Смоленцев В.П., А.И.Болдырев, Смоленцев Е.В. Теория электрических и физико-химических методов обработки - файл n2.doc

приобрести
Смоленцев В.П., А.И.Болдырев, Смоленцев Е.В. Теория электрических и физико-химических методов обработки
скачать (19739.8 kb.)
Доступные файлы (7):
n1.doc7166kb.24.10.2007 18:29скачать
n2.doc13444kb.23.01.2008 14:10скачать
n3.doc3313kb.24.10.2007 18:29скачать
n4.doc3436kb.24.10.2007 18:29скачать
n5.doc1172kb.24.10.2007 18:29скачать
n6.doc878kb.24.10.2007 18:29скачать
n7.doc48kb.24.10.2007 18:29скачать

n2.doc

  1   2   3   4   5
3. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ РАЗМЕРНАЯ ОБРАБОТКА (ЭХО)

3.1. Виды ЭХО

Под размерной электрохимической обработкой понимают процесс получения из заготовки детали требуемой формы и размеров за счет анодного растворения металла.

Полученные в годы войны результаты по изучению основных физико-химических закономерностей процессов не утратили своего значения и до сего времени. В 1948 г. была создана электрохими­ческая установка для изготовления от­верстий в броневой стали. Тогда же бы­ли проведены первые опыты по обра­ботке турбинных лопаток. В.Н. Гусев трижды удостаивался звания лауреата Государственной премии СССР.

Значительные успехи в развитии теории и совершенствовании технологии были достигнуты благодаря работам Ю.Н. Петрова, И.И. Мороза, Л.Б. Дмитриева, В.Д. Кащеева, Д.Я. Длугача, В.В.Любимова и др.

Существует несколько основных схем ЭХО.

1. Обработка с неподвижными электродами. По этой схеме (рис. 3.1) получают местные облегчения в деталях, отверстия в листовых материалах, наносят информацию (порядковые номера, шифры изделии и др.), удаляют заусенцы, скругляют острые кром­ки. Требуемая форма углубления или отверстия получается за счет нанесения на электроды слоя диэлектрика 3.


Рис. 3.1. ЭХО с неподвиж-ными электродами: 1 – электрод-инструмент,

2 – заготовка, 3 – диэлектри-ческий слой.

Электрод-инструмент 1 не перемещается к обрабатываемой по­верхности – межэлектродный зазор по мере съема металла с заго­товки 2 возрастает, а скорость прокачки электролита снижает­ся. Процесс будет неустановив­шимся с нестационарным по вре­мени режимом обработки. Это резко усложняет расчеты техно­логических параметров, регули­рование и управление процессом.

2. Прошивание углублений, полостей, отверстий (рис. 3.2, а). При такой схеме электрод-инст­румент 1 имеет одно рабочее дви­жение – поступательное пере­мещение со скоростью к дета­ли. Система регулирования зазо­ра поддерживает постоянным межэлектродный зазор (т.е. имеет место стационарный ре­жим). Через межэлектродный промежуток прокачивают элек­тролит со скоростью . В заготовке иногда предусматривают технологические отверстия для под­вода и отвода электролита и продуктов обработки.


Рис. 3.2. ЭХО по схеме прошивания а) подвижным ЭИ: 1 – электрод-инструмент,

2 – заготовка;

б) струйным методом:

1 – токоподвод, 2 – заготовка,

3 – корпус.


По этой схеме изготовляют рабочие полости ковочных штампов, пресс-форм, прошивают отверстия, пазы, перья лопаток турбин, вырезают заготовки различного профиля.

К такой схеме относят и получение отверстий струйным мето­дом. Электрод-инструмент состоит из токоподвода 1 (рис. 3.2, б), омываемого потоком электролита. Токоподвод находится внутри корпуса 3 из изоляционного материала. Электролит создает токо-проводящий канал между токоподводом 1 и заготовкой 2. В мес­те контакта жидкости с обрабатываемой поверхностью материал заготовки растворяется и образуется углубление. По мере увели­чения глубины отверстия корпус 3 сближают с заготовкой 2. Про­цесс идет достаточно быстро только при высоких напряжениях (до нескольких сотен вольт). Так получают отверстия диаметром 1,5...2,0 мм и вырезают контуры деталей сложной формы.

