Анодная электрохимическая обработка

В случаях, когда требуется не нарастить пленку ме­талла на поверхности изделия, а, наоборот, снять с его поверхности лишний металл для очистки поверхности (травления), придания ей гладкости (полирования) или для изменения его формы (анодная обработка), изделие соединяют с положительным полюсом источника пита­ния электрической ванны, т. е. оно становится анодом. Правда, электрохимическая очистка поверхности изде­лий может осуществляться и при включении их в ка­честве катода (катодное травление) за счет выделяю­щихся на нем пузырьков водорода, восстанавливающих окислы и удаляющих жиры, однако анодное травление является значительно более эффективным и более рас­пространенным. При анодном травлении растворяется и снимается с поверхности изделий тонкий слой метал­ла, а вместе с ним и слой жира, грязи и окислов. Анодное травление ведется на сравнительно больших скоростях растворения (50—500 мм³/мин), поэтому очищенная по­верхность иногда бывает шероховатой.

Анодное полирование ведется при малых плотностях тока и на малых скоростях растворения металла. Схема процесса показана на рис. 4.6. При протекании тока через электролит токовые линии сосредоточиваются на выступах поверхности изделия, тогда как во впадинах собираются продукты растворения и плотность тока в них уменьшается. В результате происходит постепенное сглаживание поверхности изделия — ее полирование.

Рис. 4.6. Схема анодного полирования в стационарном электролите (а, б, в, г – последовательные стадии сглаживания поверхности).

1 – источник тока; 2 – делитель напряжения; 3 – электролит; 4 – ванна; 5 – обрабатываемая деталь (анод); 6 – продукты растворения во впадинах шероховатостей; 7 – линии тока; 8 – катод.

Ванны для анодного полирования и травления— стационарные, с неподвижным электролитом (обычный состав — растворы NaCl, иногда с добавками), подогре­ваемым паром. Ванны выполняются из винипласта или стали, облицованной внутри винипластом. Мелкие дета­ли обрабатывают во вращающихся барабанах. Напря­жение питания невелико, и источниками постоянного тока служат вращающиеся двигатель-генераторы с на­пряжением 6/12 В при токе до 10 000 А и полупроводни­ковые выпрямители с напряжением 12/24 В при токе до 12 500 А. По условиям техники безопасности сниже­ние напряжения сети, подаваемого на выпрямитель, осу­ществляется через трансформатор. Ванны должны быть заземлены и снабжены бортовой вентиляцией. В кори­дорах между ваннами полы должны иметь деревянные настилы и резиновые коврики.

В случаях, когда нужно снять значительное количе­ство металла, изменить его форму, препятствием к уско­рению процесса является выделение на поверхности анода продуктов прианодных реакций, препятствующих проникновению тока в изделие. Для того чтобы преодо­леть этот недостаток и обеспечить высокую производи­тельность процесса, необходимо непрерывно удалять с поверхности обрабатываемого изделия — анода ука­занные продукты реакций — проводить так называемую депассивацию изделий. Депассивация может осущест­вляться либо чисто механически, либо сильной струей электролита при работе в проточном электролите, вымы­вающем непрерывно продукты пассивации из межэлек­тродного межэлек­тродного пространства. Такого рода процесс носит на­звание анодно-гидравлической размерной обработки из­делий (рис. 4.7.).

Рис.4.7. Схема анодно-гидравлической размерной обработки изделий: копирование профиля (а); воспроизведение профиля катода в аноде (прошивание) путём электрохимической обработки в проточном электролите (б).

1 – анод; 2 – электролит; 3 – катод; 4 – профиль катода, воспроизводимый в аноде.

В промежуток между медным инструментом (като­дом) и заготовкой изделий (анодом) подается под дав­лением электролит. Если инструмент фасонный, то, так как плотность тока наибольшая у выступов инструмента, там, где межэлектродный зазор минимальный (линей­ная скорость растворения пропорциональна зазору), будет сосредоточена наибольшая скорость растворения анода. В результате против выступов инструмента обра­зуются на изделии впадины, и в конечном счете изде­лие принимает форму оттиска с инструмента (рис. 4.7,а). По этому же принципу может быть осуществлено вос­произведение профиля катода в аноде (рис. 4.7, б) и прошивание в последнем отверстий. При движении электро­лита в межэлектродном пространстве можно не только удалять образующиеся гидроокиси, но и выполнять об­работку при повышенных плотностях тока (до сотен А/см²), если обеспечить интенсивное охлаждение элек­тролита, нагреваемого большими токами.

Электрохимическая обработка в проточном Электро­лите позволяет поэтому получить очень высокую про­изводительность (десятки тысяч мм³/мин растворяемого металла) при полном отсутствии износа рабочего интрумента (катода) и при возможности получения высокой точности обработки и чистоты поверхности. Электрохимическая обработка в стационарном электро­лите дает малую производительность, но позволяет обрабатывать сложнопрофилированные изделия с высо­кими классами чистоты и не требует специального инст­румента. Поэтому ее основная область применения—элек­тролитическое шлифование или полирование. Наоборот, электрохимическая обработка в проточном электролите применяется там, где с заготовки надо снять много ме­талла, причем производительность ее тем выше, чем больше размеры изделий. Ее основные области приме­нения следующие.

