Bài giảng Mài điện hóa ( ECG – Electrochemical grinding )

Nội dung text: Bài giảng Mài điện hóa ( ECG – Electrochemical grinding )

1. Mài điện hoá ( ECG – Electrochemical grinding ) Mài điện hoá (ECG) còn đợc gọi là mài điện phân, tơng tự nh gia công điện hoá, ngoại trừ katốt là đá mài dẫn điện thay cho dụng cụ đợc tạo hình nh biên dạng cần gia công. Mài điện hoá đợc dùng chủ yếu để gia công các hợp kim khó gia công (nh 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. Phơng pháp đợc 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 oxit trên bề mặt phôi.
2. Cơ chế mài điện hoá Sơ đồ mài điện hoá
3. Sơ đồ cơ chế tạo phoi khi mài điện hoá 1- Vật liệu gia công; 2- Hạt mài; 3- Phoi; 4- Dung dịch điện ly; 5-Chất dính kết kim loại.
4. Trong mài điện hoá phôi là điện cực dơng (anốt) và đá mài là điện cực âm (katốt). Hai điện cực đợc nối với nguồn 1 chiều và đợc nhúng vào trong một dung dịch ion dẫn điện ( chất điện phân) chứa các ion dơng và âm tích điện, dới ảnh hởng của điện thế, các ion dơng di chuyển đến katốt và các ion âm di chuyển đến anôt. Tại katốt các ion dơng 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 tợng điện phân xảy ra một lớp màng oxit hình thành trên bề mặt của phôi là anốt. Lớp màng oxit 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 đợc tiếp tục. Cơ chế của phơng pháp đợc biểu diễn ở hình 1.
5. VD : Khi mài điện hoá HKC, trên dơng cực có sự phân huỷ các bit. WC + 4H20 – 8e → W03 + CO + 4H2. TiC + 3H20 – 6e → Ti02 + CO + 3H2. - Cô ban bị hoà tan: Co + 2OH -2e → Co(OH)2 Nh vậy trên dơng cực tạo thành các oxít WO3 , TiO2 , Không hoà tan trong dung dịch điện phân.
6. Năng lợng cần cho phơng 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 thờng từ 5 1000 A - Điện áp 3  15 V đặt lên khe hở điện phân khoảng 0,025 mm hay nhỏ hơn. - Phơng pháp thờng đợc 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 cơng chất kết dính kim loại đôi khi gia công với tốc độ 2500  3000m/ph hay cao hơn. Điện áp gia công đợc điều chỉnh để cho tốc độ tách bỏ vật liệu kim loại max phù hợp với yêu cầu về chất lợng bề mặt và lợng mòn đá chấp nhận đợc. Sự điều chỉnh này thờng đợc 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.
7. - Lực mài hớng kính đợc coi là thấp, tuỳ thuộc vào diện tích tiếp xúc giữa đá và phôi, nó thờng ở khoảng 140 kPa hay nhỏ hơn. Khi cắt lớn hơn các thử nghiệm cho thấy có thể đạt đến 1400 kPa, nhng ít gặp. - Điện áp thấp đợc dùng nếu mục tiêu là dung sai cao hơn, giảm quá cắt, 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 tợng 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 đến 15 V. Hiện tợng này có thể điều chỉnh dễ dàng bằng điện áp.
8. Tốc độ bóc tách vật liệu. Mặc dù 90% vật liệu đợc tách bỏ có thể đợc thực hiện bằng phản ứng hoá học, thờng 5  10% kim loại đợc cắt bằng mài. Với phần lớn các kim loại có thể ớc 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 (96 494 colong hay ampe giây) sẽ giải phóng một đơng lợng gam chất hay khối lợng nguyên tử của nó chia cho hoá trị. Ví dụ: Khối lợng gam của sắt là khối lợng nguyên tử chia cho hoá trị của sắt hoà tan, hay 56 chia cho 2 bằng 28 gam sắt sẽ đợc hoà tan trong lợng dịch chuyển của mỗi Farday điện. Bảng 1 liệt kê tốc độ tách bỏ vật liệu ở 1000A của dòng điện.