3. Точение наружных и внутренних поверхностей (рис. 3.3). При такой схеме электрод-инструмент 1 выполняет роль резца, но в отличие от обработки на токарных станках он не имеет механи­ческого контакта с заготовкой 2, а находится от нее на расстоянии . Электрод-инструмент может двигаться как поперек заготовки со скоростью (рис. 3.3, а), так и вдоль нее со скоростью (рис. 3.3, б). Межэлектродный зазор может поддерживаться ди­электрическими прокладками 3.



Рис. 3.3. ЭХО по схеме точения наружных (а) и внутренних (б) поверхностей: 1 – электрод-инструмент, 2 – заготовка; 3 – диэлектрические прокладки.



4. Протягивание наружных и внутренних поверхностей (рис. 3.4) в заготовках, имеющих предварительно обработанные поверхности, по которым можно базировать электрод-инструмент 1. Его устанавливают относительно заготовки 2 с помощью диэлектриче­ских элементов 3. Электрохимическое протягивание осуществляют при продольном перемещении (иногда с вращением) инструмента со скоростью . По такой схеме выполняют чистовую обработку цилиндрических отвер­стий, нарезание резьб, шлицев, винтовых канавок.




Рис. 3.4. ЭХО по схеме протягивания: 1 – электрод-инструмент, 2 – заготовка;

3 – диэлектрические элементы.

5. Разрезание заготовок. Ин­струментом может быть вра­щающийся диск 1 (рис. 3.5, а) или проволока 1 (рис. 3.5, б). Инструменты подают к заготовке 2 со скоростью . При этом необходимо сохранять по­стоянным зазор . По этой схе­ме выполняют пазы, щели, подрезку нежестких деталей, например пружин.




















Рис. 3.5. Разрезание заготовок вращающимся диском (а) или проволокой (б):

1 – электрод-инструмент, 2 – заготовка.



















6. При шлифовании (рис. 3.6) используют вращающийся ме­таллический инструмент 1 цилиндрической формы, который посту­пательно движется вдоль заготовки 2 со скоростью . Электрохи­мическое шлифование используют в качестве окончательной опера­ции при изготовлении пакетов пластин из магнитомягких материа­лов, когда при обработке недопустимы механические усилия, а так­же для изготовления деталей из вязких и прочных сплавов.





Рис. 3.6. ЭХО по схеме шлифования:

1 – электрод-инструмент, 2 – заготовка.


3.2. Механизм процесса ЭХО

3.2.1. Механизм удаления металла

Удаление металла при размерной электрохимической обработке происходит под действием электрического тока в среде электролита без непосредственного контакта между инструментом и заготовкой. В основе процесса ЭХО лежит явление анодного растворения металлов. Анодное растворение может протекать в электролитах различного состава, в том числе в неагрессивных электролитах – водных растворах хлорида натрия, нитрата натрия и др. Эти соли дешевы и безвредны для обслуживающего персо­нала.

Под действием тока в электролите материал анода растворяет­ся и в виде продуктов обработки выносится из промежутка потоком электролита. В результате реакций образуются газообразные про­дукты, которые удаляются в атмосферу. Катод, который служит инструментом, не изнашивается, что является одной из положитель­ных особенностей процесса ЭХО.

П


ри растворении в воде молекулы, например солей, распадают­ся на положительные (катионы) и отрицательные (анионы) ионы. Молекулы воды поляризуются и располагаются в виде сферы во­круг какого-то центрального иона (рис. 3.7).

Если электроды погружены в электролит, то на их поверхности протекает обратимая реакция где п – валентность металла; Меп+ – ион в растворе; е – электрон. На поверхности ме­талла возникает положительный заряд и к нему притягиваются отрицательно заряженные ионы из раствора. На границе электроли­та с металлом образуется так называемый двойной электрический слой (рис. 3.8), подобный тому, какой возникает на обкладках кон­денсатора.






Рис. 3.7. Поляризация молекулы воды при ЭХО.

Рис. 3.8. Образование двойного электрического слоя при ЭХО.

Один слой представляет поверхностные заряды в металле ( + ), другой – ионы в растворе ( – ). За счет этого на электро­дах возникают скачки электрического потенциала. Протекание про­цесса ЭХО становится возможным, если приложить внешнее напря­жение, превышающее разность , где – скачок потенциала на аноде, а – скачок потенциала на катоде. При подключении электродов к источнику напряжения ионы начинают двигаться в электрическом поле через межэлектродный промежуток от электро­да к электроду.

