Электрохимическая обработка. Теория, технология, оборудование

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