Электрохимическая обработка. Теория, технология, оборудование
Электрохимическая обработка: теория, технология и оборудование
В данной книге рассматривается электрохимическая обработка (ЭХО) как передовой метод обработки материалов, особенно актуальный в машиностроении. Автор систематизирует основные аспекты современной технологии ЭХО, уделяя особое внимание новейшим тенденциям развития.
Классификация и основы ЭХО
Электрохимическая обработка относится к электрофизическим и электрохимическим методам обработки (ЭФХМО), которые используют электрический ток для изменения формы и свойств материалов. ЭХО основана на электролизе, процессе, при котором электрический ток вызывает химические реакции на электродах, погруженных в электролит. Основным механизмом ЭХО является анодное растворение металла, когда материал заготовки (анод) растворяется в электролите под действием электрического тока.
История и классификация ЭХО
История ЭХО насчитывает более двухсот лет, начиная с открытия электролиза Майклом Фарадеем. В книге подробно рассматривается эволюция ЭХО, от первых опытов до современных технологий. ЭХО классифицируется по различным параметрам, включая кинематику формообразования, форму и параметры тока, а также схему подачи электролита. Различают технологические схемы обработки профилированными и непрофилированными электродами-инструментами (ЭИ).
Механизм анодного растворения
В книге подробно рассматривается механизм анодного растворения металлов, включая законы электролиза Фарадея, свойства растворов электролитов, структуру двойного электрического слоя (ДЭС) и электродные потенциалы. ДЭС, образующийся на границе раздела электрод/электролит, играет ключевую роль в процессе ЭХО. Рассматриваются различные модели ДЭС, включая модели Гельмгольца-Перрена, Гуи-Чепмена и Штерна. Также анализируются электродные потенциалы и электродные процессы, включая равновесный потенциал, электрохимическую и диффузную стадии электродных реакций, а также пассивацию металлов.
Выбор состава электролита
Выбор состава электролита является критическим для успешной ЭХО. В книге рассматриваются общие требования к электролитам, включая электропроводность, растворимость, отсутствие побочных реакций и безопасность. Подробно анализируются состав и свойства анионов и катионов электролита, а также методика выбора оптимального состава.
Моделирование и технологические схемы ЭХО
В книге представлены различные технологические схемы ЭХО, включая импульсную ЭХО, электрохимическую струйную обработку (ЭЛСТРО) и обработку непрофилированным ЭИ. Рассматриваются математические модели, описывающие эти процессы, а также физико-технологические ограничения различных схем. Особое внимание уделяется феноменологии и моделированию импульсной ЭХО с осцилляцией электродов, ЭХО на микросекундном и биполярном токе высокой плотности, а также последовательно-строчной ЭХО непрофилированным ЭИ.
Показатели электрохимической обрабатываемости
В книге рассматриваются основные показатели электрохимической обрабатываемости, включая производительность, анодный выход по току, энергоемкость процесса, качество поверхности и точность обработки. Подробно анализируются факторы, влияющие на эти показатели, и способы их оптимизации.
Расчет и проектирование ЭИ и приспособлений
В книге представлены методы расчета и проектирования электродов-инструментов (ЭИ) и приспособлений для ЭХО. Рассматриваются расчетно-аналитический и эмпирический методы расчета рабочего профиля ЭИ, а также конструкции и изготовление ЭИ. Подробно анализируются конструкции приспособлений, включая элементы формирования потока электролита в МЭП, методы защиты элементов конструкции от коррозии, а также универсально-сборные приспособления и приспособления-спутники.
Оборудование для ЭХО
В книге представлен обзор оборудования для ЭХО, включая классификацию электрохимических станков, технические характеристики, назначение, особенности конструкции, а также вспомогательное оборудование. Подробно рассматриваются структура и особенности функционирования электрохимических установок, а также основные узлы механической системы электрохимического станка.
Системы управления и источники питания
В книге рассматриваются системы автоматического управления и источники питания для электрохимических станков. Представлены классификация систем автоматического управления, примеры систем управления процессами ЭХО, программно-аппаратная структура системы управления, а также системы защиты от коротких замыканий.
Системы подготовки, циркуляции и регенерации электролита
В книге рассматриваются системы подготовки, циркуляции и регенерации электролита, включая назначение и структуру установки циркуляции электролита, систему приготовления и хранения электролита, конструкции основных баков для электролита, систему подачи (циркуляции) электролита, систему очистки электролита, системы регулирования температуры электролита, системы контроля физико-химических параметров электролита, методы удаления ионов Cr+⁶ из электролита, а также дополнительные устройства для электролитной системы.
