TEHNOLOGII DE PRELUCRARE ELECTROCHIMICE

Clasificarea prelucrrilor electrochimice Prelucrarea electrochimic a semifabricatelor din construcia de maini, presupune existena unui proces de schimb de sarcini i de mas ntre anod, catod i lichidul de lucru de tip electrolit, semifabricatul fiind, de obicei, conectat la unul dintre polii sursei de curent continuu. In funcie de fenomenele care au loc la nivelul suprafeei semifabricatului avem: - prelucrri prin eroziune electrochimic, adic acele prelucrri n cazul crora este vorba despre o prelevare de material din semifabricat; - prelucrri electrochimice cu adugare de material, n acest caz fiind vorba de acoperirile electrochimice.

Prelucrri prin eroziune electrochimic

Fundamentele prelucrrii Principiul de lucru Prelucrarea prin eroziune electrochimic se bazeaz pe dizolvarea electrochimic (anodic) a materialului semifabricatului, n cadrul unui proces de schimb de sarcini i de mas ntre electrolit, anod i catod (fig.3.1)

1

Elemente de baz ale prelucrrii prin eroziune electrochimic: a. schema de lucru; b. detaliu din zona de lucru; c. distribuia tensiunii n interstiiu

n esen, avem de-a face cu introducerea ntr-un electrolit att a semifabricatului, conectat la polul pozitiv al sursei de curent continuu, ct i a unui electrod scul, acesta din urm fiind pus n legtur cu polul negativ. Evoluia unui proces de electroliz conduce la trecerea treptat, n soluia electrolit, a unei cantiti din materialul semifabricatului, supuse aciunii cmpului electric; este de dorit ca procesul de dizolvare electrochimic s se produc numai n prezena curentului electric i cu precdere n acele zone ale semifabricatului n care intensitatea cmpului electric ajunge la valori adecvate condiiilor de prelucrare.

Soluii constructive i tehnologice pentru prelucrarea prin eroziune electrochimic

2

. Clasificarea procedeelor Ca urmare a desfurrii procesului de dizolvare electrochimic, putem nregistra o scdere a concentraiei electrolitului n apropierea suprafeelor celor doi electrozi, fenomen numit polarizare de concentraie. Mai mult, la nivelul suprafeei prelucrate a semifabricatului, este posibil constituirea treptat, din produsele reaciilor chimice, a unui strat cu o conductivitate electric din ce n ce mai redus ori chiar cu proprieti corespunztoare unui material izolator, avem de-a face cu apariia unei aa numite pelicule pasivante. Pentru cele mai multe procedee de prelucrare prin eroziune electrochimic (o excepie constituind-o marcarea electrochimic superficial), formarea peliculei pasivante este un fenomen nedorit, care determin reducerea productivitii prelucrrii. A fost necesar identificarea unor soluii tehnologice pentru a ndeprta efectele negative ale apariiei peliculei pasivante sau ale manifestrii fenomenului numit polarizare de concentraie. Dac lum n considerare modalitatea propriu - zis de nlturare a peliculei pasivante, vom constata existena urmtoarelor categorii de procedee ce au la baz fenomenul de dizolvare electrochimic: a. Procedee ce utilizeaz depasivarea natural, aceasta nsemnnd o asemenea dispunere a electrozilor, nct degajarea bulelor de hidrogen s contribuie la agitarea soluiei electrolit, la ruperea i la nlturarea peliculei pasivante sau cel puin la mpiedicarea constituirii acesteia. Sunt cuprinse n aceast categorie unele procedee de lustruire electrochimic, decapare electrochimic etc.; b. Procedee cu depasivare forat hidrodinamic, n cazul crora se recurge la circulaia forat a electrolitului, prin interstiiul de lucru, la valori ale unor parametrii specifici ( de obicei, presiuni p = 7 28 daN/cm2, viteze vel = 6 55 m/s), care s contribuie la ruperea i ndeprtarea peliculei pasivante. n acest scop, recurge fie la utilizarea unor pompe adecvate, fie la alegerea unei scheme de prelucrare ce asigur deplasarea unui sau ambilor electrozi, fie la combinarea celor dou soluii deja amintite. Se nscriu n prezenta grup procedee de gurire electrochimic, de prelucrare prin copierea formei prii active a electrodului scul, de strunjire electrochimic, frezare electrochimic, debitare electrochimic, debavurare electrochimic, unele aa numite procedee de rectificare electrochimic (fr utilizarea unei scule abrazive), calibrare electrochimic, marcarea electrochimic de adncime etc.; c. Procedee cu depasivare forat mecanic prin abrazare, constnd, de fapt, ntr-o asociere a dizolvrii electrochimice cu o prelucrare prin abrazare; aceasta din urm contribuie la ruperea i nlturarea peliculei pasivante, dar poate avea rol i ntr-o prelevare de material din semifabricat, prin achiere propriu-zis. De obicei, ponderea componentei achietoare este redus n raport cu cea a componentei de dizolvare electrochimic. Se includ n prezenta grup procedee cum ar fi: rectificare electrochimic, ascuire electrochimic, supranetezire electrochimic, prelucrare electrochimic folosind abrazivi liberi etc.; 3

