Giáo trình Gia công điện (Chuẩn kiến thức)

dịch điện phân. Tại bề mặt anod, kim loại được hòa tan vào các ion kim loại và chi tiết sẽ được sao chép hình dạng của dụng cụ điện cực. Chất điện phân luôn luôn chảy qua khe hở điện cực với vận tốc cao (thường lớn hơn 5m/s) Khi đóng mạch điện và các điều kiện điện phân được chọn hợp lý, dòng điện đi qua bể có tác dụng làm hòa tan kim loại ở anod với một lượng được xác định theo định luật Faraday. Trong khi gia công, thông thường điện cực được cho tiến về phía chi tiết (anod) nhưng luôn đảm bảo tồn tại một khe hở nhỏ. Quá trình điện phân kéo theo sự hòa tan anod và thoát khí hydro ở catod. Lượng chất kết tủa hoặc hòa tan do điện phân tỷ lệ với lượng điện chạy qua. Lượng các vật chất kết tủa hoặc hòa tan bằng lượng điện tương đương, tỷ lệ với thành phần hóa trị của chúng (với hợp kim có nhiều nguyên tố khác nhau). Biểu thức của định luật 1: m = F / Kit (4.1) Trong đó: m: lượng kim loại hòa tan (g). I: cường độ dòng điện (ampe). t: thời gian (giờ). F: hằng số Faraday lượng điện cần thiết để hòa tan 1 đương lượng gam của kim loại, F = 96496 colomb. K: đương lượng điện hoá tức khối lượng của chất (tính bằng mg) được giải phóng khi có một điện lượng 1 coulomb đi qua dung dịch điện phân. Định luật Faraday 2 Các đương lượng điện hoá tỷ lệ với đương lượng gam của các chất được giải phóng trong quá trình điện phân. Đương lượng gam bằng tỷ số giữa trọng lượng nguyên tử A và hóa trị n. Vậy: K = (1 / F). (A/n) (4.2) Đơn vị: K = g/A. s; g/a. ph = mm3/A.s; mm/A.s. Công thức của định luật hợp nhất : m = (1 / F). (A/n) . It = KIt (4.3) Trong thực tế, khi gia công kim loại không tinh khiết hoặc hợp kim của chúng gồm nhiều nguyên tố khác nhau (ví dụ thép hợp kim) thì đương lượng điện hoá của chúng được xác định một cách tương đối theo các thành phần hợp kim như sau: (4.4) Trong đó: P1, P2, Pn là thành phần hợp kim trong kim loại, tính theo phần trăm trọng lượng. K1, K2, Kn là đương lượng điện hoá của mỗi thành phần hợp kim trong kim loại. Theo định luật Faraday phương pháp gia công điện hoá được thực hiện như sau: Nếu dùng catod làm khuôn có hình dáng gần giống với hình dáng của chi tiết cần gia công thì ở bề mặt gần nhất với catod sự hòa tan anod diễn ra mạnh nhất. Lý do là điện trở suất của dung dịch điện phân lớn hơn của kim loại. Như vậy dòng điện tập trung vào khoảng cách điện cực nhỏ nhất tức là ở đây có dòng điện lớn nhất, bằng cách đó cực catod dần dần ăn vào anod. Bơm sẽ bơm chất điện phân (xuyên qua khe hở gia công) ở vận tốc cao (5– 50m/s) đẩy kim loại hòa tan, khí và hơi nóng ra khỏi khe hở gia công. Gia công điện hóa là một phương pháp gia công mới và có một số ưu điểm mà các phương pháp gia công truyền thống không thể có. Độ chính xác gia công và tốc độ hớt kim loại cao với mật độ dòng rất lớn từ 10 – 100 A/cm2 nhưng điện áp khá thấp (8 – 30V). Phải luôn đảm bảo một khe hở nhỏ trong suốt quá trình gia công (khoảng 0,1 mm), bằng cách cho điện cực dụng cụ tiến về phía bề mặt anod với vận tốc khoảng 0,1 – 20 mm/ph. Giá trị dòng điện sử dụng trong gia công điện hóa phụ thuộc vào các thông số và kích thước của bề mặt chi tiết cần gia công. Trên hình 4.1 là sơ đồ nguyên lý của phương pháp gia công điện hóa. Nguồn 1 chiều từ 2-30V Chạy dao đều Trao đổi nhiệt Lọc Bơm Chất điện phân Cặn Chi tiết Bảo vệ ngắn mạch Bàn máy P vào vàovàovào P ra vàovàovào Cách điện Van chặn Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý của phương pháp gia công điện hóa. Hình 4.2. Mô tả quá trình cắt trong gia công điện hóa. Các oxit trên mặt anod có tác dụng hạn chế quá trình gia công, hiện tượng này xảy ra đối với hầu hết kim loại dùng trong công nghiệp, nó phụ thuộc vào mật độ dòng điện, nhiệt độ và thành