Nekonvenční metody obrábění

2 Elektrochemické obrábění

Elektrochemické obrábění je metoda beztřískového (bezsilového) řízeného obrábění elektricky vodivých materiálů. Využívá poznatků o působení elektrického proudu na elektrolyt, podstatou metody je fyzikální jev zvaný eletrolýza. Hlavní zákonitosti elektrochemického obrábění jsou dány Faradayovými zákony, teorií elektrolytů a termodynamikou galvanických článků. Pozor, obrábět lze pouze vodivé materiály!

2.1 Princip metody

Obrobek (anoda) je ponořen do elektrolytu (obr. 2.1) a dochází na něm k reakci, při níž se kationty elektrolytu slučují s anionty kovu na povrchu anody a postupně rozrušují (ubírají) kov z anody. Anoda kopíruje tvar katody (nástrojové elektrody). Měrný úběr materiálu závisí na minimální pracovní mezeře mezi elektrodami, jejím udržení na stále stejné velikosti (cca 0,05 až 1 mm), na teplotě, rychlosti proudění a složení elektrolytu. Jako elektrolyt se používá NaCl, NaNO₃, NaClO₃, HCl, H₂₄ a NaOH (tab. 2.1). Mezi materiály, které jsou elektrochemickým obráběním špatně obrobitelné, patří šedá litina (téměř neobrobitelná), slitiny s velkým obsahem uhlíku a duraly obsahující křemík.

Princip elektrochemického obrábění se využívá u různých technologií obrábění:

• obrábění s nuceným odstraňováním produktů vzniklých chemickými reakcemi:
  • obrábění proudícím elektrolytem:
    • hloubení tvarů a dutin zápustek a forem;
    • hloubení otvorů malých průměrů;
    • odstraňování otřepů;
    • dělení materiálů;
  • s mechanickým odstraňováním (někdy označované jako anodomechanické obrábění):
    • broušení;
    • lapování;
    • honování;
• povrchové obrábění bez odstraňování produktů vzniklých chemickými reakcemi:
  • leštění;
  • povrchové značení.

2.2 Hloubení tvarů a dutin

Elektrochemické obrábění proudícím elektrolytem se používá při hloubení dutin forem a zápustek (obr. 2.2), tvarových otvorů a obrábění vnějších tvarových ploch (obr. 2.3). Nástrojová elektroda (katoda) má negativní tvar vyráběného povrchu a je „vtlačována“ do obráběného materiálu přísuvovou rychlostí 0,5 až 10 mm.min^-1. Velikost přísuvové rychlosti závisí na:

• pracovním proudu;
• velikosti a tvaru obráběné plochy;
• rychlosti rozpouštění anody;
• přípustné výši teploty elektrolytu.

Přívod elektrolytu mezi obrobek a nástroj (elektrodu) musí být plynulý, elektrolyt musí rovnoměrně vyplňovat celou pracovní mezeru.Přívod elektrolytu mezi obrobek a nástroj (elektrodu) musí být plynulý, elektrolyt musí rovnoměrně vyplňovat celou pracovní mezeru.

Výpočet tvaru nástroje je uveden ve specializovaných publikacích. Vždy je však nutno vypočítaný tvar experimentálně ověřit. Chceme-li dosáhnout přesný tvar obráběné plochy, je nutné provést korekci tvaru nástroje, případně na místa, kde by došlo k nežádoucímu úběru materiálu, nanést na boky nástroje izolační vrstvu (používá se vhodná pryskyřice). Nástroje se vyrábějí z mosazi, mědi, korozivzdorné oceli, grafitu a kompozice (složené z grafitu a mědi).

Přesnost tvaru obrobené plochy závisí na pracovním napětí, přísuvové rychlosti, úběru materiálu, teplotě a viskozitě elektrolytu a na velikosti pracovní mezery. Dosahované parametry:

• přesnost jednoduchých tvarů: ±0,01 mm;
• přesnost složitých tvarů: ±0,05 až 0,2 mm;přesnost složitých tvarů: ±0,05 až 0,2 mm;
• jakost obrobeného povrchu: Ra = 0,2 až 2μm.

V těžkoobrobitelných materiálech lze díry o průměru menším než jeden milimetr vyrobit následujícími metodami elektrochemického obrábění:

• elektrolytické vrtání tvarovou trubkou (STEM = Shaped Tube Electrolytic Machining);
• jemné elektrolytické vrtání (ECF = Electro-chemical Fine drilling);
• elektrolytické vrtání proudem elektrolytu (ESD = Electro-stream-drilling).

2.4 Odstraňování otřepů

Existují tři základní metody odstraňování otřepů (obr. 2.4):

• tvarovou elektrodou (obr. 2.4a) – používá se zejména pro odstraňování malých (asi 1 mm vysokých) otřepů v průchozích dírách a v jejich průnicích. Tvar elektrody se volí podle tvaru díry. Pečlivě je nutné volit velikost pracovní mezery;
• segmentovou elektrodou (obr. 2.4b) – je vhodná pro odstraňování otřepů u rotačních součástí, jako jsou ozubená kola, vnitřní a vnější zápichy apod. Výkon obrábění je závislý na správné konstrukci elektrody (nástroje);
• v lázni – určeno zejména pro malé otřepy. Obr. 2.4c ukazuje princip odstraňování otřepů u kroužků, zavěšených na kruhovém dopravníku.

