Chuyên đề Gia công điện hóa

Gia công điện hoá (ECM): là sự loại bỏ kim loại có điều khiển bằng sự hoà tan anôt trong một hệ thống điện phân ở đó phôi là anôt và dụng cụ là katôt. Chất điện phân được bơm qua khe giữa dụng cụ và phôi, trong khi dòng điện một chiều đi qua hệ thống với điện áp thấp để hoà tan kim loại của phôi. 12.5. GIA CÔNG ĐIỆN HÓA (ECM – Electrochemical Machining) 1. Giới thiệu. Mặc dù gia công điện hoá đôi khi áp dụng cho sản xuất loạt nhỏ, phương pháp này tốt nhất là dùng trong sản xuất loạt lớn vì chi phí dụng cụ, lắp đặt và chi phí thiết bị cao. Một máy công cụ 15000 Ampe để gia công kim loại với tốc độ 25x103mm3/ph có thể có giá 400.000 ÷ 700.000 USD (không bao gồm thiết bị phụ và các vấn đề phụ trợ khác). VD: Nếu sử dụng dung dịch chất điện phân là muối ăn NaCl, vật liệu gia công là sắt nguyên chất (Fe) thì trong quá trình gia công điện hoá sẽ xảy ra các hiện tượng sau. Trong dung dịch chất điện phân có các ion Cl-, ion OH- sẽ chuyển động về Anôt (phôi) và các ion H+, và Na+ sẽ chuyển động về Katôt (dụng cụ). Tại Anốt: Fe mất điện tử trở thành ion Fe++, ion Fe++ và có các phản ứng: Fe+++ 2(OH-) = Fe(OH)2  Fe+++ 2Cl- = FeCl2 Tại Katốt: H+ + e = H H + H = H2 Na+ + H2O = NaOH + H2 Hình 12.5. Sơ đồ nguyên lý - ECM Hình 12.5. Sơ đồ nguyên lý - ECM Sơ đồ hệ thống ECM Tốc độ tách bỏ vật liệu trong ECM được điều khiển bởi định luật Pharaday. Các biến cơ bản tác động đến mật độ dòng điện và tốc độ tách bỏ vật liệu là: 2. Điều khiển quá trình. Điện áp. Tốc độ tiến dao. Tính dẫn điện của chất điện phân. Lưu lượng chất điện phân. Thành phần chất điện phân. Vật liệu phôi. Điện áp: giữa khe hở gia công ảnh hưởng đến dòng điện và tốc độ cắt bỏ vật liệu, nó được điều khiển trong phần lớn các hoạt động ECM, trong gia công điện hoá U  8 20V. Tuy nhiên với một điện áp không đổi, dòng điện cũng phụ thuộc vào trở kháng ở khe hở gia công. Trở kháng khó điều khiển hơn nhiều vì nó phụ thuộc vào tính dẫn điện của chất điện phân và chiều rộng của khe hở. Tốc độ tiến dao : Ở một điện áp không đổi cả khoảng hở mặt bên và mặt trước đều tỷ lệ nghịch với tốc độ ăn dao, ảnh hưởng tác động lên khoảng hở mặt bên khoảng 60%. Khe hở ở mặt trước là hàm của tốc độ tiến dao vì khi katốt tiến gần anốt với tốc độ cao hơn, khe hẹp hơn dẫn đến trở kháng giảm. Khi trở kháng giảm, dòng điện tăng do đó tốc độ gia công tăng đến khi cân bằng được thiết lập. Tốc độ tiến dao giảm, tốc độ gia công giảm khi khe hở tăng vì katốt không gần bề mặt phôi. Khi khe hở tăng, trở kháng tăng và dòng giảm. Tốc độ tiến dao phụ thuộc vào dạng bề mặt gia công. Tốc độ tiến dao khi gia công Inconel 718 (hợp kim NiCrFe độ bền cao) như sau: Tính dẫn điện của chất điện phân: ảnh hưởng đến trở kháng ở khe hở gia công. Việc tăng mức đậm đặc của chất điện phân sẽ làm độ dẫn điện tăng lên, do đó làm giảm trở kháng. Nhiệt độ của chất điện môi tăng cũng làm tăng độ dẫn điện. Vì vậy nồng độ chất điện phân và nhiệt độ của nó cần được kiểm soát. Lưu tốc chất điện phân: là một thông số trong việc điều khiển quá trình ECM. Nhiệt độ của chất điện phân tăng khi chẩy qua khe hở gia công phụ thuộc vào lưu lượng. Thêm vào đó, tốc độ ở đó các bong bóng Hydrô được mang đi do đó ảnh hưởng đến tính dẫn điện. Điều khiển áp lực là một phương pháp điều khiển lưu tốc (đặc biệt khi sử dụng bơm ly tâm). Lưu tốc cũng ảnh hưởng đến mức độ chảy rối của chất điện phân khi nó đi qua khe hở gia công và điều này ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt. Lưu tốc cũng phải đủ lớn để rửa trôi lớp “bùn” sinh ra trong quá trình gia công. Vật liệu phôi: vật liệu phôi cũng ảnh hưởng đến tốc độ tách bỏ vật liệu và mật độ dòng điện. Tốc độ tách bỏ vật liệu lý thuyết với các kim loại khác nhau được liệt kê ở bảng sau. Tốc độ này được suy ra từ định luật Faraday. 3. CHẤT ĐIỆN PHÂN: Chất này có 3 chức năng trong ECM: Truyền dòng điện giữa dụng cụ và phôi. Mang các sản phẩm phản ứng khỏi vùng gia công. Tản nhiệt tạo ra trong quá trình gia công. Chất điện phân phải có tính dẫn điện tốt, ít độc hại và ít ăn mòn, ổn định về tính chất hoá và điện hoá, có tác dụng chống ôxi hoá. Phôi nên được hoà tan ở dạng xệt. Chất điện phân hoạt động tốt hơn khi cấu trúc tinh thể của phôi nhỏ mịn và khi các thành phần của nó có một tốc độ loại bỏ kim loại đều hiệu quả. Chất điện phân dùng trong ECM với vật liệu gia công khác nhau. 3.1. Loại chất điện phân. Dung dịch cloric: là chất điện phân hay dùng nhất. Nó có thể được giữ ở độ mạnh không đổi bằng cách thêm nước vào để duy trì nồng độ của nó và độ dẫn điện của nó không đổi với độ PH thay đổi từ 4 đến 13. Trong gia công ECM phản ứng hoá và điện hoá và sự có mặt của các hydroxit kim loại có tác động giảm sốc, giữ độ PH trong phạm vi trung tính 4 đến 10 mà không cần các phương pháp kiểm soát đặc biệt. Chất điện phân cloric natri cũng có vài nhược điểm. Nó có tính ăn mòn trung bình và tạo ra một lượng lớn chất kết tủa. Một vài kim loại như vonfram và titan nguyên chất không thể gia công trong chất điện phân natri cloric. Chất lượng bề mặt xấu trên bề mặt hợp kim nhôm ở đó có chứa Silic khi dùng loại chất điện phân này (trong ECM). Nitrat natri là loại muối được sử dụng độc lập hay kết hợp với cloric natri trong vài ứng dụng. Nitrat natri cho chất lượng tốt hơn trên hợp kim nhôm và đồng và ăn mòn kém hơn cloric natri, nhưng nó đắt hơn và có xu hướng gây ra tính thụ động trên vài bề mặt làm việc. Phản ứng điện hoá của nó cũng kém hiệu quả hơn cloric natri. Chất điện phân không kết tủa. Các dung dịch kiềm mạnh (NaOH) được dùng trong gia công điện hoá các kim loại nặng (như vonfram & môlipden) và các hợp kim của chúng. Chất này trong chất điện phân cũng cho tính dẫn điện ổn định cần thiết. Tuy nhiên các hợp chất mới như Sodium tunstate (Na2WO42H2) và Sodium molybdate (Na2MoO42H2) hình thành trong quá trình gia công cần phải kiểm soát quá trình. Kiểu gia công ECM này được gọi là kiểu phân tích vì muối kiềm bị phân tích trong quá trình gia công. Các hợp chất mới trong quá trình gia công tan hoàn toàn trong nước và kết tủa không xảy ra. Tuy nhiên các kim loại nặng có xu hướng tách khỏi dung dịch và