ЭФХМО 2 семестр бакалавриат направления ТХОМ Лекция 4
МЕТОДЫОБРАБОТКИ, ОСНОВАННЫЕ
НА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
Сущность, классификация и кинематика процесса ЭХО
Сущность процессов ЭХО
Электрохимическая обработка (ЭХО) основана на электрохимическом анодном растворении металла заготовки при высоких плотностях электрического тока.
Механизм съёма (растворения, удаления) металла при ЭХО основан на электролизе – процессе, при котором происходит окисление или восстановление поверхностей электродов-проводников электрического тока, соединённых с источником питания (ИП) токоподводами и помещённых в токопроводящий раствор электролита. Один из электродов (заготовка) присоединен к положительному полюсу ИП и является анодом, а второй (инструмент) – к отрицательному, и является катодом.
При электролизе происходит пространственное окисление (растворение) анода и восстановление (осаждение) металла на поверхности катода.
Согласно объединенному закону электролиза, сформулированного Майклом Фарадеем, масса m вещества (в граммах), растворенного на электроде, составляет:
m = c·I·tЭ (8.1)
где с – электрохимический эквивалент вещества, 
;
I – сила тока, проходящая через электролит, А;
tэ – время электролиза, ч.
Интенсивность электрохимического растворения металла электрода-заготовки (ЭЗ) возрастает с увеличением силы тока, проходящего через электролит в межэлектродном промежутке (МЭП).
Для стабилизации электродных процессов при ЭХО и своевременного удаления из МЭП продуктов растворения (шлама) применяют принудительную подачу в рабочую зону электролита, то есть прокачивают его под давлением.
Классификация процессов ЭХО
В зависимости от физико-химических особенностей съема металла ЭЗ разновидности ЭХО объединяют в 2 группы (см. рисунок 8.1).
К первой группе относятся все виды ЭХО, при осуществлении которых припуск с заготовок удаляется только за счёт электрохимического растворения. Ко второй – разновидности, при реализации которых наряду с электрохимическим растворением происходит одновременное удаление припуска за счёт дополнительного механического или электротермического воздействия.
| Электрохимическая обрезка (ЭХОт) | Электрохимическое объемное полирование (ЭХОК) | Электрохимическое точение (ЭХТ) | Электрохимическое прошивание (ЭХПр) | Электрохимическое прошивание струйное (ЭХПС) | Электрохимическое калибрование (ЭХК) | Электрохимическое удаление заусенцев (ЭХУЗ) | Электрохимическое маркирование (ЭХМ) | Электрохимическая отделка поверхности (ЭХОП) |
 |  |
| Анодно-механическая обработка (АМО) | Электрохимическое шлифование (ЭХШ) | Электрохимическая заточка (ЭХЗ) | Электрохимическая доводка (ЭХД) | Электрохимическое суперфиниширование (ЭХСф) | Электрохимическое хонингование (ЭХХ) | Электрохимическое абразивное полирование (ЭХАП) | Электрохимическая жидкостно-абразивная обработка (ЭХЖАО) | Электроэрозионнохимическая обработка (ЭЭХО) | Электрохимическая ультразвуковая обработка (ЭХУЗО) |
Ё
При выполнении операций первой группы разновидностей ЭХО образуются легкорастворимые в воде соединения, выпадающие в электролит и с его потоком удаляемые из зоны обработки. Необходимость дополнительного механического или электротехнического воздействия на металл заготовки при ЭХО вызвана образованием при анодном растворении на поверхности ЭЗ труднорастворимых соединений (плёнок). При осуществлении процессов первой группы, ЭИ не изнашиваются, а второй изнашиваются.
ЭХО выполняется в стационарном или в проточном электролите. В стационарном электролите реализуется, в частности, ЭХМ; в проточном – АМО, ЭХОт, ЭХОК, ЭХПр и все виды ЭХАО (ЭХАП, ЭХД, ЭХСф, ЭХШ и др.)