phần chất điện phân. Quá trình hạn chế này có thể dùng tốc độ dòng chảy lớn của dung dịch điện phân để ngăn cản. Tốc độ đẩy tới của điện cực phải thích hợp với lượng vật liệu lấy đi. (4.5) (cm3/phút) Vật liệu được lấy đi trong quá trình gia công được xác định theo định luật Faraday: Trong đó: VD: năng suất lấy nguyên liệu. A: khối lượng nguyên tử. n : hóa trị của anod. I: cường độ dòng điện. g: tỷ trọng (g/cm3). Lưu ý: đối thép hợp kim thì chỉ tính gần đúng. Những đặc trưng gia công của quá trình gia công điện hóa: Tốc độ gia công không phụ thuộc vào cơ tính của vật liệu gia công mà chỉ phụ thuộc vào bản chất vật liệu gia công. Độ chính xác gia công phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của Độ nhám bề mặt tốt (với kim loại thông thường), Ra = 0,1 – 2,5mm. Mức tiêu thụ điện áp tương đối cao (khoảng 200 – 600 J/mm3) và phụ thuộc vào tính điện hóa của vật liệu gia công. Quá trình ECM lý tưởng. Mô hình gia công điện hóa đơn giản nhất, thường gọi là quá trình ECM lý tưởng, có các đặc điểm sau: Định luật Ohm được áp dụng trong toàn bộ khe hở trên bề mặt của điện cực. Tính dẫn điện của môi trường trong khe hở điện cực là hằng số cả về thời gian lẫn không gian. Tại mỗi điện cực, điện thế luôn cố định trên toàn bộ chu vi bề mặt và trong suốt thời gian gia công. Mật độ dòng điện cho việc hòa tan anod luôn bằng nhau tại mọi điểm trên bề mặt chi tiết gia công. Quá trình ECM không lý tưởng. Tuy nhiên, trong thực tế quá trình gia công điện hóa không bao giờ lý tưởng. Do tốc độ hớt kim loại phân tán trên bề mặt chi tiết có hình dạng khác nhau thì khác nhau (dòng điện của phương pháp gia điện hóa trong thực tế thì tỉ lệ nghịch với kích thước lỗ trống) và những bề mặt có hình dạng khác nhau này là do việc thiết mẫu đúc. Hydro thoát ra từ điện cực dụng cụ tạo thành một lớp có hai pha (gồm bọt khí hydro và chất điện phân), khi đạt tới một điều kiện nhất định lớp này có thể lấp đầy toàn bộ lỗ trống gia công. Khi gia công điện hóa những chi tiết lớn, kéo theo sự mở rộng của khe hở điện cực, do vậy, bọt khí phát sinh tại dụng cụ điện có thể lan ra khỏi bề mặt gia công và chúng hòa trộn với dung dịch điện phân. Nếu quá trình này kéo dài, có thể làm giảm bền dung dịch điện phân trong khe hở gia công, phát sinh va đập và cuối cùng quá trình gia công sẽ bị ngừng lại. Dòng điện đi qua dung dịch điện phân làm phát sinh nhiệt lượng. Môi trường gần catod sẽ mất dần tính dẫn điện do nhiệt tăng lên. Dụng cụ và dung dịch điện phân. Điện cực dụng cụ (anod). Vật liệu chế tạo dung cụ Điện cực chế tạo dụng cụ phải có tính dẫn điện cao, độ bền chống rỉ tốt. Ví dụ: đồng thau, thép không rỉ, thép chịu nhiệt, hợp kim titan, grafit Thép không rỉ dùng làm dụng cụ để gia công cách tuốc bin thủy điện, máy nén khí, các khuôn dậy. Hợp kim dùng làm các ống vỏ mỏng dể làm dụng cụ mở lỗ sâu. Grafit dùng để làm dụng cụ dạng đĩa quay tròn trong sản suất đơn chiết hay loạt nhỏ. Phương pháp tạo hình các điện cực dụng cụ. Để tạo biên dạng các dụng cụ ta dùng các phương pháp sau đây: Gia công cắt gọt. Đúc chính xác. Dập. Mạ chất dẻo, phun kim loại Đối với dụng cụ định hình biên dạng của chúng có khác với biên dạng của chi tiết gia công, do đó để tăng độ chính xác của dụng cụ phải thiết kế biên dạng theo phương pháp đồ thị và phương pháp giải tích (thiết kế dao tiện định hình). Việc chọn các thông số hình học và sự phân bố các khe, các lổ trên bề mặt làm việc của dụng cụ cần phải xác định bằng kinh nghiệm sao cho dòng chảy của dung dịch điện phân vào vùng gia công thuận lợi, không bị rẽ dòng. Hình 4.3. Một số điện cực thường dùng. Một số điện cực thường dùng: Phủ chất cách điện tại những bề mặt không làm việc của dụng cụ. Mục đích của việc làm này là nhằm bảo đảm cho