Технічні характеристики ЭХРО

Процес формоутворення поверхні деталі відбувається таким чином. На початку обробки ділянки профілю інструменту розташовані на різних відстанях від поверхні деталі. Від цих відстаней (зазорів) залежить величина струму, що протікає через кожну локальну ділянку інструменту і деталі. Чим менше зазор, тим більше щільність струму, а, отже, і швидкість анодного розчинення ділянки деталі. В результаті зазори між електродами вирівнюються, поверхня деталі набуває форми інструменту (див. мал. 2.2).

Електрод-інструмент для ЭХРО виготовляють з металів з достатньо хорошою электропроводимостью і високою стійкістю проти корозії (наприклад, з міді, латуні, титану, коррозионностойкой стали і т.д.). Для кращої локалізації процесу неробочі ділянки інструменту ізолюють діелектричними матеріалами (епоксидними смолами, поліпропіленом і ін.).

Процес електрохімічного формоутворення поверхонь може здійснюватися з нерухомими або рухомими електродами, з односторонньою або двосторонньою обробкою деталі.

Продуктивність процесу оцінюють по кількості матеріалу, що знімається з оброблюваної поверхні в одиницю часу. Згідно закону Фарадея швидкість питомого знімання буде прямо пропорційна електрохімічному еквіваленту матеріалу , що розчиняється , виходу цього матеріалу по струму і анодній щільності струму:

(2.6) Qa=a

Вихід по струму визначається як відношення дійсної кількості розчиненої речовини до того, яке повинне було б розчинитися, якби важ струм витрачався тільки на реакцію розчинення, виключаючи можливі побічні реакції. Значення зазвичай знаходиться в межах 0,4-1,0.

Електрохімічний еквівалент сплаву підраховують по формулі:

(2.7)

де Аi - процентний вміст i-го елементу в сплаві; - його електрохімічний еквівалент; N - число компонентів сплаву. Згідно закону Фарадея і Ома практичну лінійну швидкість (інтенсивність знімання металу Vпр (мм/мін), рівну швидкості подачі катода-інструменту Vк, розраховують по рівнянню:

 

(2.8)

де U - напруга, що подається на електроди (заготівку і інструмент), В; - падіння напруги на міжфазових межах між електродами і електролітом. У; - локальний міжелектродний зазор, мм; у якому вектори , співпадають і рівні; - питома электропроводимость електроліту, 0м-1, см-1; -объемный електрохімічний еквівалент, мм3 /(А мін); - вихід по струму.

В цілях забезпечення стабільності процесу і високої якості обробки з міжелектродного проміжку (МЭП) за рахунок руху електроліту безперервно видаляють газоподібні і нерозчинні продукти електрохімічних реакцій.

Інтенсивний обмін розчину необхідний також для відведення тепла, що виділяється при нагріві електроліту в робочій зоні. Процес йде нормально, якщо перепад температур по довжині МЭП не перевищує 10--15 ^oС, для чого необхідно забезпечити витрату розчину 0,3-35 см3 /с на 1А технологічного струму.

Для визначення необхідних значень витрати F і швидкості перебігу розчину електроліту в зазорі w користуються формулами:

 

(2.9)

 

(2.10)

де - температурний коефіцієнт питомої электропроводимости; l- довжина міжелектродного проміжку; I - струм; - перепад температури по довжині МЭП; Се - питома теплоємність розчину електроліту; iа - щільність анодного струму; - щільність електроліту.

Досяжна швидкість обробки при ЭХРО визначається граничною анодною щільністю струму, яка лімітується мінімальним зазором, досяжним за умовами видалення продуктів процесу, нагріву електроліту і можливістю електричного пробою проміжку. Видалення анодних продуктів полегшується, якщо траса протоки електроліту невелика і міжелектродний зазор рівномірний. Для кожної величини зазору існує своя оптимальна швидкість електроліту, при якій досягається максимальна продуктивність процесу. При ЭХРО вдається досягти щільності струму до (200-500) А/см2, що забезпечує швидкості знімання до 8-10 мм/мін. для широкого діапазону оброблюваних матеріалів.