Практика технологического применения импульсной ЭХО
В книге приводятся примеры практического использования импульсной ЭХО в различных отраслях промышленности, а также технологические операции ЭХО на микроимпульсном униполярном и биполярном токе. Рассматривается технология последовательного формообразования пера лопатки ГТД, многокоординатная последовательно-строчная обработка сложнофасонных аэродинамических поверхностей непрофилированным ЭИ, а также применение электрохимической струйной обработки для прошивки отверстий малого диаметра.
Технико-экономическое обоснование и организация производства
В книге рассматриваются вопросы технико-экономического обоснования применения электрохимической обработки, а также организация производственных участков и цехов ЭХО. Подробно анализируются технологические и производственные преимущества применения электрохимической обработки, а также экономическое обоснование электрохимической обработки.
- ВО - Бакалавриат
- 15.03.01: Машиностроение
- 15.03.05: Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств
- ВО - Специалитет
- 15.05.01: Проектирование технологических машин и комплексов
A. H. Зайцев ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ТЕОРИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ Учебное пособие Рекомендовано УМО РАЕ по классическому университетскому и техническому образованию в качестве учебного пособиядля студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки: 15.03.01 «Машиностроение», 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», 15.05.01 «Проектирование технологических машин и комплексов» Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2024
УДК 621.9.047.7
ББК 34.5 3-17
Рецензенты:
д. т. н., проф. кафедры ТМ Уфимского университета науки и технологий А. М. Смыслов;
д. т. н., проф. кафедры ВМиКУфимского университета науки и технологий Н. М. Шерыхзлинз
Зайцев, А. Н.
3-17 Электрохимическая обработка. Теория, технология, оборудование : учебное пособие / А. Н. Зайцев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 640 с. : ил., табл.
ISBN 978-5-9729-1667-2
Излагаются основные разделы современной технологии электрохимической обработки. Даны фундаментальные основы теории, приведены особенности обрабатываемости наиболее распространенных сталей и сплавов, рассмотрены закономерности формирования выходных технологических показателей метода. Особое внимание уделено новейшим направлениям развития данной технологии: импульсной электрохимической обработке с осцилляцией электродов, электрохимической обработке микросекундными и биполярными импульсами тока высокой плотности. Представлены математические модели перспективных технологических схем.
Для студентов, изучающих курс «Машины и технологии высокоэффективных процессов обработки» по направлению подготовки бакалавров 15.03.01 «Машиностроение», а также инженеров по специальности 15.03.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», профиль «Технология машиностроения» (бакалавриат), 15.05.01 «Проектирование технологических машин и комплексов», специализация «Проектирование технологических комплексов механосборочных производств» (специалитет). Будет полезно научным работникам и инженерно-техническим специалистам, работающим в области электрофизической и электрохимической обработки.
This textbook systematizes the principal aspects of modern electrochemical machining. It lays out theoretical fundamentals, machinability features of the most common steels and alloys, and the key output indicators of the method. A particular focus is placed on the most recent trends in the development of this technology, such as electrochemical machining with microsecond and bipolar current pulses and sequential string electrochemical machining with plain electrode tool. It also provides an overview of mathematical models of promising technological schemes and recommendations for the design of equipment, electrode tools, and fixtures, as well as the composition of electrolytes and regime parameters.
The textbook will also be useful to researchers and engineering technicians working in the field of electrophysical and electrochemical processing and dealing with the practical development of this technology.
УДК 621.9.047.7
ББК 34.5
ISBN 978-5-9729-1667-2 ® Зайцев А. Н., 2024
® Издательство «Инфра-Инженерия», 2024
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024
ОБОЗНАЧЕНИЯ, СОКРАЩЕНИЯ, РАЗМЕРНОСТИ ОСНОВНЫХ ВЕЛИЧИН
Электрические
Um - напряжение на электродах среднее, В;
Uie - напряжение локального экстремума, В;
Uip - напряжение в фазе наибольшего сближения электродов, В;
Ua - напряжение на электродах амплитудное, В;
E - напряженность электрического поля, В/м;
I, i - технологический ток, А;
Ia - амплитудное значение электрического тока в импульсе, А;
Im - средний технологический ток, А;
Isc - ток короткого замыкания, А;
J, j - плотность тока, А/м²;
W - энергия, Дж;
Э - энергоемкость, Дж/м³;
N - мощность, Вт;
L - индуктивность, Гн;
R - сопротивление электрическое (активное), Ом;
C - емкость, Ф;
f- частота следования импульсов, Гц;
q - скважность;
Фи - сдвиг фазы подачи импульса напряжения относительно момента наибольшего сближения электродов при вибрации, %;
Ф1з - фаза колебания ЭИ, соответствующая момента наибольшего сближения электродов при вибрации;
t, т - время, с;
tf - длительность переднего фронта импульса, с;
tb - длительность заднего фронта импульса, с;
tp - длительность паузы между импульсами, с;
te - длительность импульса тока анодного растворения, с;
T - период следования импульсов, с;
Q - заряд, Кл.