quá trình hòa tan anod tại các điểm cần thiết được tốt, bảo đảm cơ tính cao, cách điện tốt, chịu nhiệt và chịu ẩm vì chiều dày lớp phủ rất mỏng (0,02 - 5mm). Độ nhấp nhô bề mặt làm việc của dụng cụ có Ra < 1,6mm. Trên bảng 4.1 là một số thông số của các vật liệu dùng làm điện cực. Bảng 4.1. Một số thông số của vật liệu dùng làm điện cực. Vật liệu dụng cụ Chất cách điện Chiều dày lớp phủ (mm) Ứng dụng Đồng thau Thép không rỉ Men silicat 0,15 ¸ 0,2 Gia công các lỗ mặt định hình Polypropylen Keo epôxy Notacryl 0,3 ¸ 0,35 0,1 ¸ 0,3 0,2 ¸ 0,5 Tẩy bavia, gia công các mặt định hình, các lỗ có đường kính lớn Nhựa polyurêtan Caprolon Cao su tectolit Ebonit 0,1 ¸ 0,2 0,1 ¸ 0,2 0,5 ¸ 5 0,5 ¸ 5 Tẩy bavia, gia công các bề mặt có kích thước lớn Thép không rỉ, hợp kim titan, hợp kim chịu nhiệt Men sứ 0,03 ¸ 0,08 Mở rộng các lỗ, rãnh hẹp, lỗ định hình và lỗ sâu Keo epôxy 0,1 ¸ 0,4 Mở rộng lỗ sâu Nhũ tương Teflon Polyclovinyl 0,02 ¸ 0,05 0,08 ¸ 0,2 0,08 ¸ 0,2 Mở rộng lỗ đường kính nhỏ Dung dịch điện phân. Tác dụng của dung dịch điện phân. Vai trò quan trọng của dung dịch điện phân là tạo sự di chuyển các ion giữa anod và catod. Ngoài ra các ion của dung dịch điện phân còn tham gia tích cực vào các phản ứng điện cực. Dung dịch điện phân sử dụng để hòa tan kim loại của chi tiết (anod) do đó thành phần của nó phải chọn đúng để tránh khả năng tạo các chất không hòa tan, gây ra sự trơ hóa bề mặt của chi tiết. Vì vậy sự tồn tại của các ion hoặc nhóm ion trong dung dịch điện phân phụ thuộc vào các tính chất của nó. Phản ứng điện cực xảy ra ở catod vì vậy cần phải nghiên cứu sự phóng các ion đã nạp điện, chúng không được kiềm chế quá trình hòa tan anod. Trên catod không có sự kết tủa các ion kim loại có trong dung dịch điện phân vì nó làm thay đổi hình dáng của catod và gây ra sai số hình dáng chi tiết. Do đó các cation của dung dịch điện phân không được là kim loại vì chúng tạo điều kiện cho sự kết tủa trên dụng cụ (có vật liệu là thép hoặc đồng). Thông thường các cation là hydro, kiềm như natri, kali, Tính chất của dung dịch điện phân. Khi gia công điện hóa mật độ dòng điện phải ổn định để tránh sự thất thoát về năng lượng. Các dung dịch điện phân phải có tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao đồng thời nhiệt độ sôi của chúng phải cao để tránh bị sôi khi gia công. Tính dẫn điện, dẫn nhiệt của dung dịch điện phân đều rất thấp so với kim loại do điện trở của dung dịch điện phân cao, vì vậy mật độ dòng phải cao. Dung dịch điện phân sẽ bị đốt nóng dẫn đến sự phân cực các điện cực nên càng đốt nóng thêm dung dịch điện phân. Độ nhớt của dung dịch điện phân thấp sẽ làm cho sự di chuyển của các ion cao hơn do đó nâng cao tính dẫn điện của dung dịch điện phân. Bảng 4.2. Các tính chất của dung dịch điện phân thường dùng. Dung dịch điện phân Độ đậm đặc theo trọng lượng Tỷ trọng (g/cm3) Độ dẫn điện (104.W-1.cm-1) Nhiệt dung (cal/grad) Tính dẫn nhiệt (Kcal/m.g.grad) Độ nhớt động học (cts) Độ nhớt động học (.s/m2) Độ hòa tan hydro theo thể tích (g) Clorua -natri NaCl 5 10 15 20 1,0345 1,0707 1,1087 1,147 372 1211 1642 1957 0,945 0,901 0,865 0,507 0,497 1,05 1,11 1,17 1,34 0,085 0,190 0,30 0,535 1,5 1,2 1,1 0,9 Natri cacbonat NaCo3 10 20 0,0674 0,1426 782 1303 0,195 0,885 0,508 0,499 1,02 1,10 1,09 1,26 1,4 1,2 NaSO4 15 0,1406 886 0,940 0,516 1,54 1,76 1,0 HCl 2 5 1,01 1,025 1720 3948 0,965 0,920 0,500 0,470 1,05 1,08 1,7 1,6 H2SO4 2 5 1,015 1,035 1089 2085 0,985 0,951 0,505 0,490 0,98 1,01 NaOH 5 10 1,055 1,110 1935 3093 0,937 0,907 0,527 0,539. 1,27 1,68 1,34 1,86 1,2 0,9 Một số dung dịch điện phân thường dùng cho thép và hợp kim cứng. Do thành phần của thép và hợp kim cứng có nhiều yếu tố khác nhau do đó không thể có dung dịch điện phân chung cho tất cả các loại vật liệu, vì vậy đối với mỗi loại vật liệu ta cần phải tính toán và chọn lựa loại dung dịch điện phân thích hợp. Trong thực tế đối với mỗi nhóm vật liệu (ví dụ: thép trên cơ sở Fe, Ni) ta có thể dùng một loại dung dịch điện phân. Thép trên cơ sở Fe: trong quá trình gia công thép trên cơ sở Fe bằng phương pháp điện hóa ở anod thoát ra rất nhiều ôxy, do vậy khi có điện thế thấp sẽ thấy xuất hiện các oxit và quá trình hòa tan anod bị chậm lại. Để tránh sự trơ hóa các anod, hiệu quả nhất người ta dùng các clorua làm dung dịch điện phân. Ví dụ: clorua natri để tạo FeCl2 (đối với Fe2+) và FeCl3 (đối vớ Fe3+). Vì vậy clorua natri là thành phần cơ bản dùng để gia công thép nhóm Fe và Ni, ngoài ra có thể dùng clorua kali nó làm tăng tính dẫn điện của dung dịch điện phân nhưng rất đắt. Qua thí nghiệm với thép có 0,2% C cho thấy rằng nếu ta thêm 3¸10% NaClvà 6% H2SO4 vào dung dịch điện phân thì tốc độ hớt kim loại sẽ tăng (FeSO4 và Fe2SO4 tăng nhanh nhất là đối với Fe2+ nhưng độ bóng thấp < 4mm). Nếu dùng HCl 1¸2% trong dung dịch điện phân, tốc độ hòa tan anod tương đương với H2SO4 nhưng độ nhấp nhô <2mm. Hợp kim trên cơ sở Ni. Đối với loại hợp kim Cr-Ni có thể dùng dung dịch 6% H2SO4 và 3¸10% NaCl, độ nhấp nhô đạt 3,5mm trong khi đó đối với thép C là 4mm. Kết quả tương tự khi dùng HCl. Nếu dùng dung dịch điện Nitrit kali 15% NaCl 6¸10%, clorua amôn (NH4Cl) 3¸10% độ nhấp nhô có thể đạt thấp nhất 2mm. Nếu dùng 4% NaCl + 6% NaSO4 độ nhấp nhô sẽ cao. Nếu dùng Nitrat natri (NaNO3) pha với NaCl đúng tỉ lệ thích hợp thì bề mặt gia công sẽ bằng phẳng, tại các mép không bị lồi lõm. Hợp kim Titan. Các chi tiết khi gia công điện hóa trên bề mặt hình thành một lớp màng oxit mỏng, nó cản trở việc hòa tan anod. Để phá hủy lớp rỉ này có thể dùng dung dịch điện phân clorua ở điện áp U = 12V hoặc bằng dung dịch brômua và iốt với điện thế thấp. Để gia công titan cần có điện áp tương đối cao U = 40V nhưng với điện thế này sẽ xảy ra sự phóng tia lửa điện do đó bề mặt nhấp nhô cao. Dung dịch điện phân có NaCl và HCl, điện áp thấp, độ nhám tốt hơn nhưng xuất hiện điểm rỉ. Hợp kim Vonfram (dùng để chế tạo khuôn dập và dụng cụ cắt): Dung dịch điện phân kiềm mạnh sẽ hòa tan WC, thường là sút NaOH hoặc cacbonat natri NaCO3, coban sẽ bị hòa tan trong dung dịch điện phân gốc amin như trietanolamin hoặc ete của axit tactrit COOH-CHOH-COOH tạo thành CoCl2 (CoCl2, H2O) clorua coban để đạt độ nhấp nhô Ra = 0,25mm. Nên dùng dung dịch điện phân: 197 g/l trietanolamin. 50 g/l NaOH. 100 g/l NaCl. Tạo ra WCl2, WCl3 (clorua vonfram). Molypđen: Ở dạng cation, molypđen không tạo thành mối bền vững nhưnh oxit molypđen hòa tan trong kiềm tạo thành các molypđat. Để gia công molypđen thường dùng dung dịch điện phân như: 150g/l NaOH. Thời gian sử dụng dung dịch điện phân Trong quá trình gia công điện hóa dung dịch điện phân dần dần sẽ bị thay đổi thành phần, khí H2 bốc hơi làm cho tính dẫn điện kém đi, độ pH tăng tức tính kiềm tăng. Mặt khác do sự hình thành kết tủa làm tăng độ nhớt và giảm sự hòa tan anod, tất cả các thay đổi này sẽ rút ngắn thời gian sử dụng dung dịch điện phân. Vì vậy nên sử dụng phân theo định kỳ và có các biện pháp xử lý dung dịch điện để tiếp tục sử dụng. Các phương pháp xử lý khôi phục dung dịch điện phân. Làm sạch bằng cách lọc các chất kết tủa, các chất không hòa tan vì chúng cản trở quá trình gia công. Dùng phương pháp ly tâm để loại các chất không hòa tan. Hình 4.4. Các máy gia công ECM thường được sử dụng. trên thế giới. Các thông số và khả năng công nghệ. Năng suất gia công. Năng suất gia công được tính bằng lượng nguyên liệu được lấy đi trong một đơn vị thời gian (VD, cm3/phút), tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện, như đã xác định bằng định luật Faraday. Tốc độ tiến e của điện cực cũng được coi là năng suất (cm/phút). e = K.I/F = K.s (cm/phút). (4.6) Trong đó: F: diện tích bề mặt của catod (cm2). S: mật độ dòng điện (A/cm2). Các yếu tố ảnh hưởng đến năng suất bao gồm: Tốc độ tiến của dụng cụ (cm3/phút.A) (4.7) Dựa trên định luật Faraday có thể viết: Với: thép K= 2 - 2,2 mm2/phút.A 2,0 1,5 1,0 0,5 0 100 200 300 400 500 s (A/cm3) e (cm/ph) Hình 4.5 cho thấy quan hệ giữa tốc độ tiến dụng cụ và mật độ dòng điện. Hình 4.5. Quan hệ giữa tốc độ tiến của dụng cụ và mật độ dòng điện. Đồ thị trên hình 4.5 có thể áp dụng trong gia công thép và thép hợp kim. Điện áp Định luật Ohm cũng áp dụng với dung dịch điện phân. (4.8) Trong đó: X: điện dẫn xuất, tức là khả năng dẫn điện của một khối dung dịch mỗi cạnh bằng 1cm (1/W.cm). F: bề mặt làm việc của điện cực (cm2). d: khoảng cách điện cực (cm). Thế vào (4.6) có: E = K.X/d.U (cm/ph) (4.9) Vậy năng suất tỉ lệ thuận với điện áp, nếu khoảng cách điện cực không đổi. Khi gia công lỗ rỗng có tiết diện khác nhau, điện áp và khoảng cách điện cực đã được điều chỉnh trước, nếu mật độ dòng điện không đổi thì cường độ dòng điện tất nhiên phải thay đổi. Khả năng dẫn điện của dung dịch điện phân. Dòng điện đi qua dung dịch điện phân sẽ sinh nhiệt và làm tăng nhiệt độ của chất điện phân, do đó khả năng dẫn điện tăng, năng suất cũng tăng theo (hình 4.6). 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 20 40 60 80 100 t (oC) X (1/W.cm) 5% 10% 15% 20% 25% Nồng độ Hình 4.6. Quan hệ giữa khả năng dẫn điện của dung dịch (X) và nhiệt độ (t). Khả năng dẫn điện của dung dịch điện phân (X) biến đổi theo nhiệt độ với nồng độ muối NaCl khác nhau. Cần phải hạn chế sự phát nhiệt này bằng cách làm mát dung dịch điện phân và cho dung dịch lưu thông nhanh hơn. Cáng tăng tốc độ dòng chảy thì càng tăng mật độ dòng điện, nhưng hydro được tách ra từ dung dịch, đẩ dung dịch ra khỏi khe hở điện cực, do đó mật độ dòng điện chỉ có thể tăng lên đến một giá trị nào đó phụ thuộc vào điện áp (hình 4.7). 0 20 40 60 80 100 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 9,6 V 9,94 V 11,16 V s (A/cm3) q (l/ph) Hình 4.7. Quan hệ giữa mật độ dòng điện (s) và lưu điện (q) của dung dịch (l/ph). Các yếu tố khác. Ap suất trong dung dịch điện phân phụ thuộc vào bề mặt làm việc của điện cực, khe hở điện cực và hệ thống lưu thông dung dịch. Chất lượng của dung dịch điện phân cũng đóng vai trò quan trọng. Người ta dùng dung dịch muối có tính acid, kiềm hoặc trung tính. Dùng dung dịch trung tính thì có lợi hơn vì không cần phải bảo vệ thiết bị chống ăn mòn. Gia công lỗ nhỏ thì dùng dung dịch có tính acid, khoan lỗ lớn thì dùng dung dịch muối (NaCl). Phoi được lấy ra cũng gây nhiễu cho quá trình gia công. Do đó cần dùng bể chứa và thường xuyên làm sạch(lượng sắt tối đa trong dung dịch điện phân là 1%). Có thể lọc hoặc dùng ly tâm để gạn ra. Ở phân xưởng lớn thì cứ 8 giờ thì phải thay dung dịch điện phân. Nguyên liệu của điện cực không đóng vai trò quan trọng. Điều quan trọng là phải dẫn điện tốt và chống ăn mòn trong dung dịch acid. Thông thường dùng vật liệu bằng đồng hoặc vật liệu không rỉ. Độ chính xác gia công. Trong quá trình gia công, giữa chi tiết gia công và mặt đầu của điện cực tồn tại khe hở (dh). Trong trường hợp khoan lỗ cụt, thì khe hở mặt đầu ảnh hưởng đến độ chính xác và độ sâu của lỗ. Với tốc độ tiến không đổi của điện cực thì khe hở là hàm số của điện áp: dh = k.x/e.U (4.10) Trong thực tế quan hệ của chúng được thể hiện theo hình 4.8. 