9. Cắt hợp kim cứng bằng ph−ơng pháp điện hoá (Hình 3.10)
3.3. Thiết bị trong gia công điện hoá
Quá trình gia công điện hoá đ−ợc thực hiện ở các thiết bị chuyên dùng gồm nguồn điện một chiều, các hệ thống thuỷ lực, các cơ cấu đảm bảo quá trình động học đặt tr−ớc và bộ phận kiểm tra.
Nguồn điện của thiết bị sử dụng trang bị chỉnh l−u điện. Để có mật độ dòng điện đủ lớn cần thiết cho thiết bị, điện áp cung cấp cho quá trình gia công từ 5 – 30V. Điện áp này là yêu cầu để bảo vệ và cách điện cho các phần dẫn điện và các phần còn lại của thiết bị. Để gia công điện hoá yêu cầu cần c−ờng độ dòng điện rất lớn (tới 1000A và lớn hơn). Khi thiết kế hệ thống điện đ−ợc đặc biệt chú ý để tháo lắp các hệ thống hợp lý việc dẫn điện tới các điện cực với sự tiêu hao ít.
Trang bị thuỷ lực gồm bơm thuỷ lực để cung cấp chất điện phân và để l−u thông chất lỏng làm nguội. Tốc độ hoà tan anốt phụ thuộc vào tốc độ chuyển động của dung dịch điện phân. Theo mức độ tăng tốc độ chuyển động của chất điện phân đến các trị số xác định diễn ra sự tăng khối l−ợng kim loại lấy ra từ anốt. điều này giải thích rằng các sản phẩm của sự hoà tan anốt do điện trở lớn mang đi trong môi tr−ờng anốt. Sự cung cấp chất điện phân tăng giữa các điện cực làm tăng t−ơng ứng mật độ dòng điện thực tế và khối l−ợng kim loại.
Các bộ phận làm sạch (các bình lọc, bộ phận lọc lắng, bình lọc loại phản lực ly tâm...) có tác dụng lọc sạch các tạp chất cũng nh− kim loại trong dung dịch điện phân.
Hình 3-11. Thiết bị gia công điện hoá
1.Buồng chính; 2- Hệ thống động cơ - vít me để chạy dao dụng cụ (ca tốt); 3 – Vit me; 4 – Dụng cụ (ca tốt); 5 – Chi tiết; 6 - Đồng hồ chỉ áp lực dòng chảy; 7 – Buồng phân phối; 8 – Bơm; 9 – Bể chứa dung dịch điện phân; 10 – Thiết bị tản nhiệt; 11 – Bộ phận lọc.
Hệ thống động học là bộ phận để dịch chuyển t−ơng đối điện cực – dụng cụ và phôi, nó có độ cứng đủ để ngăn ngừa những tác hại thuỷ lực của chất điện phân.
Bộ phận kiểm tra cần thiết để đo các thông số quan trọng trong quá trình điện hoá của tất cả các công đoạn gia công, tr−ớc hết là c−ờng độ dòng điện, điện áp, nhiệt độ, tốc độ l−u thông của chất điện phân, sự dịch chuyển t−ơng đối giữa các điện cực...
Trong quá trình điện hoá hyđrô tách ra trên ca tốt, nếu để hở thì muối có độc tố sẽ toả ra rất nguy hiểm. Với quan điểm an toàn kỹ thuật do đó yêu cầu phải có bộ phân thông gió. Khi gia công đ−ợc thực hiện trong buồng kín thì dòng chảy của chất điện phân sẽ cuốn theo hyđrô mà nó sinh ra.
Mặt khác khi thiết kế các thiết bị để gia công điện hoá cần phải tính đến tác dụng ăn mòn do chất điện phân gây ra. Các chi tiết của nhiều bộ phận đ−ợc chế tạo bằng thép không rỉ hoặc các vật liệu chống ăn mòn đặc biệt. Tính chất chống ăn mòn ổn định của các thiết bị để gia công điện hoá chính là nhựa.
Chi phí điện năng để gia công điện hoá xuất phát từ nguồn điện một chiều N, xác định theo các thông số sau:
N = Nn + (Ne + Ni + Np.e + Nk), kW (3.4)
Từ công thức trên ta thấy năng l−ợng chi phí có lợi là Nn, còn các chi phí bất lợi khác nh− để thắng điện trở của chất điện phân Ne, để thoát các ion của hơi (oxy và hđrô) Ni, để thắng sự phân cực của các điện cực Np.e, để thắng các lực cản l−u thông Nk . Các tính toán chỉ ra rằng, dung l−ợng điện của ph−ơng pháp gia công điện hoá giống nh− ph−ơng pháp xung điện.
