Электрохимическая обработка металлов: методы, станки

Обработка с помощью резки

Металл поступает на предприятие в виде проката — листов или профилей стандартных размеров и толщин. Чтобы разъединить лист или профиль на изделия или заготовки нужных размеров, применяют обработку резкой.

Для профиля чаще всего используют резку абразивным кругом или дисковой пилой.

Для применяют несколько видов резки:

Ручная. Газосварщик с газовой горелкой вырезает куски металла нужного размера и формы. Применяется в небольших мастерских и на опытных производствах.
Газовая. Установка газовой резки режет пламенем автоматизированной газовой горелки и позволяет не только быстро произвести раскрой листа, но и разложить вырезанные заготовки по контейнерам для доставки их на сборочные участки
Лазерная. Режет металл лазерным лучом. Отличается высокой точностью и малым коэффициентом отходов. Кроме резки, может выполнять операции сварки и гравировки — нанесения на металл не удаляемых надписей.
Плазменная. Режет металл факелом высокоионизированного газа — плазмы. Применяется для раскроя листов из твердых и специальных сплавов.

Лазерная резка

В условиях промышленного производства и средних или крупных серий на первый план выходит такое понятие, как коэффициент использования металла. Он повышается как за счет более плотной раскладки деталей по площади, так и за счет прогрессивных технологий резки, дающих меньше отходов

Виды электрохимической обработки

Электрохимическое объемное копирование — Электрохимическая обработка, при которой форма электрода-инструмента отображается в заготовке

Электрохимическое прошивание — Электрохимическая обработка, при которой электрод-инструмент, углубляясь в заготовку, образует отверстие постоянного сечения

Струйное электрохимическое прошивание — Электрохимическое прошивание с использованием сформированной струи электролита

Электрохимическое калибрование — Электрохимическая обработка поверхности с целью повышения её точности

Электрохимическое точение — Электрохимическая обработка, при вращении заготовки и поступательном перемещении электрода-инструмента

Электрохимическая резка — Электрохимическая обработка, при которой заготовка разделывается на части

Электрохимическое удаление заусенцев(ЭХУЗ, Electrochemical debuting) — Электрохимическая обработка, при которой удаляются заусенцы заготовки

Электрохимическое маркирование

Многоэлектродная электрохимическая обработка — Электрохимическая обработка осуществляемая электродами, подключенными к общему источнику питания электрическим током и находящимися во время обработки под одним потенциалом

Непрерывная электрохимическая обработка — Электрохимическая обработка при непрерывной подаче напряжения на электроды

Импульсная электрохимическая обработка — Электрохимическая обработка при периодической подаче напряжения на электроды

Циклическая электрохимическая обработка — Электрохимическая обработка, при которой один из электродов перемещается в соответствии с заданной циклограммой,

а также другие смешанные виды электрофизикохимической обработки (ЭФХМО) включающие ЭХО:

анодно-механическая обработка;
электрохимическая абразивная обработка;
электрохимическое шлифование;
электрохимическая доводка (ЭХД);
электрохимическое абразивное полирование;
электроэрозионнохимическая обработка (ЭЭХО);
электрохимическая ультразвуковая обработка и др.

Обработка металлов в электоролите

Изменять форму, размер, получать поверхность с малой шероховатостью позволяет электрохимическая обработка металлов на специальном оборудовании. Материал не подвергается при этом механическому воздействию. Происходит его растворение в электролитическом составе под действием тока заданной величины.

Схема ЭХО

Преимущества способа

Методы электрохимической анодной обработки изделий из металлов разработаны для случаев, в которых применение других технологий не дает нужного результата или затруднено. Уникальность результата применения способа:

сохранение формы рабочего органа;
независимость от твердости/хрупкости материала;
отсутствие деформирующих усилий на тонкие стенки;
сохранение поверхности детали (термоупрочнение, оплавление, наклеп);
доступность воздействия в узких полостях, сложных переходах плоскостей, наклонных пазах, отверстиях малого сечения при большой глубине(соотношение 1:200);
регулировка интенсивности воздействия.