Процессы анодного растворения обрабатываемых поверхностей ЭЗ в проточном электролите характеризуются:
1) явлениями, происходящими на поверхности анода;
2) гидродинамикой общего потока электролита в пределах всего МЭП;
3) образованием (в результате торможения анодного растворения из-за заполнения МЭП шламом) на поверхности анода окисных плёнок, являющихся результатом адсорбционно-химических явлений, и пленок из продуктов ЭХО, которые тормозят дальнейшую обработку покрывая поверхность анода;
4) необходимостью соблюдения стабильного установленного значения МЭЗ в течение всей продолжительности ЭХО;
5)) зависимостью формирования анодной поверхности ЭЗ от распределения тока на всем протяжении МЭП, скорости и особенностей потока электролита.
Кинематика процесса ЭХО
Несмотря на простоту реализации большинства операций ЭХО, их кинематика имеет свои особенности. Так, некоторые операции ЭХО выполняют при неподвижных электродах (ЭХК и ЭХМ). Большинство операций ЭХО осуществляется при перемещении электродов относительно друг друга. При этом один электрод (чаще ЭИ) перемещается с заданной скоростью относительно второго. При выполнении некоторых операций ЭХО, например ЭХТ и ЭХЖАО, оба электрода перемещаются относительно друг друга. Большинство операций характеризуются прямолинейным перемещением электродов в вертикальном или (реже) в горизонтальном направлении; известны операции, выполняемые при криволинейном рабочем перемещении ЭИ, например, при ЭХО полостей и отверстий с криволинейной осью.
Достаточно распространена импульсно циклическая схема обработки. Она протекает по следующему циклу:
1) ощупывание электродом-инструментом поверхности заготовки при их касании;
2) отвод ЭИ на величину рабочего МЭЗ;
3) включение пакета импульсов тока на заданное время, в течение которого происходит растворение поверхности заготовки и соответственное увеличение величины МЭЗ;
4) отвод ЭИ на величину промывочного МЭП и промывка МЭП электролитом под избыточным давлением;
5) повторение п.1–4 до формирования заданных размеров заготовки.
Электролиты
При ЭХО в качестве электролитов применяют водные растворы солей, кислот и щелочей. В процессе размерной ЭХО при высоких плотностях тока электролиты обеспечивают прохождение электрического тока между электродами, способствуют течению требуемых химических реакций на поверхностях электродов. Протекая через МЭП, электролиты уносят из него продукты растворения (шлам, тепло, газ), поддерживая тем самым постоянство концентрации взаимодействующих частиц на всех участках МЭП.
Для получения высоких технологических показателей ЭХО необходимо, чтобы электролиты соответствовали следующим требованиям:
1) полное или частичное исключение побочных реакций, снижающих выход по току;
2) анодное растворение металла заготовки только в зоне обработки, исключая растворение необрабатываемых её поверхностей, т.е. наличие высоких локализующих свойств;
3) обеспечение протекания на всех участках обрабатываемой поверхности заготовки электрического тока расчетного значения.
Электролитов универсального назначения, соответствующих всем перечисленным требованиям, не существует. Электролиты могут состоять из одного или нескольких компонентов (одно- и многокомпонентные).
Состав и концентрацию электролита подбирают в зависимости от физико-химических свойств материала обрабатываемой заготовки и требований к выполняемой операции. При этом необходимо учитывать следующее.
1) Анионы и катионы электролита должны хорошо диссоциировать при всех условиях обработки, что обеспечивает высокую электропроводность электролита.
2) Потенциал материала ЭИ должен быть более положительным, чем потенциал осаждения катионов. При этом предотвращается осаждение металла катионов на ЭИ в условиях, когда катионы электролита обладают большим отрицательным стандартным потенциалом.
3) В электролите необходимо наличие активирующих анионов, разрушающих под воздействием тока поверхностные оксидные пленки, что обеспечивает высокую производительность.
