b. Cắt bằng tia nước hạt mài (AWJC) Để cắt các chi tiết bằng kim loại,
9.2.1 Gia cơng điện hóa (Electrochemical Machining)
Q trình cơ bản trong nhóm này là gia cơng điện hóa (ECM). Gia cơng điện hóa tách vật liệu từ chi tiết dẫn điện bằng hòa tan điện cực dương, trong đó hình dạng của chi tiết đạt được bởi hình dạng điện cực dụng cụ nhờ dịng điện phân. ECM là bản chất của điện phân. Như minh họa trên hình 9.3 chi tiết là điện cực dương còn dụng cụ là điện cực âm. nguyên tắc cơ bản của quá trình là vật liệu là được phân giải từ cực dương nhờ tác dụng của bể điện phân. Sự khác nhau trong ECM là ở chỗ chất điện phân trong bể khơng đứng n mà chảy thành dịng rất mạnh giữa hai điện cực và mang vật liệu đã được phân giải và do vậy nó khơng phủ lên dụng cụ như ngun cơng mạ.
Hình 9.4 Gia cơng bằng điện hóa (ECM)
Điện cực dụng cụ thường chế tạo bằng đồng thau, đồng đỏ hoặc inox. Nó được thiết kế có xấp xỉ và ngược với hình dạng mong muốn của chi tiết. Kích thước của dụng cụ cần phải đảm bảo khe hở giữa chi tiết và dụng cụ. Để thực hiện tách vật liệu từ chi tiết, điện cực của dụng cụ cần ăn vào chi tiết ở tốc độ bằng tốc độ tách vật liệu. Tốc độ tách vật liệu được xác định bởi định luật thứ nhất Faraday là: số lượng kim loại được hòa tan tỉ lệ thuận với dòng điện chạy qua (dòng điện x thời gian)
V = CIt (9.1)
Ở đây: V - thể tích của vật liệu được tách ra (mm3)
nguyên tử, hóa trị và trọng lượng riêng của chi tiết gia công. Trên cơ sở định luật Oâm, dòng điện I = U/R, ở đây U - điện áp, R - điện trở. Ở đây: R = gr/A
g - khe hở giữa điện cực và chi tiết, mm; r - kháng trở của chất điện phân, (om.mm) và A - diện tích bề mặt giữa dụng cụ và chi tiết trong khe hở đối diện nhau, (mm). Thay biểu thị của R vào định luật Ơm, chúng ta có:
I = UA/gr (9.2)
Và thay thế phương trình này vào phương trình được xác định bởi định luật Faraday
V = C(Uat)/ gr (9.3)
Để thuận lợi chuyển đổi phương trình này qua biểu thị của lượng tiến dụng cụ vào chi tiết. Sự chuyển đổi này có thể thực hiện qua hai bước. Bước 1 chúng ta chia phương trình (2.x) cho At (diện tích x thời gian) :
V/At =fr = CU/gr (9.4)
Ở đây fr = tốc độ của dụng cụ, mm/s. Bước thứ 2, chúng ta thay I/A vào chỗ U/gr của phương trình (9.3). Từ đó ta có ràng buộc:
fr = CI/A (9.5)
Ở đây A - diện tích đối diện (phía mặt đầu) của điện cực với chi tiết. Giá trị của hằng số C được cho trong bảng 9.1 (trích từ tài liệu 5) với những vật liệu khác nhau. Chúng ta cần chú ý rằng phương trình (2.xxx) với giả thiết hiệu suất tách vật liệu là 100%. Hiệu suất thực tế giao động từ 90% đến 100% phụ thuộc vào hình dạng dụng cụ, điện áp và cường độ dịng điện cũng như những yếu tố khác.