d. Procedee cu depasivare electric, n cazul crora avem de-a face cu micorarea distanei dintre electrozi pn la apariia descrcrilor electrice, descrcri ce vor contribui la nlturarea polarizrii de concentraie i, eventual, la ruperea peliculei pasivante. Varianta aceasta s-a concretizat ndeosebi prin apariia unor procedee la care forma suprafeei prelucrate reproduce, ntr-o anumit msur, forma suprafeei electrodului scul; e. Procedee cu depasivare mecano-electric, n cazul crora lichidele de lucru sunt de tip aa numit semidielectric. Asemenea lichide conduc la formarea, ca urmare a procesului de dizolvare electrochimic, a unei pelicule pasivante destul de dure, ce nu poate fi ndeprtat sau subiat dect prin existena unei apsri i a unei deplasri ntre electrodul scul i suprafaa de prelucrat a semifabricatului. Ruperea i / sau subierea peliculei pasivante favorizeaz producerea unor descrcri electrice, fenomenul contribuind la nlturarea peliculei pasivante i la reluarea procesului de dizolvare electrochimic. Se nscriu n aceast grup: debitarea anodomecanic, strunjirea anodo-mecanic, rabotarea anodo-mecanic etc. f. Procedee fr depasivare, caz n care va prezenta interes tocmai obinerea unei pelicule pasivante aderente; ca de exemplu: marcarea electrochimic superficial, pentru care pelicula pasivant constituie tocmai marcajul urmrit. Dac ne referim la mobilitatea relativ a celor doi electrozi, vom constata c n cazul prelucrrilor prin eroziune electrochimic, putem ntlni: 1. Prelucrri la care nu avem de-a face cu o micare propriu-zis de lucru, ambii electrozi pstrndu-i poziia; aparin acestei grupe unele procedee de lustruire electrochimic, decaparea electrochimic, unele variante ale debavurrii electrochimice; 2. Prelucrri la care cel puin unul dintre electrozi este mobil; de exemplu versiunile iniiale de prelucrare cu electrod scul masiv presupuneau executarea unei micri de lucru chiar de ctre acest electrod. Ulterior, au fost create procedee complexe, implicnd rotirea unui sau ambilor electrozi, alturi de executarea unor micri dup traiectorii rectilinii, dar i curbilinii etc. Valorile parametrilor tehnologici de interes din cadrul prelucrrii prin eroziune electrochimic sunt dependente de parametrii electrici i cinematici specifici schemei de prelucrare, de elementele ce caracterizeaz starea i modul de circulaie a electrolitului (concentraie, temperatur, conductivitate electric, vitez de circulaie n interstiiu etc.). O imagine asupra unor asemenea dependene poate fi obinut pe baza datelor din figura 3.2.

4

Influena exercitat de tensiunea U, viteza vES a micrii de lucru, densitatea de curent J, concentraia Cel, temperatura T, conductivitatea i viteza de circulaie vel a electrolitului asupra abaterilor de prelucrare T, vitezei de dizolvare electrochimic v i parametrului de rugozitate Ra (prelucrare dup [22])

Prelucrri prin eroziune electrochimic ce folosesc depasivarea naturalDecaparea electrochimic

Prin decapare se nelege o operaie pregtitoare, ce urmrete ndeprtarea underului, ruginii, oxizilor, de pe suprafeele semifabricatelor metalice, fie n vederea aplicrii ulterioare a unui tratament de suprafa (vopsire, metalizare, emailare), fie pentru obinerea unei suprafee curate, reclamate de o prelucrare ulterioar prin deformare plastic (ambutisare, tragere, trefilare etc.). Decaparea se realizeaz pe cale mecanic (periere, sabalare), chimic sau electrochimic. n acest ultim caz, n calitate de electrolii se utilizeaz soluii ale unor acizi (n cazul semifabricatelor din oel, alam, zinc, cadmiu), respectiv ale unor baze (n cazul semifabricatelor din aliaje de aluminiu). Avantajele decaprii electrochimice, n raport cu decaparea chimic, sunt: durat mai scurt; reducerea influenei exercitate de concentraia electrolitului; posibilitatea decaprii inclusiv a semifabricatelor din oel inoxidabil.

Dezavantajele decaprii electrochimice deriv din consumul suplimentar de energie electric i necesitatea existenei unor dispozitive de suspendare a semifabricatelor. Ca variante ale decaprii electrochimice, amintim: decaparea anodic, ce presupune conectarea semifabricatului la polul pozitiv al sursei de curent. Pentru a evita dizolvarea inclusiv a materialului semifabricatului, soluia electrolit conine un inhibitor de coroziune; decaparea catodic, a crei denumire vizeaz conectarea semifabricatului la polul negativ al sursei de curent continuu. Se elimin riscul dizolvrii materialului semifabricatului, dar degajarea hidrogenului (ce contribuie la desprinderea underului) poate facilita difuzia acestui gaz n stratul de suprafa al piesei, cu 5

nrutirea unor proprieti fizico-mecanice. Pentru a evita un asemenea inconvenient, soluia acid conine sruri de plumb sau de staniu; are loc depunerea unei pelicule subiri din asemenea metale pe zonele curate (pelicula ndeprtndu-se, ulterior, prin dizolvare anodic ntr-o soluie alcalin); decaparea n curent cu polaritate alternant (durata perioadei anodice fiind superioar celei catodice), care asigur condiii pentru diminuarea dezavantajelor variantelor anterioare; decaparea n curent alternativ, utilizat n cazul semifabricatelor din materiale feroase. Electroliii conin soluii de cloruri, sulfai, azotai, cianuri, acid fosforic i acid sulfuric (temperatura de lucru fiind de 60 90 0C, J = 0,1 1 A/dm2); decaparea cu amplasarea semifabricatelor ntre electrozi, care nu mai presupune conectarea semifabricatelor la sursa de curent continuu. Semifabricatele vor constitui ns, alturi de electrolit, conductorul prin care se realizeaz circulaia curentului electric [87]; decaparea aa-zis uoar, care vizeaz ndeprtarea peliculelor subiri de oxizi aprute n timpul transportului sau depozitrii pieselor ntre diferitele operaii.Degresarea electrochimic

