Электрохимическое шлифование

Содержание

 

 

Введение

 

На существующем этапе технологии важнейшим из критериев обработки деталей, выполненных труднообрабатываемых материалов является электро-шлифование токопроводящими алмазными и абразивными кругами. Данный метод обуславливает повышение эффективности производительности труда, снижение затрат и производства, при достижении высоких эксплуатационных свойств обработанных деталей.

Шлифование электрохимическое абразивными кругами на основе металлических связках представляет собой сложный комбинированный процесс, при котором удаляемый слой металла снимается в результате следующих  производственных процессов:

- электроэрозионных явлений;

- анодного растворения;

- механического резания абразивными зернами.

 

В процессе воздействия электролитов возникает процесс сорбционное понижение прочности обрабатываемого материала в результате снижения  межфазной поверхностной энергии. Под воздействием электрического тока в зазоре происходит анодное расплавление поверхности детали. Так как, сплошной контакт контактирующих поверхностей инструмента и детали отсутствует, имеется выступание отдельных зерен алмаза между поверхностью детали и инструментом образуется зазор. В результате, поверхностный слой при электрохимическом шлифовании получается, вследствие электрохимического процесса и работы круга, образуемой зернами алмаза. Зерна алмаза удаляют металлический слой анодного растворения и срезают обрабатываемый материал, а также разрушают и удаляют пленку окислов металла, образующуюся на поверхности детали.

 

1 Описание  процесса преимущества и недостатки

 

Известно несколько  методов абразивно-алмазного шлифования с одновременным воздействием электрохимических процессов на обрабатываемую деталь и инструмент. При изменении полярности электродов (круг - анод, деталь - катод), т., е. так называемой обработки на обратной полярности, происходит растворение металлической связки круга. Процесс характеризуется интенсивным самозатачиванием, снижением силы резания, температуры, вследствие чего производительность обработки возрастает. Износ кругов в этом случае существенно увеличивается. Для шлифования деталей из твердых сплавов применяются только алмазные круги, а из жаропрочных сплавов, нержавеющих и конструкционных сталей - алмазные и реже абразивные круги на металлических связках. В качестве источников тока применяются те же выпрямители, что и при электрохимическом шлифовании. Напряжение источника тока 3-5 В.

Использование абразивных кругов на металлической связке возможно при шлифовании с непрерывной электрохимической правкой круга. В этом случае устанавливается дополнительно катод, который разрушает связку. Преимуществом этого метода шлифования является отсутствие трения связки с обрабатываемой поверхностью. Для этой же цели иногда используют реверсивный источник питания, дающий обратную полуволну. Известно использование электронейтрального абразивного инструмента, в котором электрохимический и механический процессы разнесены в пространстве. Электрохимический съем с поверхности детали осуществляется в этом случае дополнительным кругом. Все разновидности методов обработки с использованием анодных процессов могут весьма эффективно использоваться в промышленности.

Если электрохимический съем значительно преобладает над механическим, процесс по результатам воздействия на обработанную поверхность близок к электрохимической размерной обработке в проточном электролите. В этом случае процесс можно считать холодным, а обработанную поверхность свободной от дефектов механической обработки. В случае преобладания механического съема качество обработанной поверхности приближается к результатам алмазного шлифования.

При этом используется вращающийся  металлический инструмент цилиндрической формы, который поступательно движется вдоль заготовки 2 со скоростью (рис. 1).

Рисунок 1 - Схема шлифования

1 – электрод - инструмент; 2 – заготовка.

 

Это окончательная операция при изготовлении пакетов пластин из магнитомягких материалов, когда при обработке недопустимы механические усилия, а также для изготовления деталей из вязких и прочных сплавов.

 

Электрофизические и  электрохимические способы изготовления деталей имеют ряд существенных преимуществ перед традиционными методами. К ним можно отнести:

- высокая точность;

- большая производительность  электрохимической размерной обработки;

- хорошее качество  поверхности.

