CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ĐIỆN HÓA

Nguyên lý gia công • Chi tiết ñược nối với cực dương Anode của nguồn ñiện 1 chiều • Dụng cụ nối với cực âm cathode • 2 ñiện cực ñược ñặt trong bể chứa chất dung môi • Dòng ñiện ñi qua bể

Trang 1

TS Hồ Thi Thu Nga - ðHBK

CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG ðIỆN HÓA

(Electrochemical Machining Processes)

1.6 Gia công ñiện hóa ăn mòn

Quá trình ñiện phân:

Tại cực dương: Fe → Fe 2+ +

2e-Fe 2+ +2(OH - ) → Fe(OH) 2 Tại cực âm:

2H 2 O → O 2 +4H + + 4e-2H 2 O + 2e- → H 2 +

2OH-• Là phương pháp gia công nhằm tách vật liệu dựa trên cơ sở quá trình

ăn mòn ñiện hóa của ñiện cực chi tiết

(Anode) với ñiện cực dụng cụ (Cathode) trong dung dịch ñiện phân (Electrolytic)

• Quá trình tách vật liệu tuân theo

ñịnh luật Faraday: Tốc ñộ tách kim

loại tỉ lệ thuận với cường ñộ dòng

ñiện và ñương lượng hóa ε của ñiện

cực chi tiết (ε = khối lượng nguyên tử/hóa trị)

1 ðị nh lu ậ t Faraday

M: lượng kim loại hòa tan (g)

I: cườngñộdòngñiện (A)

t: thời gian (giờ) ; n: hóa trị

F: hằng sốFaraday (F=96 500 Colomb)

A: khối lượng nguyên tử

A/n = ε: ñương lượng hóa (khối lượng của chất

ñược giải phóng khi có 1 ñiện lượng colomb

ñi qua dòngñiện phân, mg)

η: hiệu suất của quá trình

• ðối với hợp kim: gồm nhiều yếu tốkim loại :

x: % thành phần nguyên tốm trong hợp kim

(Ano de)

Tiến dao v=const

2 Nguyên lý gia công

• Chi tiết ñược nối với cực dương (Anode) của nguồn ñiện 1 chiều

• Dụng cụ nối với cực âm (cathode)

• 2 ñiện cực ñược ñặt trong bể chứa chất dung môi

• Dòng ñiện ñi qua bể sẽ có tác dụng hòa tan kim loại ở anode

hình dạng ñiện cực dụng cụ

sẽ copy lên chi tiết

• Dung môi ñược ñẩy vào vùng gia công qua khe hở với tốc ñộ

30 – 60 m/s, áp suất 70 – 2800 kPa ñẩy kim loại lắng ñọng

ra khỏi khe hở

Trang 2

Quá trình gia công ñiện hóa ăn mòn

Nguồn ñiện 1 chiều với hiệu

thế 5 – 30 V

Dụng cụ có chuyển ñộng

tiến dao với tốc ñộ không ñổi

(0.5 – 20 mm/min) và luôn

giữ khoảng cách nhất ñịnh so

với chi tiết

Chất dung môi: NaNO3,

NaCl, KCl Nhiệt ñộ dung

môi thay ñổi từ 24 – 65oC

Mật ñộ dòng ñiện ñi qua

khe hở lớn (20 – 800 A/cm2)

tăng tốc ñộ hòa tan của

Ví d ụ : S ơ ñồ các ph ả ứ ng ñ i ệ n hóa c ủ a Fe

trong dung d ị ch NaCl

Sơ ñồ máy gia công ñiện hóa công nghiệp

-Máy 1 tr ụ

- Máy 5 tr ụ ñ i ề

khi ể n b ằ ng ch ươ ng

trình s ố

- Các thông s ố ñượ c

ñ i ề u khi ể n trong quá

trình gia công: t ố ñộ

ch ạ y dao và hi ệ u th ế

Sơ ñồ kết cấu bộ phận gia công

Các trang bị phụ cần thiết:

- dẫn hướng dụng cụ

- ñịnh vị - kẹp chặt chi tiết

- che kín (sealing)

Trang 3

3 Các thông số công nghệ của quá trình

• Tốc ñộ tách kim loại (năng suất) trong quá trình gia

công ñiện hóa ăn mòn tuân theo ñịnh luật Faraday

phụ thuộc vào mật ñộ dòng ñiện

• Các thông số ảnh hưởng ñến năng suất và mật ñộ

dòng ñiện:

– ðiện thế

– Tốc ñộ tiến dao

– Tính dẫn ñiện của dung dịch ñiện phân

– Thành phần dung dịch ñiện phân

– Lưu lượng, tốc ñộ dòng ñiện phân

– Vật liệu chi tiết gia công

Năng suất tách vật liệu (MRR)

• Phụthuộc vào nhiều thông sốcủa quá trình (theo

ñịnh luật Faraday), phụthuộc hóa trịvà khối lượng nguyên tửcủa vật liệu chi tiết nhưng không phụ

thuộcñộcứng, ñộb n

• Tốcñộtách vật liệu khoảng: 650 – 4400

mm3/min/1000 A, trung bìnhñạtñược: 1500

mm3/min/1000 A

Hiệu ñiện thế giữa 2 ñiện cực

• Hiệ ñiện thếgiữa 2 ñiện cựcảnh hưởngñến mậtñộ

dòngñiện và tốcñộhòa tan kim loại, ñượcñiều khiể

trong hầu hết các nguyên công gia côngñiện hóa

• Tại 1 ñiện thếkhôngñổi, dòngñiện còn phụthuộc vào

trởkháng của khe hởphụthuộc giá trịkhe hởvà tính

d nñiện của dung dịch

• Hiệu thếnguồn phảiñủ ñể ñảm bảo hòa tan tất cảcác

thành phần của hợp kim

Xác ñịnh khoảng cách giữa 2 ñiện cực

J: M ậ t ñộ dòng ñ i ệ

Trang 4

Tốc ñộ tiến dao – khe hở giữa 2 ñiện cực

• Tại 1 ñiện thế xác ñịnh, khe hở bên và ñáy giữa 2 ñiện

cực tỉ lệ nghịch với tốc ñộ tiến dao.

• Tốc ñộ tịnh tiến của dụng cụ càng cao khe hở càng

giảm giảm kháng trở cường ñộ dòng ñiện tăng

tốc ñộ tách vật liệu tăng cho ñến khi ñạt trạng thái cân

bằng

• Khi tốc ñộ chạy dao thấp năng suất giảm do khe hở

tăng kháng trở tăng

• Khe hở bên thường chọn: 0.5 – 1.3mm

• Khe hở ñáy : 0.1 – 1 mm

Các thông số công nghệ của quá trình

• Tốc ñộ hòa tan kim loại chi tiết (VA) tự ñộng ñiều chỉnh cho phù hợp với tốc ñộ tiến dao ñã chọn của dụng cụ (Vu) : VA = Vu

Giữ khoảng cách giữa 2 ñiện cực không thay ñổi (khe hở cân

bằng) trong quá trình gia công

Tốc ñộ tiến dao ñược xác ñịnh theo công thức sau:

ye= khoảng cách 2 ñiện cực; ρe= trở kháng của dung môi ; ρm= tỉ trọng vật liệu gia công; Ψe= hệ số dẫn ñiện của dung môi ; U = hiệu thế nguốn ñiện; ∆U= hiệu thế giữa 2 ñiện cực ; J= mật ñộ dòng ñiện

J

Khe hở phụ thuộc vào ñiện thế và tốc ñộ tiến

dao và hiệu ñiện thế

Sự thay ñổi khe hở phụ thuộc biên dạng dụng cụ

• Dựa vào qui luật cosine xác ñịnh giá trị khe hở tại một ñiểm

tương ứng trên dụng cụ theo khe hở mặt ñáy (ye) và góc nghiêng của pháp tuyến so với phương tiến dụng cụ

t = thời gian gia công

Yo= khe hở tại t = 0

Trang 5

Dung dịch ñiện phân

• Có 3 chức năng năng chính:

– Tạo mạch ñiện giữa 2 ñiện cực, môi trường xảy ra các

phản ứng hóa học, hòa tan kim loại của chi tiết (anode)

– ðẩy kim loại thừa ra khỏi vùng gia công

– Làm nguội vùng gia công

• Dung dịch ñiện phân phải có tính dẫn ñiện cao, ñộ nhớt thấp

dễ dàng lưu thông qua khe hở nhỏ, ít ñộc hại và tính ăn

mòn thấp, tính ổn ñịnh hóa và ñiện hóa cao, rẻ tiền và sẵn có

• Các loại dung dịch ñiện phân thường dùng: NaCL, KCl,

• Bản chất dòng chảy của dung dịch ñiện phân là dòng chảy

rối (hệ số Reynold Re > 3000) với áp suất phải ñủ lớn nhằm

tránh sự chuyển các ions hòa tan từ ñiện cực này sang ñiện

cực khác

Ảnh hưởng của dòng dung dịch

• Tính dẫn ñiện của dung môi phụ thuộc vào nồng ñộ và nhiệt ñộ dung dịch ảnh hưởng trực tiếp ñến năng suất, tốc ñộ tiến dao

và ñộ chính xác gia công

• Tính dẫn ñiện thay ñổi thay ñổi khe hở ñiện cực dụng cụ và

chi tiết ảnh hưởng ñộ chính xác gia công Tính dẫn ñiện tăng

→ tốc ñộ tiến dao tăng

• Tốc ñộ dòng chảy (lưu lượng) của dung dịch có ảnh hưởng ñến

ñộ nhám bề mặt và ñộ chính xác gia công: ñược chọn phụ thuộc

vật liệu gia công, loại dung dịch, cường ñộ dòng ñiện Ví dụ: gia

– tốc ñộ dòng chảy cao cải thiện tính ñồng nhất tách vật liệu, – tốc ñộ thấp có thể làm cho các chất kết tủa dính lên bề mặt chi tiết

thay ñổi dòng chảy và khe hở giữa 2 ñiện cực ảnh hưởng ñến

năng suất và chất lượng gia công

Dung dich ñ i ệ n phân dùng trong gia công ñ i ệ n

hóa ứ ng v ớ i v ậ t li ệ u khác nhau

0.18 (1

2.1 (0.13) 0.30

NaCl or KCl Zirconium

3.3 (0.20) 0.60 (5)

NaNO 3

4.4 (0.27) 0.30

NaCl or KCl ðồng và hợp kim ñồng

1.0 (0.06) 0.30

NaCl or KCl

1.0 (0.06) 0.18

NaOH (h) Molybden

1.0 (0.06) 0.18 (g)

NaOH (f) Vonfram

1.6 (0.10) 0.12

NaCl or KCl (e) Hợp kim titan

2.1 (0.13) 0.30

NaCl or KCl

2.1 (0.13) 0.60 (5)

NaNO 3 Hợp kim nhôm

1.6 (0.10) (c) 0.60 (5)

NaNO 3 Thép ñúc

2.0 (0.12) (a)(b) 0.60 (5)

NaNO 3

2.0 (0.12) (a)(b) 0.30)

NaCl Gang xám

2.0 (0.12) 0.78)

NaClO 3 Thép cứng, thép dụng cụ

2.1 (0.13) 0.60 (5)

NaNO 3

2.1 (0.13) 0.30

NaCl or KCl Thép; sắt, hợp kim nikel - cobalt

Nồng ñộ (max), kg/L (lb/gal.) of

H 2 O Thành phần chính

Tốcñộ tách vật liệu,

mm 3 × 10 3 /min (in 3 /min) per 1000

A Dung môi

Vật liệu kim loại

Ả nh h ưở ng c ủ a nhi ệ t ñộ và n ồ ng ñộ ñế n tr ở kháng

c ủ a các ch ấ t dung môi

Trang 6

TS Hồ Thi Thu Nga - đHBK

Các ph ươ ng th ứ c c ấ p dòng dung d ị ch ự i ệ n phân

Từ bên trong

dụng cụ

Từ bên

Tùy thuộc vào dạng bề mặt gia công có các phương pháp cung cấ

dung dịch như sau:

Gia công mặt ựáy (mặt ựáy lỗ không bao giờ b ng phẳng

làm nhẵn bằng 1 bước khác)

Gia công mặt ựáy

Gia công mặt phẳng bên

Ả nh h ưở ng c ủ a c ườ ng ựộ dòng ự i ệ n ựế n ch ấ t

l ượ ng b ề m ặ t

điện cực dụng cụ

Ớ đóng vai trò trao ựổi ựiện tắch ắt bị ăn mòn

Ớ Phải có ựộ bền cao, tắnh dễ gia công, chịu mài mòn hóa học, tắnh dẫn nhiệt và ựiện tốt

Ớ Vật liệu dụng cụ thường sử dụng : ựồng, hợp kim ựồng, thép không gỉ, titan, hợp kim vonfram+Cu Thép C ắt ựược sử dụng

do ựộ bền ăn mòn kém (dễ bị gỉ)

Ớ điện cực dụng cụ có hình dạng ựịnh hình ngược với hình dạng

bề mặt gia công

Ớ điện cực dụng cụ ựược cách ly với bằng cách che phủ, nhúng hoặc phun vật liệu cách ly: nylon, epoxy (phổ biến nhất), phenolic hoặc các loại vật liệu composites khác Chiều dày bao che minimum: 0.5 mm

Trang 7

Cách ñiện dụng cụ

• Khi không ñược cách ñiện, ñiện cực dụng cụ dạng trụ ñi xuống

sẽ tạo nên khe hở có dạng parabol (ứng dụng ñịnh luật Ohm và

ñịnh luật Faraday) do phát sinh dòng ñiện nhiễu ở 2 thành bên

(không mong muốn) hòa tan vật liệu

Dung môi

Ví d ụ : Các d ạ ng ñ i ệ n c ự c d ụ ng c ụ t ươ ng ứ ng

v ớ i b ề m ặ t gia công khác nhau

4 Ưu nhược ñiểm của phương pháp

ñiện hóa ăn mòn

• Ưu ñiểm:

– Gia công dễ dàng các bề mặt phức tạp 3D trong 1 nguyên

công, không phụ thuộc ñộ cứng hay ñộ bền của vật liệu chi

tiết

– Tốc ñộ tách vật liệu cao (so với các phương pháp gia công

mới khác, ñặc biệt khi cường ñộ dòng ñiện cao

năng suất không thay ñổi

– Không bị ảnh hưởng nhiệt không có ứng suất dư bề mặt

– ðộ bóng và ñộ chính xác gia công cao ngay cả khi tốc ñộ

tách vật liệu cao nhất (Ra= 0.1 – 1.2 µm)

• Nhược ñiểm:

– Chỉ gia công vật liệu dẫn ñiện – Không thể gia công các góc cạnh bên trong hay ngoài với bán kính < 0.2 mm

– Có thể hình thành các rãnh lõm làm giảm chất lượng bề mặt – Máy và các trang bị phụ bị ăn mòn và gỉ, nhất là khi sử dụng dung dịch NaCl Dung dịch NaNO3ít ăn mòn kim loại hơn nhưng ñắt tiền

– Tốc ñộ tách vật liệu thấp hơn so với các pp gia công cắt gọt truyền thống

– Dễ gây nổ do khí hydro tạo thành trong quá trình gia công

cần có thiết bị thu hồi khí an toàn – Có thể xảy ra hiện tượng ñoản mạch nếu dụng cụ tiếp xúc với chi tiết gia công

– Chi tiết sau khi gia công cần ñược làm sạch và nhúng trong dầu

Trang 8

5 Kh ả n ă ng công ngh ệ và ứ ng d ụ ng

• ðộ chính xác có thể ñạt ñược: ±0.13 mm (±0.005 in.) ñối

với mặt ñáy và ±0.25 mm (±0.010 in.) ñối với mặt bên Tuy

nhiên có thể ñiều khiển quá trình ñể ñạt ñộ chính xác ñến

±0.025 mm

• Khó gia công các bán kính < 0.5 – 0.8 mm

• ðộ nhám bề mặt Ra = 0.30 - 1.9 µm cho mặt ñáy và ñến 5

µm cho mặt bên hoặc diện tích lớn hơn

• Bề mặt ñáy cho ñộ bóng cao hơn mặt bên do sự thay ñổi

cường ñộ dòng ñiện Phần lớn dòng ñiện ñi qua mặt ñáy

dụng cụ, ngoài ra còn ảnh hưởng bởi tốc ñộ cung cấp dung

dịch và nhiệt ñộ dung dịch

• Không có sự mài mòn dụng cụ, có thể sử dụng nhiều lần

TS Hồ Thi Thu Nga - ðHBK Hình d ạ ng l ỗ không b ằ ng ph ẳ ng

Ứng dụng của phương pháp ñiện hóa ăn mòn

• Sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp ñể gia

công các bề mặt lõm ñịnh hình, tẩy bavia, khoan lỗ

sâu (thông hoặc không thông), lỗ nhỏ (d=0.05 – 0.3

mm) ñạt Ra = 0.03 µm

• Gia công rãnh then, các chi tiết ñịnh hình phức tạp

trong không gian với ñộ bóng và ñộ chính xác cao

• Ứng dụng trong các phương pháp tiện, mài, ñánh

bóng…

a) Ti ệ b) T ẩ y bavia

Gia công rãnh ñịnh hình

Trang 9

ðiện cực dụng cụ ñơn vạn năngñượcñiều khiển bằng

chương trình số ñểgia công biên dạng cong

Các d ạ ng b ề m ặ t ñượ c gia công b ằ ng

ph ươ ng pháp ñ i ệ n hóa ă n mòn

Ví dụ:

• Gia công biên dạng lỗ sâu (hình a):

– Vật liệu chi tiết: thép hợp kim Ti-6Al-4V

– Lỗ ñã ñược khoét sơ bộ với chiều sâu 250 mm

– Hiệu ñiện thế từ 1 – 20V,

– Cường ñộ dòng ñiện lớn nhất: 15000A

– ðiện cực dụng cụ: hợp kim Cu-Zn (ñồng thau)

– Dung dịch ñiện phân: muối NaCl

– Gia công thô bắt ñầu tại U = 17V, tốc ñộ tiến dao 2mm/min

và giảm dần ñến 0.8 mm/min ñể sao cho cường ñộ không

vượt quá 13000 A

– Gia công tinh bắt ñầu với U = 14V, tốc ñộ tiến dao 4 mm/min

và giảm dần ñến 0.71 mm/min

Ví du: gia công tinh l ỗ côn vòi phun

• Vật liệu chi tiết: thép không gỉ

• ðiện thế< 24V, I = 500 A

• ðiện cực dụng cụ ñồng

• Bắtñầu tiến dụng cụgia công lỗcôn với I = 20 A, kết thúc

tại I = 310A, U = 17V

• Dung dịchñiện phân: NaCl (0.12 kg/L nước) với nhiệtñộ

27oC ñược bơm vào khe hởvới áp suất 550 kPa, tốcñộ

7.6 L/min

• Dụng cụchuyể ñộng với tốcñộ5.8 mm/min ñến chiều sâu 44.2 mm

• ðộnhám bềmặt Ra = 0.125 - 0.25 µm, thời gian gia công 7.6 min

Trang 10

Các chi ti ế t ñượ c gia công b ằ ng ñ i ệ n hóa

Ứng dụng phương pháp ñiện hóa

Khoan ñiện hóa

Chuốt ñiện hóa

Electrochemical Grinding (ECG)

• Dạng ñặc biệt của phương pháp gia công ñiện hóa trong ñó ñá mài

quay (cathode), ñược dùng ñể tăng cường sự hòa tan của bề mặt

kim loại gia công vật liệu ñược tách ra nhờ sự kết hợp ăn mòn

ñiện hóa (khoảng 95%) và bào mòn cơ học bởi hạt mài (5%)

Sơ ñồ máy mài ñiện hóa

Trang 11

ðặc ñiểm và các thông số của quá trình

mài ñiện hóa

giữa hạt mài và chi tiết

• Mật ñộ dòng ñiện thường dùng : 100 – 300 A/cm2

• ðiện thế giữa khe hở 2 ñiện cực (0.025 mm) = 3 – 15 V

• Hạt mài không dẫn ñiện tạo khe hở nhất ñịnh giữa 2 ñiện

cực (12-80 µm),

• Khi quá trình ñiện phân xảy ra hình thành 1 màng mỏng

oxyt trên bề mặt chi tiết (Anode) tạo nên lớp cách ñiện (bán

dẫn) làm giảm hoặc ngừng quá trình gia công

Hạt mài sẽ có tác ñộng cơ học tách lớp oxyt hình thành trên bề

mặt chi tiết gia công

M ậ t ñộ dòng ñ i ệ n ph ụ thu ộ c vào v ậ t li ệ u gia công

• Cường ñộ dòng ñiện phụ thuộc vào mật ñộ dòng ñiện và diện tích khe hở giữa ñá mài (cathode) và chi tiết (anode)

• Diện tích tăng cường ñộ dòng ñiện tăng năng suất tăng

• Mật ñộ dòng ñiện phụ thuộc vật liệu gia công :

3000-4000 465-620

Udimet 500

2000-3000 310-465

Stellite

3000-4000 465-620

Thép không gỉ

2000-3000 310-465

Thép cacbon cao

3000-4000 465-620

Thép cacbon thấp

800-1000 124-155

Steel cutting grade of carbide

500-800 78-124

Thép ñúc

A/in 3

Mật ñộ dòng ñiện Vật liệu

Xác ñịnh diện tích khe hở giữa chi tiết và ñá khi mài ñiện hóa:

Diện tích tiếp xúc = DT bao quanh + DT tiếp xúc bên

(R: bán kính ñá mài; T: chiều dày ñá mài)

α

• Vật liệu hạt mài: oxyt nhôm, kim cương, SiC với kích thước

từ60 – 320 grit ( 150 - 40 µm)

• Vật liệu kết dính: kim loại (cho hạt mài kim cương) hoặc

nhựa trộn với các hạt kim loại (Cu) tạo thành chất dẫ ñiệ (cho hạt mài Al2O3)

• Tốcñộtại bềmặtñá mài: 25 – 35 m/s (1100 – 1800 m/min

hoặc có thểcao hơn: 2500 – 3500 m/min)

• Tốcñộtách vật liệu (năng suất) : 1600 mm3/min /1000 A

• Công suất quá trình màiñiện hóa thấp do diện tích bềmặt gia công nhỏvà do hạt mài chỉtách bỏlớp oxyt trên bềmặt chi tiết

• Màiñiện hóa thường dùng gia công các hợp kim khó gia công (thép inox, hợp kim cứng) hoặc các vật liệ ñã qua nhiệt luyệ ñạtñộcứng HRC 56 – 60

• Tốcñộtiến dao phụthuộc vào : mậtñộdòngñiện, tốcñộ tách vật liệu, chiều sâu cắt vàñường kínhñá mài

Định dạng
Số trang	14
Dung lượng	0,99 MB