Точність обробки залежно від складності профілю і його розмірів зазвичай знаходиться в межах 8-11 квалитета (0,1-0,4 мм). Підвищення точності ЭХРО в даний час є найбільш важливим завданням, рішення якого дозволить повністю реалізувати високі показники процесу, особливо в приладобудуванні. Останнім часом для підвищення точності ЭХРО до 7-8 квалитета (до 0,02-0,1мм) застосовують вібрацію електроду-інструменту, імпульсний технологічний струм, введення в електроліт різних газів, стабілізацію параметрів процесу, коректування інструментів і інші методи.

Шорсткість поверхні, отриманої після ЭХРО залежить від багатьох чинників, основними з яких є: хімічний склад і структура оброблюваного матеріалу; склад, температура і ступінь очищення електроліту; щільність струму; величина міжелектродного зазору і припуск матеріалу, що видаляється з поверхні заготівки; швидкість і стабільність руху електроліту в зазорі.

Зі всіх перерахованих чинників найбільший вплив на шорсткість надає склад, температура і швидкість подачі електроліту, і щільність струму.

Залежно від умов розчинення і матеріалу деталі шорсткість поверхні змінюється в широкому діапазоні від Rz = 10-40 мкм до Rz = 0,1-0,8 мкм. При оптимальному режимі розчинення шорсткість зазвичай знаходиться в межах Rа=0,32-2,5 мкм (Rz =10-1,6).

Як вже наголошувалося, при ЭХРО на поверхні відсутні залишкові напрузі і шар, що наклепує. Проте в окремих випадках можливе зниження якості поверхневого шару із-за роз'ятрення матеріалу по межах зерен. До найбільшого роз'ятрення схильні сплави на основі нікелю і у меншій мірі сплави на основі заліза. Глибина роз'ятрення збільшується з підвищенням температури електроліту і зменшенням щільності струму, змінюючись від 0,007 до 0,06 мм. Проте, існує критична щільність струму, вище за яку роз'ятрення не спостерігається, так наприклад, для нікелевих сплавів вона лежить в межах (18-60) А/см2.

Устаткування і технологічні операції ЭХРО

Найбільш поширені електрохімічні верстати по своїй структурі дуже близькі до електроерозійних копировально-прошивочним верстатів і включає: механічну частину, джерело технологічного струму (ИТТ), систему автоматичного регулювання процесу і гідросистему. Проте специфіка ЭХРО (застосування агресивних розчинів, подача електроліту під тиском і т.д.) висуває ряд приватних вимог до елементів верстата таких як: підвищена жорсткість механічної частини, необхідність корозійного захисту, герметизація робочої камери і ін. Структурна схема електрохімічного верстата показана на рис, 2.5.

Механічна частина верстата забезпечує установку і кріплення електроду-інструменту і деталі, а при необхідності має пристрій відносного переміщення електродів. Для захисту елементів верстата і оператора від бризок і пари електроліту зона обробки захищена робочою камерою, з якої щоб уникнути вибуху в процесі обробки віддаляються продукти анодного розчинення: водень і кисень. ИТТ - зазвичай джерело постійного струму, який складається із знижувального трансформатора, випрямляча і системи захисту електродів від короткого замикання. Відмітною особливістю джерел є значне струмове навантаження (до 25 кА і більш) при щодо низькій вихідній напрузі (від 5 до 35В). Гідросистема установки включає місткість для електроліту, насос високого тиску, систему очищення електроліту від шлаку і забруднень і систему стабілізації температури і рН електроліту.

Мал. 2.5. Структурна схема електрохімічного верстата.

Копировально-прошивочные операції використовуються для виготовлення складних поверхонь, різних отворів і пазів в деталях приладів. Особливість операцій - копіювання на заготівці форми інструменту при його простому поступальному переміщенні. Швидкість знімання металу: 0,3-10 мм/мін, шорсткість поверхні Rа =2,5-0,16 мкм, точність обробки 8-11 квалитет (0,1-0,4 мм). Обробка крізних отворів здійснюється порожнистим електродом, зовнішня бічна поверхня якого ізольована для оберігання від роз'ятрення бічної поверхні отвору (див. мал. 2.6 а). За допомогою ЭХРО виготовляють отвори діаметром від 0,6-20 мм завглибшки до 40% мм. Для здійснення перерахованих операцій застосовуються універсальні копировально-прошивочные верстати мод. 4421; 4422; 4423; 4А423ФЦ і ін.