 

Однако технологи хотели бы, чтобы существовали методы обработки, содержащие все вышеперечисленные достоинства. [1]

С этой целью стали оптимизировать процессы путем комбинации известных методов, усиливая их положительные черты. Большинство известных комбинированных методов обработки предложено, исследовано и применено в производстве советскими учеными и инженерами.

При совместном использовании анодного растворения металла с воздействием абразива – (анодно-абразивная обработка) – на обрабатываемую поверхность, твердые частицы (абразивные зерна или наполнитель) повреждают пленку, активируя тем самым процесс электрохимической обработки. Размеры абразивных зерен, определяющие межэлектродный зазор, как правило, не превышают десятых долей мм. При таких малых зазорах плотность тока будет значительно больше, чем в случае размерной ЭХО. Резко возрастает скорость съема металла в зоне действия абразивных зерен инструмента.

Кроме того, часть припуска удаляется механическим шлифованием. В отличие от обычного шлифования при анодно-абразивной обработке (ААО) на поверхности заготовки не образуется более прочный наклепанный слой, а производительность шлифования повышается.

Следовательно, интенсивность  съема металла при анодном  растворении возрастает вследствие механического удаления пассивирующей  пленки и ускорения процесса выноса продуктов обработки из зазора, а  электрохимическое растворение  части металла, в свою очередь, способствует повышению скорости механического шлифования. Кроме указанных составляющих съема металла при малых зазорах может иметь место электроэрозионный процесс.

 

2. Разновидности  анодно-абразивной обработки

 

Различают несколько  разновидностей использования анодно-абразивной обработки:

1) абразивнонесущим токопроводящим  инструментом;

2) электронейтральным  инструментом и свободным абразивом.

В первом случае инструмент имеет форму кругов, брусков, применяемых  при механическом шлифовании или повторяющих форму обрабатываемых участков детали.

Однако во всех случаях  связка абразивного инструмента  должна быть электропроводной.

Различают электро-абразивное и электро-алмазное шлифование, полирование, притирку.

Рисунок 2 - Схема анодно - абразивного шлифования

1 – абразивное зерно; 2 – инструмент (круг); 3 – заготовка.

 

При шлифовании инструмент 2 выполнен в форме абразивного  или алмазного круга на металлической  связке. Абразивные зерна 1 могут быть равномерно распределены по всему объему инструмента 2 или располагаться только на его поверхности (рис. 2).

Алмазные зерна обычно закрепляют в форме кольца на внешней  окружности инструмента или вдавливают их в наружную поверхность оправки. Инструмент 2 и заготовку 3 подключают к полюсам источника питания.

В процессе обработки  инструмент вращают и подают на врезание со скоростью .

Межэлектродный зазор S ограничен выступанием зерен абразива 1, поэтому нет необходимости применять сложные следящие системы для поддержания постоянных зазоров.

Электролит подают поливом  на поверхность, либо прокачивают через внутреннюю полость инструмента. В последнем случае он должен иметь поры для протекания жидкости. Благодаря вращению инструмента электролит протекает через зазор со скоростью до 15...20 м/с.

Следовательно, в пространстве между инструментом 2 и заготовкой 3  имеются все условия для интенсивного процесса ЭХО: малые зазоры, достаточная скорость протекания электролита, возможность протекания тока.

Выступающие зерна в  зависимости от усилия прижима инструмента к заготовке удаляют как срезаемый материал заготовки, так и продукты анодного растворения.

Во втором случае, когда  используют диэлектрический абразивный круг 1, то напряжение подают на специальный электрод-инструмент 3. Такую разновидность метода называют ААО электронейтральным инструментом (рис. 3).

Рисунок 3- Схема анодно-абразивного шлифования электронейтральным инструментом

1 – абразивный круг; 2 – заготовка; 3 – электроинструмент.

 

Он может применяться  для шлифования, полирования, притирки, хонингования, суперфинишных операций.

Здесь уже необходимы специальные устройства для поддержания зазора между электродом-инструментом 3 и заготовкой 2.

С этой целью обычно используют диэлектрические упоры. При шлифовании абразивный инструмент (круг) 1 имеет скорость до 25...30 м/с.

