Основні закономірності процесу

Процес анодно-механічної обробки залежить від електричного режиму (густина струму, напруга) і механічних параметрів (тиск на оброблювану поверхню, швидкість руху інструменту).

Електричний режим визначає продуктивність процесу і якість обробленої поверхні. У загальному вигляді залежність між основним параметром електричного режиму, густиною струму і зніманням металу приведена на Рис. 3. Ділянки кривої відповідають трьом стадіям процесу обробки. При низькій щільності струму (ділянка а) оброблена поверхня виходить гладкою з висотою нерівностей менш 1мкм. При великій щільності струму (ділянка б) утворюється шорстка поверхня з висотою нерівностей 500 – 600мкм. При щільностях струму, які відповідають ділянці (в), спостерігається надмірний нагрів робочої зони, у зв'язку з чим імпульсність процесу порушується. Нагрів розповсюджується на значні ділянки
оброблюваної поверхні, виникає стаціонарна електрична дуга зі всіма супроводжуючими її ускладненнями.

Рис.3. Залежність зйому металу від густини струму.

Основна частина припуска видаляється при режимах ділянки (б), які забезпечують найбільшу швидкість знімання металу. Остаточна чистова обробка проводиться при режимах ділянки (а).

Призначення електричних режимів анодно-механічної обробки необхідно проводити з урахуванням припуска. Схема розподілу загального припуска по переходах для окремого випадку анодно-механічної обробки металевим катодом показана на Рис. 4.

Рис.4. Схема розподілу загального припуску z при роботі металевим електрод-інструментом.

z₁ – припуск на попередню обробку, z₂ – припуск на шліфування, z₃ – припуск на доведення.

 

Для якісної обробки припуск на доведення (на доводку) має бути рівний або навіть трохи перевищувати глибину дефектного шару, отриманого на попередньому переході.

Напруга джерела струму зазвичай складає 14 – 28В. Воно істотно впливає на швидкість утворення плівки і її міцність. Практично встановлено, що при напрузі 12 – 15В утворюється анодна плівка, яка володіє необхідною міцністю. Найбільш висока густина струму, що використовується при анодно-механічній обробці, досягається при напрузі близько 30В. Напруга вище 30 – 40в може привести до повного заповнення міжелектродного проміжку частками розплавленого металу, тобто до замикання інструменту і деталі. Крім того, при цьому збільшується небезпека ураження електричним струмом.

Величина напруги, яка підводиться до електродів, визначає силу струму, продуктивність і витрату енергії. Зв'язок цих величин для одного з видів анодно-механічної обробки – профілізації – показана на Рис. 5.

Рис. 5. Зв'язок величини робочої напруги з витратою електроенергії.

Крива на Рис. 5 може бути виражена параболічним рівнянням

, (1)

де U_p – напруга на електродах робочої зони у в; q₀ – мінімальна питома витрата електроенергії (для сталі q₀ = 1,13, для твердого сплаву q₀ = 2,83 у вт·хв/мм³).

Об'ємна продуктивність Q (мм³/хв) може бути визначена за формулою

. (2)

З формули (2) можна визначити продуктивність Q'( кг/хв)

, (3)

де ρ – густина матеріалу.

При анодно-механічній профілізації глибина дефектного шару (сітки мікротріщин)

мкм.

 

Вид струму, який використовується прианодно-механічній обробці, суттєво впливає на величину зйому металу. При змінному струмі знімання металу приблизно в 2 рази менше, ніж при постійному струмі тієї ж потужності. Якщо для живлення верстата застосовують випрямлений однофазний змінний струм після двонапівперіодного випрямлення (тобто пульсуючий струм), то швидкість знімання металу в порівнянні із здійснюваною на постійному струмі підвищується на 20 – 30%.

Тиск інструменту визначає величину міжелектродного зазору і пов'язаного з ним електричного опору. Залежність між тиском інструменту і міжелектродним зазором визначає величину знімання металу, силу струму і робочу напругу. Якщо тиск невеликий і недостатній для руйнування анодної плівки, сила струму дорівнює нулю, і знімання металу відсутнє. При зростанні тиску і зближенні електродів опір зазору зменшується, сила струму збільшується і знімання металу зростає. Подальше збільшення питомого тиску викликає місцевий зрив плівки, замикання між електродами на великих площах. Відповідно частина струму проходитиме безпосередньо через металевий контакт між анодом і катодом. Ця частина струму не бере участь в зніманні металу. У міру підвищення тиску вона збільшується, а знімання металу при цьому відповідно зменшується. Нарешті, при питомому тиску, який повністю звільняє поверхню анода від плівки, відбувається постійне коротке замикання між електродами по всій поверхні. Процес знімання металу припиняється, а сила струму зростає до величини, відповідної струму короткого замикання. Відповідно, по мірі збільшення тиску і зменшення опору різниця потенціалів між анодом і катодом падає і при короткому замиканні вона стає близькою до нуля.

Оптимальним тиском при густині рідкого скла 1,2 – 1,30 г/см³ є 1,8 – 2,8 кг/см², при цьому меншій густині робочої рідини і більшій швидкості електрод-інструменту відповідає менший тиск.

Практично при застосуванні електроліту на основі силікату натрію можлива зміна питомого тиску в досить широких межах без помітного порушення стабільності процесу.

Залежність електричного режиму від тиску інструменту на оброблювану поверхню може бути охарактеризована вольтамперними характеристиками процесу. Збільшення тиску визначає більшу силу струму, особливо на ділянці чистової обробки, і меншу величину напруги, при якій настає стрибок струму, відповідний переходу до електротермічного знімання металу. Зв'язок між тиском інструменту і електричним режимом використовується на практиці для контролю і регулювання процесу.

Тиск інструменту суттєво впливає на якість поверхні, особливо при операціях чистової обробки. Зі збільшенням тиску до величини, відповідної максимальному зніманню металу, підвищується чистота обробки. При грубіших режимах обробки підвищення тиску інструменту за межі оптимального значення зпричиняє збільшення глибини термічно зміненого шару поблизу обробленої поверхні.

Швидкість переміщення інструменту щодо оброблюваної поверхні також істотно впливає на процес анодно-механічної обробки. При збереженні постійними напруги і густини струму зміна швидкості переміщення інструменту в межах 5 – 25м/с не позначається на продуктивності процесу, проте впливає на швидкість і ступінь нагріву поверхневого шару металу деталі. Щоб зменшити структурні зміни поверхні металу, що виникають при даних електричних режимах, необхідно підвищувати швидкість переміщення інструменту. Збільшення швидкості різко знижує глибину зміненого шару. При цьому збільшення продуктивності можна досягти, підвищуючи інтенсивність електричного режиму.

Збільшення швидкості переміщення інструменту з 3 до 18м/с в значній мірі усуває виникнення тріщин при обробці твердих сплавів. Швидкість переміщення інструменту впливає також на чистоту поверхні.

 

8.3. Робоча рідина.

універсальним електролітом для анодно-механічної обробки є водний розчин силікату натрію. знімання металу може бути представлене таким чином.

Оброблювана деталь і інструмент сполучені з полюсами джерела постійного струму: деталь з позитивним, а інструмент – з негативним. При протіканні електричного струму через розчин електроліту Nа₂SiO₃ відбувається дисоціація з виділенням на аноді двоокису кремнію і кисню:

Nа₂SiO₃ = 2Nа + SiO₃

2SiO₃ = 2SiO₂ + О₂

На катоді виділяється натрій, вступаючий в реакцію з водою:

2Nа + 2Н₂О = 2NaОН + Н₂.

У результаті електролізу силікату натрію на поверхні анода утворюється зв'язана з поверхнею анода плівка, яка володіє високими діелектричними властивостями і перешкоджає металевому контакту електродів.

Після утворення анодної плівки розвиток процесу залежить від анодної щільності струму і величини напруги на електродах. При достатньо високій електричній потужності, підведеній до міжелектродного проміжку, і напрузі на електродах вище 15 – 17 в настає електроерозійна стадія процесу, що супроводиться виникненням електричних розрядів між електродами.

В цьому випадку знімання металу відбувається головним чином в результаті теплової дії електричного струму. При напрузі на електродах, яка не перевищує напруги початку розряду, зйом металу відбувається унаслідок електрохімічного розчинення поверхні анода (оброблюваній поверхні деталі) і механічного видалення продуктів анодного розчинення електродом - інструментом, що обертається (металевим диском).

В умовах теплового руйнування металу виникненню електричних розрядів передує обезводнення силікатної плівки, що пов'язане з виділенням в міжелектродному проміжку, володіючому високим омічним опором, тепла за законом Джоуля-Ленца.

Із збільшенням густини рідкого скла зростає кількість диссоційованих молекул силікату натрію у водному розчині і кількість іонів і колоїдних часток, які переміщються під дією електричного струму. У зв'язку з цим відбувається інтенсивніше пасивування анодної поверхні аніонами SiO₃ і інтенсивність зйому матеріалу зростає.

При густині рідкого скла 1,3–1,38 г/см³ провідність досягає максимальної величини, і процес утворення анодної плівки відбувається інтенсивніше. При подальшому підвищенні щільності електроліту рухливість колоїдних часток знижується, що зменшує інтенсивність утворення плівки і швидкість зйому матеріалу.

Разом з тим при підвищенні питомої ваги рідкого скла збільшуються його клейкість і твердіння, що створює деякі утруднення при його експлуатації. Тому краще застосовувати рідке скло з невеликою питомою вагою, хоча це і призводить до деякого зниження швидкості знімання. Так, наприклад, при обробці твердих сплавів на режимах електроерозійної стадії процесу з окружною швидкістю електроду-інструменту V = 35 м/с зниження питомої ваги рідкого скла з 1,36 до 1,2 г/см³ зменшує швидкість знімання приблизно на 30%. Важливо відзначити, що із збільшенням окружної швидкості V електроду-інструменту швидкість знімання при всіх практично застосовуваних густинах струму зростає, а глибина сітки мікротріщин h зменшується. Отже при роботі з рідким склом питомої ваги 1,2 і 1,36 г/см³ при V = 35 м/с значення h = f (I) практично збігаються.

Таким чином, застосування рідкого скла питомої ваги 1,2 г/см³ при V = 35 – 50 м/с забезпечує при обробці твердих сплавів практично ті ж результати по продуктивності і якості обробки, що і при роботі з рідким склом питомої ваги 1,36 г/см³, але при V = 10 – 12 м/с.

Перевага ж застосування рідкого скла з меншою питомою вагою – в значному зниженні його клейкості і швидкості твердіння. Деяке зниження цих нетехнологічних властивостей електроліту досягається також додаванням в рідке скло 5–10% веретенного або трансформаторного масел, гліцерину чи етиленгліколю.

Важливою характеристикою рідкого скла є його модуль М:

де А – процентний вміст в рідкому склі SiO₂; D – процентний вміст в рідкому склі Na₂O; 1,032 – відношення молекулярної ваги окислу натрію до молекулярної ваги кремнезему.

При підвищенні модуля рідкого скла досягається деяке підвищення інтенсивності знімання.

Початкове рідке скло рекомендується застосовувати з модулем 2,25 – 2,75 і питомою вагою 1,43 – 1,55. Для анодно-механічної обробки технічне рідке скло розчиняють у воді до необхідної питомої ваги. При експлуатації електроліту його склад і питома вага змінюються за рахунок випаровування води, витрат силікатної частки на плівкоутворення, а також унаслідок забруднення електроліту відходами, які утворюються в процесі анодно-механічної обробки. Склад і густина електроліту впливають на зміну його лужності і електропровідності. Щільність електроліту у виробничих умовах зазвичай контролюється за допомогою ареометра.

Коректування питомої ваги електроліту проводиться додаванням чистої води. Якщо на режимах електрохімічного розчинення помічається іскріння, а чистота обробленої поверхні нижче звичайної, то в електроліт вводиться добавка селітри з розрахунку 10г на 1л розчину. При виснаженні основного складу і сильному забрудненні електроліт підлягає повній заміні.

Тривалість експлуатації електроліту залежить від його початкової густини, загального об'єму і від інтенсивності анодно-механічного процесу.

Підвищенню механічної міцності анодної плівки сприяє різка зміна властивостей рідкого скла при нагріві. При температурі вище 100°С розчини рідкого скла загусають і при подальшому нагріві повністю зневоднюються, утворюючи тверду речовину. В результаті цього стає можливим створювати порівняно великий тиск катода на оброблювану поверхню через анодну плівку і прошарок робочої рідини. Для різних операцій анодно-механічної обробки застосовують розчини рідкого скла різної концентрації.

Робоча рідина повинна знаходитися в зоні обробки в достатній кількості. Це досягається подачею рідини насосом, застосуванням дисків, на робочій частині яких є канавки, які полегшують доступ робочої рідини в зону заточування, і іншими способами. Необхідно строго дотримуватися вимоги інтенсивної подачі робочої рідини до оброблюваної поверхні, абсолютно унеможлививши зіткнення цієї поверхні з ділянками катода, не змоченими робочою рідиною. Товщина плівки регулюється тиском подачі між деталлю і інструментом.