0,4 0,3 0,2 0,1 0 5 10 15 20 U (V) dh (mm) e =0,32 mm/ph e =0,5 mm/ph e =1 mm/ph e =2 mm/ph Hình 4.8. Quan hệ giữa điện áp và khe hở mặt đầu (dh) của điện cực với tốc độ tiến của điện cực (e) khác nhau (vật liệu gia công là thép C45, K = 2,2 mm3/A.ph). Có thể thấy rằng đồ thị không phải là đường thẳng do ảnh hưởng của những yếu tố khác (như dòng chảy). Có thể rút ra kết luận rằng, bằng cách nâng tốc độ tiến điện cực thì có thể giảm sai số của khe hở, tức là giảm sai số gia công, thậm chí có thể nâng điện áp để làm khe hở trở nên không đổi. Dòng điện không những chỉ đi qua khe hở mặt đầu, mà còn ở khe hở giữa thành trong của lỗ và mặt bao qanh điện cực. Ở khe hở này thì tác dụng điện hóa xảy ra chậm hơn. Tốc độ hòa tan tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa các bề mặt của điện cực. Do đó trường hợp gia công lỗ bằng điện cực hình trụ thì đường sinh của lổ có dạng parabol (4.9). h dh e d e: tốc độ tiến dụng cụ. d: khe hở điện cực. dh: khe hở mặt đầu Hình 4.9. Hình dạng của lỗ gia công bằng điện hóa. Kích thước của khe hở trên sẽ là hàm số của độ sâu lỗ như trình bày trên hình 4.10. 0 1 2 3 4 2 4 6 8 10 12 14 h (mm) d (mm) e=0,6 m/ph e=1 e=2 e=3 : cách điện :không cách điện Hình 4.10. Quan hệ giữa khe hở điện cực và độ sâu lỗ (h) với các tốc độ tiến dụng cụ (e) khác nhau. Nguyên liệu gia công: thép C45, K= 2,2mm3/A.phút, dung dịch NaCl, X28 = 80.103 cm, U = 17 V. Từ đồ thị trên, nhận thấy rằng nếu tăng tốc độ tiến điện cực thì có thể giảm sai số hình dáng. Sai số hình dáng có thể hạn chế bằng cách tạo hình điện cực một cách phù hợp. Nếu bọc cách điện ở chung quanh cho đến cạnh của mặt đầu, thì có thể ngăn chặn sự hòa tan ở mặt bên, lỗ sẽ có đường sinh song song. Hình dạng phổ biến như trên hình 4.9, trong đó đường kính ngoài của ống nhựa cách điện phải nhỏ để không cản trở sự lưu thông của dung dịch. Bán kính vê tròn chu vi ngoài của mặt đầu là 0,13 – 0,18 mm. e a (+) b c (-) d 5R 1,7R a: chi tiết. b: dung dịch điện phân. c: điện cực. d: lớp cách điện. e: hướng tiến điện cực. Hình 4.11. Hình dạng lỗ được gia công điện hóa bằng điện cực bọc cách điện mặt bao quanh. Mặt đáy của lỗ không bao giờ bằng phẳng mà có ụ nổi lên, nếu muốn làm nhẵn cần có một bước gia công riêng. Trong trường hợp gia công lỗ có tiết diện thay đổi, thì không dùng điện cực có bọc cách điện. Ở đây khoảng cách điện cực phụ thuộc rất nhiều vào các thông số hình học và các thông số khác, do đó trong thực tế không thể chuẩn bị trước một điện cực được tạo hình theo đúng kích thước và hình dáng của lỗ cần được gia công, mà phải tạo hình điện cực bằng thực nghiệm. Phương pháp này khá tốn kém, nên chỉ trong sản xuất hàng loạt thì mới có hiệu quả kinh tế. Điện cực không mòn, có thể dùng để gia công nhiều lần, độ chính xác của lỗ có thể bảo đảm đạt được 0,02 mm. Muốn đảm bảo độ chính xác kích thước cao, thông thường phải lọc sạch dung dịch điện phân trong quá trình gia công. Chất lượng bề mặt. Độ nhám bề mặt khi gia công bằng điện hóa được hình thành rất tốt, đặc biệt là thép austenit. Với thép cacbon thì bề mặt thô hơn (Rmax = 5 ¸10 mm). Bề mặt sau khi gia công có thể đánh bóng đạt Rmax <1mm với thép không rỉ, chịu nhiệt và chịu mài mòn. Vật liệu sau khi gia công vẫn giữ được tính chất của nó, không có sự thay đổi trong cấu trúc, không có ứng suất dư và biến cứng bề mặt. Khi nâng cao năng suất thì độ nhám và độ chính xác cũng tăng theo. Độ nhám bề mặt phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: Độ hạt của các tinh thể kim loại. Mật độ dòng điện. Khe hở mặt đầu. Thành phần dung dịch điện phân. 4.1.4. Đặc điểm, kỹ thuật an toàn và phạm vi ứng dụng trong gia công điện hóa. Ưu, nhược điểm. · Ưu điểm. Do không phải là một quá trình gia công cơ nên phương pháp gia công điện hóa có một số ưu điểm như: + Có thể gia công trên bất cứ loại máy nào. + Tốc độ hớt kim loại không phụ thuộc vào độ cứng, độ bền và các thuộc tính khác của vật