дыма и пыли из корпуса.

Корпус :Вся система ECM помещена в корпус, чтобы любые токсичные пары, образующиеся в процессе обработки, не влияли на окружающую среду и оператора.

Принцип работы электрохимической обработки:

Возьмем пример обработки железной заготовки. Железная заготовка собирается на столе для удержания заготовок.

Инструмент приближают к заготовке. Два электрода погружены в электролитический раствор NaCl (раствор поваренной соли).

Катод (инструмент) и анод (железная заготовка) подключаются к отрицательной и положительной клемме источника питания (обычно около 10 В) соответственно.

Электролит из резервуара-накопителя непрерывно перекачивается, стекая через отверстие в инструменте, в зазор между инструментом и заготовкой с помощью циркуляционного насоса.

Система подачи инструмента продвигает инструмент к заготовке.

Реакции на аноде называются анодными реакциями. Реакции на катоде называются католическими реакциями.

Основные реакции для электролита хлорида натрия:

• Диссоциация хлорида натрия:NaCl ————→ Na ⁺ + Кл ^–
• Диссоциация воды:H₂ О ————→ H ⁺ + ОН ^–

Катодные реакции:ионы водорода забирают электроны с катода (инструмента) с образованием H₂ газ.

• 2H ⁺ + 2e ^– ————→ H₂ ↑

Только H₂ на катоде выделяется газ. Форма электрода остается неизменной во время процесса электролиза, что является наиболее важной особенностью процесса ЭХО.

Анодные реакции:

• Железо выходит из заготовки (анода) в виде ионов железа
• Fe ————→ Fe ⁺⁺ + 2e ^–
• Реакция в электролите хлорида натрия
• На ⁺ + ОН ^– ————→ NaOH
• Fe ⁺⁺ + 2ОН ^– ————→ Fe(OH)₂ ↓
• Fe ⁺⁺ + 2Cl ^– ————→ Fe(Cl)₂ ↓

Fe(ОН)₂ , Fe(Cl)₂ осаждаются в виде шлама. Заготовка постепенно обрабатывается, чтобы получить превосходную чистоту поверхности и поверхность без напряжений благодаря этому управляемому процессу анодного растворения на атомарном уровне.

Ограничений по геометрии формы инструмента нет. Первоначально зазор между инструментом и заготовкой неравномерен. После обработки зазор является равномерным (от 0,1 мм до 2 мм) по всей длине заготовки и сохраняется таким за счет соответствующей скорости перемещения инструмента или заготовки.

Ширина зазора постепенно стремится к установившемуся значению, и в таких условиях полученная полость является копией формы инструмента.

Шлам из резервуара вынимается и отделяется от электролита с помощью центрифуги.

Электролит, пройдя процесс фильтрации в фильтрах, снова транспортируется в резервуар-накопитель для перекачки для процесса механической обработки.

Так работает электрохимическая обработка. Теперь изучим Преимущества.

Преимущества электрохимической обработки:

Следующие преимущества электрохимической обработки это:

• Детали сложной и вогнутой кривизны можно легко изготовить с помощью вогнутых и выпуклых инструментов.
• Более сложные геометрические формы можно производить с помощью одного подключенного станка с ЧПУ.
• Поскольку износ инструмента незначителен, один и тот же инструмент можно использовать для изготовления бесконечного числа компонентов.
• Поскольку нет прямого контакта между инструментом и обрабатываемым материалом, отсутствуют силы и остаточные напряжения.
• Отличная отделка поверхности достигается без термических повреждений из-за растворения на атомарном уровне.
• Выделяется меньше тепла.

Недостатки электрохимической обработки:

Следующие недостатки электрохимической обработки это:

• Солевой (кислотный) электролит может вызвать коррозию инструмента, заготовки и оборудования.
• Высокое удельное энергопотребление.
• ECM может обрабатывать только электропроводный рабочий материал.
• Его нельзя использовать для мягких материалов.
• Требуется большой производственный цех.
• ECM создает проблемы для здоровья и окружающей среды.

Применение для электрохимической обработки:

Следующее применение электрохимической обработки это:

<ол тип="1">

Электрохимическая обработка используется для обработки штампов и контурной обработки отверстий.

Шлифование в сочетании с процессами шлифования (с использованием отрицательно заряженного абразивного шлифовального круга) для удаления материала. Этот процесс также называется электрохимическим измельчением.

Вырезание полостей, сверление более глубоких отверстий и даже отверстий неправильной формы в сложных конструкциях, таких как лопатки турбины реактивного двигателя.

Трепанирование (с использованием электрода-инструмента с полостью) и микрообработка для изготовления микрокомпонентов, поскольку ЭХО обеспечивает отсутствие напряжений и хорошее качество поверхности, что широко применяется в нанопроизводстве и нанотехнологиях.

Профилирование и обработка сложных профилей, таких как лопатки паровой турбины, в ограниченных пределах.

Видео об электрохимической обработке: