Mài điện hóa (ECG – Electrochemical Grinding)

CHƯƠNG 11: CÁC PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG TIÊN TIẾN

11.3. Các phương pháp gia công theo nguyên lý điện

11.3.2 Mài điện hóa (ECG – Electrochemical Grinding)

Mài điện hoá còn được gọi là mài điện phân, tương tự như gia công điện hoá, ngoại trừ katốt là đá mài dẫn điện thay cho dụng cụ được tạo hình như biên dạng cần gia công. Mài điện hoá được dùng chủ yếu để gia công các hợp kim khó gia công (như thép không gỉ, thép chịu nhiệt, hợp kim cứng), các phôi đã nhiệt luyện (60 ÷ 65 HRC và cứng hơn), các chi tiết dễ vỡ hoặc các chi tiết nhạy cảm với nhiệt, hay các chi tiết đòi hỏi không có ứng suất hoặc bavia. Phương pháp được ứng dụng vào những năm 50, ứng dụng này phát triển ở Liên Xô.

Mài điện hoá tách bỏ vật liệu bằng sự kết hợp của hoạt động hoá học và mài.

Phản ứng điện hoá chiếm 90% chức năng tách bỏ vật liệu, những hạt mài của đá lấy đi lớp ôxit trên bề mặt phôi.

a. Cơ chế mài điện hóa.

Hình 11.12. Sơ đồ nguyên lý của ECG

Hình 11.12. Sơ đồ cơ chế tạo phoi khi mài điện hóa.

1- Vật liệu gia công; 2- Hạt mài; 3- Phoi;

4- Dung dịch điện ly; 5-Chất dính kết kim loại.

Trong mài điện hoá phôi là điện cực dương (anốt) và đá mài là điện cực âm (katốt). Hai điện cực được nối với nguồn 1 chiều và được nhúng vào trong một dung dịch ion dẫn điện (chất điện phân) chứa các ion dương và âm tích điện, dưới ảnh

anôt. Tại katốt các ion dương của chất điện phân lấy điện tử (sự khử) và tạo thành một nguyên tử hoặc phân tử trung hoà. Tại anốt, các ion âm giải phóng điện tử (oxy hoá) và chuyển thành các nguyên tử hoặc phân tử trung hoà. Khi hiện tượng điện phân xảy ra một lớp màng ôxit hình thành trên bề mặt của phôi là anốt. Lớp màng ôxit là một chất cách điện và nếu để lớp này tồn tại, nó sẽ làm chậm hoặc ngừng quá trình tuỳ thuộc vào mức độ rỗ của nó. Các vật liệu mài ở katốt sẽ lấy lớp oxit đi để lộ kim loại để quá trình oxi hoá được tiếp tục.

Năng lượng cần cho phương pháp mài điện hoá ít hơn là cho gia công điện hoá vì diện tích gia công nhỏ hơn và các hạt mài trên đá chỉ phải đẩy lớp oxit đi.

- Dòng điện thông thường từ 5 ÷1000 A

- Điện áp 3 ÷ 15 V đặt lên khe hở điện phân khoảng 0,025 mm hay nhỏ hơn.

- Phương pháp thường được thực hiện ở nhiệt độ trong phòng.

- Tốc độ mài 1100 ÷ 1800 m/ph. Khi gia công rãnh tốc độ cao dùng đá mài kim cương chất kết dính kim loại đôi khi gia công với tốc độ 2500 ÷ 3000m/ph hay cao hơn.

Điện áp gia công được điều chỉnh để cho tốc độ tách bỏ vật liệu kim loại max phù hợp với yêu cầu về chất lượng bề mặt và lượng mòn đá chấp nhận được. Sự điều chỉnh này thường được thực hiện bằng việc tăng điện áp đặt đến khi có thể nghe thấy sự phóng điện và giảm điện áp đi 0,5 ÷ 1V.

Lực mài hướng kính được coi là thấp, tuỳ thuộc vào diện tích tiếp xúc giữa đá và phôi, nó thường ở khoảng 140 kPa hay nhỏ hơn. Khi cắt lớn hơn các thử nghiệm cho thấy có thể đạt đến 1400 kPa, nhưng ít gặp.

Điện áp thấp được dùng nếu mục tiêu là dung sai cao hơn, giảm cắt quá, mài cạnh sắc, bề mặt nhẵn bóng hay các yêu cầu đặc biệt khác. Dòng điện, tốc độ phản ứng hoá học và tốc độ tách bỏ vật liệu tăng tuyến tính với việc tăng điện áp đến khi phản ứng mãnh liệt và hiện tượng phóng điện xảy ra. Điều này phản ánh một sự chuyển từ mài điện hoá sang gia công xung điện, nó có thể dẫn đến hình thành các hố trên cả hai điện cực. Tuỳ thuộc vào kiểu katốt, sự thay đổi này xảy ra ở điểm giữa 10÷15 V. Hiện tượng này có thể điều chỉnh dễ dàng bằng điện áp.

b. Tốc độ bóc tách vật liệu.

Mặc dù 90% vật liệu được tách bỏ có thể được thực hiện bằng phản ứng hoá học, thường 5 ÷ 10% kim loại được cắt bằng mài. Với phần lớn các kim loại có thể ước tính sơ bộ tốc độ tách bỏ vật liệu là 1600 m3/ph với dòng 1000A.

Về mặt lý thuyết, tốc độ tách bỏ vật liệu của ECG bị giới hạn bởi định luật Faraday 2: 1 Faraday sẽ giải phóng một đương lượng gam chất hay khối lượng nguyên tử của nó chia cho hoá trị.

Ví dụ: Khối lượng gam của sắt là khối lượng nguyên tử chia cho hoá trị của sắt hoà tan, hay 56 chia cho 2 bằng 28 gam sắt sẽ được hoà tan trong lượng dịch chuyển của mỗi Faraday điện. Bảng 11.1 liệt kê tốc độ tách bỏ vật liệu ở 1000A của dòng điện.

Bảng 11.1. Giới hạn lý thuyết của mài điện hóa

Vật liệu Tỷ trọng (g/cm3) Tốc độ bóc tách vật liệu (cm3/ph)

Nhôm 2,67 2,06

Bery 1,85 1,05

Crôm 7,19 2,25

Đồng 8,96 4,39

Sắt 7,86 2,21

Molipden 10,22 1,95

Titan 4,51 2,19

Wonfram 19,3 0,98

Bảng 11.2 liệt kê mật độ dòng điện đối với các loại phôi khác nhau. Để đạt được tốc độ tách bỏ vật liệu max, diện tích mài phải càng lớn càng tốt để nó cho phép dòng điện lớn hơn chạy qua.

Bảng 11.2. Mật độ dòng điện đối với các vật liệu khác nhau Vật liệu Mật độ dòng điện (A/cm3)

Các loại gang cacbit 78÷124

Các loại thép cacbit 124÷155

Thép cacbon thấp 465÷620

Thép cacbon cao 310÷465

Thép không gỉ 465÷620

Hợp kim gồm Co, Cr, Mo, W 310÷465 c. Tốc độ chạy dao.

Tốc độ tiến dao thay đổi theo các tham số khác nhau, tuỳ thuộc vào phương pháp mài. Ví dụ trong mài cạnh hay mài mặt đầu, toàn bộ bề mặt được mài được lộ ra trước bề mặt đá mài. Kết quả là tốc độ tiến dao phù hợp có thể được ước tính từ tốc độ tách bỏ vật liệu và mật độ dòng điện của phôi. Chẳng hạn, với một tốc độ tách bỏ vật liệu 1600mm3/ph, dòng điện 1000A và mật độ dòng điện 1,2A/mm2, tốc độ tiến dao khoảng 1,9 mm/ph.

Trong mài bề mặt diện tích của khe hở điện cực được xác định bằng đường kính đá và chiều sâu cắt. Vì vậy tốc độ tiến dao trong mài điện hoá bề mặt phụ thuộc vào mật độ dòng điện, tốc độ tách bỏ vật liệu và đường kính đá. Hình 11.13 biểu diễn một vài tốc độ tiến dao thông dụng trong mài điện hoá bề mặt.

Nói chung nếu tốc độ tiến đá quá nhỏ trong một trường hợp cụ thể, hiện tượng cắt quá xảy ra, dẫn đến chất lượng bề mặt và độ chính xác kém. Nếu tốc độ tiến đá quá lớn, mòn đá sẽ lớn.