Составляющие процесса

Основывается электрохимическая обработка металлов на вымывании вещества анода в электролитическом растворе при определенной плотности тока между электродами. Станки для нее имеют узкую специализацию (1,2 операции), в зависимости от того, какая применяется технология обработки. Изготавливают индивидуальное оборудование под конкретное изделие.

Рабочая среда

Раствор составляют на водной основе из соответствующих компонентов:

солей натрия;
солей калия;
кислот (соляная, серная, азотная).

Концентрация солей от 5% до 15%, кислоты 5% — 10%.

Обработку отдельных мест заготовки проводят, локализуя процесс в нужной зоне накладыванием защитных масок на остальную часть детали.

Продукты процесса удаляются из зоны реакции потоком электролита.

В рабочих растворах содержаться активные реагенты, поэтому одновременно выполняют комплекс мер по защите оборудования и изделий от коррозии.

Термические виды обработки металлов

Термическая обработка металлов применяется для улучшения их физико-механических свойств. К ней относя такие операции, как:

отжиг;
закалка;
отпуск;
старение;
нормализация.

Термическая обработка стали

Термическая обработка заключается в нагревании детали до определенной температуры и ее последующем охлаждении по специальной программе.

Отжиг

Заготовку нагревают до температуры пластичности и медленно охлаждают прямо в печи.

Отжиг снижает твердость стали, но существенно повышает пластичность и ковкость.

Отжиг

Применяется перед штамповкой или раскаткой. Во время отжига снимаются внутренние напряжения, возникшие при отливке или механической обработке.

Закалка

При закалке заготовку прогревают до температуры пластичности и держат в таком состоянии в течение определенного времени, за которое стабилизируются внутренние структуры металла. Далее изделие быстро охлаждают в большом количестве воды или масла. Закалка существенно повышает твердость материала и снижает его ударную вязкость, повышая, таким образом, и хрупкость. Применяют для элементов конструкций, подверженных большим статическим и малым динамическим нагрузкам.

Отпуск

Проводится после закалки. Образец нагревают до температуры, несколько меньшей температуры закалки, и охлаждают медленно. Это позволяет компенсировать излишнюю хрупкость, появившуюся после закалки. Применяется в инструментальном производстве

Старение

Искусственное старение заключается в стимуляции фазовых превращений в массе металла. Его проводят при умеренном нагреве для придания материалу свойств, возникающих при естественном старении за долгое время.

Нормализация

Нормализация проводится для повышения ковкости без заметного снижения твердости за счет приобретения сталью мелкозернистой структуры.

https://youtube.com/watch?v=u262HjEbaEY

Ее применяют перед закалкой и для повышения обрабатываемости резанием. Проводят так же, как и отжиг, но остывает заготовка на открытом воздухе.

Назначение электрохимической обработки металла

Электрохимическая обработка деталей – иногда единственно возможный метод придания формы изделию из металла. Связано это с тем, что другие виды обработок: термическая или механическая – в некоторых случаях могут привести к изменению структуры поверхностного слоя. Изменятся свойства металла: увеличится хрупкость, потеряются эластичность и упругость, снизится сопротивляемость коррозии. Все это сделает невозможным дальнейшее использование детали в узле механизма, особенно если это ответственная конструкция.

Другой причиной, по которой целесообразно применение электрохимической обработки, это работа с твердыми сплавами. Обыкновенные резцы не всегда способны дать высокую точность обработки. Может понадобиться много операций доводки, а это финансово не всегда оправдано, ведь в итоге электрохимическая обработка дает самые точные прецизионные результаты всего лишь за один цикл операции обработки. Здесь также важен момент отсутствия влияния электрохимического инструмента на кристаллическую решетку металлической заготовки.

Чтобы понять, как можно использовать метод, нужно иметь представление о процессе обработки. Взаимодействие между инструментом и деталью проходит в растворе электролита и, по сути, представляет собой электролиз.

