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