На катоде происходит ускоренное разложение молекул воды с выделением молекулярного водорода:



На аноде справедлива следующая схема перехода металла в нерастворимый гидроксид:



одновременно образуется молекулярный кислород:



Таким образом, в результате реакции на катоде выделяется газ (водород), на аноде – осадок (гидроксид металла) и газ (кисло­род). Продукты обработки выносятся потоком электролита из про­межутка. При большой силе тока возможны также и другие реак­ции, в ходе которых на поверхности анода могут образовываться оксиды. Они снижают скорость растворения металла с заготовки и ухудшают ее обрабатываемость.
3.2.2. Основное уравнение анодного растворения

Если на электроде протекает только один электрохимический процесс, например растворение металла, то он описывается закона­ми Фарадея. Согласно первому закону Фарадея,
(3.1)

где т – масса материала, растворенного с анода; – количество электричества, пропущенное через электролит; – коэффициент пропорциональности. При постоянном токе , где – сила то­ка; – время его прохождения. Тогда зависимость (3.1) можно за­писать в виде
(3.2)
Коэффициент называется электрохимическим эквива­лентом: , где – атомная масса; п валентность; 96500 – число Фарадея. Здесь выражается в килограммах на ампер-секунду. Числовые значения для различных элементов при­водятся в справочных материалах. Электрохимический эквивалент любого сплава можно найти через эквиваленты ; входящих в него элементов и через массовое содержание в процентах элемента в сплаве:

В табл. 3.1 приведены расчетные значения электрохимических эквивалентов некоторых сплавов:
Таблица 3.1.

Значения электрохимических эквивалентов сплавов


Материал

, мг/(А∙с)

Сталь 45

0,223

Сталь 12Х18Н9Т

0,165

Жаропрочные сплавы

0,26…0,29

Титановые сплавы

0,158…0,162

Алюминиевые сплавы

0,092…0,093


В действительности каждый компонент сплава имеет свой элек­трохимический эквивалент, т.е. свою скорость анодного растворения. За счет этого в процессе обработки возникают углубления и выступы, формирующие макропрофиль и шероховатость поверхно­сти.

Для практических целей необходимо знать скорость линейного растворения, которая позволяет найти скорость подачи инструмента при изготовлении деталей. Если в уравнении (3.2) массу материа­ла записать через площадь обрабатываемого участка и переме­щение электрода-инструмента к детали, то , где – плотность материала.

Силу тока можно выразить через площадь участка и плот­ность тока : . Тогда уравнение (3.2) примет вид
. (3.3)
Если левую и правую части выражения (3.З) разделить на время , то отношение называется скоростью линейного растворе­ния материала анода:
. (3.4)
Плотность тока по закону Ома может быть выражена через на­пряжение и удельную проводимость . В расчет принимается только та часть напряжения, которая используется для протекания электрохимической реакции. Сюда не входят потери напряжения на электродах и в токоподводящнх цепях:
(3.5)
С учетом формул (3.4) и (3.5) закон анодного растворения может быть записан в виде
. (3.6)
Если зазор не изменяется в процессе анодного растворения, то режим ЭХО стационарный, в случае переменного, неустановивше­гося зазора – нестационарный. В зависимости (3.6) учитывается действие только электрического поля. Однако, как следует из опре­деления процесса, необходимым условием его осуществления явля­ется удаление продуктов обработки из прианодной и прикатодной областей. В большинстве случаев это достигается принудительной прокачкой электролита. Следовательно, помимо электрического по­ля определяющее влияние на процесс оказывают гидродинамиче­ские факторы.

Если измерить массу металла, растворенного с анода, то она окажется меньше, чем получается по формуле закона Фарадея (3.2). Это объясняется тем, что часть количества электричества тратится на побочные реакции на электродах, образование газов, вторичные реакции. Эти потери можно учесть, введя коэффициент, который называют выходом п о току . Выход по току пред­ставляет отношение действительного и теоретически ожидаемого количества растворенного вещества и характеризует долю полезного использования тока. Тогда закон анодного растворения (3.6) мо­жет быть записан в виде
. (3.7)
Выход по току при ЭХО зависит от ряда взаимосвязанных фак­торов – плотности тока, материала заготовки, скорости прокачки, температуры и степени защелоченности электролита и др.

