CURSURILE 6 şi 7

3.2.1.3. Utilaje şi echipamente tehnologice

3.2.1.3.1. Clasificarea maşinilor de prelucrare

Maşinile de prelucrat prin eroziune electrochimică se pot clasifica, la fel ca şi procedeele de prelucrare, după modul în care se realizează depasivarea, după modul de generare a suprafeţei şi după operaţia realizată. În acest scop, ca referinţă se poate lua fig. 3.13.

Figura 3.13. Procedee de prelucrare prin eroziune electrochimică

Pentru fiecare clasă de maşini există o varietate mare de subclase, legate atât de puterea instalată, cât şi de unele funcţionalităţi specifice.

3.2.1.3.2. Structura maşinilor de prelucrare şi construcţii tipice

Schema bloc a utilajului tehnologic de prelucrare prin eroziune electrochimică se prezintă în fig. 3.14.

Figura 3.14. Schema bloc generală a utilajului de prelucrare prin eroziune electrochimică

1

SISTEM DE COMANDĂ ŞI

REGLARESISTEM PENTRU

ELECTROLIT

SURSA DE ALIMENTARE CU ENERGIE ELECTRICĂ

SISTEMUL MECANIC

Sistemele componente evidenţiate în schema bloc pot exista ca unităţi separate sau integrate într-o construcţie unică. Rolul acestora în funcţionarea utilajului este următorul:

A. Sistemul mecanic – asigură instalarea obiectului prelucrării şi catodului, cinematica necesară generării suprafeţei şi asigurării interstiţiului de lucru, dirijarea electrolitului în interstiţiu şi împiedicarea împrăştierii lui, evacuarea hidrogenului etc.;

B. Sistemul pentru electrolit – realizează stocarea, circulaţia, curăţirea, termostatarea şi regenerarea electrolitului;

C. Sursa de alimentare cu energie electrică – asigură energia necesară constituirii agentului eroziv;

D. Sistemul de comandă şi reglare – acţionează asupra sistemelor prezentate anterior. Printre altele asigură comanda şi reglarea interstiţiului de lucru, a caracteristicilor electrolitului şi a regimului electric de prelucrare. În construcţia diferitelor utilaje destinate prelucrării prin eroziune electrochimică, aceste

sisteme pot diferi foarte mult ca şi complexitate, gabarit, dispunere spaţială şi elemente specifice conţinute.

Cea mai simplă construcţie o au maşinile de prelucrare cu depasivare naturală, pentru care se prezintă schema bloc din fig. 3.15.

Figura 3.15. Schema bloc a unei maşini de lustruit sau debavurat prin eroziune electrochimică naturală

În acest caz, sistemul de acţiune tehnologică va cuprinde generatorul de curent continuu şi baia de prelucrare, în care se află atât catodul cât şi obiectul prelucrării.

Ca medii de lucru se folosesc electroliţi, cel mai adesea acizi, ceea ce implică folosirea pentru construcţia băii a unor materiale rezistente la acţiunea erozivă a acestora.

Prelucrarea prin eroziune electrochimică hidrodinamică se realizează pe utilaje de mare complexitate şi la puteri instalate mari.

În fig. 3.16 este prezentată schema bloc pentru un utilaj de prelucrare prin eroziune electrochimică hidrodinamică.

2

Figura 3.16. Schema bloc a unui utilaj de prelucrat prin eroziune electrochimică hidrodinamică

În această schemă se detaliază câteva elemente specifice, în mod deosebit sistemul pentru electrolit, ca: rezervor, pompă (P), filtru (F), manometru (M) şi separator pentru produsele solide de dizolvare din electrolit.

O reprezentare schematică a unei maşini de prelucrat prin copiere folosind procedeul de eroziune electrochimică dinamică se prezintă în fig. 3.17.

Ţinând cont de modul în care se realizează acest procedeu (fig.3.18), de faptul că densităţile de curent ating valori mari, în jur de 0,5 ÷ 2 (6) A/mm2 la tensiuni de alimentare cuprinse între 10 şi 20 V, toate elementele ce compun un astfel de utilaj prezintă unele caracteristici specifice.

După direcţia mişcării de avans, aceste maşini pot fi verticale sau orizontale. În toate cazurile, maşina dispune de o cameră de lucru ca o incintă închisă, care permite vizualizarea elementelor active şi împiedică răspândirea electrolitului pompat la presiune ridicată, care poate atinge valori de până la 20 bar. Datorită acestei presiuni mari, batiul maşinii trebuie să fie de rigiditate mare, astfel încât precizia de prelucrare şi stabilitatea procesului de eroziune să nu fie influenţate negativ de forţele mari care apar în sistem.