Ví dụ: Khi gia công hợp kim có nền là niken 617 dung l−ợng điện của ph−ơng pháp điện hoá là 0,1 kW, còn dùng xung điện thì chỉ có 0,06 – 0,114 Kw với dòng điện trung bình trong giới hạn từ 30 – 100 A.
Quá trình hoà tan anốt của các kim loại không làm tăng nhiệt độ nh−ng do sự ma sát của chất điện phân ở thành các ống dẫn làm nó nóng lên chính là làm tăng nhiệt độ chất điện phân, có thể đạt đến 60 – 700c. Để đảm bảo quá trình gia công điện hoá ổn định và không làm hỏng các vật liệu cách điện, nhiệt độ cần duy trì trong khoảng 20 – 400c.
Để khắc phục các nh−ợc điểm trên thùng chứa chất điện phân cần có dung tích đủ lớn và trang bị bộ phận làm mát với sự hoà tan anốt chất điện phân rất nhanh bị bẩn do các sản phẩm của sự hoà tan. Bất cứ một sự ứ tắc nào của chất điện phân đều có thể dẫn đến làm dính các sản phẩm của sự hoà tan lên các điện cực dẫn đến làm chập các điện cực và tạo nên không phẳng trên bề mặt các chi tiết gia công. Do đó các thiết bị để gia công điện hoá cần
có bộ phận lọc, bình lọc lắng, bình lọc loại phản lực li tâm đảm bảo lọc và làm sạch chất điện phân.
Độ chính xác của gia công điện hoá đ−ợc xác định bằng độ chính xác khi chế tạo catốt, bằng độ sai số của thiết bị tạo phôi, sự duy trì nhiệt độ và tốc độ chuyển động của chất điện phân theo thời gian cũng nh− theo những đặc điểm riêng của bề mặt gia công, những sai số chuyển động của chất điện phân cũng nh− hàng loạt các yếu tố khác, đ−ợc xác định tính ổn định của quá trình hoà tan bằng điện hoá, ví nh− sự đồng đều của khe hở đ−ợc duy trì và mật độ dòng điện một chiều là những trị số tối −u. Sự thay đổi, sự đi ra của kim loại theo dòng điện chính là phụ thuộc vào mật độ dòng điện đó. Kết cấu lỗ đầu vào và lỗ đầu ra tạo nên dòng chảy chuyển động của chất điện phân phải đảm bảo sự đồng đều qua khe hở làm việc, tránh sự xung động. Những điều kiện thuận lợi hơn cả tạo nên dòng chảy đều đặn của chất điện phân vào giữa các điện cực là tạo nên ph−ơng pháp gia công kín khi các điện cực đ−ợc nhúng chìm vào chất điện phân. Khi đó sẽ tăng khối l−ợng kim loại đ−ợc giải phóng, độ chính xác và độ nhẵn bề mặt sẽ tốt hơn. Bằng ph−ơng pháp kín toàn bộ thời gian gia công theo dõi dễ dàng sự dao động của c−ờng độ dòng điện, điều đó còn giúp ta nhận biết sự lộ ra những chỗ nào đó của bề mặt các điện cực.