Ввиду большого числа факторов, влияющих на выход по току, найти его значение теоретическим путем не удается, поэтому ис­пользуют экспериментальный метод нахождения выхода по току для среднего значения рабочего диапазона режимов обработки. При использовании электролитов на базе растворов хлорида натрия выход по току для конструкционных низколегированных сталей = 0,8...0,85; для жаропрочных сплавов = 0,85...0,93; для титановых сплавов = 0,83...0,85. Если процесс ЭХО осуществляют в среде нитрата натрия, то для большинства сталей выход по току снижает­ся ( = 0,6...0,7). Для алюминиевых сплавов, которые обрабатывают­ся преимущественно в растворах нитрата натрия, выход по току может составлять = 1,1...1,35. Это объясняется тем, что при экспе­риментальном определении выхода по току учитывалось химиче­ское растворение алюминиевого сплава в щелочных продуктах ре­акции.

В процессе реакций концентрация веществ в электролите в приаиодной и прикатодной областях изменяется. Возникает молеку­лярная диффузия, т.е. перемещение частиц в зону с меньшей кон­центрацией. Молекулярная диффузия в теоретической электрохимии описывается законами Фика, согласно которым число переместив­шихся частиц пропорционально градиенту концентраций и време­ни протекания процесса. Коэффициент пропорциональности назы­вается коэффициентом диффузии. Приэлектродный слой электролита, в котором концентрация переменна, называют диф­фузионным.

Для нормального протекания электрохимических реакций необ­ходимо обеспечить интенсивный вынос продуктов обработки из межэлектродного промежутка, поэтому электролит должен проте­кать со скоростью, достаточной для захвата и удаления твердых и газообразных частиц, образующихся в ходе реакций. При расче­те скорости следует учитывать свойства электролита: его вязкость, состав, стабильность характеристик и др.

Электролит может иметь ламинарный или турбулентный харак­тер течения. При ламинарном потоке жидкость не перемешивает­ся и вынос продуктов обработки из межэлектродного промежутка происходит медленнее, чем в случае турбулентного течения. Одна­ко расчет ламинарного потока значительно проще, и в технологи­ческих расчетах обычно принимают течение ламинарным.

Если скорость электролита мала, то часть продуктов обработки не успеет покинуть межэлектродный промежуток и будет в нем на­капливаться вблизи рабочей поверхности электрода-инструмента и заготовки. Диффузия частиц в поток замедлится и сила тока, проходящего через электролит, начнет уменьшаться даже при увеличении разности потенциалов между электродом-инструментом и заготовкой.

На рис. 3.9 схематически показана зависимость силы тока от напряжения при постоянной площади обрабатываемой поверхно­сти. На участке АБ с возрастанием напряжения ток увеличивает­ся. Это так называемая активная область. Участок АБ характеризует анодное растворение элементов сплава заготовки с низкой валентностью. Сила тока здесь незначительна и высокой скорости обработки заготовки достичь не удается. Поэтому в про­цессе ЭХО область активного растворения практически не исполь­зуют. На участке БВ возрастание напряжения вызывает снижение силы тока. Наступает пассивация обрабатываемой поверхности, т.е. образование на ней оксидной пленки. С увеличением напря­жения растет толщина пленки, обладающей большим сопротивле­нием. При дальнейшем увеличении напряжения сила тока снача­ла остается неизменной (участок ВГ), а затем вновь начинает расти (участок ГД). Этот участок называют перепассивной областью. Рост силы тока объ­ясняется химическими превращения­ми в пленке и ее разрушением при повышенных напряжениях. В пере­пассивной области атомы металла переходят в ионы высшей валент­ности. Здесь можно получить боль­шую силу тока, а значит и боль­шую скорость растворения заготов­ки. Этот участок, как правило, и ис­пользуют для ЭХО. После точки Д может начаться новый спад силы то­ка, т.е. снова возникает пассивация. При дальнейшем увеличении напря­жения возможны электрические пробои межэлектродного проме­жутка.

Для различных сплавов пассивация наступает при различном напряжении в зависимости от химического состава материала за­готовки, состава электролита, его температуры, условий течения жидкости в межэлектродном промежутке, плотности тока. Если обрабатывают нержавеющие стали, то пассивация проявляется весьма слабо и с ростом напряжения




Рис. 3.9. Зависимость силы тока от напряжения.