Круг и электрод-инструмент 3 подают к заготовке 2 со скоростью  . Электролит поступает через зазор со скоростью .

Процесс съема металла протекает за счет абразивного съема и анодного растворения.

При операции притирки вместо абразивного инструмента может  применяться притир из пластмассы или  дерева. Притир служит только для механического  удаления пленки оксидов с обрабатываемой поверхности и способствует ускорению процесса анодного растворения заготовки.

При ААО несвязанным  абразивом абразивные зерна не связаны  с заготовкой или инструментом. Их называют свободными. Зерна могут и не иметь абразивных свойств, тогда их называют наполнителем.

Рисунок 4 - Схема анодно-абразивной обработки свободным абразивом

1 – заготовка;  2 –  свободный абразив;  3 – инструмент.

 

Абразивные зерна или наполнитель 2 вместе с электролитом подают в зазор между токопроводящим инструментом 3 и заготовкой 1 (рис. 4).

Абразив перемещается инструментом со скоростью  , удаляет часть припуска и вместе с электролитом выносит продукты анодного растворения из зазора. Требуемый зазор поддерживается абразивными зернами, находящимися между инструментом 3 и заготовкой 1.

Если необходимо только удалить  пленку, вызывающую пассивацию обрабатываемой поверхности, применяют наполнитель из фарфоровых, стеклянных или пластмассовых шариков, диаметр которых меньше заданного значения зазора между инструментом и заготовкой.

Рисунок 5 - Схема подачи наполнителя к заготовке

1 – сопло;  3 – дозатор;  2 –  наполнитель;  4 – заготовка.

 

Если область обработки удалена  от инструмента, то наполнитель 2 могут подавать струей электролита или посредством центробежных сил, возникающих при вращении заготовки, например, крыльчатки вентилятора или колеса насоса.

При подаче наполнителя струей электролит прокачивают со скоростью  через сопло 1. В струю из дозатора 3 вводят наполнитель 2, который приобретает скорость и транспортируется струей к обрабатываемой поверхности заготовки 4 (рис 5).

Для повышения электропроводности среды наполнитель может быть изготовлен из токопроводящих материалов: шариков из металла или графитовых композиций. Перед повторным использованием электролит отделяется от наполнителя (например, с помощью сита).

 

3. Инструмент и оборудования для электрохимического шлифования

 

Работоспособность инструмента  характеризуется

- стойкостью,

- удельным износом алмазов,

- удельной объемной производительностью,

- интенсивностью съема, стоимостью съема единицы массы или объема материала и т. д.

Все эти показатели определяются характеристиками инструмента - связкой, жесткостью и величиной зерна, концентрацией алмазов в единице объема режущей части круга.

Связка при электрохимическом шлифовании круга должна обладать высокой электропроводностью и высокой катодной стойкостью при электролизе, что обеспечит высокую стойкость инструмента. Также связка должна обеспечить самоудаление затупившихся зерен алмазов. На таких связках употребляются алмазные круги Мб, М5-4, М5-2, М5-6, М5-5, ТМ2, МО13Э и др.

Размер зерна определяет показатель межэлектродного зазора и объем электролита, поступающего в зону обработки. Выбор структуры зерна круга осуществляется исходя из скорости электрохимического растворения, котоая возрастает с уменьшением межэлектродного зазора. Таким образом, с уменьшением размера зерен, затрудняется доступ электролита в зону обработки и возникает вероятность образования локальных пробоев межэлектродного промежутка. Зернистость круга также воздействует и на шероховатость обработанной поверхности. Используется широкий  диапазон зернистости 80/63-160/125. Концентрация зерен в алмазном круге определяется соотношением объема зерна и количества связки.

Таким образом, при электрохимическом шлифовании съем металла с поверхности происходит в результате одновременного протекания процессов анодного растворения, резания зернами шлифовальных кругов и электроэрозии. В зависимости от требований обработки электрохимическое шлифование позволяет регулировать долю съема металла за счет того или иного процесса. Однако основная доля металла снимается в результате процессов анодного растворения.