3

Figura 3.17. Schema unei maşini de prelucrat prin eroziune electrochimică hidrodinamică

Figura 3.18. Schema adâncirii electrochimice hidrodinamice

În figura 3.19. este prezentată schema bloc a unei maşini de debavurat prin eroziune electrochimică hidrodinamică.

4

Figura 3.19. Schema bloc a unei maşini de debavurat prin eroziune electrochimică hidrodinamică

În figura 3.20. se prezintă schema bloc a unei maşini de prelucrat prin eroziune electrochimică mecanică.

Figura 3.20. Schema bloc a unei maşini de prelucrat prin eroziune electrochimică mecanică

În figura 3.21. este prezentată schema unui utilaj de prelucrare electrochimică şi mecanică în cadrul operaţiei de rectificare

5

Figura 3.21. Schema unui utilaj de prelucrare electrochimică şi mecanică în cadrul operaţiei de rectificare

3.2.1.4. Operaţii tehnologice

În cadrul operaţiilor de prelucrare prin eroziune electrochimică naturală, se îndepărtează de pe obiectul prelucrării adaosuri mici de material.

Pentru operaţiile de debavurare, rotunjire a muchiilor, lustruire, decapare şi demetalizare, catodul are o acţiune globală asupra obiectului prelucrării. Din această cauză el are forme simple, iar distanţa dintre cei doi electrozi va fi mare, asigurându-se în acest mod o dirijare relativ uniformă a procesului de eroziune pentru puncte ale suprafeţei de prelucrat, aflate la distanţe diferite de obiectul de transfer. Apare însă o prelucrare preferenţială a vârfurilor şi muchiilor, ca şi concentratori ai procesului de eroziune, ceea ce asigură îmbunătăţirea substanţială a rugozităţii suprafeţei şi prelucrarea bavurilor.

La prelucrarea prin eroziune electrochimică hidrodinamică folosind procedeul de generare prin copiere, în cadrul operaţiilor de perforare, decupare, adâncire şi debavurare, datorită valorii reduse a interstiţiului de lucru şi a densităţilor mari de curent, electrolitul trebuie să circule cu viteză ridicată şi cât mai constantă pe toată suprafaţa prelucrată, atât pentru realizarea procesului de eroziune cât şi în vederea activării suprafeţei prelucrate.

6

Pentru localizarea procesului de eroziune trebuie să se asigure catodului o anumită formă, bine determinată, care ţine seama atât de suprafaţa de prelucrat, cât şi de materialul obiectului prelucrării, de electrolitul folosit şi de parametrii electrici ai regimului de prelucrare.

În figura 3.22. se prezintă modul în care influenţează obiectul de transfer şi electrolitul asupra formei suprafeţei prelucrate.

Figura 3.22. Influenţa formei obiectului de transfer şi a electrolitului asupra prelucrării prin eroziune electrochimică

Folosirea electroliţilor pasivanţi şi a localizării procesului prin subtăierea catodului şi a izolării lui pe suprafeţele laterale asigură o bună copiere a formei şi precizii ridicate. Performanţele limită obţinute pentru precizia de prelucrare sunt prezentate în figura 3.23.

Figura 3.23. Precizia de prelucrare prin eroziune electrochimică hidrodinamică

Condiţii de circulaţie mult îmbunătăţite şi precizii de prelucrare ridicate le asigură circulaţia inversă a electrolitului, din exteriorul obiectului de transfer prin interiorul acestuia. Câteva soluţii constructive care asigură o astfel de circulaţie se prezintă în figurile 3.24, 3.25 şi 3.26.

În aceste soluţii, ca element specific se evidenţiază manşonul de etanşare.

7

Figura 3.24. Circulaţia electrolitului din exterior spre interiorul obiectului de transfer cu fixarea mecanică a manşonului de etanşare

8

Figura 3.25. Construcţia obiectului de transfer pentru circulaţia electrolitului din exterior spre interior cu asigurarea forţei de etanşare prin presiunea electrolitului

Figura 3.26. Construcţia obiectului de transfer pentru prelucrarea unor cavităţi de mare complexitate

9

Cap.4 TEHNOLOGII DE PRELUCRARE PRIN EROZIUNE COMPLEXĂ, ELECTRICĂ ŞI ELECTROCHIMICĂ

4.1. Definire

Prelucrarea prin eroziune complexă, electrică şi electrochimică are la bază desfăşurarea, simultană în timp, dar diferenţiată în spaţiu, a unor procese de prelevare de material din semifabricat, pe cale electrochimică şi, respectiv, prin eroziune electrică.