сила тока растет вплоть до пробоя промежутка. Такие стали и сплавы называют слабопассивирующимися. Для титановых, вольфрамокобальтовых и других сплавов наблюдается значительная пассивация. С целью улучше­ния анодного растворения таких сплавов в электролит вводят ак­тивирующие ионы брома, йода. Механизм активации объясняют тем, что активирующие ионы проникают к поверхности металла и вытесняют кислород из пленки, устраняя ее пассивирующее дей­ствие. Скорость анодного растворения в таких электролитах зна­чительно выше. С другой стороны, высокоактивные электролиты вызывают интенсивное растворение не только обрабатываемого участка, но и всей окружающей его зоны, что снижает точность обработки. Повышение температуры электролита до 315...325 К вызывает рост активности анионов и растворение оксидной пленки. Для устранения пассивации поверхности применяют колебания электродов с ультразвуковой частотой. При воздействии ультразву­ка прочность пленки снижается, ее легче удалять с поверхности. Ультразвуковые колебания можно подавать на инструмент, деталь или на жидкость в межэлектродном промежутке. Можно механи­чески удалять пленку различными скребками, абразивным инст­рументом. При этом ускоряется растворение металла с участков, с которых снята пленка, – можно добиться избирательного удале­ния припуска с заготовки, т.е. повысить точность формообразо­вания.


3.2.3. Механизм размерной обработки

Точность копирования электрода-инструмента на заготовке зависит от скорости растворения участков заготовки, отстоящих на различных расстояниях от электрода-инструмента. Рассмотрим получение углубления в плоской заготовке 2 электродом-инструментом 1, имеющим выступ (рис. 3.10). В начале процесса граница заготовки занимает положение I-I. На расстоянии от нее расположен выступ электрода-инструмента, который перемещается к заготовке с такой скоростью , чтобы сохранялся постоянный зазор . Через межэлектродный промежуток прокачивают электролит со скоростью .



Рис. 3.10. Копирование электрода-инструмента на заготовке: 1 - электрод-инструмент, 2 - заготовка.


Если приближенно принять выход по току, удельную проводимость электролита и напряжение одинаковыми по всей длине межэлектродного промежутка, то скорости анодного растворения материала под участками и согласно зависимости (3.7) составят
; .
Введем обозначение . Тогда скорость анодного рас­творения на участках и будет зависеть только от размеров межэлектродных зазоров между начальной границей заготовки и соответствующей поверхностью электрода-инструмента:
; . (3.8)
Как видно на рис. 3.10, в начальный момент обработки зазор , следовательно, скорость растворения на участке будет больше, чем на участке , в раз, т.е.
. (3.9)
По мере растворения металла заготовки и перемещения электрода-инструмента зазор уменьшается, но остается справедливым ус­ловие , т.е. съем металла под выступом идет быстрее. Через некоторое время в плоской заготовке будет получено углубление с границей II-II. Форма электрода-инструмента отобразилась на аноде, и достигнута размерная обработка.
3.2.4. Механизм нестационарной ЭХО

Часть процессов ЭХО в нестационарном режиме осуществляется без прокачки электролита через межэлектродный зазор (например, процессы мелкого электрохимического маркирования или с малыми скоростями прокачки (м/с)). При этом глубина обработки ограничена несколькими микрометрами. Причиной такого явления можно принять резкое повышение электрического сопротивления межэлектродного зазора по мере накопления в нем продуктов обработки и снижения его электропроводности. Большинство исследователей основной причиной изменения электропроводности среды в зазоре считают повышение газонаполнения [ 6 ]. Пузырьки газа (главным образом водорода) экранизируют катодную поверхность и уменьшают сечение проводника для прохождения тока, уменьшая тем самым эффективную электропроводность [ 6 ]. Нагрев электролита в зазоре, обусловленный выделением джоулева тепла при прохождении тока, приводит к повышению его электропроводности. Эти противоположно действующие факторы частично компенсируют друг друга, но, по мнению авторов [ 6 ], влияние первого фактора сильнее, так как при скорости электролита м/с межэлектродный зазор может быстро перекрыться газовыми пузырями, что приводит к резкому увеличению сопротивления межэлектродного промежутка и прекращению процесса.