Процесс обработки металла

Процесс выглядит следующим образом:

Заготовку и инструмент помещают в емкость, чтобы они не соприкасались между собой.
К детали подсоединяют «+» клемму источника постоянного тока, к инструменту – «-» клемму.
В емкость заливают электролит на основе нейтральной соли и подают напряжение.
Между заготовкой и инструментом начинает течь электрический ток, и происходят окислительно-восстановительные реакции, где металл заготовки окисляется, а инструмент восстанавливается.
В результате деталь приобретает определенную форму, а в электролите оседает шлам в виде продуктов окисления.

Принцип работы электроискрового станка

Базируется обработка металлов электроискровым способом на свойстве электрического тока переносить вещество при пробое. При высоком напряжении и силе постоянного тока (1-60 А) анод (положительно заряженный электрод) нагревается до высокой температуры в пределах 10-15 тысяч градусов Цельсия, расплавляется, ионизируется и устремляется к катоду. Там, в силу электрических взаимодействий он осаживается.

Чтобы в процессе работы не возникала полноценная электрическая дуга, электроды сближаются только на короткие мгновения, длящиеся доли секунда. За это время возникает искра, разрушающая анод и наращивающая катод. Обрабатываемый участок подвергается нагреву и воздействию электротока на протяжении миллисекунд, при этом соседние области и лежащий ниже слой не успевают прогреться и структура их не нарушается. Проблема пограничных состояний не возникает в принципе.

Если требуется резка или сверление — катодом служит рабочий инструмент, а анодом — обрабатываемая деталь. При наращивании, укреплении поверхности или восстановлении формы детали, они меняются местами. Для этих видов обработки созданы специальные станки, каждый из которых выполняет свои операции.

Инструментом в установках электроэрозионного действия служат латунные или медно-графитные электроды, хорошо проводящие ток и недорогие в изготовлении. С их помощью можно резать и сверлить самые твердые сплавы. Чтобы металл катода не оседал на электроде и не увеличивал его размера, процесс происходит в жидкой среде — жидкость охлаждает капли расплава, и он не может осесть на электроде, даже если и достигает его. Вязкость жидкости определяет скорость движения материальных частиц, и они не успевают за током. Металл оседает в ванне в виде осадка и не мешает дальнейшему прохождению тока.

При наращивании поверхности деталей или укреплении, металл с анода переносится на катод. В этом случае на вибрационной установке закрепляется положительный электрод, служащий донором металла, а деталь присоединяется к отрицательному полюсу. Вода или масло в этом процессе не используются, все происходит в воздухе.

Виды электрохимической обработки

Электрохимическое калибрование — Электрохимическая обработка поверхности с целью повышения её точности

Электрохимическая резка — Электрохимическая обработка, при которой заготовка разделывается на части

Электрохимическое маркирование

а также другие смешанные виды электрофизикохимической обработки (ЭФХМО) включающие ЭХО:

анодно-механическая обработка;
электрохимическая абразивная обработка;
электрохимическое шлифование;
электрохимическая доводка (ЭХД);
электрохимическое абразивное полирование;
электроэрозионнохимическая обработка (ЭЭХО);
электрохимическая ультразвуковая обработка и др.

Это интересно: Доводка и притирка — технология, инструменты, материалы

Технология ЭХО

ЭХО подобна электролитической полировке в том отношении, что при ее использовании происходит процесс растворения анода под действием постоянного тока высокой плотности при постоянном напряжении между деталью и инструментом (катодом) заранее подготовленной формы. На поверхности анодной детали металл послойно растворяется и форма инструмента копируется на детали.Электролит перемешивают в зазоре между электродами с высокой скоростью, обычно превышающей 5 м/с, для интенсификации процесса переноса массы/заряда в слое, примыкающем к аноду, удаления продуктов реакции (продуктов растворения анода – гидрооксидов металла), выделяющихся пузырьков газа и отвода тепла. Обычно в промышленных технологиях инструмент подают в направлении образца, поддерживания небольшой зазор. При приложении электрического потенциала к электродам возможно протекание нескольких реакций.Для растворения железа в водном растворе хлорида натрия характерны следующие реакции электролитической диссоции (рис. 1б):