0.05

0.025 0.1 0.25 0.5 1.0 2.5

Chiều sâu cắt (mm) 20

5.0 7.5 10 12.515

2.5 125 100 75

25 50 200 150 250 500

Tốc độ tiến dao (mm/ph)

§­êng kÝnh ®

á = 400 (mm)

§­êng

kính đá = 300 (mm)

§­êng kÝnh ®

á = 200 (mm)

§­êng kÝnh ®

á = 75 (mm)

§­êng kÝnh ®

á = 38 (mm)

Hình 11.13. Tốc độ chạy dao đối với mài điện hoá bề mặt, được xác định với mật độ dòng điện 1.5A/cm3, tốc độ của đá 1200 ÷ 2100 m/phút

d. Độ chính xác và chất lượng bề mặt.

1. Chất lượng bề mặt.

Mài điện hoá dùng phản ứng hoá học với tác động mài cực tiểu. Do đó chất lượng bề mặt tạo ra bởi mài điện hoá phụ thuộc vào cấu trúc tinh thể luyện kim học của phôi. Cấu trúc tinh thể càng nhỏ mịn, chất lượng gia công càng cao. Thay cho việc tạo ra bề mặt có vết của dụng cụ, phương pháp này tạo ra một bề mặt có hình dạng của cấu trúc tinh thể. Bề mặt có vẻ bị mờ xỉn, mầu này là mầu của bề mặt ôxit trên phần lớn vật liệu được gia công ngoại trừ một vài hợp kim có bề mặt sáng.

Độ nhỏm bề mặt thay đổi từ Ra ≈(1,6 ữ 0.1)àm tuỳ thuộc vào vật liệu gia cụng.

Nếu cần bề mặt chất lượng cao hơn, cần kết hợp thêm một lần gia công cuối. Bước gia công cuối được thực hiện ở điện áp thấp 3 ÷ 5V và ở tốc độ tiến đá tương đối cao

khoảng 250 ÷ 500 mm/ph hay lớn hơn. Việc lựa chọn đá mài phù hợp trong ECG rất quan trọng. Vì tác dụng mài của đá là một phần quan trọng của phương pháp trong bước cuối này, việc lựa chọn cỡ hạt quyết định chất lượng bề mặt. Đá hạt nhỏ cỡ 220 ÷ 320 thích hợp cho mài các dụng cụ phẫu thuật và dao công nghiệp.

Hình 11.14. Cấu trúc bề mặt HKC BK8 khi mài điện hoá bằng đá kim cương ΠΠ - 250x80x20 – AC6 125/100 100%M1 ở các mức điện áp khác nhau (a,b,c,d); chiều sâu cắt t = 0,05; lượng chạy dao dọc Sd = 1,2m/phut; Vận tốc cắt V = 28m/s: Dung

dịch điện ly 5% NaNO3, 3% KNO3

Hình 11.15. Cấu trúc bề mặt HKC T15K6 khi mài điện hoá bằng đá kim cương ΠΠ - 250x80x20 – AC6 125/100 100%M1 ở các mức điện áp khác nhau (a,b,c,d); chiều sâu cắt t = 0,05; lượng chạy dao dọc Sd = 1,2m/phut; Vận tốc cắt V = 28m/s: Dung

dịch điện ly 5% NaNO3, 3% KNO3

2. Độ chính xác của mài điện hoá.

Khả năng để đảm bảo dung sai khắt khe phụ thuộc vào dòng điện, lưu lượng chất điện phân, tốc độ chạy dao, và tính chất luyện kim của chính bản thân phôi.

Phôi càng có tính phản ứng nhạy đối với việc phân tích ECG, càng khó đảm bảo dung sai chính xác. Kết quả là các kim loại phản ứng nhạy, như các hợp kim chứa crôm, cần có chất điện phân yếu để không tạo ra lượng cắt quá lớn. Trong những điều kiện đặc biệt, chất điện phân phải được kiểm soát về nhiệt độ, khối lượng riêng và độ dẫn điện trong một chu trình kín đều đặn và tự động.

Trong gia công ECG thông thường, dung sai ước tính khoảng ±0,025mm và trong gia công được điều khiển tốt, dung sai khoảng ±0,01mm. Khi áp dụng việc kiểm soát tối đa như được mô tả ở trên, với nhiệt độ chất điện phân được duy trì trong ±0,6

0C cùng với điều khiển độ dẫn điện và khối lượng riêng, các nhóm đã đạt được mức dung sai ±0,0025mm. Trường hợp như vậy được coi là ngoại lệ và không nên chờ đợi có được ở phương pháp ECG thông thường.

e. Một số chú ý:

* Phôi vật liệu không giống nhau.