Procedeul urmrete nlturarea, de pe suprafaa semifabricatelor, a urmelor de grsimi, uleiuri, diverse alte materiale grase; degresarea este o operaie pregtitoare, n vederea executrii ulterioare a altor prelucrri chimice sau electrochimice. Verificarea calitii degresrii se realizeaz prin umezirea cu ap; dac apa ader la toat suprafaa supus anterior degresrii, vom considera c operaia s-a realizat n condiii bune. Degresarea electrochimic are loc n soluii alcaline fierbini. Aceasta, executat simultan cu o cuprare, se aplic nainte ca semifabricatele s fie supuse nichelrii; n unele zone n care nu s-a format pelicula de cupru, se consider c nu s-a realizat o bun degresare. Electroliii au compoziii complexe: NaOH, carbonai, cianuri, inclusiv de cupru, silicai etc. Valorile principalilor parametrii de lucru sunt: J = 8 15 A/dm2, U = 4 6 V, pH = 12,5 13,5; T = 20oC.

Lustruirea electrochimic

Prin lustruirea electrochimic se urmrete micorarea rugozitii suprafeelor, reducerea valorii coeficienilor de frecare, mrirea rezistenei la coroziune, creterea capacitii de reflectare a luminii, mrirea aderenei straturilor depuse ulterior i, n unele situaii, mrirea limitei de elasticitate, creterea permeabilitii magnetice a oelului electrotehnic i a permaloiului, reducerea capacitii de emisie electronic etc.

6

Micorarea valorilor parametrilor de rugozitate n cazul unui proces de eroziune electrochimic, rezultat al unei prelevri mai accentuate de material la nivelul vrfurilor asperitilor, dect la nivelul golurilor dintre asperiti, poate fi considerat ca o consecin a: concentrrii liniilor de cmp electric pe vrfurile asperitilor; acumulrii produselor eroziunii n golurile dintre microproeminene, cu diminuarea intensitii procesului de dizolvare; distanei mai mici dintre vrfurile asperitilor i suprafaa electrodului scul; rotunjirea vrfurilor asperitilor rmase dup prelucrare.

Asupra rugozitii suprafeei rezultate exercit influen natura i structura materialului din care este executat semifabricatul, parametrii regimului electric, natura i proprietile electrolitului, rugozitatea suprafeei nainte de lustruire etc. Plecnd de la o suprafa cu o rugozitate de 0,63 1,25 m, se poate ajunge la 0,08 0,1 m, iar pentru a obine o rugozitate de 0,63 1,25 m este necesar ca rugozitatea iniial a suprafeei, nainte de lustruire, s fie de 5 10 m, acestea pentru a asigura o durat rezonabil a procesului de lustruire electrochimic, de circa 0,5 15 min. n figura 3.3 este reprezentat schematic un echipament pentru lustruirea electrochimic.

Reprezentarea schematic a unui echipament pentru lustruirea electrochimic

7

Prelucrri prin eroziune electrochimic ce folosesc depasivarea forat hidrodinamic Principala caracteristic a acestor procedee o constituie circulaia forat a electrolitului, la nivelul zonei de prelucrare, cu viteza v = 6 55 m/s, la presiuni p = 7 28 daN/cm 2. Vor fi necesare grupuri de pompare suficient de puternice i echipamente rigide; rotirea unuia sau ambilor electrozi asigur valori adecvate ale vitezei de circulaie a electrolitului. Exist o gam foarte larg de procedee utilizabile n cadrul metodei de prelucrare prin eroziune electrochimic ce folosete depasivarea forat hidrodinamic. 1. Procedee de prelucrare fr deplasarea vreunuia dintre electrozi, este cazul unor procedee utilizabile pentru calibrarea i respectiv debavurarea sau rotunjirea muchiilor pe cale electrochimic, al marcrii electrochimice de adncime etc.; 2. Procedee de prelucrare cu electrod masiv, bazate pe existena unei singure micri de lucru, respect schema de prelucrare din fig. 3.1. Se nscriu n aceast categorie procedee de gurire electrochimic (fig. 3.5.a), de calibrare electrochimic a suprafeelor interioare (fig. 3.5.b) sau exterioare (fig. 3.5.c);

Procedee de prelucrare prin eroziune electrochimic ce presupun existena unei singure micri de lucru

3. Procedee ce presupun executarea unei micri de rotaie de ctre unul sau de ctre ambii electrozi. Vor aparine acestei grupe procedee de frezare sau strunjire electrochimic (fig. 3.6.a, b), de prelucrare electrochimic a cilor de rulare din cazul inelelor de rulmeni (fig. 3.6.c, d, e, f).