H₂O → H++(OH)- и NaCl → Na++Cl-

приводящие к образованию отрицательно заряженных анионов (ОН)-, Cl- и положительно заряженных катионов H+ и Na+ на катоде.На аноде протекает реакция Fe → Fe++ + 2е, а на катоде – реакция образования водорода и гидроксильных ионов 2Н₂O + 2е → Н₂ + 2OН-. Результирующим эффектом этих реакций является соединение ионов железа с анионами, сопровождающееся выделением гидрата оксида железа Fe(OH)₂ (рис. 1б).

Соль, например NaCl, не расходуется в электрохимическом процессе, поэтому для поддержания концентрации электролита на заданном уровне обычно требуется только добавлять воду.При данном сочетании «металл – электролит» в результате электролиза происходит растворение железа на аноде и выделение водорода на катоде. Никакие другие процессы на электродах не протекают. Из этого следует, что форма катода не изменяется при использовании электролита на основе NaCl и он может быть использован в качестве инструмента для формоизменения детали-анода .Для повышения точности изготовления детали и скорости удаления металла процесс проводят при очень высоких значениях плотности тока и относительно низком напряжении, поддерживая зазор между электродами шириной около 0,1 мм при подаче инструмента 1-20мм/мин. Растворенный металл, тепло и газ отводят из зазора принудительным перемешиванием электролита со скоростью 5-50 м/с (табл. 1).

Табл.1. Технические характеристики электрохимической обработки

Электрохимическая обработка, не являющаяся процессом механического удаления металла, может применяться к любым электропроводным материалам в широком диапазоне скоростей обработки независимо от их механических свойств.В частности, на показатели ЭХО не оказывают влияния твердость, вязкость и другие механические свойства материала. Применение ЭХО особенно оправданно в тех случаях, когда необходимо изготавливать детали сложной формы из материала, плохо поддающегося обработке всеми другими способами.Для ЭХО отличительной чертой является отсутствие необходимости использовать инструмент, более твердый, чем обрабатываемая деталь, при этом износ инструмента практически отсутствует.Поскольку контакт между инструментом и деталью отсутствует, ЭХО является незаменимой технологией для изготовления тонкостенных, легкодеформируемых и хрупких компонентов, склонных к образованию трещин в поверхностном слое.

Как уже упоминалось, в большинстве разновидностей ЭХО формы инструментального электрода просто отражаются на поверхности детали, подсоединенной к аноду. Поэтому детали сложной формы можно получать посредством простого поступательного перемещения инструмента. По этой причине, а также из-за того, что ЭХО не оставляет заусенцев, эта технология может заменить несколько операций механической обработки. ЭХО удаляет дефектные слои материала, а также поверхностную часть материала, имеющую повреждения от предшествующей обработки или остаточные напряжения .

Точность и управление размерными параметрами

Выбор электролита играет важную роль в ЭХО. При использовании хлорида натрия достигается намного более низкая точность, чем при использовании электролита на основе азотнокислого натрия. Последний электролит обеспечивает возможность более точного управления размерными параметрами благодаря характеру зависимости эффективности по току от его плотности: эффективность по току, соответственно и скорость удаления металла, увеличиваются при возрастании плотности тока. Зоны высокой плотности тока возникают между рабочей кромкой инструмента и деталью, образующими рабочий зазор РЗ (рис. За). В боковом зазоре БЗ движение инструмента в направлении детали отсутствует, поэтому постепенное расширение зазора приводит к снижению плотности тока и скорости снятия металла V6Ha боковых поверхностях. Этот прием позволяет посредством подбора электролита подавлять излишнее удаление металла на участках детали, не подлежащих обработке.

Рис.3. Образование рабочего РЗ и бокового БЗ зазоров при электрохимической обработке (а), сверление отверстий трубкой с изолирующим слоем (б) и электродом, помещенным в стеклянную трубку (в).