4.2. Clasificarea procedeelor

Vom considera că agentul eroziv este constituit pe de o parte de către procesul aferent prelevării de material din semifabricat pe cale electrochimică, iar pe de altă parte de către descărcările electrice, fenomenele menţionate suprapunându-se în timp.

În raport cu natura şi cu efectele generate de mediul de lucru, avem:a. o primă grupă de procedee, caracterizate prin utilizarea electroliţilor nepasivanţi

(soluţia de clorură de sodiu). Micşorarea distanţei dintre electrodul sculă şi semifabricat va conduce la o intensificare a prelevării de material pe cale electrochimică, dar şi la producerea unor descărcări electrice (fig.4.1.a);

b. celei de-a doua grupe îi este specifică folosirea electroliţilor pasivanţi. Micşorarea distanţei dintre electrozi trebuie să permită amorsarea unor descărcări electrice (fig.4.1.b) capabile să deterioreze pelicula pasivantă, resturile acesteia fiind îndepărtate din zona de prelucrare prin circulaţia electrolitului (în asemenea cazuri, avem de-a face cu o depasivare electrică);

c. o a treia grupă de procedee corespunde folosirii lichidelor aşa zise de tip semidielectric; acestea vor permite trecerea curentului electric, dar vor determina apariţia, pe suprafaţa semifabricatului, a unei pelicule pasivante, uneori destul de dure şi aderente, capabile să anuleze prelevarea de material pe cale exclusiv electrochimică. Îndepărtarea peliculei are loc, în acest caz, ca urmare a deplasărilor relative şi a existenţei unei apăsări între electrodul sculă şi semifabricat; se asigură condiţii pentru amorsarea unor descărcări electrice şi pentru reluarea procesului electrochimic (fig.4.1.c). Procedeele în cauză folosesc o depasivare mecano - electrică, lor atribuindu-li-se şi denumirea de procedee anodo-mecanice.

10

Figura 4.1. Reprezentări schematice aferente grupării procedeelor de prelucrare prin eroziune complexă, electrică şi electrochimică

Se poate considera că evoluţia laturii electroerozive a procesului de eroziune complexă, electrică şi electrochimică, decurge, la nivel de microspaţiu (fig.4.2), în următoarele secvenţe:

a. dezvoltarea unui câmp electric intens între vârfurile asperităţilor apropiate de pe cei doi electrozi;

b. ruperea şi îndepărtarea parţială a peliculei pasivante, ca urmare a deplasărilor relative şi a presiunii dintre electrozi;

c. realizarea microcontactului metalic, soldat cu o microdescărcare iniţială de contact [53];d. ruperea contactului, cu iniţierea şi desfăşurarea unei descărcări electrice importante

pentru proces. În această ultimă secvenţă, vom sesiza dezvoltarea rapidă a unui microarc, cu manifestarea unei ionizări puternice, cu apariţia vaporilor metalici şi a plasmei termice. Menţinerea microarcului este dependentă de mărimea distanţei dintre vârfurile asperităţilor ce au luat naştere la producerea microarcului;

e. expulzarea în mediul de lucru a unor microcantităţi din materialele celor doi electrozi, ca urmare a fenomenelor termomecanice dezvoltate anterior şi întreruperea descărcării electrice.

11

Figura 4.2. Evoluţia laturii electroerozive a procesului de eroziune complexă, electrică şi electrochimică

4.3. Soluţii tehnologice şi constructive

4.3.1. Prelucrarea prin eroziune complexă cu depasivare electrică

O asemenea prelucrare este prezentată schematic în fig. 4.1.a; soluţia se foloseşte pentru obţinerea suprafeţelor profilate cu ajutorul unui electrod masiv. Amorsarea unor descărcări electrice între vârfurile cele mai apropiate ale microproeminenţelor amplasate pe electrodul sculă şi pe semifabricat va însemna apariţia unui obstacol în calea manifestării fenomenului numit polarizare de concentraţie şi va favoriza desfăşurarea cu suficientă eficienţă a eroziunii electrochimice. Este evident că îndepărtarea de material din semifabricat se va datora în primul rând eroziunii electrochimice şi abia apoi, într-o proporţie relativ mai redusă, eroziunii electrice. Să remarcăm încă posibilitatea diminuării condiţiilor de formare a peliculei pasivante prin eventuala circulaţie a lichidului de lucru la nivelul zonei de prelucrare; în acest caz, vom avea de-a face cu o depasivare mixtă, pe cale hidraulică şi respectiv electrică.