8

Procedee de prelucrare prin eroziune electrochimic ce presupun rotirea unuia sau ambilor electrozi

S reinem faptul c pentru unele dintre aceste procedee se folosete i denumirea de rectificare electrochimic, dat fiind similitudinea schemelor de prelucrare cu cele de la rectificarea clasic, dei, n cazul de fa, nu avem de-a face cu o scul abraziv; am recurs la o asemenea precizare, ntruct exist si o alt categorie de procedee, denumite rectificri electrochimice, dar care utilizeaz scule abrazive i care au la baz o depasivare prin abrazare.

Prelucrri prin eroziune electrochimic ce folosesc depasivarea forat mecanic prin abrazareAspecte principale

Conform celor prezentate anterior, asocierea dizolvrii electrochimice cu o prelucrare clasic prin abrazare a asigurat condiii i pentru realizarea depasivrii; micrile relative dintre scula abraziv i semifabricat i presiunea existent la nivelul zonei de prelucrare, permit ruperea i ndeprtarea peliculei pasivante (fig. 3.7). Pentru materializarea polului negativ aferent prelucrrii (semifabricatul conectndu-se la polul pozitiv), exist urmtoarele soluii: A. Folosirea unei scule abrazive conductoare, executate: a. prin utilizarea unui liant pe baz de grafit; b. prin ncorporarea n liant a unor achii metalice;

9

c. prin rularea unui corp de revoluie metalic moale peste o mas din granule abrazive, ceea ce va determina nfigerea i meninerea unor asemenea granule n materialul metalic; d. prin utilizarea unor scule diamantate, n cazul crora, pe suprafeele active vom regsi granule de diamant ncorporate ntr-o mas metalic. B. Utilizarea unui electrod metalic suplimentar, amplasat n apropierea sculei abrazive de tip clasic; lichidul de lucru va trebui s accead att prin spaiul dintre electrodul metalic i semifabricat, ct i n zona n care se produce abrazarea.

Reprezentarea schematic a prelucrrii prin eroziune electrochimic cu depasivare prin abrazare

Rectificarea electrochimic

Aceasta folosete depasivarea forat prin abrazare, care se poate realiza pe baza unor scheme de prelucrare similare. n cazul reprezentrii simplificate, pot fi observate trei modaliti de materializare a polului negativ i anume: de ctre scula abraziv, ce ncorporeaz un material electroconductor (1); de ctre un electrod metalic suplimentar (2); de ctre masa mainii-unelte, izolat electric n raport cu semifabricatul

Cteva recomandri privind condiiile concrete de utilizare a rectificrii electrochimice: a. la rectificarea electrochimic a suprafeelor plane se vor folosi electrolii coninnd 5 16 % NaNO3 i 2 % NaNO2, U = 6 8V, t = 0,02 0,05 mm/curs, sl = 5 42 mm/min, sp = 0,02 0,07 mm/min, asigurndu-se o productivitate Q = 3000 7000 mm3/min, Ra = 0,16 0,63 m; b. la rectificarea electrochimic a suprafeelor cilindrice exterioare cu avans longitudinal, pentru U = 6 12V, vp = 0,5 18 m/min, t = 0,01 0,2 mm/curs, sl = 0,5 1,5 mm/min, vom obine Q = 500 3000 mm3/min, Ra = 0,32 1,25 m;

10

c. la rectificarea electrochimic a suprafeelor cilindrice exterioare cu avans transversal, pentru U = 5 7 V, vp = 8 18 m/min, t = 1 2,5 mm/curs, st = 0,03 0,3 mm/min, vom obine Q = 4000 7000 mm3/min, Ra = 0,63 m; d. la rectificarea electrochimic a suprafeelor cilindrice interioare a semifabricatelor din carburi, pentru t = 0,025 0,6 mm/curs, sl = 0,03 0,3 mm/min,m parametrii realizabili fiind Q = 180 200 mm3/min, Ra = 0,32 0,63 m.