При использовании электролита на основе хлорида натрия, при прочих неизменных условиях, количество металла, удаленного в боковом зазоре, значительно увеличивается. В электролите этого типа эффективность потока остается постоянной почти на максимальном уровне в широком диапазоне значений плотности тока. Поэтому даже в боковом зазоре при снижении плотности тока удаление металла будет происходить со скоростью, сравнимой со скоростью удаления металла на режущей кромке инструмента Vn, и соответственно в этом случае будет получен более широкий разрез по боковой поверхности .

Периодическое изменение направления потока электролита на обратное обычно значительно повышает точность обработки. Сверление отверстий является еще одним важным направлением применения ЭХО. Инструмент-катод в этом случае имеет трубчатую форму. Электролит подают по центральному каналу инструмента к рабочему зазору и отводят по боковому зазору между стеками инструмента и отверстия (рис. 3б и Зв). Поскольку ширина бокового зазора БЗ со временем становится больше, чем зазор на рабочей кромке РЗ, скорость обработки детали в боковом направлении уменьшается. Следует отметить, что зазор на рабочей кромке имеет постоянное значение, так как удаление металла компенсируется подачей инструмента в направлении детали и несмотря на то, что установившаяся ширина рабочего зазора меньше, чем бокового, скорость удаления металла в прямом направлении Vn во много раз превосходит скорость снятия металла Vб на боковой поверхности. Для уменьшения бокового зазора применяют нанесение изолирующего материала на внешнюю сторону инструмента, затрудняющего протекание тока на этом участке (рис. 3б), или используют в качестве инструмента трубки из непроводящего материала с размещенным внутри нее катодом (рис. Зв). Другой способ основывается на применении электролита, который обеспечивает максимальную эффективность по току при наибольшей плотности тока, как, например, раствор азотнокислого натрия .

Производительность

Станок имеет скорость процесса снятия слоя материала ниже, чем у механического оборудования. Выигрыш времени в том, что конечный результат по сложности, выдержке формы, сравним с работой 5 фрезерных станков.

Величина производительности определяется, как объем снятого материала (мм³) в единицу времени (мин) при подведенном токе в 1 А. Каждый состав электролита имеет свой показатель. Хлористый натрий, например, имеет значение 2,2 мм³/мин, азотнокислый натрий – 1,1 мм³/мин. Использование состав из нескольких реагентов увеличивает скорость растворения анода, повышает степень обработки.

https://youtube.com/watch?v=zpkeNojkKGo

Производительность повышают, применяя методы многоэлектродного воздействия на площадь детали.

Резка

Увеличение плотности тока приводит к более интенсивному процессу съема металла с поверхности. Выравнивая скорость растворения с подачей катода, получают непрерывный процесс прорезывания канавок в материале. Удаление продуктов реакции обеспечивают непрерывным потоком прокачиваемой жидкости. В качестве электрода выступает проволока, перематываемая с одного барабана на другой.

Прошивание

Метод сходен резке, но электрохимический процесс происходит в основном на торце катода, который подается с равной скоростью. В этой операции электрод должен иметь достаточную жесткость, чтобы не воспринимать вибрацию, которая может передаваться через станок, не деформироваться при движении. Рабочая его часть способствует поддержанию устойчивого потока электролита в зазоре. Не рабочие края надежно изолируют.

Точность обработки плоскости металла составляет ±0,13 мм, отверстий 0,1 – 0,15 мм.

Станок может быть оборудован следящей за параметрами системой.

Копирование

Форма электродов в этом случае совпадает. Зазор выдерживают в расчетном значении. В результате электрохимической реакции, материал разрыхляется, вымывается в не совпадающих местах. В точках, где зазор меньше процесс идет интенсивнее, металл растворяется сильнее. В результате промежуток становится одинаковым, происходит электрохимическое копирование формы металлов обрабатываемых деталей (с допустимыми припусками из-за трудности контроля в малом зазоре). Точность достигаемого копирования от 0,5 мкм до 3 мкм, повторяемость параметров 0,5 — 10 мкм от электрода – эталона в партии.