Электрохимические
Фа - потенциал анодный, В;
Фк- потенциал катодный, В;
Аф=|фа—фк|, В;
Ла - коэффициент выхода по току (анодный);
Лк - коэффициент выхода по току (катодный);
Nₐ - число Авогадро (NA = 6,02-10²³), моль⁻¹;
e - заряд электрона (-1,6021766208(98)-10⁻¹⁹), Кл;
Гф - постоянная Фарадея (Гф = | e-NAl = 96485), Кл/моль;
«а - химический эквивалент (аа = ^), кг/моль; z - валентное число ионов вещества;
цт - молярная масса, кг/моль;
3
Em — электрохимический эквивалент (массовый), кг/Кл; Rg — универсальная газовая постоянная. Дж/моль-К; eg — электрохимический объемный эквивалент (для водорода egh = = 1,17-10⁻⁸), м³/Д-с; Vₐ - скорость анодного растворения, м/с; Van - скорость анодного растворения по нормали к поверхности детали, м/с; |тт - молярная масса, кг/моль; Cg - объемная концентрация газовой фазы; Rg - универсальная газовая постоянная. Дж/моль-К; ve - электропроводность электролита удельная. См/м; ат - температурный коэффициент электролита, 1/К. Геометрические Ss- зазор межэлектродный боковой, м; sf- зазор межэлектродный торцевой, м; hh - глубина отверстия, м; dₜ - диаметр электрода - инструмента, м; dh - диаметр отверстия, м; rt - радиус электрода - инструмента, м; It - длина рабочей части электрод-инструмента, м; A - площадь, м²; V - объем, м³. Технологические Vt - скорость подачи электрод-инструмента, м/с; Qw - производительность процесса, м³/с; Э„ - энергоемкость процесс, кВт-час/кг; Asw - погрешность размера на стадии прошивки, абсолютная, м; ASk - погрешность на стадии калибровки, абсолютная, м; k । - коэффициентлокализации; tw - основное время обработки, с. Гидравлические/Теплофизические/Механические Ре - вязкость электролита динамическая, Н-с/м²; ке - вязкость электролита кинематическая, м²/с; ре - плотность электролита, кг/м³; pm - плотность обрабатываемого материала, кг/м³; Pe - давление электролита, Н/м²; Ve - скорость протекания электролита, м/с; Qe - расход электролита объемный, м³/с; Се - концентрация электролита массовая, %; Cs - зашламленность электролита массовая, кг/м³; Те - температура электролита, К; m - масса, кг; Et - модуль нормальной упругости (модуль Юнга), Н/м²; Cm - жесткость механической системы, Н/м; Km - податливость механической системы, м/Н; 4
Fm — сила, H; Jt - момент инерции, кг-м²; Хт - коэффициенттеплопроводности, Вт/(м-град); ат - коэффициенттемпературопроводности, м²/с; Ср - теплоемкость электролита удельная, кДж/ (кг-K). Индексы A - амплитудный; a - анодный; к - катодный; p - пауза; m - средний; sc, кз - короткое замыкание; e - электролит, электрохимический; w - обработка; ш - шлам; t - инструмент; h - отверстие; s - боковой; G - газ; H - водород; Fe -железо; T - температура; f - фронт импульса, торец ЭИ; sum - суммарный; in - внутренний; out - внешний; lp - нижнее положение; dl - двойной электрический слой. Сокращения ЭХО - электрохимическая обработка; ЭЭО - электроэрозионная обработка; ЭЭХО - электроэрозионно-электрохимическая обработка; УЗП - ультразвуковое поле; ДЭС - двойной электрический слой; ЭДС - электродвижущая сила; ЭИ - электрод-инструмент; НЭИ - непрофилированный ЭИ; ЭЗ - электрод-заготовка; МЭЗ - межэлектродный зазор; МЭП - межэлектродный промежуток; ЭХЯ - электрохимическая ячейка; ЭП - электродный потенциал; ИЭ - исследуемый электрод; ЭС - электрод сравнения; ВЭ - вспомогательный электрод; КО - катодные отложения; 5
КЗ - короткое замыкание; ИП - источник питания; ГТД - газотурбинный двигатель; СПИД - система «Станок-Приспособление-Инструмент-Деталь»; РТК - робототехнический комплекс; ПДК - предельно допустимая концентрация; ОЦ - обрабатывающий центр; АТ - аддитивная технологи; СЛС - селективное лазерное спекание; УУ - управляющее устройство; ОУ - объект управления; ВАХ - вольтамперная характеристика. 6
ОГЛАВЛЕНИЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ, СОКРАЩЕНИЯ, РАЗМЕРНОСТИ ОСНОВНЫХ ВЕЛИЧИН .. 3
ПРЕДИСЛОВИЕ........................................15
ВВЕДЕНИЕ...........................................16
1. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ
МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ...................................17
1.1. Классификация электрофизических и электрохимических методов обработки..........................................17
1.2. Технологические показатели и области эффективного использования электрофизических и электрохимических методов размерной обработки................................18
Литература к главе 1...............................22
2. ИСТОРИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЛАСТИ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ........................25
2.1. Основные понятия и определения................25
2.2. Исторический очерк о становлении и развитии электрохимической обработки.............26
2.3. Классификация технологических схем электрохимической обработки..........................................36
2.4. Технологические особенности и области эффективного применения ЭХО.....................................42
Литература к главе 2...............................43
3. МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА АНОДНОГО РАСТВОРЕНИЯ МЕТАЛЛОВ...............................47
3.1. Законы электролиза Фарадея....................47
3.2. Свойства растворов электролитов...............49
3.3. Двойной электрический слой....................54
3.4. Электродные потенциалы и электродные процессы.57
3.4.1. Равновесный потенциал....................57
3.4.2. Электрохимическая и диффузная стадии электродных реакций.............................59
3.4.3. Катодные и анодные электрохимические реакции. Пассивация......................................61
3.5. Методы Измерения электродных потенциалов и построения анодных поляризационных кривых.....................65
3.5.1. Потенциостатический метод................65
3.5.2. Импульсно-гальваностатический метод......67
3.5.3. Измерение электродных потенциалов при протекании импульсного тока высокой плотности .............68
7
3.6. Электродные потенциалы и анодные поляризационные кривые
при высоких и сверхвысоких плотностяхтока...............71
3.6.1. Зависимости электродного потенциала от длительности поляризации и плотности тока в различных видах
электролитов..............................................71
3.6.2. Влияние температуры, давления и рН электролита на характер установления электродного потенциала..........75
3.6.3. Влияниедополнительной поляризации на характер установления электродного потенциала................76
Литература к главе 3....................................80
4. ВЫБОР СОСТАВА ЭЛЕКТРОЛИТА
ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ.........................83
4.1. Общие физико-технологические и производственные требования, предъявляемые кэлектролитам
для электрохимической обработки ........................83
4.2. Состав и свойства анионов Am— и катионов Кр⁺ электролита.86
4.3. Методика выбора оптимального катионного и анионного состава электролита.........................87
Литература кглаве4......................................89
5. ФЕНОМЕНОЛОГИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ЭХО................................91
5.1. Импульсная электрохимическая обработка.............93
5.1.1. Моделирование импульса тока, гидродинамики потока электролита и механической системы станка
при импульсной ЭХО с вибрацией ЭИ...................93
5.1.2. Математическая модель копирования
полусферического ЭИ при электрохимической обработке униполярными микросекундными импульсамитока........109
5.1.3. Модель униполярного импульса тока сверхвысокой (~ 1000 A/см²) плотности...........................115
5.1.4. Физико-технологические аспекты применения электрохимической обработки микросекундными
импульсами тока с дополнительной поляризацией в паузе.....129
5.1.5. Особенности электрохимической обработки сталей микросекундными униполярными и биполярными импульсами высокой (у'~100 A/см²) плотности тока..............136
5.1.6. Феноменология микроимпульсной биполярной ЭХО WC-Co твердых сплавов...............149
5.2. Электрохимическая струйная обработка..............159
5.2.1. Физическая сущность метода ЭЛСТРО...........159
5.2.2. Математическая модель ЭЛСТРО электрод-инструментом c кварцевой капиллярной частью.....................162
5.3. Особенности технологических схем и моделирование формообразования при электрохимической обработке непрофилированным ЭИ...................................166
8
5.3.1. Плоская, 2О-электрохимическая вырезка стержневым цилиндрическим ЭИ в импульсно-циклическом режиме.....167
5.3.2. Многокоординатная последовательно-строчная ЭХО непрофилированным стержневым ЭИ......................170
5.4. Модель формирования боковой поверхности отверстий малого диаметра..........................................179
5.5. Моделирование электрохимической вырезки массива цилиндрических выступов тонким пластинчатым ЭИ...........185