Ví dụ về gia cơng điện hóa
Dùng phương pháp gia cơng điện hóa (ECM) để gia cơng lỗ trên tấm phẳng nhơm dày 12 mm. Lỗ có tiết diện ngang là hình chữ nhật hai cạnh là 10mm và 30mm. Ngun cơng gia cơng điện hóa (ECM) sẽ được thực hiện với dòng điện 1200amps. Hiệu suất mong muốn 95%. Xác định tốc độ dịch chuyển dụng cụ và thời gian cắt Tm
Bảng 9.1. Giá trị điển hình của hằng số C
Vật liệu chi tiết Hằng số C (mm3/amp.giây)
Vật liệu chi tiết Hằng số C
Nhôm (3) Đồng (1) Gang (2) Nicken (2) 3,44x 10-2 7,35x10-2 3,42x10-2 3,42x10-2 Thép Thép hợp kim thấp Thép hợp kim cao Thép không rỉ Thép titanium 3,0x10-2 2,73x10-2 2,46x10-2 2,73x10-2
Giải: Từ bảng 9.1, hệ số C đối với nhôm = 3,44x 10-2 mm3/A.s. Diện tích mặt đầu của dụng cụ: A =10mm x 30mm = 300 mm2. Với cường độ dòng là 1200 ampe.
Tốc độ chuyển dịch của dụng cụ sẽ là: fr = 0,0344 mm3/A.s (1200/300 A/mm2) = 0,1376mm/s.
Với hiệu suất 95%, tốc độ dịch chuyển thực tế sẽ là : Fr = 0,1376 mm/s x 0,95 = 0,1307 mm/s Thời gian gia công với chiều dày 12mm sẽ là:
Tm = 12,0/ 0,1307 = 1,53 phút
Trong những phương trình ở trên đã chỉ ra các tham số để xác định năng suất bóc vật liệu và tốc độ di chuyển của kim loại trong gia cơng điện hóa: kích thước khe hở g, suất điện trở của chất điện phân r, dịng điện I, và diện tích mặt đầu của điện cực A.Khoảng cách khe hở cần phải kiểm soát chặt chẽ. Nếu g trở nên quá lớn, quá trình điện phân sẽ chậm lại. Tất nhiên nếu điện cực đụng phải chi tiết, ngắn mạch sẽ xuất hiện và sẽ ngừng q trình hồn tồn. Trong thực tế khe hở thường duy trì trong phạm vi 0,075 Ỉ 0,75 mm. Môi trường chất điện phân thường dùng là nước. Để giảm điện trở suất của chất điện phân, các muối như NaCl hoặc NaNO3 thường được thêm vào trong dung dịch. Hơn nữa để vận chuyển kim loại được tách ra từ chi tiết cũng như các tạp chất khác và tải nhiệt ra khỏi vùng gia công. Vật liệu của chi tiết được tách ra ở dạng các hạt rất nhỏ cần được tách khỏi dung dịch điện phân nhờ ly tâm.
Các hạt kim loại được tách ra hình thành dung dịch đặc sệt, sự hủy bỏ chúng là vấn đề quan trọng, liên quan đến yếu tố môi trường.
Cơng suất điện năng u cầu cho gia hóa là rất lớn. Như các phương trình đã chỉ rõ, năng suất bóc vật liệu được xác định bởi công suất điện, đặc biệt cường độ dịng mà có thể cung cấp cho nguyên cơng. Điện áp u cầu khi gia cơng điện hóa tương đối thấp.
Gia cơng điện hóa thơng thường dùng khi vật liệu chi tiết rất cứng hoặc gia cơng khó khăn bằng phương pháp gia cơng truyền thống. Ứng dụng điển hình bao gồm:
(1) Khn dập với hình dạng đặc biệt, (2) Gia cơng các lỗ đồng thời, (3) các lỗ có tiết diện khơng trịn, v.v...
Ưu điểm của gia cơng điện hóa:
- Ít tác động xấu đến bề mặt gia cơng
- Không làm cháy bề mặt như các phương pháp gia cơng truyền thống (ví dụ mài chẳng hạn)
- Dụng cụ ít mịn
- Năng suất gia công cho vật liệu cứng và hình dạng khó gia cơng
Nhược điểm của gia cơng điện hóa
- Tốn điện năng - Hủy bỏ chất thải