bám vào katốt. Vì vậy các katốt phải được làm sạch định kỳ vì lớp phủ này ngăn cản quá trình gia công chính xác và điều khiển. Các chất điện phân là axit mạnh (HCl, H2NO3, H2SO4) cũng được dùng trong kiểu gia công tan. Các kim loại bị tách bỏ bằng gia công điện hoá cũng hình thành các chất mới (như niken cloric, niken nitrat, niken sunfat) tuỳ theo chất điện phân. Khí hydro cũng được tạo ra trong quá trình này. Các chất mới này trong các chất điện phân axit phải lấy được ra bằng phương pháp điều chỉnh hay bằng cách thay thế định kỳ bằng axit không sử dụng. Hiện tượng mạ trên katốt xảy ra sớm, bám chặt và liên tục. Thường phải đảo chiều điện áp định kỳ để giữ cho các bề mặt katốt được sạch. Tuy vậy mức tạp chất trong dung dịch tăng liên tục và cần phải điều chỉnh chất điện phân. Chất điện phân kết tủa. Bao gồm các hydroxit hay hydrat oxit của kim loại gia công, nó được tạo ra trong các chất điện phân là các muối thông thường khoảng 6  8 kg chất kết tủa/ 1 kg kim loại sau khi nén lọc. Dung dịch Natri cloric có thành phần 0,2 kg/ L trở lên nhớt hơn ngay khi lượng kết tủa vượt quá 2 % khối lượng. Khi khe hở gia công nhỏ hơn hay lưu tốc chất điện phân lớn hơn cần phải dùng chất điện phân ít nhớt hơn. Chất điện phân thích hợp nên chứa không qúa 2% khối lượng chất kết tủa. Chất điện phân có tới 2% chất kết tủa gần như là dung dịch sạch. Có ít sự khác nhau trong tính dẫn điện, tốc độ tiến dụng cụ gia công, chất lượng bề mặt hay sự chính xác gia công. Dung dịch bẩn có thể đọng nhiều hơn kết tủa trên cạnh của phôi, phụ thuộc chủ yếu vào lưu tốc của chất điện phân. Có một vài nguy hiểm khi chất kết tủa có thể kẹt ở khe hở gia công hay đường chảy của chất điện phân, gây ra ngắn mạch hay cản trở dòng chảy. Đặc biệt vì lý do này cần phải dùng chất điện phân sạch. Lọc: Việc lọc bằng li tâm và lắng chất kết tủa là các biện pháp chung để loại bỏ chất này. Thông thường việc lọc được tiến hành thậm chí với cả hai chất điện phân rẻ nhất (Natri cloric) hơn là loại bỏ và thay chúng. Nồng độ: dung dịch điện phân trong gia công điện hoá thường ở mức trung gian. Tính dẫn điện: của chất điện phân phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ và nhiệt độ của nó. Nó phải được kiểm soát bởi vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến công suất yêu cầu và tốc độ tiến dụng cụ gia công. Độ dẫn điện càng cao, tốc độ tiến dụng cụ gia công càng cao. Lưu tốc: của chất điện phân là quan trọng vì chất điện phân phải giảm nhiệt hợp lý và tạo ra phản ứng hoá học. Lưu lượng có thể liên quan đến dòng điện sử dụng: tỷ lệ lưu lượng trên dòng điện càng lớn, nhiệt càng được giảm và phản ứng tạo ra tốt hơn. Tuy nhiên chi phí cho việc bơm tăng lên và lưu tốc quá lớn có thể gây ra xói mòn cục bộ trên phôi hay dụng cụ gia công. Lưu tốc cũng ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt và độ chính xác gia công. CÁC CHÚ Ý VỀ AN TOÀN. Natri cloric và kali được dùng làm chất điện phân không có các biểu hiện nguy hiểm bất thường. Các muối ôxit khô như Nitrat natri và đặc biệt là Natri clorat dễ có nguy hiểm. Chúng không nên cho tiếp xúc và khô trên các bộ phận hay trên các vật liệu dễ cháy. Các chất kiềm (ướt hay khô) đều nguy hiểm đối với các mô trên cơ thể, do đó phải tránh các dạng mù, hơi và bụi của các chất kiềm. Việc thông gió phải được tiến hành khi dùng và lưu giữ các hoá chất. Găng bảo vệ và mặt nạ bảo vệ cần sử dụng khi lưu giữ, sử dụng phần lớn các hoá chất. Hydro sinh ra ở katốt của ECM phải được hút ở điểm cao nhất của vòm xưởng để tránh nổ. Các chất điện phân được dùng để gia công các hợp kim chứa Crôm và các kim loại nặng khác có thể nguy hiểm với môi trường. Các kim loại này có thể được tái chế hay chuyển đổi hợp lý để loại bỏ các vấn đề môi trường khi thải bỏ chúng. DỤNG CỤ GIA CÔNG (Katốt) Vật liệu dụng cụ: ngoài tính dẫn điện, nhiệt và trơ đối với các chất điện phân nên có độ cứng cần thiết và dễ gia công. Đồng, đồng thau, đồng thanh, thép không gỉ là các vật liệu hay dùng nhất làm dụng cụ ECM. Đồng thau hay đồng thanh thường là lựa chọn tối ưu, ngoại trừ các trường hợp yêu cầu độ cứng cao hơn. Titan đặc biệt có hiệu quả khi trong gia công chất điện phân axit anôt hoá nó (VD : axit sunfuric). Dòng điện khi đó có thể đảo chiều định kỳ để loại bỏ các chất lắng đọng mà không làm ảnh hưởng đến katôt. Thiết kế dụng cụ: thường được tạo hình giống như hình ảnh tương phản của vùng được gia công của chi tiết đã hình thành. Chức năng của dụng cụ là cung cấp một đường đi xác định trước cho dòng điện ECM. Nhà thiết kế phải xác định bản chất và phạm vi của độ lệch yêu cầu và khe hở cho phép từ cấu trúc hình ảnh ngược (khe hở trước thường vào khoảng 0,1  0,8mm và khe hở bên 0,5  1,3mm), trong khi vẫn cho phép lưu tốc dòng chảy chất điện phân đều và hiệu quả ở khe gia công để có một tốc độ tách bỏ vật liệu chấp nhận được. Kiểu dụng cụ. Kiểu chung của thiết kế dụng cụ thay đổi theo các ứng dụng ECM khác nhau.Các thiết kế thông dụng nhất của dụng cụ là kiểu dòng chảy hở, ở đó chất điện phân đi vào khe thông qua một kênh ở tâm của dụng cụ và thoát ra phía xung quanh phía ngoài của dụng cụ. Các dụng cụ dùng trong gia công mặt ngoài có thể là loại chảy ngang trong đó chất điện phân đi vào khe từ một phía của phôi và đi ra ở phía bên kia. CÁC LOẠI DỤNG CỤ DÙNG TRONG ECM CÁC LOẠI DỤNG CỤ DÙNG TRONG ECM Các bề mặt của dụng cụ phải nhẵn mịn. Bất cứ một khuyết tật trên dụng cụ có thể ảnh hưởng đến việc gia công điện hoá và để lại các vết trên bề mặt gia công. Khía, vết xước, lỗ nhỏ, bavia và các đường có thể gây ra các khuyết tật gia công trên sản phẩm. Bất cứ vết nứt nào trên dụng cụ cản trở dòng chảy của chất điện phân có thể gây ra các đường chẩy hay kiểu chảy ảnh hưởng đến sản phẩm. Một số chú ý: Cách điện: là vấn đề quan trọng trong việc điều khiển dòng điện. Dụng cụ có thể được cách điện theo một số cách tuỳ thuộc vào hình dạng của nó. Phôi: phần lớn các vật liệu dẫn điện có thể gia công điện hoá. Cấu trúc tế vi: Cỡ hạt lớn có thể có chất lượng bề mặt thô hơn sơ với hạt nhỏ. Các hạt không tan (VD: grafit trong gang đúc) có thể làm bề mặt thô và gây ảnh hưởng xấu đến gia công . Sự thay đổi trong thành phần như thép hoá cứng, bề mặt có thể gây ra sự khác nhau trong gia công. Sự tập trung của các hợp chất giữa các kim loại tại các biên giới hạt như trong vùng nhạy nhiệt của một vài loại thép không gỉ, có thể gây ra các xâm hại giữa các hạt nghiêm trọng. Độ cứng: ECM có thể dùng để cắt thép đã tôi. Mặc dù tốc độ tách bỏ kim loại không liên quan trực tiếp đến độ cứng của kim loại, nó có thể bị ảnh hưởng bởi sự xử lý nhiệt và các biện pháp tăng cứng khác do sự thay đổi cấu trúc tế vi của vật liệu. Vì sự phụ thuộc của tốc độ tách bỏ vật liệu vào cấu trúc tế vi, điện áp không đổi và tốc độ tiến dụng cụ gia công không thể đảm bảo cho dung sai khắt khe và chất lượng bề mặt cao, vật liệu phôi đồng nhất cũng là yếu tố quan trọng. CLBM và dung sai có thể cũng thay đổi theo độ cứng của vật liệu. Làm sạch: Làm sạch phôi gần như là việc cần thiết sau khi gia công điện hoá. Thép và gang đúc thường được xử lý trong dung dịch kiềm sạch (với nước rửa hay không có nước rửa) hay trong hỗn hợp tách nước, lại có thể để lại một lớp bảo vệ trên phôi. Dung dịch đặc HCl thường được sử dụng trước khi dùng nước rửa. Trong một số ứng dụng có thể phun hạt thuỷ tinh tăng cứng bề mặt hay phun hơi. Hiện tượng giảm tính dẻo dai do hydro của bề mặt sản phẩm xảy ra trong gia công điện hoá, vì hydro được sinh ra ở dụng cụ chứ không phải ở phôi. Tuy nhiên sự xâm nhập của hydro có thể xảy ra khi phôi ở trong dung dịch axit mà không có dòng điện. Phôi nhạy cảm với hydro không nên nhúng trong chất điện phân axit mà không có dòng điện chạy qua và ngay sau khi gia công điện hoá, cần tiến hành xúc rửa cẩn thận. Các chất điện phân trung tính như các dung dịch muối, không có xu hướng gây ra hiện tượng giảm tính dẻo dai. Chất lượng bề mặt: Chất lượng bề mặt của các chi tiết gia công bằng điện hoá thường từ 0,03 ÷ 1,9 m khi cắt theo mặt trước và khoảng 5 m hay lớn hơn ở cạnh bên. Các biến quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt là mật độ dòng điện, tốc độ tiến dụng cụ gia công, kích thước khe hở gia công, thành phần chất điện phân, độ nhớt, nhiệt độ, dòng chảy (lưu lượng) và cấu trúc tế vi của phôi. Độ chính xác: Dung sai kích thước thông thường của ECM là  0,13 mm ở khe gia công trước và 0,25 mm ở khe hở bên. Tuy nhiên, có khả năng điều khiển để đạt được  0,025 mm. Khó có thể gia công bán kính trong nhỏ hơn 0,8 mm, bán kính ngoài có thể là 0,5 mm hay lớn hơn. Cắt quá, côn và bán kính góc phụ thuộc vào cấu trúc của katốt, mức cắt quá là 0,5 mm và bán kính góc là 2,5 mm. Đường biên của bán kính trong có thể gia công xấp xỉ bằng cách thêm một ít khe hở cạnh vào bán kính của katốt. a - đường biên đáy của một lỗ sâu. b - đuôi máy bay được gia công trực tiếp bằng đĩa nén. c – gia công tinh lỗ côn trong đầu phun nhiên liệu. Các ứng dụng ECM d) Gia c«ng thµnh máng vËt ®óc cã vÊu låi. e) Gia c«ng theo ®­êng biªn c¸c bÒ mÆt c¸nh tuèc bin. f) C¾t c¸c lç trong mét ®Üa van. g) C¾t c¸c r·nh xo¾n èc trong mét ®Üa ma s¸t. h) C¾t c¸c nhiÒu hèc nhá trªn inconel 718. Các ứng dụng ECM