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 лектрохимическое 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.

Проведенные исследования по электрохимическому шлифованию твердосплавных хромоникелевых покрытий (ПГ-СР2, СНГН), полученных газотермическим напылением, позволили выбрать способ шлифования, шлифовальные круги, электролиты и оптимальные параметры режима обработки.

Электрохимическое абразивное шлифование рекомендуется проводить  кругами из абразивного материала карбида зеленого, алмазное - кругами из синтетических алмазов марки АСВ на связках M1, M5, МВ1 и зернистостью 80/63, 125/100.

Шлифование алмазными  кругами по сравнению с абразивными  повышает объемную скорость съема металла в 2-3 раза (до 1000 мм³/мин).

При шлифовании на прямой полярности (катод - круг, анод - деталь) скорость съема металла по сравнению  с обратной возрастает до 30% и почти  в 2 раза понижается удельный расход электроэнергии.

Если сравнивать электрохимическое  шлифование с обычным абразивным и алмазным, то первое повышает соответственно скорость съема металла в 5 и 2,3 раза.

Правку кругов на металлических  связках следует выполнять алмазно-металлическим  карандашом на токе обратной полярности. Важным преимуществом способа электрохимического шлифования является его универсальность, выражающаяся в широкой возможности выполнять одним и тем же кругом как предварительную, так и чистовую обработку с большой точностью и сравнительно высокой производительностью. Кроме того, ряд исследователей отмечают снижение остаточных внутренних напряжений и возникновение напряжений сжатия после электрохимического шлифования.

С точки зрения выбора режимов обработки твердосплавных покрытий электрохимический способ относится к числу сложных, поскольку  требуется подобрать оптимальный вариант одновременно действующих электрических, электрохимических, механических параметров. Кроме того, трудность выбора режимов обработки покрытий, нанесенных твердыми сплавами, состоит в том, что даже сплавы одной основы (железной или никелевой) имеют отличительные особенности обработки и требуют корректировки параметров режима.

В процессе электрохимического шлифования важную роль играет электролит. С одной стороны, выступающего электрохимические функции, так как электролит обеспечивает протекание химических и электрических реакций, с другой стороны, электролит, как и обыкновенная смазывающе-охлаждающая жидкость, используется для охлаждения обрабатываемой детали, облегчения резания, удаления продуктов растворения и шлама из рабочей зоны. Многообразие функций, выполняемых электролитом, обусловило и множество требований к нему. Так, состав электролита должен исключить возможность образования нерастворимых продуктов, которые пассивировали бы поверхность детали. Необходимо учитывать и электродную реакцию на катоде, ведущую к засаливанию инструмента.

Исходя из того, что при электрохимическом шлифовании используются значительные плотности тока, во избежание потерь энергии электролиты должны обладать высокой электропроводностью, хорошими смачивающими свойствами, что позволяет им лучше удерживаться на поверхности и попадать в требуемых количествах в межэлектродный зазор. Применяемые электролиты, не должны оказывать сильного коррозионного воздействия на оборудование и обрабатываемую деталь. Для снижения коррозионного воздействия в растворы электролитов добавляются ингибиторы коррозии. Электролит должен быть нетоксичным, дешевым и простым в приготовлении. В общем случае в состав электролитов входят основа электролита, комплексообразователь, поверхностно-активные вещества и ингибиторы коррозии.

В качестве основы электролитов, как правило, используют неорганические соли, водные растворы которых обладают высокой электропроводностью и обеспечивают протекание электрохимических процессов. Комплексообразователи способствуют стабилизации процесса анодного растворения, переводя образующиеся продукты реакции в растворимые соединения. Введение комплексообразователей позволило существенно упростить систему фильтрации электролита. В качестве ком-плексообразователя обычно используют натриевые или калиевые соли винной или лимонной кислот, фосфат натрия и т. д.