4.3.2. Rectificarea prin eroziune complexă, electrică şi electrochimică

Un procedeu de prelucrare apt să asigure obţinerea unor caracteristici tehnologice convenabile, în cazul prelucrării carburilor metalice, oţelurilor dure pentru scule, aliajelor pe bază de nichel sau al altor categorii de materiale fragile ori cu sensibilitate mare la căldură, este rectificarea prin eroziune complexă, electrică şi electrochimică. În principiu (fig.4.3.), se foloseşte un electrod sculă rotitor, din grafit înglobat într-un liant, fără însă a conţine granule abrazive; rugozitatea suprafeţei active a acestei scule are o valoare Ra > 6,3 µm. Electroliţii folosiţi ca medii de lucru sunt soluţii apoase ale unor săruri.

12

Figura 4.3. Rectificarea prin eroziune complexă, electrică şi electrochimică [79]

Aspecte practice.Sursa de alimentare cu energie a zonei de prelucrare trebuie să asigure curenţi cu

intensităţi de 200 ÷ 2000 A, la tensiuni de 4 ÷ 12 V: în cazul curentului alternativ, densitatea de curent va fi J = 0,9 A/mm2, la prelucrarea carburilor metalice şi J = 1,2 A/mm2 pentru alte materiale metalice, în timp ce în curent continuu pulsator vom ajunge la J = 1,9 A/mm 2 la prelucrarea oţelului; valori prea mari ale densităţii de curent pot provoca defecte în stratul superficial, datorită unei încălziri prea puternice.

Turaţia electrodului sculă are valori de 1200 ÷ 1800 rot/min. Viteza de avans este de 0,5 ÷ 1,5 mm/min, la rectificarea canalelor şi respectiv de 3,8 ÷ 12,7 mm/min, în cazul carburilor, la rectificarea plană, valorile mai scăzute fiind recomandate la prelucrarea carburilor, iar cele mai mari la prelucrarea oţelurilor.

Productivitatea prelucrării înregistrează valori de 100 ÷ 250 mm3/min, în cazul degroşării, valorile mai mici corespunzând rectificării unor semifabricate din carburi metalice. La rectificarea suprafeţelor profilate, electrolitul tinde să se acumuleze în zonele corespunzătoare vitezelor periferice maxime de rotaţie a electrodului sculă; pentru a diminua acest fenomen, se utilizează răzuitoare din material plastic, amplasate în vecinătatea suprafeţelor active ale sculei.

Precizia de prelucrare corespunde unor valori de ±0,0125 ÷ ±0,0250 mm, iar rugozitatea suprafeţelor rectificate este Ra = 0,125 ÷ 0,375 µm, în cazul carburilor metalice şi Ra = 0,375 ÷ 0,75 µm, în cazul oţelurilor.

13

4.3.3. Prelucrări prin eroziune complexă cu depasivare mecano-electrică şi folosind un lichid de lucru de tip semidielectric (prelucrări anodo-mecanice)

Existenţa unui contact mecanic mobil între cei doi electrozi, alături de apariţia descărcărilor electrice, au condus la acceptarea denumirii de prelucrare prin eroziune complexă, electrică şi electrochimică şi cu depasivare mecano-electrică.

Pentru unele asemenea procedee de prelucrare, se foloseşte calificativul de „anodo-mecanic”, îndeosebi atunci când se utilizează ca medii de lucru lichide aşa-numite de tip semidielectric, capabile să conducă, în urma procesului de eroziune electrochimică, la apariţia unei pelicule pasivante destul de dure, aderente la suprafaţa semifabricatului şi cu bune proprietăţi izolatoare din punct de vedere electric. Pentru astfel de procedee, ponderea eroziunii electrochimice, în cadrul procesului general de prelevare de material din semifabricat, poate fi evidenţiată cu ajutorul unui coeficient Kd de dizolvare electrochimică:

[%] (4.1)Unde: md – cantitatea de material îndepărtat pe cale electrochimică, iar m t – cantitatea totală de material îndepărtat din semifabricat prin prelucrare.