4) Для обеспечения малой высоты шероховатости поверхности и высокой точности размеров обрабатываемых деталей необходимо сродство[1] компонентов металла анода и анионов электролита и их сродство с кислородом.
5) Необходимо осуществление перехода продуктов ЭХ реакций в нерастворимое состояние для обеспечения лучшего их уноса из зоны обработки и очистки электролита.
Электролит должен иметь невысокую вязкость, что облегчает его покачивание через МЭП и ускоряет тепло- и массоперенос. Он должен быть безвредным для обслуживающего персонала, взрыво- и пожаробезопастным, обладать невысокой коррозионной и активностью.
Наиболее распространенные электролиты – нейтральные растворы неорганических солей: хлориды, нитраты и сульфаты натрия и калия. В эти растворы добавляют:
а) борную, лимонную или соляную кислоты в целях уменьшения защелачивания электролита;
б) ингибиторы коррозии, например нитрит натрия;
в) активирующие вещества, снижающие пассивирующее действие оксидной пленки;
г) поверхностно-активные вещества (ПАВ), например моющие жидкости ОП-7, ОП-10, снижающие гидравлические потери и устраняющие кавитационные явления.
д) коагуляторы, например полиакриламид, способствующие скорейшей очистке электролита за счет ускорения осаждения шлама.
Концентрация электролита – количественный показатель, характеризующий содержание его компонентов в воде.
Процентный показатель концентрации отражает отношение массы компонентов ко всей массе раствора электролита.
Объемный показатель концентрации – количество растворенных компонентов в единице объёма электролита.
Электропроводность G эл – важнейшая характеристика, отражающая способность вещества проводить электрический ток. Это величина, обратная его электрическому сопротивлению G эл = 1/Rэл.
При расчетах режимов пользуются значением удельной электропровод-ности электролита æ.
æ = 
, (8.2)
где ρу.эл . – удельное электрическое сопротивление электролита, Ом·м;
S эл – площадь поперечного столба электролита, м2;
l эл – длина столба электролита, м.
Электропроводность зависит от концентрации растворенных компонентов и температуры.
Зависимость удельной электропроводности от температуры:
æ t = æ 18 [1 + b(tэ – 18)], (8.3)
æt – удельная электропроводность при t э,°С;
æ18 – удельная электропроводность при 18°С;
b – температурный коэффициент, равный 0,01 – 0,021 на 1°С.
Для солей b = 0,022. С повышением t э на 1°С удельная электропроводность водных растворов солей возрастает на 2-2,5%, водных растворов кислот на 1-1,65%, водных растворов щелочей на 2-3%.
Водородный показатель (рН) электролитов – число, характеризующее концентрацию ионов водорода в электролите. Колебания значений рН относительно оптимальных при выполнении определённых операций ЭХО, как правило, приводят к снижению точности и качества обрабатываемых поверхностей заготовки. Эти колебания – следствие электрохимических и химических реакций в МЭП. Повышение значения рН больше определенного критического значения приводит к преобладающей пассивации электрода-катода и прекращению анодно-анионной активации; ЭХО становится невозможной. Значения рН для различных электролитов колеблются в пределах:
растворы кислот 1-7
растворы солей 6-9
растворы щелочей 7-10.
Очистка электролитов. Для очистки электролитов от шлама в процессе ЭХО применяют следующие методы:
центрифугирование – отделение шлама от раствора под воздействием центробежных сил;
фильтрование – отделение твердых частиц с помощью пористых материалов;
отслаивание – загрязненного электролита в специальных резервуарах;
флотация – очистка всплывших вместе с пузырьками водорода, выделяющегося при ЭХО, а так же за счет подачи воздуха в очистное устройство твердых частиц шлама.
[1] Сродство – количество энергии, выделяющееся при соединении веществ. Чем больше сродство, тем легче вещества вступают в реакцию.