1. Доводка поверхностей штампов, пресс-форм, ли­тейных форм после грубой, например электроискровой, обработки.

2. Затачивание режущего инструмента, оснащенного твердым сплавом.

3. Профилирование изделий сложной формы, напри­мер турбинных лопаток (рис. 4.8, а).

4. Профилирование деталей типа тел вращения, об­тачивание цилиндрических и конических деталей (рис. 4.8, б).

5. Прошивание сквозных отверстий — круглых, пря­моугольных и фасонных, крупных и очень малых (рис. 4.8, в).

6. Разрезание заготовок и деталей с получением чи­стого реза (рис. 4.8,г).

7. Сглаживание в узких каналах и фасонных полостях, удаление заусенцев.

Особенно эффективной является электрохимическая размерная обработка изделий из твердых сплавов, с трудом поддающихся механической обработке. Сущест­венным преимуществом размерной анодно-

Рис. 4.8. Схемы некоторых применении анодно-гидравлической размерной обработки.

а — профилирование перьев турбинных лопаток (пунктиром показан профиль готового изделия); б — профилирование деталей типа тел вращения; в — про­шивание отверстий;
г — разрезание заготовок; 1 — электрод; 2— заготовка; S_э — направление перемещения электродов; S_И — направление перемещения изделия; остальными стрелками показано движение электролита.

гидравличе­ской обработки является также отсутствие наклепа и вообще изменений структуры обрабатываемого мате­риала. Анодно-гидравлическая размерная обработка осуще­ствляется в станках, универсальных или специализиро­ванных (например, для обработки турбинных лопаток, обработки штампов и пресс-форм, прошивки отверстий, обработки внутренних цилиндрических поверхностей, резки материалов, шлифования, снятия заусенцев и т.п.). Каждый такой станок содержит рабочую камеру, обычно закрытую прозрачным щитком для наблюдения за ходом процесса, в которую введены шпиндели с дер­жателями инструмента (катода) и изделия. Шпиндели могут получать поступательные (подача) и вращатель­ные движения от суппортов с электромеханическими приводами, находящихся вне рабочей камеры на стани­не станка. В рабочую камеру вводят электролит, вспрыс­киваемый под давлением в межэлектродный зазор. Пос­ледний весьма мал: расстояния между электродами в зависимости от процесса составляют от 0,1 до 0,5 мм. В зазорах скорость электролита достигает 5—40 м/с. В состав станка входят также насос, источник питания, баки для хранения и приготовления электролита и уст­ройство для очистки последнего.

В качестве электролита при обработке обычных ста­лей применяют 15—25%-ный раствор поваренной соли; при обработке высоколегированных сталей, твердых сплавов и других металлов и сплавов применяют также растворы других солей: NaN0₂, NaN0₃, NaC0₂. Обычно анодный выход по току при применении раствора по­варенной соли достаточно велик (от 60 до 99%) и лишь для чугуна, свинца и молибдена намного меньше. Ра­бочие электроды выполняются из меди и латуни; нера­бочая часть их поверхности изолируется эмалями. Съем металла составляет обычно от 8 до 16 см³/(кВт-ч), энергоемкость для сталей от 6 до 25 кВт-ч/кг. Плот­ность тока также изменяется в широких пределах: от 0,5—0,2 А/см² (шлифование) до 50—200 А/см². Напря­жение на электродах составляет 10—30 В.

Источники питания для анодно-гидравлической раз­мерной обработки ранее представляли собой вращаю­щиеся преобразователи на токи 250—10000 А. Сегодня они почти вытеснены полупроводниковыми выпрямите­лями на напряжения постоянного тока от 3 до 12 В или от 9 до 24 В. Максимальный рабочий ток достигает 30 000 А.

В некоторых случаях для питания станков анодно-гидравлической размерной обработки применяют источ­ники, дающие униполярные или несимметричные бипо­лярные импульсы синусоидальной, прямоугольной или пилообразной формы.

Регулирование режима процесса заключается в под­держании постоянного зазора (устанавливается перио­дически при выключенном рабочем токе), постоянных значений рабочего тока или напряжения на электро­дах, плотности тока, заданной скорости подачи электро­да. В мощных станках в последнее время применяют стабилизацию рабочего тока при заданном напряжении.

Рис. 4.9. Схема чистовой анодно-механической обработки.

1 – заготовка; 2 – инструмент; 3 – электролит; 4 – плёнка продуктов растворения.

При анодно-механической обработке металлов уда­ление с поверхности анода появляющейся на его поверх­ности пленки продуктов растворения осуществляется механическим путем, как показано на рис. 4.9. Инстру­мент (катод) и заготовка (анод) движутся относительно друг друга с большой скоростью, инструмент и заготов­ка прижаты друг к другу так, что между ними остается очень тонкая пленка электролита. Разрушение анода осуществляется анодным растворением металла, а уда­ление образующейся на поверхности анода мало элек­тропроводной пленки производится краем инструмента. Прилагаемые для этого к инструменту механические усилия сравнительно невелики и ни в какое сравнение не идут с усилиями, прилагаемыми к инструменту при механической обработке. Так как основное разрушение материала анода осуществляется электрохимическим путем, таким способом можно обрабатывать самые твер­дые материалы.