Trong mài điện hoá các vật liệu không giống nhau như cácbit được hàn vào thép dụng cụ hay các chi tiết đã được ép vào nhau, việc lựa chọn điện áp thích hợp và mật độ dòng điện tổng hợp dựa trên tỷ số của diện tích hai vật liệu .

Trong mài dao gắn mảnh cácbit trong đó đá mài đầu tiên mài cácbit và sau đó đến thép, năng lượng cần thiết được tính toán cho mật độ dòng điện của thép, trong khi tốc độ tiến đá dựa vào mật độ dòng điện dùng cho các bít. Cần phải tránh hiện tượng cắt quá của các vật liệu phản ứng nhạy tại điểm hai vật liệu tiếp xúc. Đôi khi dùng điện áp thấp là khắc phục được vấn đề này.

* Sự tạo ra Oxi và Hydro.

Quá trình hoá học hoặc oxi hoá xẩy ra ở phôi tạo ra không chỉ lớp màng ôxit hay hydrôxít phải lấy đi mà còn những lượng nhỏ oxi. Quá trình khử ở đá mài cũng tạo ra một lượng nhỏ hydro, hai khí này được sinh ra trong quá trình này không đáng kể và các thử nghiệm mở rộng đã cho thấy vì hydro được tạo ra ở đá mài, không có hiện tượng làm giảm tính dẻo dai ở phôi.

* Đá mài ECG.

Hạt mài có trên đá mài ECG có 3 tác dụng chính.

- Chúng hớt lớp ôxit được tạo ra trên phôi, để lộ ra phần kim loại mới tạo điều kiện cho quá trình điện hoá xảy ra liên tiếp.

- Hạt mài tạo khoảng trống giữ chất điện môi khi đá mài tiếp xúc trực tiếp với phôi tránh gây ngắn mạch.

- Những lỗ trống giữa các hạt mài được điền đầy chất điện phân, hạt mài có tác dụng mang chất điện phân tới vùng gia công giữa phôi và đá mài tạo điều kiện quá trình mài điện hoá có thể xảy ra.

Khi sửa đá phải thoả mãn điều kiện loại bỏ được những phần tử kim loại và chất dính kết quanh hạt mài để lộ ra lỗ trống.

Đá mài ECG được làm bằng vật liệu hạt mài, chất dính kết và chất dẫn điện. Hầu hết đá mài có vật liệu hạt mài là oxít nhôm, chất dính kết nhựa được thấm đồng để dẫn điện. Độ hạt ôxit nhôm trong khoảng từ 60 ÷ 320 hạt. Những vật liệu hạt mài khác được sử dụng là SiC, kim cương và gần đây là BN.

f. Ưu nhược điểm của ECG.

1. Ưu điểm.

- Không làm biến cứng phôi.

- Loại trừ được cháy do mài.

- Bề mặt không ba via.

- Độ nhẵn bề mặt cú thể đạt 0.125 ữ 1àm phụ thuộc vào vật liệu chi tiết gia cụng, đá mài và các yếu tố khác.

- Dung sai có thể đạt ± 0.025mm ở điều kiện thường và ± 0.0025mm ở điều kiện đặc biệt.

2. Nhược điểm.

- Đầu tư cao hơn những máy thông thường.

- Chỉ gia công được những vật liệu dẫn điện.

- Yêu cầu phải bỏ hoặc phải lọc lại chất điện phân.

- Tốc độ bóc tách vật liệu không cạnh tranh được so với những phương pháp gia công thông thường khi gia công những kim loại dễ gia công.

Bảng so sánh phương pháp mài điện hoá với phương pháp phay và mài chính xác.

Vật liệu

Năng suất phay

Năng suất mài

Giá thành

dụng cụ

Điều khiển kích thước

Độ nhẵn bề mặt

Cháy bề mặt

Khả năng tác hại

nhiệt

Thép kết cấu - = - - = + =

Thép dụng cụ mềm - = - - = + +

Thép dụng cụ cứng + + - - = + +

Gang đúc - - - = =

Đồng - + - = + + =

Nhôm - - - + =

WC + + + = + = +

Thép không gỉ 300 - + + = + + +