При слишком большой скорости электролита и сложной геометрии зазора (резкие повороты потока электролита, внезапные расширения и т.д.) электрическое сопротивление может возрастать и с увеличением скорости, что объясняется нарушением сплошности потока [ 6 ]. Зависимость электропроводности () растворов солей от температуры (T) выражается следующей эмпирической формулой [ 6 ]:
;
Постоянная для растворов солей примерно равна 0,022, а связана с приблизительной зависимостью
.
Повышение температуры электролита на выходе из межэлектродного промежутка по сравнению с температурой на входе легко подсчитать по закону Джоуля-Ленца
,
где С – теплоемкость раствора; – плотность раствора; – секундный расход электролита; – сила тока; – напряжение.

Изменение средней электропроводности электролита, вызываемое газонаполнением раствора, можно рассчитать лишь для ряда допущений и гипотез о распределении газа по толщине межэлектродного промежутка (МЭП). Допускается, что газ равномерно распределен по сечению зазора. При таких условиях среднюю электропроводность можно подсчитать по формуле Фрике [ 6 ]
,
где – удельная электропроводность электролита без газа; – относительная объемная доля газовых пузырьков.

При равномерном распределении газовых пузырьков по сечению относительное газонасыщение на выходе из межэлектродного канала можно определить:
,
где – объем газа, выделяющегося на электродах в секунду, который подсчитывается по закону Фарадея.

Исследования, проведенные в Казанском государственном техническом университете, показали, что распределение пузырьков по сечению канала неравномерное [ 6 ]. При скоростной киносъемке ЭХО видно, что основной объем водорода находится в непосредственной близости от катода, особенно при нестационарном режиме. В связи с этим приведенная схема очень приблизительна, хотя она пока единственная и нашла широкое практическое применение [ 6 ], в том числе при обработке в нестационарном режиме.

От свойств межэлектродного зазора зависит точность обработки. В работах, посвященных точности ЭХО, на первый план выдвигается либо анодная поляризуемость, либо непостоянство выхода по току [ 6 ]. Путем простого повышения напряжения при неизменной скорости прокачки электролита невозможно намного увеличить производительность процесса, так как сопротивление межэлектродного зазора возрастает и плотность тока увеличивается незначительно.

При дальнейшем увеличении напряжения может возникнуть пробой межэлектродного промежутка.

Выход по току () определяется как отношение действительно растворившегося вещества к теоретически возможному:

,
электрохимический эквивалент () определяется по формуле
,
где – валентность металла; М – его атомный вес; Fa – число Фарадея.

При расчете производительности, выраженной в объемных или линейных единицах, используют отношение , где – удельная плотность металла.

Скорость электрохимического растворения при ЭХО прямо пропорциональна плотности тока
.
В работе [ 6 ] приведены формулы для определения основных параметров процесса ЭХО в нестационарном режиме (ЭХО НР):

- величина межэлектродного зазора

,
где ; – начальный межэлектродный зазор; – конечный межэлектродный зазор;

- величина удаляемого припуска
;
где – время обработки: , скорость растворения ():
.
Многочисленными исследованиями [ 6 ] доказано, что сам процесс ЭХО не сопровождается наклепом ввиду отсутствия силового и теплового воздействия на обрабатываемую поверхность. Однако при этом, в результате удаления поверхностного слоя металла, снижается ранее сформированный наклеп и перераспределяются напряжения, полученные в результате выполнения предыдущих операций. В работе [ 6 ] экспериментально доказано, что при ЭХО в стационарном и нестационарном режиме структурных превращений в поверхностном слое не происходит, однако могут появиться специфические дефекты, которые вызывают снижение качества поверхности.

Известно [ 6 ], что в зоне обработки происходит бурное выделение газов (H2; О2; Сl2; H; О), наличие водорода может привести к повышенной хрупкости металлов. Однако экспериментально доказано [ 6 ], что при ЭХРО сталей не происходит наводороживания поверхности. Исключение составляют некоторые металлы и сплавы (титан, цирконий, ниобий и др.). Применение коррозионно-активных электролитов (NaCl, NaNO3 и др.) при обработке неустойчивых в коррозионном отношении сталей и сплавов требует их нейтрализации и введения в процесс ЭХО операций промывки и пассивации.

