Tài liệu Phương pháp gia công điện hóa doc

Hiện tượng điện phân là tên gọi của một quá trình xảy ra khi một dòng điện được truyền qua hai điện cực nhúng trong dung dịch điện phân.. Mặc dù được hình thành từ dung dịch điện phân, n

1 Khái niệm :

Đây là phương pháp gia công đặc trưng để gia công những bề mặt

có hình dáng nhất định bằng phương pháp ăn mòn điện hóa Dùng

trong khoan lỗ điện hóa hay còn gọi là gia công điện hóa, mài điện hóa, làm sạch bavia bằng điện hóa (hay đánh bóng điện hóa) Bản chất của phương pháp gia công này là không có sự tác động cơ khí của dụng cụ tới bề mặt gia công

2 Tổng quan về phương pháp gia công điện hóa :

Phương pháp gia công điện hóa dựa trên sự hòa tan điện cực dương trong quá trình điện hóa ( điện phân ) trong một pin điện

Hiện tượng điện phân là tên gọi của một quá trình xảy ra khi một dòng điện được truyền qua hai điện cực nhúng trong dung dịch điện

phân Hệ thống bao gồm các điện cực và dung dịch điện phân được gọi

là pin điện, phản ứng hóa học xảy ra tại các điện cực gọi là phản ứng

catot hoặc phản ứng anot Ví dụ một điện cực sắt được nối vào nguồn điện một chiều và được nhúng vào dung dịch NaCl

Một ampe kế được đặt trong mạch sẽ cho ta biết dòng điện hiện tại Với một trị số dòng điện xác định, người ta biết được đặc tính dẫn điện của dung dịch NaCl

Ví dụ phản ứng hòa tan sắt trong dung dịch muối ăn (NaCl) Kết quả của quá trình điện phân:

H2O  H+ + (OH)- và NaCl  Na+ + ClCác ion âm như (OH)- và Cl- đi về phía anot, còn các ion dương như H+ và Na+ thì đi về phía catot

-Tại anot: Fe  Fe++ + 2e

Tại catot, phản ứng tương tự tạo ra khí hyđro và ion hyđroxyl:

2H2O + 2e  H2 + 2OHKết quả là các ion này tác dụng với ion sắt để tạo thành Fe(OH)2

-Fe(OH)2 có thể tác dụng một lần nữa với nước và oxy để tạo ra Fe(OH)3:4Fe(OH)2 + 2H2O + O2  Fe(OH)3.

Mặc dù được hình thành từ dung dịch điện phân, nhưng các muốitrong dung dịch không bị mất đi, chỉ một phần nước bị phản ứng trong quá trình điện phân nhưng để giữ nồng độ dung dịch là hằng số, cần

phải thêm nước vào

Với dung dịch điện phân tổng hợp, quá trình điện phân là một quá trình phức tạp trong đó sắt bị hòa tan tại anot, và khí hyđro được tạo

ra tại catot

Phương pháp gia công điện hóa lấy kim loại bằng cách hòa tan anot có nhiều thuận tiện so với các phương pháp khác Kim loại được lấy đi tương tự như hình dáng của điện cực dụng cụ, thậm chí có những hình dáng đặt biệt, kích thước và bề mặt hoàn tất

Bảng Các thông số điển hình của gia công điện hóa

Nguồn điện

Điện thế 5 ÷ 30 V (liên tục hoặc xung)

Các thông số hoạt động cơ bản của gia công điện hóa là:

- Điện thế làm việc dụng cụ cắt (catot) và chi tiết (anot)

- Tốc độ ăn dao

- Ap suất vào và ra của dung dịch điện phân hoặc (tốc độ dòng/100 A)

- Nhiệt độ vào của dung dịch điện phân

- Cường độ dòng điện sử dụng trong hệ thống gia công điện hóa phụ

thuộc vào các thông số trên và kích thước của bề mặt gia công

Trong quá trình gia công điện hóa, sự phân bố của mật độ dòng điện trên bềmặt anot và khe hở giữa các điện cực là rất quan trọng, nó phụ thuộc vào các thông số trên và đặc tính điện hóa của vật liệu chi tiết và điện cực

Tóm lại, những đặc trưng chính của quá trình gia công điện hóa là:

- Tốc độ gia công không phụ thuộc vào cơ tính của kim loại mà phụ thuộcvào vật liệu chi tiết Tốc độ thường đạt được vào khoảng

1200÷2500mm3 cho mỗi 1000A năng lượng cung cấp

- Độ chính xác của gia công điện hóa phụ thuộc vào hình dạng và kích

thước của chi tiết gia công Độ chính xác đạt được xấp xỉ 0,05÷0,3mm nếu sử dụng dòng liên tục, 0,02÷0,05mm nếu dùng xung

- Độ nhám bề mặt giảm khi tăng tốc gia công (cho vật liệu điển hình) Độ nhám bề mặt vào khoảng Ra = 0,1÷2,5mm.

- Quá trình gia công điện hóa không tạo ra ứng suất dư trong chi tiết sau khi gia công

- Không có sự hao mòn điện cực (dụng cụ cắt)

- Năng lượng tiêu thụ trong quá trình gia công điện hóa khá cao (từ 200J/

mm3 đến 600J/mm3), phụ thuộc vào điện thế và đặc tính điện hóa của vậtliệu chi tiết

- Ứng dụng gia công điện hóa trong công nghiệp phải đi song song với

vấn đề môi trường

3 Nguyên lý của quá trình gia công điện hóa :

Quá trình gia công điện hóa là một quá trình hòa tan anot điện hóa, trong đó một dòng điện một chiều có cường độ cao và điện áp thấp chạy qua giữa chi

tiết (được nối với cực dương) và dụng cụ điện cực (nối với cực âm của nguồn) Hai điện cực đều được đặt trong bể dung dịch điện phân Tại bề mặt anot, kim loại được hòa tan vào các ion kim loại và chi tiết sẽ được sao chép hình dạng của dụng cụ điện cực

Chất điện phân luôn luôn chảy qua khe hở điện cực với vận tốc cao (thường lớn hơn 5m/s), mang theo các ion kim loại và giải nhiệt

Hình Sơ đồ nguyên lý của phương pháp gia công điện hóa

Khi đóng mạch điện và các điều kiện điện phân được chọn hợp lý, dòng điện đi qua bể có tác dụng làm hòa tan kim loại ở anot với một lượng được xác định theo định luật Faraday Trong khi gia công, thông thường điện cực được cho tiến về phía chi tiết (anot) nhưng luôn đảm bảo tồn tại một khe hở nhỏ Quátrình điện phân kéo theo sự hòa tan anot và thoát khí hydro ở catot Lượng chất kết tủa hoặc hòa tan do điện phân tỷ lệ với lượng điện chạy qua

Lượng các vật chất kết tủa hoặc hòa tan bằng lượng điện tương đương, tỷ lệ với thành phần hóa trị của chúng (với hợp kim có nhiều nguyên tố khác nhau)

Nguồn 1 chiều từ

2-30V

Chạy dao đều

Trao đổi nhiệt

LọcBơm

Chất điện phânCặn

Chi tiếtBảo vệ ngắn

mạch

Bàn máy

P vào

vàovàovào

P ra vàovàovàoCách điện

Van chặn

Sự phân bố không đồng đều của lượng kim loại bị lấy đi trên bề mặt gia công gây nên các thay đổi hình dáng của chi tiết Trong quá trình gia công điện hóa lượng kim loại bị lấy đi này cân bằng với vận tốc hòa tan anot Vn.

Hình Một số phương pháp cắt trong gia công điện hóa

Xét một phần nhỏ bề mặt anot vời điện tích ∆A có dòng điện chạy qua ∆I Gọi ∆I+ là cường độ dòng điện cần thiết cho sự hòa tan kim loại, ta có tỷ số giữa ∆I+ và ∆I được gọi là hiệu suất dòng của sự hòa tan anot:

Hiệu suất dòng = ∆I+/ ∆I(4.1)

Hiệu suất dòng phụ thuộc hoàn toàn vào vật liệu chi tiết, loại dung dịch điện phân cũng như điều kiện gia công, cường độ dòng điện, nhiệt độ và tốc độ chảycủa dung dịch điện phân Ngoài ra ta có thể tính hiệu suất dòng bằng tỷ số của khối lượng thay đổi thực tế với khối lượng kim loại bị lấy đi lý thuyết được

tính bằng định luật Faraday I

Theo định luật Faraday I, khối lượng kim loại bị lấy đi ∆m được tính:

∆m = k ∆I+.∆t(4.2)

Từ ∆I+, từ công thức (4.1) và biểu diễn lượng kim loại bị hòa tan ∆m bằng độ dày của lớp vật liệu ∆h bị lấy đi khỏi bề mặt phần tử ∆A, công thức (4.2) được viết lại:

p ∆h ∆A = k ∆I ∆t(4.3)

trong đó pm là tỷ trọng của vật liệu chi tiết

Tốc độ hòa tan cần thiết có thể tính bằng:

Vn = ia hay Vn = Kvia(4.4)

trong đó ia = là mật độ dòng trên anot

Số hạng Kv = k/p là hệ số thể hiện khả năng gia công điện hóa và bằng thể tích kim loại bị hòa tan khỏi anot trên đơn vị điện tích Hệ số Kv chỉ có thể xác định bằng thực nghiệm bằng nhiều phương pháp khác nhau Các giá trị của Kv cho các vật liệu khác nhau cho bởi các bảng 4.2 và 4.3

Bảng K v ở hiệu suất dòng 100% ( = 1)

Kim loại

Nguyên tử lượng,

1,510,75

45

1,691,34

4,923,28

Măngan 54,938 2

3467

1,481,150,770,65

46

1,470,98

348

1,641,310,66

46

1,310,98

4567

1,311,150,980,82

Zirconi 91,22 4 6,48 2,13

Bảng Hệ số khả năng gia công điện hóa, giả định hiệu suất dòng là 100%.

Hợp kim Kv ở hiệu suất dòng 100% ( = 1)

Từ định luật Faraday chúng ta có thể xác định lượng kim loại bị lấy đi (MRR,

Qv) được định nghĩa bằng lượng bị lấy đi trên một đơn vị thời gian Qv = dm/dt:

Qv = Kv.l(4.5)

Lượng vật liệu bị lấy đi trong ECM phụ thuộc vào đặc tính điện hóa của vật

liệu (Kv) và tỷ lệ với tổng dòng điện

Năng lượng tiêu thụ của một quá trình ECM được xác định là năng lượng cần thiết cho việc hòa tan một đơn vị thể tích vật liệu gia công:

e =

dV dE

Trong khoảng thời gian dt, lượng năng lượng tiêu thụ trong ECM: dE = UIdt,

và thể tích vật liệu bị hòa tan là dv = KvIdt, do đó:

e =

v

K U

(4.6)

Hiệu suất dòng và Kv phụ thuộc vào dung dịch điện phân và mật độ dòng

Hình 4.7 và 4.8 mô tả hàm Kv = Kv(i), Vn = Vn(i) cho dung dịch điện phân NaCl

Xét một bề mặt anot được mô tả bởi hàm z = za(x,y,z) trong hệ tọa độ Đêcác (x,y,z) gắn với chi tiết (thường là tĩnh)

Độ dịch chuyển của điện cực dương theo hướng trục z được thay thế bởivận tốc:

khai triển: Vz =cos(V (x x,,y y,,t t))

a a a a n

trong đó xa, ya, z = za(xa, ya, t) là tọa độ của các điểm nằm trên anot và là góc giữa các pháp tuyến bề mặt anot na và trục z



, -1)

1

y z x

F(x,y,z,t) = 0Đạo hàm hàm ẩn:

dt dz z f dt dy y f dt dx x f t f dt Df

= Vx,

dt dy

= Vy,

dt dz

 = là vectơ pháp đơn vị của bề mặt

Thay thế công thức (4.10) vào công thức (4.9) và đơn giản , ta được:







t f

Kviaf

Công thức (4.11) và (4.10) mô tả quá trình phát triển của bề mặt chi tiết cho tất

cả các PPGC điện hóa

Để giải bài toán này ta cần thiết phải biết điều kiện ban đầu và sự phân bố mật

độ dòng ia(xa, ya, t) ở anot trong suốt quá trình gia công

Điều kiện ban đầu là:

z = zo(x, y, 0) hay Fo(x,y,0)=0

trong đó zo và Fo là hình dạng của bề mặt trước khi gia công

2) Định luật 2 Faraday :

- Các đương lượng điện hoá tỉ lệ với đương lượng gam của các chất đượcgiải phóng trong quá trình điện phân Đương lượng gam bằng tỉ số giữa trọng lượng nguyên tử A và hoá trị n Vậy : K =(1/F) (A/n) với đơn vị ; [K] = g/A.s ;g/A.ph ;

5 Máy và dụng cụ gia công :

1) Điện cực dụng cụ – catod :

- Vật liệu chế tạo điện cực phải được chế tạo bằng các kim loại cótính dẫn điện cao, độ bền chống rỉ tốt, điển hình như thép không rỉ, thépchịu nhiệt, hợp kim titan, grafit,

- Để tạo biến dạng của dụng cụ có thể sử dụng các phương pháp sau: gia công cắt gọt đúc chính xác, mạ chất dẻo, phun kim loại

2) Dung dịch điện phân :

- Vai trò quan trọng của dung dịch điện phân là tạo sự di chuyển của các tia lửa điện bằng các ion giữa các anod và catod Ngoài ra các ion của dd điện phân còn tham gia tích cực vào các phản ứng điện cực Dung dịch điện phân được sử dụng để hoà tan liên tục kim loại của chi tiết (anod) do đó thành phần của nó phải được chọn đúng để tránh khả năng tạo các chất không hoà tan gây ra sự trơ hoá bề mặt của chi tiết Vì vậy sự tồn tại của các ion hoặc các nhóm ion trong dd điện phân phụ thuộc vào các tính chất của nó

6 Các thông số và khả năng công nghệ :

1) Năng suất gia công :

- Năng suất gia công được tính bằng lượng nguyên liệu được lấy đitrong 1 đơn vị thời gian (cm3/phút) và tỉ lệ thuận với cường độ dòngđiện Như đã xác định theo định luật Faraday, tốc độ tiến của điện cựccũng ảnh hưởng đến năng suất Tốc độ này là hằng số với dd điện phânthường dùng là NACL, KCL, và NANO3 và nhiệt độ dung dịch từ

- Ngoài ra còn các yếu tố như điện áp, khả năng dẫn điện

của dung dịch điện phân, vật liệu làm điện cực cũng ảnh hưởng đến năng suất gia công

- Trên hình 4.3 trình bày mối quan hệ với mật độ dòng điện và khe hởgiữa dụng cụ và chi tiết Khe hở này thường có giá trị từ 0,075÷0,75 mm,giá trị mật độ thường là 2,32 đến 3,1

A/mm2 (1500÷2000 A/inch2) và tốc độ bóc vật liệu tương ứng

là 16,38 mm3/phút/1000A

2) Độ chính xác gia công :

- Trong quá trình gia công, giữa vật gia công và mặt đầu của điện cựctồn tại khe hở (h)

- Trong trường hợp khoan lỗ cụt, thì nó có ảnh hưởng tới

độ chính xác và độ sâu của lỗ Với tốc độ tiến không đổi của điện cực, thì khe hở là hàm số của điện áp : e =k x U



Mối quan hệ giữa khe hở gia công, tốc độ tiến và mật độ

dòng điện

- Trong thực tế quan hệ đó thay đổi theo đồ thị hình 4.4

- Có thể thấy rằng đồ thị không phải là đường thẳng do ảnhhưởng của những yếu tố khác nhau (như dòng chảy) Có thể rút ra kếtluận rằng, bằng cách nâng tốc độ tiến điện cực thì có thể giảm sai số củakhe hở, tức là giảm sai số gia công, thậm chí có thể nâng điện áp lên thì sẽlàm khe hở trở nên không đổi

- Dòng điện không những chỉ đi qua khe hở mặt đầu, mà cả ở khe hởgiữa thành trong của lỗ với mặt bao quanh điện cực Ở khe hở này thì tácdụng điện hoá của dòng điện xảy ra chậm hơn Tốc độ hoà tan tỉ lệ nghịchvới khoảng cách giữa các bề mặt của điện cực Do đó trường hợp giacông lỗ bằng điện cực hình trụ thì đường sinh của lỗ có dạng parabol

Hình 4.4 :

Quan hệ giữa điện áp và khoảng cách mặt đầu ( Eh ) của

điện cực với tốc độ tiến điện cực (e) khác nhau ( Nguyên

vật liệu gia công : thép C45 K=2,2 mm3/A min)

đó, đường kính ngoài của ống nhựa cách điện phải nhỏ để không ngăncản sự lưu thông của dung dịch Bán kính vê tròn chu vi ngoài của mặt đầuchỉ là 0,13 - 0,18 mm

- Mặt đáy của lỗ không bao giờ bằng phẳng, mà có ụ nổi lên, nếu ta muốn làm nhẵn thì cần có một bước gia công riêng

Hình 4.7 :Hình dạng của lỗ được gia công diện hoá bằng điện cực bọc

cách điện mặt bao quanh.

a: Vật gia công

b: Dung dịch diện phân

c: Điện cực

d: Lớp cách điện

e: Hướng tiến điện cực

- Trường hợp gia công lỗ có tiết diện thay đổi, thì không dùng đượcđiện cực có vỏ cách điện Ở đây khoảng cách điện cực phụ thuộc rất nhiềuvào thông số hình học và các thông số khác, do đó trong thực tế khôngthể chuẩn bị trước một điện cực được tạo hình theo đúng kích thước vàhình dáng của lỗ cần gia công Bằng thực nghiệm người ta tạo hình điệncực phù hợp Phương pháp này khá tốn kém, do đó chỉ có trong sản xuấthàng loạt thì mới có hiệu quả kinh tế Điện cực không mòn, có thể dùng

để gia công nhiều lần, độ chính xác của lỗ có thể đảm bảo được 0,02 mm

- Muốn bảo đảm đạt độ chính xác kích thước cao người ta thường lọc sạch dung dịch trong quá trình gia công

3) Chất lượng bề mặt :

- Độ bóng bề mặt khi gia công bằng điện hoá được hình thành rấttốt Nếu tăng tốc độ tiến của diện cực và tăng cường độ dòng điện sẽ làmgiảm độ nhấp nhô của bề mặt, như vậy độ bóng bề mặt rất tốt khi đượcgia công với công suất lớn Đặc biệt là thép austenit Với thép cacbon thì

bề mặt thô hơn (Rmax = 5÷10 m) Bề mặt sau khi gia công có thể đánhbóng đạt Rmax <1  m với thép không rỉ, chịu nhiệt và chịu mài mòn Vậtliệu sau khi gia công vẫn giữ được tính chất của nó, không có sự thay đổitrong cấu trúc, không có ứng suất dư và biến cứng bề mặt

7 phạm vi ứng dụng :

- Lượng phoi lấy đi không phụ thuộc vào các tính chất cơ học của kim loại Công nghệ này có tính kinh tế cao trong trường hợp ứng dụng để gia công các vật liệu cứng, khó cắt gọt Trừ một số kim loại hiếm, còn tất cả kim loại khác đều có thể gia công bằng công nghệ này Cacbon

có tác dụng kiềm chế hiện tượng điện hoá, do đó thép có thành phần

cacbon cao thì ít có khả năng gia công bằng công nghệ này Gang thì đặc biệt khó gia công vì có hạt grafit Tương tự như vậy với carbide của titan và wolfram Do đó nói chung không gia công điện hoá các hợp kim cứng

- Công suất trung bình thì có giới hạn Còn lượng phoi lấy được thì

không, nó tăng khi bề mặt tăng, vì vậy gia công bề mặt lớn thì có tính kinh tế cao Khoan sâu bằng điện hoá ngày càng được thực hiện với thiết

bị có năng suất lấy phoi càng lớn Hiện nay đã có thiết bị 20.000 A với

năng suất lấy phoi 33 cm3/ph, tốc độ tiến điện cực là 12mm/phút và mật

độ dòng điện 800 A/cm2, loại thiết bị này có kích thước lớn và cứng

vững, vì áp suất của dung dịch điện phân lên đến 10-24 atm, lực tác dụnglên bề mặt vô cùng lớn

- Độ chính xác gia công lỗ rỗng là 0,02-0,03 mm, độ nhẵn bề mặt đạtRamax = 0, 03 m Một phạm vi ứng dụng đặc trưng là gia công lỗ nhỏ,

từ 0,3 mm

- Phổ biến nhất là dùng gia công tạo hình không gian phức tạp bằngthép chịu nhiệt, chịu mài mòn và thép không rỉ Ví dụ đặc trưng là gia côngcánh tuabin

- Hai diện cực gia công với tốc độ tiến cực e = 0,18mm/phút, cùng tiếnđồng thời, và việc gia công chỉ mất 5-10 phút Trên máy mài thì thao tácnày phải mất gần một giờ

- Một trường hợp ứng dụng đặc biệt là : điện cực gia công là một ống,được uốn theo qui định, tiến theo một hướng nhất định, để tạo hình màkhông cần làm mòn hết cả khoảng thể tích vật liệu cần phải lấy đi Điệncực là một ống có sẻ rãnh Phương pháp này có thể gia công một cáchchính xác những vật quay đối xứng (vật gia công quay hay điện cựcquay), phương pháp này gọi là tiện mài bóng, ứng dụng rất thích hợp đểgia công van hình cầu, các rãnh vành khăn

- Trong những năm gần đây, công nghệ điện hoá chiếm lĩnh việc gia công

lỗ sâu, kích thước đường kính nhỏ, nhưng chỉ kinh tế trong sản xuất hàngloạt, đòi hỏi thiết bị có sản lượng lớn

- Công nghệ điện hoá ngày nay được áp dụng phổ biến ở các nướcphương tây Tuy nhiên cũng có nhược điểm là chi phí lớn cho điện cực, máylớn có giá trị rất cao Trường hợp gia công với sản lượng trung bình thìkhông đủ sức cạnh tranh với cắt gọt thông thường

8 các phương pháp gia công điện hóa :

1) Mài điện hóa :

- Mài điện hoá là dạng đặc biệt của phương pháp gia công điện hoátrong đó đá mài quay (catod) là một đĩa mài hình vành khăn dẫn điện cógắn các hạt kim cương, hoặc carbid silic hoặc cô ranh đông, được dùng

đễ tăng cường sự hoà tan của bề mặt kim loại gia công (anod) Vật liệudùng cho mài điện hoá là oxít nhôm và kim cương Vật liệu kết dính hoặc

là kim loại (cho hạt mài kim cương) hoặc là nhựa trộn với các hạt kim loại

để tạo thành chất dẫn điện (cho oxít nhôm) Các hạt mài nhô ra từ đá màitiếp xúc với chi tiết gia công hình thành nên khe hở trong mài điện hoá Tácdụng cọ xát của những hạt mài của đĩa mài ngăn cản quá trình tự kiềm chếcủa anod Dòng dung dịch điện phân đi qua khe hở giữa các hạt mài để thựchiện chức năng của nó

- Những hạt mài có hai nhiệm vụ song hành Một mặt chúng lànhững hạt cách điện, và quyết định kích thước của khe hở (0,02-0,08