Поверхностно-активные вещества, как и при обычном шлифовании, адсорбируются на обрабатываемой поверхности, проникают в мельчайшие микроскопические трещины в материале, расклинивают его и облегчают работу алмазных или абразивных зерен по диспергированию. В качестве поверхностно-активных веществ, как правило, применяют стандартные смачиватели: ОП-7, ОП-10, триэтаноламин, олеиновую кислоту и т. д. В качестве ингибиторов коррозии применяют нитриты натрия или калия, йодистый калий, сегнетову соль, хроматы, бихроматы, фосфаты и т. д. По рекомендации Экспериментального научно-исследовательского института металлорежущих станков (ЭНИМС) в качестве ингибиторов в последнее время нашел применение глицерин. Электрохимическое шлифование осуществляется на станках, выпускаемых станкостроительной промышленностью. Для плоского шлифования предназначены станки ЗЭ730, ЗЭ731, ЗЭ754, для профильного шлифования-ЗЭ70В, для круглого шлифования - ЗЭ110, а для заточки режущего инструмента - ЗЭ667, 3672, 3626Э, 3653Э, 3623 и 3623Э. При отсутствии специального оборудования для электрохимического- шлифования могут быть модернизированы обычные станки. Модернизация в этом случае сводится к следующему:

а) электрическая изоляция шпиндельной группы от станины;

б) обеспечение скорости круга и подачи, особенно продольной, соответствующих режимам электрохимического шлифования;

в) обеспечение подвода постоянного тока к шпинделю и к детали от источника технологического тока;

г) установка системы подачи электролита, включающей насосы, бак емкостью 50-100 л, а также устройство для очистки электролита;

д) установка ограждения и защитных кожухов, предохраняющих станок и оператора от брызг электролита;

е) установка системы  отсоса паров электролита и специального моющего агрегата.

При электрохимическом  шлифовании применяются, как правило, круги на металлических связках, правка которых известными методами не обеспечивает приемлемых показателей как по производительности, так и по эксплуатационным свойствам. Требования к кругам после правки для электрохимического шлифования в основном не отличаются от требований к обычному алмазному инструменту (биение круга не должно превышать 0,01-0,02 мм). При повышенном биении круга возможны моменты кратковременного короткого замыкания, что приводит к порче поверхности круга и детали. Кроме того, при повышенном биении меняется режим течения электролита в зазоре, что, в свою очередь, отрицательно сказывается на качестве поверхности. Круги для электрохимического шлифования изготовляются, как правило, на токолроводящих металлических связках. Поэтому уравновешенность кругов имеет повышенное значение как с точки зрения режима работы станка, так и с точки зрения качества поверхности.

Для выбора метода правки алмазных кругов на металлических связках были проведены специальные исследования, в процессе которых были опробованы: правка абразивным кругом из карбида кремния зеленого, электрохимическая правка комбинированным электродом-инструментом, электрохимическая правка абразивным инструментом и электрохимическая правка алмазным металлическим карандашом. Следует заметить, что электрохимическая правка комбинированным электродом-инструментом и электрохимическая правка алмазно-металлическим карандашом относятся к методам правки током обратной полярности. В ряде случаев для правки круга и, особенно, очистки круга от засаливания используется катодный метод с помощью дополнительного электрода или специальной детали, устанавливаемой на станке. Работа происходит также при обратной полярности.

Оценку указанных методов  правки осуществляли по производительности правки (2, относительному объемному износу правящего инструмента ц, определяемому по соотношению величин объемов изношенной части, правящей части и снятого с круга слоя. Кроме того, с помощью микроскопа определяли число зерен на единице площади поверхности круга. Эксплуатационные свойства инструмента, подвергнутого правке, определяли при электрохимическом шлифовании твердого сплава ВК15 на одинаковых режимах.

Соотношение объемов  шлифовального материала, связки и  пор в абразивном инструменте  определяет структуру инструмента. Принято обозначать структуру номерами. Изменение объемной концентрации шлифовального  материала на 2% в инструменте соответствует переходу от одного номера структуры к другому номеру.

Для обдирочного  шлифования при съеме значительного  припуска (при предварительной обработке материалов с небольшим сопротивлением разрыву) рекомендуется использовать инструменты высоких номеров структур.