liệu cần gia công. + Vật liệu làm dụng cụ điện cực không cần có độ cứng cao hơn vật liệu của chi tiết gia công. Do không có sự tiếp xúc giữa dụng cụ và chi tiết nên gia công điện hóa có thể gia công các vật liệu mỏng, dễ biến dạng, giòn mà không gây rạn nứt lớp bề mặt. Do hình dạng chi tiết được quyết định bởi hình dạng của điện cực dụng cụ nên có thể gia công chi tiết có hình dạng phức tạp một cách dễ dàng. · Nhược điểm. Đắt tiền và chiếm nhiều diện tích nhà xưởng cho việc gia công. Dung dịch điện phân sẽ ăn mòn các thiết bị khác. Ô nhiễm môi trường là một vấn đề rất quan trọng trong gia công điện hóa do phát sinh chất thải. Dễ phát nổ do sự tích tụ khí hydro. Công nhân phải được bảo hộ một cách khắt khe để tránh bị nhiễm độc. Cần có khu nhà xưởng riêng biệt dành cho gia công điện hóa. An toàn trong gia công điện hóa. Cả trong lý thuyết và thực nghiệm đều cho thấy rằng gia công kim loại bằng phương pháp điện hóa là sự kết hợp của các nhân tố nguy hiểm sau đây: Hiệu ứng của khí độc và khí arosol, sản phẩm của quá trình gia công điện hóa. Tác động hóa học bởi dung dịch điện phân. Nguy hiểm về điện (điện giật). Dễ phát cháy trong trường hợp ngắn mạch giữa hai dây âm, dương. Những nhân tố cơ khí. Mối nguy hiểm về nổ khí. Hiệu ứng trường điện từ. Khí độc và khí arosol phát sinh trong quá trình điện hóa, khi hít vào, có thể là nguyên nhân gây tổn hại mãnh liệt đến các cơ quan nội tạng. Ngoài ra chúng còn làm nhiễm độc và gây ra sự cáu gắt cho công nhân. Để tránh những điều này, cần tuân thủ theo các biện pháp sau: Phải trang bị cho công nhân các thiết bị bảo hộ để không gặp những trường hợp có hại đến sức khỏe. Đặc biệt, máy gia công điện hóa phải được đặt trong phòng riêng và cô lập, có thiết bị phân tích khí hydro được đặt ở nơi thuận lợi nhất để kịp thời báo hiệu khi sự tập trung hydro lên quá cao, dẫn đến việc nổ khí. Thường xuyên kiểm tra thiết bị phân tích khí, hệ thống thông hơi, hệ thống dẫn khí và các khóa liên hợp. Khí độc phải được rút ra ngay từ nơi phát sinh. Khoảng 98% không khí sẽ luân chuyển nhờ hệ thống thông hơi, được hỗ trợ thêm từ các quạt gió. Lắp đặt thiết bị bảo vệ quá tải. Thiết bị này sẽ tự động ngắt dòng điện gia công trong trường hợp xảy ra sự quá tải. Trang bị cho công nhân thiết bị bảo hộ để chống lại hiệu ứng trường điện từ. Chuẩn bị dung dịch điện phân trong một phòng riêng có lắp đặt hệ thống thông hơi. Ngoài ra, gia công điện hóa còn phát sinh ra một lượng lớn chất thải. Qua quá trình nghiên cứu người ta nhận biết được chất thải là sự pha trộn của oxit và hydroxit của vật liệu gia công được tích tụ trong khi hòa tan kim loại Phạm vi ứng dụng. Với các đặc điểm như vậy, gia công điện hóa được ứng dụng trong việc gia công các vật liệu cứng, khó cắt gọt. Ưng dụng rộng rãi của phương pháp này là khoan lỗ sâu (thông hoặc không thông) và khoan lỗ nhỏ (d = 0,05 – 0,3 mm) đạt Ra = 0,03 mm. Ngoài ra phương pháp này còn được ứng dụng để gia công rãnh then, then hoa, các chi tiết định hình không gian phức tạp với độ chính xác cao. Trên hình 4.10 là một số chi tiết gia công bằng phương pháp điện hóa. Hình 4.4 Hình 4.12. Một số chi tiết trước và sau khi gia công điện hóa. Phổ biến nhất là dùng phương pháp này để gia công tạo hình kgông gian phức tạp bằng thép chịu nhiệt, chịu mài mòn và thép không rỉ. Ví dụ đặc trưng là gia công cánh tuabin. b (-) d c a (+) v v e b (-) a: cánh tuabin. b: điện cực gia công. c: vỏ nhựa. d: ống dẫn dung dịch điện phân. Hình 4.13. Gia công cánh tuabin trên máy chuyên dùng điện hóa. Cánh tuabin rèn bằng thép chịu nhiệt, kích thước 292 x 100 mm. Hai điện cực gia công với tốc độ tiến e = 0,18 mm/phút, cùng tiến đồng thời, và việc gia công chỉ mất từ 5 ¸ 10 phút. Trên máy mài thì thao tác