9. Bảng 1. Giới hạn lý thuyết của mài điện hoá Vật liệu Tỷ trọng ( g/cm3) Tốc độ bóc tách vật liệu (cm3/phut) 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 Mo 10.22 1.95 Ti 4.51 2.19 W 19.30 0.98
10. Bảng 2 liệt kê mật độ dòng điện đối với các loại phôi khác nhau. Để đạt đợc 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 2. Mật độ dòng điện đối với các vật liệu khác nhau Vật liệu Mật độ dòng điện (A/cm3) Cắt gang loại các bít 78  124 Cắt thép loại các bít 124  155 Thép các bon thấp 465  620 Thép các bon cao 310  465 Thép không gỉ 465  620 Hợp kim gồm Co, Cr, Mo, W 310  465
11. Tốc độ chạy dao Tốc độ tiến dao thay đổi theo các tham số khác nhau, tuỳ thuộc vào phơng pháp mài. VD :Trong mài cạnh hay mài mặt đầu, toàn bộ bề mặt đợc mài đợc lộ ra trớc bề mặt đá mài. Kết quả là tốc độ tiến dao phù hợp có thể đợc ớc 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 đợc xác định bằng đờng 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 đờng kính đá. Hình 2 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 trờng hợp cụ thể, hiện tợng cắt quá xảy ra, dẫn đến chất lợng bề mặt và độ chính xác kém. Nếu tốc độ tiến đá quá lớn, mòn đá sẽ lớn.
12. Hình 2. Tốc độ chạy dao đối với mài điện hoá bề mặt, đợc xác định với mật độ dòng điện 1.5A/cm3, tốc độ của đá 1200  2100 m/phút
13. Chất lợng bề mặt. Mài điện hoá dùng phản ứng hoá học với tác động mài cực tiểu. Do đó chất l- ợng 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 lợng gia công càng cao. Thay cho việc tạo ra bề mặt có vết của dụng cụ, phơng 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 oxit trên phần lớn vật liệu đợc gia công ngoại trừ một vài hợp kim có bề mặt sáng. Độ nhám bề mặt thay đổi từ 1.6 đến 0.1 m( cấp 11) tuỳ thuộc vào vật liệu đ- ợc gia công. Nếu cần bề mặt chất lợng cao hơn, cần kết hợp thêm một lần gia công cuối. Bớc gia công cuối đợc thực hiện ở điện áp thấp 3 đến 5V và ở tốc độ tiến đá tơng đối cao khoảng 250 đến 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 phơng pháp trong bớc cuối này, việc lựa chọn cỡ hạt quyết định chất lợng bề mặt. Đá hạt nhỏ cỡ 220 đến 320 thích hợp cho mài các dụng cụ phẫu thuật và dao công nghiệp.
14. cấu trúc bề mặt HKC BK8, T15K6 khi mài điện hoá bằng đá kim cơng  - 250 x 80 x 20 – AC6 125/100 100%M1 ở các mức điện áp khác nhau ( b,c,d) ; chiều sâu cắt t = 0,05; lợng chạy dao dọc Sd = 1,2m/phut; Vận tốc cắt V = 28m/s: Dung dịch điện ly 5% NaNO3, 3% KNO3
15. Độ chính xác của mài điện hoá . Khả năng để đảm bảo dung sai khắt khe phụ thuộc vào dòng điện, lu l- ợng 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, nh các hợp kim chứa crom, cần có chất điện phân yếu để không tạo ra lợng cắt quá lớn. Trong những điều kiện đặc biệt, chất điện phân phải đợc kiểm soát về nhiệt độ, khối lợng riêng và độ dẫn điện trong một chu trình kín đều đặn và tự động. Trong gia công ECG thông thờng, dung sai ớc tính khoảng 0,025 mm và trong gia công đợc điều khiển tốt, dung sai khoảng 0,01 mm. Khi áp dụng việc kiểm soát tối đa nh đợc mô tả ở trên, với nhiệt độ chất điện phân đợc duy trì trong 0,6 0C cùng với điều khiển độ dẫn điện và khối lợng riêng, các nhóm đã đạt đợc mức dung sai 0,0025 mm. Trờng hợp nh vậy đợc coi là ngoại lệ và không nên chờ đợi có đợc ở phơng pháp ECG thông thờng.
16. Phôi vật liệu không giống nhau. Trong mài điện hoá các vật liệu không giống nhau nh cácbit đợc hàn vào thép dụng cụ hay các chi tiết đã đợc ép vào nhau, việc lựa chọn điện áp thích hợp và mật độ dòng điện tổng hợp dựa trên tỷ số của diện tích 2 vật liệu . Trong mài dao gắn mảnh cácbit trong đó đá mài đầu tiên mài cácbit và sau đó đến thép, năng lợng cần thiết đợc 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 tợng cắt quá của các vật liệu phản ứng nhạy tại điểm 2 vật liệu tiếp xúc. Đôi khi dùng điện áp thấp là khắc phục đợc 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 oxit hay hydroxít phải lấy đi mà còn những lợng nhỏ oxi. Quá trình khử ở đá mài cũng tạo ra một lợng nhỏ hydro, hai khí này đợc sinh ra trong quá trình này không đáng kể và các thử nghiệm mở rộng đã cho thấy vì hydro đợc tạo ra ở đá mài, không có hiện tợng làm giảm tính dẻo dai ở phôi.