Для чистовой обработки, для обработки твердых и хрупких  материалов, при повышенных удельных нагрузках в зоне шлифования применяют круги с меньшими номерами структур. Рекомендации по выбору номера структуры абразивного инструмента.

Абразивные инструменты  зернистостью 125÷80 обычно изготовляют  со структурами 3 и 4, зернистостью 50, 40 - со структурами 5 и 6, зернистостью 25÷12 - со структурами 6 и 7. Круги высоких  номеров структур изготовляют высокопористыми: поры и капилляры в них сообщаются между собой за счет использования выгорающих порообразователей или газообразующих веществ. В характеристике высокопористых кругов дополнительно указываются данные о марке порообразователя, его зернистости и объемном содержании, %.

Таблица 1.1 – Выбор зернистости круга

4. Обработка деталей из магнитотвердых материалов

Электрохимическое шлифование является весьма эффективным методом обработки деталей из магнитотвердых материалов. Зерна алмазов или абразивов, врезаясь в поверхность со сниженными в результате электрохимического растворения физико-механическими свойствами, в основном выполняют не деформирующую функцию, а механически удаляют продукты электрохимической реакции. Естественно, что и стойкость инструмента в этом случае существенно выше и качество обработки лучше.

Исследование режущих  свойств кругов из различных абразивных материалов показало, что при электрохимическом шлифовании круги из карбида кремния зеленого обладают большей работоспособностью, чем круги из электрокорунда белого и обеспечивают шероховатость Rа = 0,164-6,08 мкм.

Электрохимическое шлифование деталей из магнитотвердых материалов характеризуется весьма малыми значениями скорости продольной подачи - не выше 0,5 м/мин - и значительными - до 2 мм - глубинами шлифования. В этих условиях на показатели процесса существенное влияние оказывает напряжение источника тока. Так, повышение напряжения с 5 до 30 В приводит к существенному снижению силовых показателей процесса вследствие увеличения электрохимической составляющей съема. Оптимальным рабочим напряжением источника тока при шлифовании абразивными кругами на металлических связках СЭШ-2 и М5-5 следует считать 10-16 В. Повышение напряжения сверх оптимального приводит к возникновению в зоне обработки электроконтактного и электроэрозионного процессов и вследствие этого повышению шероховатости обработанной поверхности. При пониженном напряжении электрохимическое шлифование становится процессом абразивного шлифования кругами, обладающими низкими режущими свойствами.

Недостаточная производительность процесса, быстрая потеря режущих свойств, приводящая к частым правкам высокопрочных, абразивных кругов на металлических связках, большой брак, вызванный работой существенно притупленных зерен карбида кремния зеленого и т. п., обусловили попытки отечественных и зарубежных исследователей применить для электрохимического шлифования круги из синтетических сверхтвердых материалов, в частности, из синтетических алмазов. Электрохимическое шлифование алмазными кругами обеспечивает в 1,5-2 раза большую производительность по сравнению с абразивными кругами. При этом, в отличие от шлифования абразивными кругами на металлической связке, установлено несущественное влияние свойств обрабатываемого материала и термической обработки на показатели процесса и на производительность.

Алмазные круги отличаются большей стойкостью, значительно дольше сохраняют высокие режущие свойства и обеспечивают более высокое, по сравнению с кругами из карбида кремния, качество обработки. Наилучшие результаты обеспечивают круги зернистостью 100/80-125/100 с алмазами марки АСВ.

Интенсификация производительности шлифования достигается путем увеличения скорости продольной подачи. Напряжение источника тока, определяющее в этих условиях роль электрохимического растворения, существенно влияет на показатели шлифования. Однако область оптимальных значений рабочих напряжений при шлифовании алмазными кругами по сравнению с абразивными на металлической связке значительно ниже и составляет всего 6-12 В.

Исследование Качества поверхностного слоя после электрохимического шлифования алмазными кругами показало, что поверхностный слой характеризуется пониженной микротвердостью и отсутствием макронапряжений. Электронно-микроскопические исследования показали отсутствие структурных изменений. Установлено также, что электрохимическое шлифование практически не влияет на магнитные свойства деталей (остаточную индукцию и коэрцитивную силу).