Pentru un regim electric caracterizat printr-o intensitate I = 10 ÷ 35 A şi o tensiune U = 10 ÷ 30 V, vom obţine kd = 2 ÷ 16 %.

Ca mediu de lucru se preferă soluţia de silicat de sodiu solubil în apă, aceasta asigurând, deocamdată, productivitatea cea mai ridicată; pentru activare, pot fi adăugate mici cantităţi de azotat de sodiu, în timp ce pentru diminuarea capacităţii de întărire prin evaporarea apei, se indică utilizarea unor adaosuri de ulei mineral.

4.3.4. Prelucrarea prin eroziune complexă a materialelor compozite sau izolatoare

4.3.4.1. Prelucrarea cu electrod filiform

Lărgirea domeniilor de utilizare a materialelor compozite a condus, printre altele, şi la efectuarea unor cercetări privind posibilităţile de prelucrare a lor prin metode neconvenţionale.

Unele dintre aceste materiale nu sunt bune conducătoare de electricitate, ceea ce ar conduce la ideea imposibilităţii prelucrării lor prin electroeroziune sau prin eroziune electrochimică; cercetările experimentale au permis conturarea unor procedee de prelucrare a materialelor compozite prin eroziune complexă, electrică şi electrochimică.

Astfel, în cazul procedeului de prelucrare ilustrat în figura 4.4, avem de-a face cu un electrod filiform, cu un diametru de 0,4 mm, aflat în derulare de pe o rolă depozit şi înfăşurare pe o altă rolă; acest fir este conectat la polul negativ al unei surse de curent continuu obţinut prin redresarea curentului alternativ (0 ÷ 230 V). Un semifabricat din sticlă epoxi sau din kevlar este apăsat cu o forţă redusă pe electrodul fir aflat în deplasare, utilizându-se, în acest scop, un mecanism cu o contragreutate; prezenţa respectivului mecanism va asigura şi realizarea mişcării

14

de avans. Zona de prelucrare se află într-o cuvă cu electrolit (o soluţie apoasă de NaCl), un anod din grafit fiind amplasat sub dispozitivul de fixare a semifabricatului. La baza prelucrării se află un proces de eroziune electrochimică, desfăşurat simultan cu producerea unor descărcări electrice locale, ce traversează bulele de hidrogen în curs de formare.

Figura 4.4. Schema prelucrării prin eroziune complexă cu fir a unor semifabricate din materiale compozite [176]

O soluţie tehnologică utilizabilă în sensul prelucrării materialelor compozite prin eroziune complexă este cea bazată pe avansarea treptată, dar destul de lentă, a unui electrod sculă metalic, într-o placă din sticlă, sub acţiunea greutăţii proprii a subansamblului portelectrod sculă (fig.4.5), mediul de lucru fiind o soluţie apoasă de 35 % NaOH.

Factorii care permit apariţia descărcărilor electrice sunt [8]: constituirea bulelor de gaz la suprafaţa electrodului sculă; formarea unui strat cu o concentraţie redusă în ioni, în apropierea electrozilor şi chiar

a unui film de oxid, parţial conducător, pe suprafaţa anodului; o curgere mai puţin intensă a electrolitului, în anumite zone; fenomene de cavitaţie şi de formare a vaporilor, inclusiv pe suprafaţa electrodului; prezenţa anumitor particule în electrolit.

15

Figura 4.5. Prelucrarea prin eroziune complexă a unui semifabricat din material neconducător [8]a. – schema de prelucrare; b. – detaliu din zona de lucru

4.3.4.2. Prelucrarea prin eroziune complex a materialelor izolatoare, cu o sculă rotitoare

Un alt procedeu de prelucrare prin eroziune complexă a materialelor izolatoare din punct de vedere electric este şi cel prezentat schematic în figura 4.6. Din schema de prelucrare se observă existenţa unei scule metalice de tip disc, în a cărei periferie, zonele metalice alternează cu segmenţi realizaţi din material abraziv obişnuit. Semifabricatul şi scula metalică, realizată dintr-un aliaj ce conţine argint, cupru şi nichel, sunt conectate în circuitul unei surse de curent continuu sau alternativ; zona de prelucrare este imersată într-o cuvă cu electrolit.

Prelevarea de material din semifabricatul nemetalic (ceramică, sticlă, cuarţ, safir) este rezultatul unui proces complex: de aşchiere, dizolvare electrochimică şi detaşare ca urmare a unor descărcări electrice.

Figura 4.6. Prelucrarea prin eroziune complexă cu electrod rotitor

16