Електрохімічне профільне фрезерування (мал. 2.6 б) - обробка проводиться дисковим електродом-інструментом (1), що обертається, на периферійній циліндровій поверхні якого нанесений негативний профіль деталі (2). Електроліт нагнітається в зазор за рахунок обертання інструменту, окружна швидкість якого складає 20-30 м/с. Точність виготовлення різних профільних виробів лежить в межах 7-8 квалитета (0,01-0,03мм) шорсткість поверхні Ra = 2,5-0,16 мкм залежно від оброблюваного сплаву, електроліту і режиму обробки. Якщо профільний електрод замінити на дисковий з бічними ізольованими стінками, то можна здійснювати операцію розрізання.

Електрохімічне точіння використовується при обробці тіл обертання при цьому на супорті верстата замість різця закріплюється катод--інструмент, що має форму, близьку до форми деталі.

Мал. 2.6. Операції розмірної електрохімічної обробки:

а- прошивка отворів, б- електрохімічне фрезерування, в- обробка непрофільованим електродом-інструментом, г- зняття задирок:

1- інструменту-катода, 2- заготівки, 3- сопла, 4- шайби для створення противодавления, 5- струменя електроліту, 6- робочий стіл, 7- електроізоляційне покриття.

Електрохімічна обробка не профільованим інструментом (дротом, стрижнем (див. мал. 2.6 в)) застосовується при виготовленні фасонних поверхонь деталей, отворів, пазів (зокрема глухих), а також для чистових операцій розрізання. Електрод-дріт (1) або стрижень нерухомий, уздовж якого про допомогою сопла (3) подається з швидкістю до 50 м/с струмінь електроліту круглого перетину (5). При складно контурному вирізуванні траєкторія руху деталі (2) щодо інструменту задається за допомогою пристроїв ЧПУ. Процес забезпечує швидкість різання 0,5-10 мм/мін, точність обробки 7-8 квалитет (0,02-0,06 мм). Електрохімічне зняття задирок, округлення кромок (мал. 2.6 г) здійснюється при зазорі між електродами 0,3-5 мм щільності анодного струму 5-25 А/см2, напрузі на електродах (6-15) В і тиску електроліту 0,01-0,8 Мпа, час обробки 0,1-5 мин. Після видалення задирок проводиться промивка деталей водою з метою видалення продуктів електрохімічних реакцій і залишків електроліту, а також пасивація і сушка деталей. Пасивація зазвичай здійснюється у водному розчині, що містить 3% NaNO3, 0,5% NaCO3, 10 % хромпика, за час 10-30 з.

3. ХІМІЧНЕ ФРЕЗЕРУВАННЯ (КОНТУРНЕ ТРУЄННЯ)

 

Суть процесу хімічного фрезерування полягає в регульованому видаленні матеріалу з поверхні заготівки розчиненням його в травителе за рахунок хімічної реакції. Ділянки заготовки, неналежні розчиненню, покривають захисним шаром хімічно стійкого матеріалу.

Швидкість знімання багатьох матеріалів складає до 0,1 мм/мін.

Переваги процесу:

· висока продуктивність і якість обробки

· можливість отримання деталей складної конфігурації як малою так і значної товщини (0,1-50) мм;

· малі енергетичні витрати (переважно використовується хімічна енергія);

· короткий цикл підготовки виробництва і простота його автоматизації;

· безвідходна за рахунок регенерації продуктів процесу.

В процесі обробки знімання матеріалу може проводитися зі всієї поверхні заготівки, на різні глибини або на всю товщину деталі (крізне фрезерування). Хімічне фрезерування включає наступні основні етапи: підготовку поверхні заготівки; нанесення захисного шару малюнка; хімічне труїть; видалення захисного шару і контроль якості виробів (см.рис.3.1).

Підготовка поверхні - це очищення її від органічних і неорганічних речовин, наприклад, за допомогою електрохімічного знежирення. Ступінь очищення визначається вимогами до подальших операцій.

Нанесення захисного шару малюнка здійснюється способами: ручною і механізованою гравірування по хибному (лаковому, восковому) шару, способом ксерографии, трафаретної, офсетної, а також фотохімічного друку.

