ЭФХМО 2 семестр бакалавриат направления ТХОМ Лекция 5
Основные закономерности процесса ЭХО
Съём металла
При ЭХО часть электрического тока, протекающего через МЭП, затрачивается на выделение кислорода на аноде, водорода на катоде, разрушение анодных окисных пленок. Поэтому фактически удаленная данным количеством электричества масса металла Мф оказывается меньше расчетной Мр по закону Фарадея. Эта разница оценивается выходом по току hа.
hа = (Мф/Мр)´100.
С учётом выхода по току:
Мф = Кэ·I·tэ·hа,
Кэ – электрохимический эквивалент [г/(А·мин)];
I – сила тока, А;
tэ – продолжительность электролиза, мин.
Кэ = 6,2176·10–4 ´ (А/n)
А – атомная масса, n – валентность.
Для расчётов технологических параметров ЭХО удобнее пользоваться величиной объемного Коб [см3/(А·мин)] и линейного Клин [см/(А·мин)] электрохимических эквивалентов.
Коб = Кэ/ρм, Клин = Коб/Sобр,
ρм – плотность металла, г/см3,
Sобр – площадь обрабатываемой поверхности, см2.
Тогда объём растворенного при ЭХО металла:
Vобр = Коб·I ·tэ·hа
Значение объемных электрохимических эквивалентов сплавов Коб.спл . зависит от их составов и определяется по формуле:
,
где Рi – массовое содержание элемента, %;
ki – объемный электрохимический эквивалент данного элемента, см3/(А´мин).
Съём металла при ЭХО в линейных единицах:
Vл = Voбр/Soбр = Коб(I/So)tэhа = Клинiаtэhа,
где Soбр – площадь обрабатываемой поверхности заготовки, см2;
iа – анодная плотность тока, А/см2.
Скорость электрохимического растворения в линейных величинах vл ( см/мин):
vл = Клинiаhа.
С учётом параметров режима ЭХО плотность тока, согласно закону Ома, можно представить:
ia = æ эфUэф/d,
где: d – значение МЭЗ – расстояние в рассматриваемом месте МЭП между поверхностями ЭИ и ЭЗ, измеренное по нормали к обрабатываемой поверхности, мм;
æэф – эффективная удельная электропроводность электролита в МЭЗ с учётом его нагрева и газонаполнения по мере протекания через МЭП;
Uэф = (Uэ–Dj) – эффективное напряжение на электродах, В;
Uэ – приложенное к электродам напряжение;
Dj – сумма электродных потенциалов анода и катода. С достаточной точностью jа = 2,5 ¸ 4 В; jк = –1,5 В; Dj = jа + jк.
Процесс электрохимического растворения начинается, как правило, при значениях Uэ, превышающих суммарный потенциал поляризации электродов. На практике это примерно Uэ > 3 ¸ 5 В. Большинство операций ЭХО осуществляется при Uэ = 9 ¸ 12 В, при обработке титановых сплавов Uэ = 18 – 30 В. Превышение Uэ > 30 В на постоянном токе приводит к электропробою МЭЗ.
При расчетах допускается, что электросопротивление электролита в МЭП зависит только от величины этого промежутка. При этом скорость электрохимического растворения на различных участках обработки обратно пропорциональна значению МЭЗ на этих участках.
Такая зависимость называется саморегулированием интенсивности электрохимического растворения различных по величине припусков ЭЗ при ЭХО. Таким образом, при ЭХО заготовок с неравномерными припусками по всей длине обрабатываемой поверхности автоматически происходит более интенсивное растворение и удаление с заготовки максимального по значению припуска Zma x и менее интенсивное – минимального Zmin.
Значение hа зависит от физико-химических свойств обрабатываемого металла, состава электролита и режимов обработки.
Удаление продуктов электролиза при размерной ЭХО
Для устойчивости процесса ЭХО необходимо непрерывное удаление продуктов электролиза из МЭП (тепла, газов, шлама), причем скорость удаления должна превышать интенсивность их образования.
Для этого электролит под давлением прокачивают через МЭП. Требуемую скорость течения электролита в МЭП определяют из условия достижения критически допустимой (предельной) степени газосодержания электролита на выходе из МЭП = 50%.
Точность размеров и формы
Этот параметр при ЭХО определяется двумя группами факторов. Одна из них не зависит от процесса анодного растворения, другая – зависит.
К первой группе относятся погрешности технологической системы. Они устраняются или сводятся к минимуму общеизвестными способами (увеличение жёсткости системы станок-заготовка, увеличение точности перемещений и т.д.).
Ко второй группе относят погрешность величины МЭЗ, которая является следствием колебаний значений МЭЗ из-за нестабильности в процессе обработки заданных технологических режимов – Uэ, æ, рН и скорости подачи ЭИ – v И, а также из-за нестабильности нагрева и газонаполнения электролита. Два последних фактора формируются в пределах МЭЗ и поэтому стабилизировать их трудно. Препятствовать газонаполнению можно применением специальных безводородных электролитов.
При ЭХО поверхностей с высокой степенью стабилизации параметров U э, æ, рН, v И и значениях МЭЗ d<0,02 мм достижима точность обработки до 2-5 мкм. При ЭХШ и ЭХД токопроводными абразивными кругами точность размеров обрабатываемых поверхностей соизмерима с точностью традиционных методов абразивной обработки. Большинство отделочных операций ЭХО выполняют без изменения исходной (перед проведением операции) точности размеров и формы заготовок.
Погрешности формы обрабатываемых поверхностей (конусность боковых поверхностей отверстий, скругление кромок элементов заготовок и др.) в некоторых случаях исключаются за счёт применения ЭИ с электроизоляционными покрытиями на нерабочих торцах и установки экранов, предотвращающих нежелательное влияние электрического поля на необрабатываемые участки заготовок.
Качество поверхностей
Шероховатость поверхности после ЭХО зависит от состава электролита, его температуры и рН, скорости его подачи через МЭП, а также анодной плотности тока.
При выполнении операций ЭХО, при которых съём материала заготовки осуществляется только за счет электролиза, высота шероховатости обработанных поверхностей достигает значений R а = 2,5–0,63 мкм.
Операции, при которых съем происходит одновременно с электролизом и механическим или электротермическим воздействием на заготовку, позволяют получать следующие значения параметров высоты шероховатости: при ЭХАО – R а = 1,25–0,32 мкм; ЭХШ – R а = 2,5–0,63 мкм; ЭХД – R а = 0,63–0,16 мкм; ЭХАП – R а = 0,08–0,02 мкм.
Указанные значения параметров высоты шероховатости достижимы, например, при ЭХО нержавеющих сталей с электролитом NaCl и при tэ = 20–25°С и iа = 10–20 А/см2.
Снижение температуры электролита, повышение анодной плотности тока и скорости подачи электролита в МЭП снижают значение параметров высоты шероховатости обработанных поверхностей. Повышает качество поверхностей введение в электролит инертного газа или сжатого воздуха под давлением на 50–100 кПа выше давления электролита Р вх.