này phải mất gần 1 giờ. Một trường hợp đặc biệt là: điện cực gia công là một ống được uốn theo qui định và tiến theo một hướng nhất định, dùng để tạo hình mà không cần làm mòn hết cả khoảng thể tích vật liệu cần lấy đi (hình 4.12). Điện cực là một ống có xẽ rãnh (hình 4.14). m e e: điện cực bằng ống có xẻ rãnh. m: chi tiết. Hình 4.14. Lấy phoi bằng cách xoi thủng. Phương pháp này có thể gia công một cách chính xác những vật quay đối xứng (chi tiết quay hoặc điện cực quay), phương pháp này gọi là tiện mài bóng, rất thích hợp để gia công van hình cầu, các rãnh vành khăn, v.v e a (+) c (-) Hình 4.15. Điện cực ống để xoi thủng. e. tốc độ tiến điện cực. a. vật gia công. c. điện cực ống có xẽ rãnh. Hình 4.16. Một số sản phẩm của gia công điện hóa. Một số sản phẩm được gia công điện hóa: GIA CÔNG ĐIỆN CƠ HÓA. Đánh bóng điện hóa. Nguyên lý gia công. Đánh bóng điện hóa là phương pháp bổ sung cho gia công điện hóa. Nguyên lý hoạt động của phương pháp này giống như gia công điện hóa nhưng điện cực không chuyển động trong quá trình gia công. Mật độ của dòng điện thấp hơn và tốc độ di chuyển của chất điện phân thấp hơn nhiều, tốc độ bóc vật liệu cũng giảm, chất lượng bề mặt cũng tốt hơn. a b c Hình 4.17. Sơ đồ nguyên lý gia công bằng đánh bóng điện hóa. a. Vật gia công (anod). b. Catod. c. Dung dịch điện phân. Trong phương pháp đánh bóng điện hóa chi tiết gia công (anod) và điện cực dụng cụ (catod) được nhúng vào dung dịch một cách độc lập nhau. Khi có dòng điện đi qua thì sự hòa tan anod bắt đầu, dòng điện tập trung ở những điểm nổi nhô lên, còn chỗ lõm là màng mỏng từ dung dịch điện phân tách ra. Bề mặt gồ ghề dần dần được làm mất đi và trở nên nhẵn bóng. Trên hình 4.18 trình bày các cách pha trong quá trình đánh bóng điện hóa. a b c Hình 4.18. Quá trình làm nhẵn bóng trong phương pháp đánh bóng điện hóa. Các thông số công nghệ. Ba thông số ảnh hưởng đến quá trình đánh bóng điện hóa đó là: Mật độ dòng điện trên bề mặt được đánh bóng. Nhiệt độ của dung dịch điện phân ở gần phần chi tiết gia công. Thời gian đánh bóng. 0,8 1,6 2,4 2,8 20 40 60 80 100 120 S (A/cm2) v (mm/ph) 0,16 0,32 0,48 0,56 VD/F (g/dm3.ph) Hình 4.19. Anh hưởng của mật độ dòng điện đối với lượng nguyên liệu lấy đi. Hình 4.19 trình bày ảnh hưởng của mật độ dòng điện đối với lượng nguyên liệu đã lấy đi từ bề mặt được đánh bóng. Có thể nhận thấy rằng khi mật độ dòng điện quá lớn thì đồ thị giảm xuống, như vậy không nên gia công với mức độ dòng điện lớn đến mức đó. Nhiệt độ càng cao thì lượng phoi càng lớn (hình 4.20). 0,8 1,6 2,4 2,8 20 40 60 80 100 120 ToC v (mm/ph) 0,16 0,32 0,48 0,56 VD/F (g/dm3.ph) Hình 4.20. Anh hưởng của nhiệt độ (t) dung dịch điện phân đến tốc độ lấy phoi (v) và công suất lấy phoi trung bình (VD/F). Trên hình 4.21 có thể nhận thấy, để đạt được các độ bóng khác nhau (bóng nhoáng, bóng vừa và bóng đục) thì cần phải gia công với nhiệt độ và mật độ dòng điện trong phạm vi bao nhiêu. 25 50 75 100 S (A/dm2) ToC 25 50 75 100 1 2 3 Hình 4.21. Sự hình thành bề mặt được mài bóng đạt các độ bóng khác nhau, với mật độ dòng điện và nhiệt độ tương ứng với nhau: 1. bóng nhoáng. 2. bóng vừa. 3. bóng đục. Có thể kết luận rằng , độ bóng nhoáng có thể đạt được với độ phoi lớn, có nghĩa là với mật độ dòng điện lớn và nhiệt độ cao. Lượng phoi tăng tỷ lệ thuận với thời gian. 10 20 50 40 30 20 40 60 80 100 120 T (ph) G (g/dm2) 1 2 3 4 1: 100A/dm2. 2: 50A/dm2. 3: 25A/dm2. 4: 5A/dm2. Hình 5.22. Lượng phoi và thời gian đánh bóng. Ngoài các yếu tố trên, còn có những yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến quá trình gia công như: vật liệu của vật cần được đánh bóng, thành phần dung dịch điện phân, điện áp giữa anod và catod. Đặc điểm và phạm vi ứng dụng. · Đặc