У приладобудуванні найбільше застосування отримав спосіб фотохімічного друку, який забезпечує малі розміри виробів і високу точність. В даному випадку для отримання захисного шару заданої конфігурації використовують фотошаблон (фотокопія деталі в збільшеному масштабі на прозорому матеріалі). Як захисний шар застосовують рідкі і плівкові фоторезисты, що володіють світлочутливістю. Рідкі, найбільш освоєні в промисловості, вимагають високої якості очищення поверхні заготовок. Для нанесення їх на поверхню використовують один із способів: занурення, поливши, розпилювання, центрифугування, накочення валяннями, напилення в електростатичному полі. Вибір способу залежить від типу виробництва (безперервне нанесення або на окремі заготовки); вимог до товщини і рівномірності утворюваної плівки, які визначають точність розмірів малюнка і захисні властивості резиста.

Мал. 3.1. Загальна схема технологічного процесу хімічного фрезерування.

Фотохімічний друк захисного малюнка окрім операції нанесення фоторезиста і його сушки, включає операції експонування шару фоторезиста через фотошаблон, прояв малюнка і дублення захисного шару. При прояві певні ділянки шару фоторезиста розчиняються і віддаляються з поверхні заготівки. Шар фоторезиста, що залишився, у вигляді малюнка, визначеного фотошаблоном, після додаткової термічної обробки - дублення - служить захисним шаром при подальшій операції того, що хімічного труїть.

Операція того, що хімічного труїть визначає остаточну якість і вихід придатної продукції. Процес того, що труїть протікає не тільки перпендикулярно поверхні заготівки, але і убік (під захисний шар), що знижує точність обробки. Величину затруювання оцінюють через чинник того, що труїть, який рівний , де Нтр - глибина того, що труїть, е - величина затруювання. Швидкість розчинення визначається властивостями оброблюваного металу, складом розчину, що труїть, його температурою, способом подачі розчину на поверхню, умовами відведення продуктів реакції і підтримкою властивостей розчину, що труять. Своєчасне припинення реакції розчинення забезпечує задану точність обробки, яка орієнтування складає 10% від глибини обробки (труять).

Широке застосування в даний час знаходять травители на основі солей з аміном - окислювачем, серед яких найчастіше використовують хлор, кисневі з'єднання хлора, бихромат, сульфат, нітрат, перекис водню, фтор. Для міді і її сплавів, ковара, стали і інших сплавів найбільшого поширення набули розчини хлорного заліза (FeCl3) з концентрацією від 28 до 40% (вагових) і температурою в межах (20 - 50) З, які забезпечують швидкість розчинення (20 - 50) мкм/мин.

Серед відомих способів ті, що труять розрізняють занурення заготівки в спокійний розчин; у перемішуваний розчин; наприскування розчину; розпилювання розчину; струменеве труїть (горизонтальне або вертикальне). Кращу точність обробки забезпечує те, що струменеве труїть, яке полягає в тому, що розчин, що труїть, під тиском через форсунки подається на поверхню заготівки у вигляді струменів.

Контроль якості деталей включає візуальний огляд їх поверхні і вимірювання окремих елементів.

Процес хімічного фрезерування найбільш вигідний при виготовленні плоских деталей складної конфігурації, які у ряді випадків можуть бути отримані і механічним штампуванням. Практикою встановлено, що при обробці партій деталей в кількості до 100 тис. вигідніше хімічне фрезерування, а понад 100 тис. - штампування. При дуже складній конфігурації деталей, коли неможливе виготовлення штампу, застосовується тільки хімічне фрезерування. Слід враховувати, що процес хімічного фрезерування не дозволяє виготовляти деталі з гострими або прямими кутами. Радіус закруглення внутрішнього кута повинен бути не меншого половини товщини заготівки S, а зовнішнього кута - більше 1/3 S, діаметр отворів і ширина пазів деталей повинні бути більше 2 S.

Метод знайшов широке застосування в електроніці, радіотехніку, електротехніку і інших галузях у виробництві друкарських плат, інтегральних схем, при виготовленні різних плоских деталей з складною конфігурацією (плоских пружин, растрових масок для кінескопів кольорових телевізорів, масок з малюнком схем, використовуваних в процесах термічного напилення, сіточок для бритв, центрифуг і інших деталей).

4. УЛЬТРАЗВУКОВА РОЗМІРНА ОБРОБКА (УЗРО)