Анодная электрохимическая обработка

В случаях, когда требуется не нарастить плёнку металла на поверхности изделия, а, наоборот, снять с его поверхности лишний металл для очистки поверхности (травления), придания ей гладкости (полирование) или для изменения его формы (анодная обработка), изделие соединяют с положительным полюсом источника питания электрической ванны, т. е. оно становится анодом. Анодная электрохимическая обработка основана на использовании явлений, возникающих при прохождении электрического тока через растворы электролитов.

В электролитах молекулы вещества распадаются на ноны - электрически заряженные частицы, которые являются носителями электрических зарядов. Например, при растворении в воде молекул хлористого натрия в растворе присутствуют ионы Na⁺, ионы Cℓ^– и ионы растворителя Н⁺, ОН^– (рис.5.2). Если к металлическим электродам, погруженным в ванну I с раствором 2, приложить разность потенциалов, то положительно заряженные ионы (катионы) будут двигаться к отрицательно заряженному электроду 5 (катоду), а отрицательно заряженные ноны (анионы) – к положительному электроду 3 (аноду). Электрическая цепь замкнется. При этом носителями электрических зарядов являются ионы. Процесс протекает на границе металл-элекролит. Электроны, поступающие от источника питания 4 к катоду, вступают в реакцию с катионами водорода, образуя атомы водорода, которые объединяются в молекулы и в виде пузырьков газа уходят из раствора, Электроны анода движутся к источнику питания, а оставшиеся положительные некомпенсированные заряды (ионы металла) переходят в электролит. В электролите ионы металла через промежуточные соединения FeCl₂ связываются с ионами гидроокиси ОН^–, образуя гидрат окиси металла Fe(OH)₂, который плохо растворяется в воде и выпадает в осадок 6. Масса анода 3 убывает.

Рис.5.2. Схема анодной электрохимической обработки

Количество металла Q_м, удаляемое с поверхности анода, можно определить по первому закону Фарадея

Q_м = k_э·I t, (5.1)

где k_э – массовый электрохимический эквивалент; I – сила тока; t – время обработки.

Эта формула справедлива при условии, что все подводимое электричество расходуется на растворение металла. Однако часть электричества расходуется на различные побочные процессы, например, на аноде могут выделяться газообразный кислород и хлор. Поэтому фактически удаленная при данном количестве электричества масса металла m_ф оказывается меньше расчетной m_р. Отношение этих масс равно коэффициенту выхода металла по току: Для процессов электрохимической обработки величина выхода металла по току колеблется в пределах от 0,3 до 1,0. С учетом этого коэффициента количество металла, удаляемое с поверхности анода, равно

Q_М = η k_э·I t. (5.2)

Электрохимическая обработка (ЭХО) заключается в копировании формы инструмента-катода 1 в аноде-заготовке 2 (рис.5.3).

Рис.5.3. Схема размерной электрохимической обработки

Вначале процесса (рис.5.3,а) отдельные участки катода располагаются значительно ближе к заготовке (аноду) и через них за счет меньшего сопротивления электролита проходит ток большей величины. В результате находящиеся здесь участки заготовки подвергаются анодному разрушению быстрее, чем в других местах. В конце обработки (рис.5.3,б), когда анод приобретает отображенную форму катода, плотность тока выравнивается по всей поверхности. Повышение точности обработки обеспечивается конструкцией инструмента, поддержанием малых межэлектродных зазоров (до 0,02 мм) и выбором оптимального состава электролита. Для удаления образующихся продуктов из зоны обработки электролит прокачивают через межэлектродный промежуток с высокой скоростью (до 60 ).

Технологический показатель ЭХО не зависит от твёрдости, вязкости, теплофизических характеристик обрабатываемого материала, поэтому имеется возможность обрабатывать заготовки в закаленном состоянии.

На производительность процесса и шероховатость поверхности оказывают влияния химический и физический состав материала заготовки и состав электролита. Для большинства подвергаемых ЭХО сталей и сплавов применяются электролиты на основе хлорида или нитрата натрия. При ЭХО отсутствуют факторы, способные вызывать остаточные механические напряжения в поверхностном слое, однако, в определенных условиях возможно образование дефектов в виде межкристаллитного растравливания. С повышением плотности тока на поверхности анода шероховатость поверхностного слоя снижается, т.е. с повышением производительности улучшается качество поверхностного слоя. Эта особенность выгодно отличает ЭХО от других методов обработки.

Одним из существенных недостатков ЭХО является повышенный расход электроэнергии, во много раз больший, чем при резании (до 150 раз). Это вызвано тем, что удаление материала происходит на ионном уровне. Поскольку ЭХО представляет собой процесс копирования формы катода, для нее характерно получение сложных трехмерных поверхностей в результате простого поступательного перемещения инструмента. ЭХО применяется для изготовления и доводки деталей пресс-форм, штампов из трудно обрабатываемых материалов; вырезки, калибровки и доводки сложных по форме полостей и отверстий в заготовках; маркировки и нанесения знаков; разрезание заготовок с получением чистого, без заусенцев, среза и в других случаях, где преимущества этого способа проявляются наиболее полно.

Оборудование ЭХО состоит (рис.5.4) из станка 3, на котором непосредственно производится обработка заготовки 6; источника тока 1 большой мощности с токоподводами 2 к инструменту и заготовке; системы контроля и управления работой станком 4; вспомогательных устройств 5 для подачи электролита, его очистки и хранения, подогрева и охлаждения. Такой большой комплекс устройств предопределяет сложность оборудования ЭХО и, как следствие, их высокую стоимость, трудность в эксплуатации и потребность в значительных производственных площадях.

Рис.5.4. Схема установки ЭХО

По уровню автоматизации станки разделяются на три группы: 1 –автоматические; 2 – полуавтоматические; 3 – с элементами автоматизации.

Особенность первой группы станков является автоматический цикл обработки и наличие загрузочного устройства. Из-за сложности управле­ния процессом ЭХО и высокой стоимости оборудования этот метод применяется преимущественно в условиях серийного и массового производства.