Влияние процесса ЭХО на показатели усталостной прочности деталей однозначно не установлено. Результаты одних исследований показывают, что предел выносливости стали при переменных нагрузках повышается, результаты других исследований показывают обратную картину. Экспериментально доказано [ 6 ], что усталостная прочность деталей, обработанных методом ЭХО, зависит от режимов обработки (плотности тока, температуры электролита, величины удаляемого припуска и от защелоченности электролита).

Что касается влияния процесса ЭХРО на характеристики статической прочности металла, то многочисленными исследованиями [ 6 ] доказано, что качество обработки поверхности практически не оказывает влияние на статическую прочность металла. Производительность процесса ЭХО в нестационарном режиме характеризуется количеством материала, удаляемого с обрабатываемой поверхности в единицу времени. Величина съема металла в процессе анодного растворения определяется по закону Фарадея.

Анализ теории процесса ЭХО показывает, что предложенные критерии управления процессом относились только к специфичным применениям метода в авиационной технике для узкого круга технологических задач и не получили распространения из-за требований режимности объектов обработки. Проведенный анализ показывает, что имеющиеся критерии не позволяют охватить основную часть технологии задач, вызванных появлением гибкоструктурных технологий на современном этапе развития машиностроения.

Имеющиеся в литературе материалы по описанию процесса ЭХО не учитывают специфики нестационарного режима (НР), поэтому требуется формирование физических и математических моделей, необходимых для управления процессом размерной и безразмерной обработки в НР.

Не содержится информации о путях обработки материалов без удаления материала за счет локального управления свойствами пленок, образующихся в процессе ЭХО при НР.

Отсутствие в литературе сведений о составах рабочих сред, удовлетворяющих хотя бы основным требованиям промышленности, требует решения задачи о проектировании рабочих сред, более полно учитывающих технологические требования и обеспечивающих эффективное управление процессом при ЭХО в НР, автоматизацию операции обработки и локализацию зоны формообразования.

Как показано во введении, легкопассивирующиеся сплавы имею окисные пленки, которые могут изменять свою величину.

К этой же группе сплавов следует отнести детали с защитными покрытиями, например кадмием, цинком, хромом, никелем, медью. Большинство из них легко маркируется, но нанесение информации на кадмиевые покрытия вызывает большие сложности. Здесь известно изобретение (а.с. 341628), по которому процесс ведут в растворе молибденово-кислого аммония при обратной полярности тока. Проверка этого изобретения показала, что процесс осуществим, но границы знака получаются, в основном, нечеткими. Это указывает на нарушение критериев, предложенных для размерной обработки.

Протекание процесса можно описать следующим образом: при обратной полярности на поверхности покрытия происходит осаждение продуктов реакции в местах, противолежащих выступам или рабочим участкам инструмента (рис. 3.11).




Рис. 3.11. ЭХО в НР при обратной полярности технологического тока.

Такое расположение электродов может вызвать анодное растворение активных участков инструмента и нарушение границ между активной и пассивной зонами. Поэтому требуется защита диэлектрических покрытий от разрушений при интенсивном газообразовании под ним на месте стыковки с основой инструмента.

Исходя из закона Фарадея при многоэлектродном зазоре , толщина слоя, образующего знак, составит
.
Для образования хорошо различимых границ толщина слоя должна быть не менее 20 мкм (). Однако с возрастанием толщины более 30 мкм () начинается активный процесс осаждения материала на боковых границах выступа и его размывание. Таким образом, предложенный критерий выполняется в диапазоне
.
Критерий управления процессом будет
.
Функция управления
.

Граничные условия


При нанесении информации на титан и его сплавы полярность сохраняется прямой (рис. 3.13). По аналогии с рис. 3.12 высота знака определяется напряженностью поля Е.


Рис. 3.12. ЭХО в НР при скорости электролита < 2 v/c.




Рис. 3.13. ЭХО в НР при прямой полярности технологического тока.

Из опыта обработки титановых сплавов известно, что естественная пленка на титане обладает весьма значительным сопротивлением. По сведениям [ 6 ] эта пленка является полупроводником. Ее толщина достигает через 2 часа хранения на воздухе при обычной температуре 17 Е, через 40-50 суток – 35 Е. Известно [ 6 ], что скорость роста окисных пленок на металлах снижается по квадратичной зависимости, т.е. в начале процесса она будет наибольшей. Из практики электрохимической обработки титана установлено, что в процессе формообразования пленка не препятствует обработке, но в случае прекращения съема под действием тока образуется слой, ограничивающий продолжение процесса. Это показывает, что толщина пленки под действием тока интенсивно возрастает и для преодоления ее сопротивления приходится увеличивать напряженность поля (требуется начале процесса) за счет повышения напряжения примерно в 2 раза. Но и в этом случае могут появиться необработанные участки, так называемые питтинговые формообразования, при которых резко ухудшается качество поверхности. Из [ 6 ] видно, что толщина пленок зависит от напряженности поля, т.е. подчиняется предложенному критерию. Предельная толщина может быть для титановых сплавов более 700 Е, но в нейтральных растворах солей образуются пленки первого порядка.