Rectificarea i ascuirea electrochimic

Ascuirea electrochimic

Pentru definitivarea geometriei prii active a unor categorii de scule achietoare ori pentru refacerea geometriei respective, poate fi utilizat procedeul de ascuire electrochimic. Avantajele unei asemenea soluii, n raport cu cea bazat exclusiv pe abrazare, sunt: creterea considerabil a productivitii, cu cel puin 50 %, n cazul materialelor metalice i cu 100 300 mm3/(mmxcm2), n cazul oelurilor rapide [171]; diminuarea tensiunilor interne generate prin ascuire, ceea ce va permite creterea durabilitii sculei prelucrate cu circa 20 30 %; creterea durabilitii sculei abrazive utilizate n cadrul ascuirii electrochimic, datorit reducerii ponderii procesului de abrazare; diminuarea costului operaiei de reascuire. 11

n ceea ce privete valorile unora dintre parametrii caracteristici ai ascuirii electrochimice, avem: U = 5 8 V, sl = 1 4 mm/min, p = 15 18 Mpa, Q = 600 900 mm3/min, Ra = 0,16 0,63 m. n cazul plcuelor din carburi metalice, este recomandabil o succesiune de trei faze: o faz cu U = 3 4 V; o a doua cu U = 6 8 V i o a treia faz final cu 2 4 treceri, fr aplicarea tensiunii.

Honuirea electrochimic

Procedeul se aplic att n cazul suprafeelor interioare, ct i al celor exterioare. Reprezentarea schematic din figura permite ilustrarea a patru modaliti de materializare a catodului: a. bare abrazive electroconductoare; b. electrod metalic separat fix; c. electrod metalic ce se deplaseaz radial, simultan cu bara abraziv, pe msura uzrii acesteia; d. electrod metalic deplasabil radial independent de uzura sculei. Accesul electrolitului poate avea loc: prin injecie; prin simpl imersie; prin folosirea unei camere de presiune; prin capul de honuit, folosindu-se fie orificiile executate n eventualii electrozi metalici amplasai ntre barele abrazive, fie orificiile realizate n corpul propriu-zis al honului.

12

Honuirea electrochimic

Pentru a evidenia influena exercitat de unii factori asupra modificrii D a diametrului D al suprafeei prelucrate, se are n vedere relaia: [mm3] (2.22) n care V este volumul de material nlturat prin prelucrare, Vsp este volumul specific de material, n mm3/(As), I este intensitatea curentului electric, n A, iar t este timpul, n min. Se ajunge, innd cont si considerentele geometrice, la relaia: (2.23) Dintre parametrii caracteristici prelucrrii, amintim: U = 7 12 V, J = 2 12 A/cm 2, vra = 10 15 m/min, p = 2 6 Mpa, s = 0,6 1 mm, electrolit pe baz de NaCl, NaCl NaNO3, CaCl2 (pentru honuirea interioar a semifabricatelor din font i din oel), D/t = 0,07 0,3 mm/min, Ra = 0,16 0,63 m. n cazul materialelor dure, ca electrolii se utilizeaz soluii apoase de hidroxid de sodiu, azotat de amoniu i azotat de sodiu, iar presiunea ajunge la valori p = 65 N/cm2. Exist posibilitatea creterii de 2 5,2 ori, n raport cu cea de la honuirea clasic, pentru J > 0,01 A/cm2 sau utilizarea unei soluii de electrolit cu granule abrazive n suspensie. O soluie constructiv utilizat pentru honuirea electrochimic a suprafeelor cilindrice exterioare este prezentat .

13