Độ chính xác kích th−ớc của chi tiết và sự tái tạo hình dạng catốt phụ thuộc vào dự định của quá trình, điều đó xác định bằng thành phần của chất điện phân, mật độ dòng điện, khoảng cách giữa các điện cực, đặc điểm bề mặt làm việc của điện cực – dụng cụ và ph−ơng pháp ngăn cách (cách điện) của phần không làm việc của điện cực đó. Để làm đ−ợc việc đó thì chất phủ catốt có thể là êmay, kapron... Không cho phép sự bám dính trên bề mặt điện cực – dụng cụ một lớp kim loại dù nhỏ nào bởi vì nó ảnh h−ởng đến độ chính xác của hình dạng cần khôi phục. Dụng cụ – catốt đ−ợc chế tạo bằng vật liệu dẫn điện tốt nh−: đồng và hợp kim của đồng, đồng thau, thép không rỉ...Khi lắp
Khi thiết kế catốt- dụng cụ cần phải hiệu chỉnh hình dạng của nó. Ví dụ nh−
nếu yêu cầu bề mặt phẳng thì cần phải sử dụng điện cực – dụng cụ với dạng hơi nhô bởi vì kim loại đ−ợc đẩy ra nhanh hơn ở đầu cuối của phôi. Để nhận đ−ợc các chi tiết có hình dạng đã định cần phải tính đến một cách chi tiết góc nhọn của bề mặt – dụng cụ trên chi tiết chỗ chuyển tiếp nhận đ−ợc bán kính l−ợn không nhỏ hơn 0,2mm tính đến việc hiệu chỉnh độ côn phát sinh. Thực tế không có hao mòn điện cực – dụng cụ làm cho ph−ơng pháp gia công điện hoá có độ chính xác cao, độ nhẵn bề mặt sau khi gia công điện hoá th−ờng đạt rất cao Ra = 0,32 – 0,25àm, trị số này phụ thuộc tr−ớc tiên vào độ nhẵn bề mặt của phôi và trị số độ dôi, ngoài ra trị số đó còn bị ảnh h−ởng bởi một số yếu tố khác, ví dụ nh− khi tăng tốc độ chuyển động của chất điện phân thì độ nhẵn bề mặt sẽ cao hơn, khi tăng mật độ dòng điện và giữ nguyên tốc độ chuyển động của chất điện phân thì độ nhẵn bề mặt sẽ giảm đi. Do đó để đạt đ−ợc độ nhẵn bề mặt khi gia công điện hoá đồng thời với việc tăng mật độ dòng điện cần phải tăng tốc độ chuyển động của chất điện phân.
ở Mỹ ng−ời ta sử dụng máy công cụ HCS – 59 để tạo hình các chi tiết bằng điện hoá trong công nghiệp sản xuất thiết bị điều khiển và động cơ phản lực. Nó có nguồn điện một chiều với công suất 10kW, dòng điện I = 300A, chi tiết cần gia công đ−ợc bắt chặt trên bàn nằm ngang của máy và dịch chuyển theo h−ớng nằm ngang trên chiều dài 200mm. Việc cung cấp chi tiết gia công tiến vào điện cực- dụng cụ đ−ợc thực hiện tự động và dịch chuyển hết hành trình thì có thiết bị tự ngắt. Máy có trang bị bộ phận tự động để đảm bảo sự làm việc bình th−ờng trong thời gian gia công.
3.4. ảnh h−ởng của một số thông số công nghệ
3.4.1. Dụng cụ
Trong quá trình gia công kim loại bằng điện hoá thì dụng cụ đóng vai trò rất quan trọng. Prophin của dụng cụ là âm bản của prophin chi tiết vì vậy
việc chế tạo prophin dụng cụ cho phù hợp với prophin chi tiết là một công việc chiếm thời l−ợng khá lớn. Trong quá trình làm việc, chất l−ợng và hiệu quả của quá trình gia công phụ thuộc rất nhiều vào khâu chuẩn bị dụng cụ. Trong quá trình làm việc, dụng cụ đóng vai trò âm cực, dụng cụ không bị mòn, không chịu lực do đó vật liệu làm dụng cụ chỉ cần là loại vật liệu dẫn điện tốt, th−ờng dùng là đồng (Cu).
a b
Hình 3.12. ảnh h−ởng của cách điện đến chi tiết
a. Dụng cụ không cách điện; b. Dụng cụ có cách điện Để đảm bảo chi tiết đạt yêu cầu kỹ thuật khi gia công thì ở những phần
bề mặt dụng cụ không làm việc, cần phải đ−ợc cách điện với chất điện giải.
3.4.2. Dung dịch
Trong quá trình gia công điện hoá, dung dịch điện phân nạp vào giữa các điện cực sẽ có trị số điện trở nhất định và đ−ợc xác định theo công thức :
R =
FS S
.
trong đó:
S – Khoảng cách giữa các điện cực, cm;
à - Độ dẫn điện, 1/ .cm;
F –Tiết diện ngang của cột chứa chất điện phân giữa các điện cực, cm2. Nh− vậy khi làm việc với mật độ dòng điện anốt là 6 A/cm2 với điện áp 24V, diện tích làm việc của catốt F = 100cm2, khe hở giữa các điện cực S = 0,5mm, chất hoà tan là natri clorua 25% làm chất điện phân thì độ dẫn điện à = 0,2135 1/ .cm, điện trở R = 0,0023 . Khic−ờng độ dòng điện 600A , điện áp rơi trong chất điện phân E = I.R = 1,38V còn tiêu phí công suất là 5 – 8%.
Chất điện phân để gia công điện hoá cần có độ dẫn điện, không có hại đến thiết bị, không độc hại đối với ng−ời vận hành và có giá cả hợp lý.
Chất điện phân phổ biến rẻ tiền nhất và sử dụng đ−ợc nhiều lần là dung dịch n−ớc với muối ăn NaCl (natri clorua), NaCl có tác dụng ăn mòn mạnh, cùng với nó trong hàng loạt các tr−ờng hợp nó không có năng suất khi thực hiện điện hoá tạo hình đối với các hình phức tạp và vật liệu đặc biệt. Do đó ng−ời ta th−ờng sử dụng các chất điện phân nữa là NaNO3, Na2SO4. Độ dẫn điện cực đại của các dung dịch muối này khi nồng độ 26% NaCl, 30% NaNO3, 15% Na2SO4.
Nh−ng để đạt đ−ợc khối l−ợng kim loại hoà tan (tốc độ ăn mòn) lớn nhất , thực tế chỉ ra rằng hoàn toàn không cần thiết dùng chất điện phân có độ dẫn điện cực đại, bởi vì với mỗi loại kim loại hoặc hợp kim cần lựa chọn riêng thành phần chất điện phân và nồng độ phù hợp. Ví dụ nh− kẽm và các hợp kim kẽm, thiếc, chì chúng hoà tan rất mạnh trong dung dịch NaNO3, các hợp kim chịu lửa có thành phần chính là niken chứa nhiều crôm thì dùng dung dịch Na2SO4, các hợp kim nhôm, hợp kim titan và các hợp kim có thành phần cơ bản là sắt thì dùng dung dịch NaCl. Các kết quả tốt khi gia công các hợp kim
chịu lửa dùng chất điện phân có thành phần axit phốt pho 55% (theo thể tích), axit sunphuaric H2SO4 22% và n−ớc H2O 23%. Với mật độ dòng điện 1,5 – 8 A/cm2, điện áp 3 –12 vôn và nhiệt độ thùng chứa 30 – 40 0C bảo đảm lớp lấy đi 0,075 – 0,1 mm sẽ nhận đ−ợc độ nhẵn bề mặt hoàn hảo.
Tóm lại trong quá trình gia công điện hoá dung dịch điện phân phải thực hiện đ−ợc ba chức năng:
-Truyền tải đ−ợc dòng điện lớn, chuyên chở các ion d−ơng và các ion âm đi qua, do đó chất điện giải cần phải dẫn điện tốt.
-Duy trì đ−ợc các phản ứng điện hoá yêu cầu, nghĩa là chất điện giải phải liên tục duy trì sự hoà tan “d−ơng cực” (chi tiết gia công) và không sinh ra phóng điện ở “âm cực” (dụng cụ).
-Tải nhiệt và các sản phẩm của phản ứng điện hóa sinh ra đi khỏi vùng gia công.
Chất điện giải phải đ−ợc lựa chọn thích hợp để hoà tan đ−ợc cực d−ơng chi tiết mà không kết tủa trên bề mặt cực âm (dụng cụ).
Th−ờng chất điện giải đ−ợc chọn theo bảng sau
Vật liệu gia công Chất điện giải đ−ợc dùng
Hợp kim sắt Dung dịch clorua (th−ờng là 20%NaCl trong
n−ớc)
Hợp kim Titan Dung dịch (10% HCl + 10% HNO3 + 10% HF)
Hợp kim Niken Dung dịch HCl hoặc NaCl + H2SO4
Hợp kim nền Co-Cr-W Dung dịch NaCl trong n−ớc
Chất điện phân để gia công điện hoá cần có độ dẫn điện , không có hại đến thiết bị, không độc hại đối với ng−ời vận hành và có giá cả hợp lý. Khi chạm khắc anốt trong axít, để tạo hình bằng điện hoá ng−ời ta sử dụng chất điện phân trung tính, không hoà tan khi không có dòng điện . Trị số pH là đặc tính của chất điện phân trung tính, họ kiểm tra và nếu cần thiết phải hiệu chỉnh bằng dung dịch loãng của axit hoặc muối.
Chất điện phân phổ biến là dung dịch n−ớc và muối ăn NaCl, NaCl có tác dụng ăn mòn mạnh, ngoài ra các chất điện phân th−ờng sử dụng nữa là NaNO3, Na2SO4. Độ dẫn điện cực đại của các dung dịch muối này phụ thuộc vào nồng độ của chúng. Thực tế chỉ ra rằng hoàn toàn không cần thiết dùng chất điện phân có độ dẫn điện cực đại, bởi vì với mỗi loại kim loại hoặc hợp kim cần lựa chọn riêng thành phần chất điện phân và nồng độ dung dịch phù hợp.