В работе [ 6 ] предлагается зависимость для оценки толщины пленки
(3.10)
где – предэкспоненциальный множитель; – кажущаяся энергия активации; Т – температура.

На титане пленка не дает цветного отражения при толщине до 320 Е [ 6 ]. При толщинах свыше 320 Е возникают различные цвета, которые можно разделить на контрастные и неконтрастные. В табл. 3.2 приведены толщины 1-го порядка отражения, которые могут формироваться при ЭХО в НР. Их следует отнести к контрастным, т.е. пригодным для маркирования.

Для нанесения информации требуется не просто высокая контрастность, но и сохранение видимого знака при колебании толщины пленки. Следовательно, цвета, соседние с выбранным
Таблица 3.2.

Цвет окраски пленки на титановых сплавах


Но-

мер

Цвет

Толщина пленки, Е

Контрастность

1.

Желтый

349

Средняя

2.

Темно-желтый

358

Средняя

3.

Желто-коричневый

434

Высокая

4.

Светло-коричневый

438

Невысокая

5.

Коричневый

447

Средняя

6.

Коричнево-фиолетовый

456

Высокая

7.

Фиолетовый

492

Высокая

8.

Фиолетово-синий

510

Высокая

9.

Синий

515

Высокая

10.

Голубой

536

Высокая


цветом, должны иметь контрастность, достаточную для практических целей.

Анализ табл. 3.2 позволяет выбрать расчетные толщины пленок, обеспечивающих требуемое качество знака (первый блок 1-2-3, второй – 4-5-6, третий – 6-7-8, четвертый – 7-8-9, пятый – 8-9-10). При этом изменение толщин пленки составит величину, указанную в табл. 3.3.
Таблица 3.3.

Изменение толщин пленок для выбранных их цветов


Блок (номера цветов в табл. 3.2)

Изменение

толщин, Е

Наиболее контрастный цвет

в блоке

1-2-3

85

желто-коричневый (3)

4-5-6

16

коричнево-фиолетовый (6)

6-7-8

54

все контрастные (6-7-8)

7-8-9

23

все контрастные (7-8-9)

8-9-10

26

все контрастные (8-9-10)


Из табл. 3.3 можно заключить, что наиболее приемлемым будет блок 6-7-8, обладающий широким диапазоном толщин пленки, что облегчает управление процессом, возможностью роста пленки в 2 раза без нарушения контрастности (переход в блок 7-10) и снижения толщины до блока 4-5-6.

Управление процессом возможно по изменению скорости нарастания пленки (вторая производная толщины по времени), скорости (первая производная) или толщине пленки (приближенные результаты).

Рассмотрим наиболее простой случай, предполагающий, что толщина пленки пропорциональна времени ее нарастания (т.е. ).

Управляющая функция

,
где – начальная толщина пленки на поверхности; – толщина пленки, соответствующая средней величине блока.

Критерий сохранения качества знака представляет разницу между расчетной толщиной пленки и границей контрастного знака в середине блока, прилегающего к расчетному в сторону увеличения и уменьшения толщины пленки

где по табл. 3.3 соответствует 6 номеру цвета (табл. 3.2), – 7 номеру, – может быть до 9 номера.

Тогда 456.

Здесь номинальное значение = 482 Е.

Критерии управления процессом
.
Из зависимости (3.10)
.
Допустимая погрешность управления процессом
.
Учитывая, что в табл. 3.2 цвет № 10 также обладает высокой контрастностью, можно принять допуск симметричным и рассчитывать время обработки по зависимости
.
Чувствительность и инерционность исполнительного механизма Должна быть не более 1/2
.
3.3. Гидродинамика процессов при ЭХО

3.3.1. Характеристика электролитов

  1   2   3   4   5


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации