Инструмент, электролиты и оборудование для электрохимического шлифования

Введение

На современном этапе технологии одним из важнейших путей решения проблемы обработки деталей из труднообрабатываемых металлов и сплавов является шлифование токопроводящими алмазными и абразивными кругами. Это обеспечивает значительный рост производительности труда, снижение затрат и повышение эффективности производства при достижении высоких эксплуатационных свойств обработанных поверхностей.

Электрохимическое шлифование алмазными или абразивными кругами на токопроводящих металлических связках представляет собой комбинированный процесс, при котором материал снимается в результате одновременно протекающих процессов: анодного растворения, механического резания алмазными или абразивными зернами и электроэрозионных явлений. Кроме того, в результате воздействия электролитов происходит адсорбционное понижение прочности обрабатываемого материала вследствие уменьшения межфазной поверхностной энергии. Благодаря отсутствию сплошного контакта дискретных контактирующих поверхностей детали и инструмента, а также выступанию зерен алмаза или абразива из связки, между ними образуется зазор, заполненный электролитом. В зазоре под воздействием электрического тока происходит анодное растворение поверхности детали. Таким образом, поверхностный слой при электрохимическом шлифовании образуется в результате протекания электрохимического процесса и механической работы круга, производимой зернами алмаза или абразива, которые удаляют продукты анодного растворения и срезают обрабатываемый материал, а также выполняют роль депассиваторов, разрушая и удаляя пленку окислов металла, образующуюся на поверхности детали.

Если электрохимический съем значительно преобладает над механическим, процесс по результатам воздействйя 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.

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.

Инструмент, электролиты и оборудование для электрохимического шлифования

Работоспособность инструмента характеризуется его стойкостью, удельным износом алмазов, удельной объемной производительностью, интенсивностью съема, стоимостью съема единицы массы или объема материала и т. д. Все эти показатели в существенной мере определяются характеристиками инструмента — связкой, прочностью и величиной зерна, концентрацией алмазов или абразивов в единице объема режущей части круга.

При электрохимическом шлифовании связка круга должна обладать значительной электропроводностью в сочетании с высокой катодной стойкостью при электролизе, что обеспечит высокую износостойкость инструмента. В то же время связка должна обеспечить выкрашивание затупившихся зерен алмазов или абразивов. Наиболее часто употребляются алмазные круги на связках МБ, М5-2, М5-4, М5-5, М5-6, МВ-1, ТМ2, М013Э и др. При электрохимическом шлифовании, как правило, применяют зерна из алмазов АСВ. Можно ожидать, что использование высокопрочных алмазов марок АСК, АСС и САМ приведет к увеличению режущих свойств алмазных кругов.

Размер зерна определяет величину межэлектродного зазора и объем электролита, поступающего в зону обработки. При выборе зернистости круга надо исходить из того, что скорость электрохимического растворения возрастает с уменьшением межэлектродного зазора, т. е. с уменьшением размера зерен, но при этом затрудняется доступ электролита в зону обработки и, кроме того, возрастает вероятность возникновения локальных пробоев межэлектродного промежутка. Зернистость круга в значительной мере влияет и на шероховатость обработанной поверхности. Достаточно широко используется диапазон зернистости 80/63—160/125. Концентрация зерен в круге определяет соотношение между объемом зерна и связки, обусловливает электропроводность круга. Наибольшее применение нашли круги с концентрацией 100%.

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 комплексообразователя 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 но диспергированию. В качестве поверхностно-активных веществ, как правило, применяют стандартные смачиватели: ОП-7, ОП-Ю, триэтаноламин, олеиновую кислоту и т. д. В качестве ингибиторов коррозии применяют нитриты натрия или калия, иодистый калий, сегнетову соль, хрома- ты, 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 33730, ЗЭ7Э1, 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 токопроводящих 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 Q,относительному объемному износу правящего инструмента q , 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. Наибольшая производительность и наименьший износ алмазного круга после правки получены при использовании алмазно-металлического карандаша типа Н. Необходимо отметить, что при сравнительно невысокой производительности комбинированного электрода-инструмента получен наименьший износ алмазного круга после правки. Таким образом, для исправления геометрической формы профиля круга и устранения больших биений круга в качестве правящего инструмента следует рекомендовать алмазно-металлический карандаш типа Н, для устранения «засаливания» круга — комбинированный электрод- инструмент.