5.6. Физико-технологические ограничения различных схем электрохимической обработки .............................188
5.6.1. Макрорельеф типа «струйность» на анодной поверхности. Механизм возникновения..................188
5.6.2. Катодные отложения. Способы их контроля и удаления .. 197
5.6.3. Износ электрод-инструмента...................219
Литература к главе 5....................................221
6. ПОКАЗАТЕЛИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ .......................................227
6.1. Производительность.................................227
6.2. Анодный выход по току..............................228
6.3. Энергоемкость процесса.............................231
6.4. Качество поверхности...............................231
6.4.1. Микрогеометрия обработанной поверхности. Геометрические свойства. Механизм образования ......231
6.4.2. Наклеп, растрав по границам зерен, наводораживание ... 233
6.5. Точность обработки.................................234
6.5.1. Погрешность формообразования при электрохимической обработке. Систематические и случайные погрешности..234
6.5.2. Основные направления повышения точности......240
6.5.3. Степень локализации процесса ЭХО.............256
6.6. Особенности электрохимической обрабатываемости различных групп материалов импульсами тока микросекундной длительности ...259
6.6.1. Обрабатываемость сталей микросекундными импульсами сверхвысокой (~1000 А/см²) плотности тока...........260
6.6.2. Обрабатываемостьтитана и его сплавов.........269
6.6.3. Обрабатываемость WC-Co твердых сплавов
c использованием микросекундных биполярных импульсов тока ..........................273
Литература к главе 6....................................282
7. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОД-ИНСТРУМЕНТОВ...................................284
7.1. Расчет рабочего профиля ЭИ.........................284
7.1.1. Расчетно-аналитический метод.................285
7.1.2. Эмпирический метод...........................289
7.2. Конструкция и изготовление ЭИ......................290
9
7.2.1. Материалы для изготовления рабочей части электрод-инструментов ..............................290
7.2.2. Изоляционные материалы для изготовления нерабочих частей ЭИ. Защитные покрытия и методы их нанесения...291
7.2.3. Крепление электродов в электрододержателе....293
7.2.4. Конструкция формообразующей части ЭИ.........294
7.2.5. Рекомендации по геометрии щелей и отверстий для прокачки электролита............................297
7.2.6. Обеспечение механической прочности электродов-инструментов .......................................298
Литература к главе 7....................................299
8. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ .........................................300
8.1. Классификация и общие требования предъявляемые к приспособлениям для электрохимической обработки.........300
8.1.1. Общие требования к приспособлениям...........300
8.1.2. Классификация приспособлений.................301
8.2. Элементы формирования потока электролита в МЭП.....302
8.3. Методы защиты элементов конструкции приспособлений от коррозии.............................................312
8.4. Универсально-сборные приспособления................313
8.4.1. Универсальная станочная оснастка фирмы EROWA..314
8.4.2. Универсальная модульная инструментальная оснастка фирмы SFE (analogue System3R и EROWA)...............316
8.5. Приспособления - спутники..........................318
Литература к главе 8....................................320
9.ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ........321
9.1. Структура и особенности функционирования электрохимических установок...............................................321
9.1.1. Структура электрохимической установки........321
9.1.2. Требования, предъявляемые кэлектрохимическим установкам..........................................322
9.2. Классификация электрохимических станков.........323
9.3. Аналитический обзор мирового парка электрохимических станков (История и современность).......................324
9.3.1. Техническая характеристика, назначение, особенности конструкции.........................................324
9.3.2. Статистический анализ и основные тенденции
современного этапа развития мирового парка электрохимических станков...........................360
9.4. Вспомогательное оборудование для ЭХО...............371
9.4.1. Установка для обдува деталей после ЭХО нейтральной солью...................................371
10