Если поверхность заготовки неровная, то анодное растворение происходит в первую очередь на вершинах выступов, которые сглаживаются, и шероховатость по­верхности уменьшается. Следовательно, таким образом можно осуществлять шлифование изделий, получая зна­чения параметра шероховатости поверхности R_z=0,63÷0,020 мкм. Такого рода чистовая или отделочная об­работка проводится при малых плотностях тока (0,5— 10 А/см²). Если нужна высокая производительность, а качество поверхности не играет существенной роли (R_z= 160÷20 мкм), то можно повысить плотность тока вплоть до 100—500 А/см² (так называемая черновая анодно-механическая обработка). В этом случае нарав­не с анодно-механическим разрушением обрабатываемо­го металла возникает его эрозионное разрушение (рис. 4.10.) вследствие появления многочисленных точек контакта 3, в которых плотность тока достигает тысячи А/см². В этих местах возникают микродуги, металл сильно нагревается, плавится, частично испаряется и взрывообразно выносится из зоны обработки.

Рис. 4.10. Схема черновой анодно-механической обработки.

1 — заготовка; 2— пленка продуктов растворения; 3 — место контакта и пере­грева;
4 — инструмент; 5 — электролит.

Вследствие теплового эрозионного воздействия одно­временно с увеличением производительности снижается чистота обрабатываемой поверхности.

Разновидности зерновой анодно-механической обра­ботки выполняются с помощью металлического инстру­мента, причем скорость движения последнего относи­тельно заготовки достигает десятков метров в секунду.

Так как в зону обработки вводится большое количество энергии, происходит заметный износ инструмента, а в структуре поверхности обрабатываемого металла имеют место изменения, обусловленные тепловым воздействием.

При чистовой анодно-механической обработке, когда требуется получить поверхность изделий особо высокой чистоты, прибегают к разделению функций анодного растворения и удаления продуктов

Рис. 4.11.Схема чистовой анодно-механическо обработки с электропроводным катодом и неметаллическим притиром. 1 – катодные пластины; 2 – электролит; 3 – заготовка (анод); 4 – неметаллический брусок-притир

растворения. Первое осуществляется с помощью электропроводящих электро­дов— катодных пластин (рис. 4.11.), второе — неэлектро­проводящим притиром (деревянным, резиновым или пластмассовым бруском). Разновидностью чистовой анодно-механической об­работки является электроабразивная обработка. В этом случае в качестве инструмента вместо металлического диска применяют токопроводящие абразивные круги (рис. 4.12). Они изготавливаются из

смеси абразивных зерен 2 с металлическими порошками или графитом, придающими кругам электропроводность.

Другой разновидностью анодно-механической обра­ботки является электроалмазная обработка. При этом в качестве инструмента применяют металлические круги
с нанесенными на их поверхность алмазными зернами.

Рис. 4.12. Схема электроабразивной и электроалмазной обработок. 1 – токопроводящий абразив или металлический диск с алмазными зёрнами (катод); 2 – зёрна абразива или алмазные зёрна; 3 – электролит; 4 – заготовка.

В этом случае предотвращается металлический контакт инструмента с изделием, что позволяет повышать напряжение и плотность тока (до 300—500 А/см^2)

Рис. 4.13. Затачивание инструмента анодно-механическим способом

Рис. 4.14. Анодно-механическое хонингование. 1 – заготовка; 2 – хонинговальная головка; 3 – притирочные бруски; 4 – катодные пластины; 5 – электролит.

при очень малых зазорах (0,01—0,03 мм), обеспечивая высокую
производительность при высокой чистоте поверхности. Износ алмазного инструмента намного меньше, чем абразивных кругов.

Анодно-механические, электроабразивные и электро­алмазные методы обработки могут осуществляться на обычных, лишь слегка измененных шлифовальных стан­ках. С помощью этих методов можно осуществлять мно­гие операции, такие как разрезание заготовки диском или лентой, затачивание инструмента (рис. 4.13.), долбле­ние отверстий фигурного сечения, обдирка — черновое шлифование, плоское, круглое и отделочное шлифова­ние, притирочное шлифование (хонингование) (рис. 4.14.), профилированное точение.

Указанные виды анодно-механической обработки требуют источников питания постоянного тока с напря­жением от 2 до 16 В, и лишь для черновой анодно-меха­нической обработки используют напряжение до 36 В. В качестве источников питания ранее использовались механические выпрямители и низковольтные машинные генераторы постоянного тока. В последнее время полу­чили распространение полупроводниковые выпрями­тели.

Правила техники безопасности при эксплуатации станков для анодно-механической обработки те же, что и при обычном шлифовании и полировании. Необходи­мы местные защитные приспособления для защиты рук от повреждений быстро вращающимися частями стан­ков, местная вентиляция, в ряде случаев — защитные очки.

Дата добавления: 2014-10-22