Распространены универсальные варианты станка для электрохимической обработки металлов – копировально-прошивочные с широкой номенклатурой изделий. Область применения – твердосплавная обработка: инструмент, штампы, пуансоны.

Размерная

Эта технология предназначена для получения у детали требуемой формы, размера. Процедура выполняется при условии скоростного, непрерывного обновления электролитической среды в зоне действия полюсов. Принудительную прокачку ведут под давлением, создаваемым насосом. Постоянный поток жидкости позволяет уменьшать величину зазора между обрабатываемыми металлами. Сопротивление среды снижается, плотность тока растет, электрохимическая реакция ускоряется.

Схема 2

Анодно-механическая обработка

Заточка

Использованы особенности электрохимических явлений при растворении кромки металлов. Получение острия происходит в неравномерном электрическом поле при постоянном перемещении. Регулируя угол наклона, получают заточку заданной формы (наконечники, иглы, электроды). Используют, в основном, соли натрия при плотности тока 4-7 А/см², напряжение 8 — 15В.

Технология электрохимической обработки

Использование электролиза в обработке металлов

Под электролизом понимают физико-химический процесс, в результате которого происходит перенос вещества (на атомарном уровне) с поверхности токопроводящего электрода в электролит и в обратном направлении.

Используя в качестве электродов (или одного из электродов) обрабатываемые заготовки, погруженные в электролит, можно спровоцировать процесс изменения их формы и размеров. Причем скорость процесса и направление движения частиц контролируется с помощью изменения напряжения и полярности на электродах.

То есть, попеременно превращая обрабатываемую деталь то в катод, то в анод, можно «прибавлять» или «убавлять» габариты изделия. А если поверхность детали покрыть диэлектриком, который препятствует ионному обмену, то наращивание или убывание металла произойдет только в «нужных» местах.

Электрохимические методы обработки металлов

По способу воздействия на деталь электрохимические процессы подразделяются на:

Анодную обработку, когда заготовку подключают к положительному полюсу.
Катодную обработку, когда заготовку подключают к отрицательному электроду.
Попеременную обработку, когда заготовка может включаться в цепь, и в роли анода, и в виде катода.

К типовым разновидностям анодной обработки относятся такие процессы, как:

Электрохимическое травление.
Полировка.
Обработка по размеру.

Формообразование детали осуществляется за счет локализованного растворения металла на аноде или окисления верхних слоев заготовки с последующим удалением мягких оксидов.

Самые распространенные «анодные» технологии:

Электрохимическое травление (эхт).
Полирование (эхп).

Причем ЭХТ используется для глубокой очистки детали перед покраской или сборочными операциями. Кроме того, с помощью ЭХТ на поверхность заготовки можно нанести декоративный рельеф, защитив часть внешней плоскости диэлектрическими составами. А еще с помощью травления можно поднять адгезию металла и подготовить деталь к оклеиванию или сварке давлением.

Технология ЭХП (электрохимической полировки) предполагает травление шероховатостей на поверхности заготовки. Причем деталь можно «разгладить» до состояния «зеркала» (глянцевания). Еще одна сфера применения ЭХП – дезактивация побывавших в зоне радиоактивного заражения изделий. Технология ЭХП позволят в относительно короткие сроки «снять» с поверхности детали слой толщиной до 80-100 микрометров.

Кроме растворения с помощью анодных технологий можно реализовать еще и процесс формообразования, когда на анод «растворяется» до габаритов шаблона-катода. Кроме того, с помощью анодных технологий на поверхности детали можно вырастить очень тонкую оксидную пленку, защищающую изделие от всевозможных «неприятностей».

Катодная обработка распространена меньше, чем ее анодный аналог. Эта технология реализуется в виде гальванических процессов, предполагающих напыление металла. Такие технологии объединены под единым названием – гальваностегия (она же – гальванопластика). Смысл этого действа заключается в формировании на поверхности электрода, в качестве которого может выступать даже покрытая графитом модель, слоя напыляемого металла.

Электрохимическая обработка металлов

Обработка с помощью резки

Виды электрохимической обработки