17. Thiết bị - Hệ thống cấp chất điện phân và tuần hoàn. - Chất điện phân . - Nguồn điện - Đá mài - Máy ECG - Phôi
18. Việc cung cấp chất điện phân: Trong mài điện hoá, các điện cực không hoàn toàn bị nhúng chìm, mà phải có sự cung cấp chất điện phân đầy đủ. Do đó hệ thống đợc thiết kế để cung cấp khối lợng lớn chất điện phân. Thậm chí quan trọng hơn là đa chất điện phân vào vùng tiếp xúc đá - phôi. Đầu phun: đợc dùng để đảm bảo việc ớt đá mài. Các đầu phun này bao xung quanh đá và đợc thiết kế để làm vỡ lớp không khí bao xung quanh đá. Bằng cách tỳ vào đá các đầu phun tạo ra một phần chân không và làm cho chất điện phân bị hút lên và điền đầy vào các hốc quanh hạt mài. Chuyển động quay của đá đa chất điện phân vào vùng tiếp xúc đá - phôi, đảm bảo chất điện phân có đủ để quá trình ECG xẩy ra. Điểm ở đó chất điện phân đợc đa vào đá nên càng gần càng tốt trong khả năng thực tế để đảm bảo có một lợng chất điện phân tối đa có thể ở vùng tiếp xúc đá phôi.
19. Chất điện phân đợc dùng cho ECG tơng tự cho ECM ở chỗ chúng là các dung dịch dẫn điện của nớc với chủ yếu là muối vô cơ. Nhiều hoá chất dùng trong chất điện phân ECM cũng có trong chất điện phân ECG. Tuy nhiên công thức cho ECG khác cơ bản. Chúng đợc thiết kế để tạo khả năng hình thành nhanh hơn các màng oxit trên phôi tích điện dơng, trong khi ở ECM nhiều chất điện phân đợc hình thành trên phôi phải hoà tan lập tức trong chất điện phân. Vì tác động mài của đá ECG liên tục làm kim loại lộ ra, oxit lắng đọng hình thành nhanh hơn trong ECG bảo vệ kim loại xung quanh khỏi bị phân tích. Muối thờng đợc sử dụng làm chất điện phân đối với phơng pháp ECG thờng là NaNO3, KNO3. Dung dịch điện phân hay dùng là - 15% KNO3 + 10%NaNO3 - 10% KN03 + 5% NaN03
20. Đá mài ECG. Hạt mài có trên đá mài ECG có 3 tác dụng chính. - Chúng hớt lớp ôxit đợc 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 đợc 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 đợc những phần tử kim loại và chất dính kết quanh hạt mài để lộ ra lỗ trống. Đá mài ECG đợc 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 đợc thấm đồng để dẫn điên. độ hạt ôixit nhôm trong khoảng từ 60  320 hạt. Những vật liệu hạt mài khác đợc sử dụng là SiC, Kim cơng và gần đây là BN.
21. Mài HKC bằng vật liệu hạt mài khác nhau Vật liệu hạt mài Ra ( m ) Năng suất (mm3/Phút) Kim c•ơng 0.04 177 Cacbit Si 0.2 57 Oxit nhôm 0.12 53
22. Ưu nhợc điểm và phạm vi ứng dụng. •Ưu điểm - Không làm biến cứng phôi. - Loại trừ đợc cháy do mài. - Bề mặt không ba via. - Không gây cong vênh những chi tiết mỏng, dòn hay nhạy cảm với nhiệt độ. - Độ nhẵn bề mặt có thể đạt 0.125  1 m phụ thuộc vào vật liệu chi tiết gia công, đá mài và các yếu tố khác. - Dung sai có thể đạt 0.025mm ở điều kiện thờng và 0.0025mm ở điều kiện đặc biệt. •Nhợc điểm - Đầu t cao hơn những máy thông thờng. - Chỉ gia công đợc 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 đợc so với những phơng pháp gia công thông thờng khi gia công những kim loại dễ gia công.
23. Bảng so sánh phơng pháp mài điện hoá với phơng pháp phay c và mài chính xác Vật liệu Năng Năng Giá điều độ Cháy Khả suât suất thành khiển nhẵn bề mặt năng phay mài dụng kích bề mặt tác hại cụ th•ớc nhiệt Thép kết cấu - = - - = + = Thép dcụ mềm - = - - = + + Thép dụng cụ cứng + + - - = + + Gang đúc - - - - - = = Đồng - + - = + + = Nhôm - - - - - + = WC + + + = + = + Thép không gỉ 300 - + + = + + +