2.5 Dělení materiálů

Základní používané metody:

• otáčejícím se kotoučem;
• řezání drátovou elektrodou (obr. 2.5a) – je vhodné pro vyřezávání složitých tvarů v materiálu do tloušťky 20 mm;
• řezání štěrbinovým nástrojem (obr. 2.5b) – metodu lze realizovat na univerzálních elektrochemických strojích. Pro návrh nástroje platí stejná pravidla jako u nástrojů pro hloubení dutin.

Do této kategorie se řadí elektrochemické broušení, lapování a honování. Vzniklé produkty anodického rozpouštění kovu se odstraňují z obráběného povrchu mechanickou cestou.

2.6.1 Elektrochemické broušení

Při elektrochemickém broušení je obráběný materiál odebírán z 85 až 90 % anodickým rozpouštěním a z 10 až 15 % mechanickým účinkem zrn brousicího kotouče, který odstraňuje z místa obrábění vzniklé produkty. Pracovní mezera je určována velikostí brousicích zrn. Jako nástroje se používají elektricky vodivé brousicí kotouče (obr. 2.6), např. se zrny diamantu uloženými v kovové (nikl, bronz) vazbě. Výhodou této metody je obrábění bez silových a tepelných účinků, bez otřepů a malé opotřebení brousicího kotouče.

Dosahované parametry:

• rychlost úběru materiálu: až 1,5 mm³.min^-1;
• jakost opracovaného povrchu: Ra = 0,012 až 0,25μm.

Pro elektrochemické lapování se používají ocelové nebo litinové kotouče. Do pracovního místa se spolu s elektrolytem přivádějí také volná brousicí zrna. Dosahované parametry:

• jakost opracovaného povrchu: Ra = 0,2 až 0,5 μm;
• přesnost rozměrů: ±0,05 mm.

elektrochemického honování je kinematika obrábění stejná jako u honování klasického. Honovací hlava má nevodivé lišty a je připojena na záporný pól stejnosměrného napětí, obráběná součást je od rámu stroje odizolována a připojena na kladný pól. Honovací lišty jsou vyráběny ze zrn SiC, Al₂₃ nebo diamantu uložených v kovové vazbě. Na výsledek práce má velký vliv velikost a stabilita pracovní mezery, dokonalost a úplnost rozptýlení elektrolytu v pracovní mezeře. Jako elektrolyt se používají vodní roztoky NaNO₃ nebo NaNO₂ + Na₂₃ v 15% koncentraci. Elektrochemické honování až 6krát zvyšuje produktivitu práce oproti klasickému honování. Dosahují se stejné parametry jako u klasického honování.

2.7 Leštění

Základem elektrochemického leštění je anodické rozpouštění výstupků a nerovností povrchu materiálu v elektrolytu při průchodu stejnosměrného proudu. Nástroj (katoda) se většinou vyrábí z olova (nerozpustného v elektrolytu) a musí mít větší plochu, než má obrobek. Podle materiálu obrobku a požadované jakosti obrobené plochy se používají elektrolyty: HCl, H₃₄ nebo H₂₄

Elektrochemické leštění se uplatňuje zejména při dokončovacím obrábění vnitřků nádob (cisteren) užívaných v potravinářském průmyslu, které jsou vyrobeny z korozivzdorné oceli (mají průměr 1 až 5 m a délku až 20 m), a k obrábění fólií a tenkostěnných trubek načisto. Dosahované parametry:

• rychlost úběru materiálu: 0,5 až 0,8 mm³.min^-1;
• jakost obrobeného povrchu: 40 až 50 % Ra původního povrchu, lze dosáhnout též Ra < 1 µm.

Značení kovových materiálů je v podstatě lokálně usměrněné anodické rozpouštění povrchu materiálu obrobku, který se nachází v těsné blízkosti nástrojové elektrody ponořené do elektrolytu. Vytvořená značka je reprodukcí obrazu činné části nástrojové elektrody, šablony nebo otisku nosiče pracovní kapaliny. Hloubka vytvořeného znaku je 0,003 mm.

Nástrojová elektroda je vyrobena z kovu, šablony se vyrábějí z plastů o tloušťce 0,1 až 3 mm. Jako nosič pracovní kapaliny se používá cigaretový papír. Značení lze provádět na čistý povrch o jakosti opracování Ra < 12,5 m. Proces značení je bezsilový a bez působení tepla. Pozor, značit lze pouze elektricky vodivé materiály!

2.9 Kombinované metody elektrochemického, elektroerozivního a mechanického úběru

Nejvíce průmyslově používaná metoda je anodomechanické dělení materiálů (obr. 2.7). K úběru materiálu dochází převážně výboji elektrického oblouku, v menší míře výboji elektrickou jiskrou a anodickým rozpouštěním kovů. Otáčející se nástroj je přitlačován malou silou na obrobek. Pracovní mezeru vytváří pasivační vrstva, která vzniká elektrolytickým rozkladem pracovní kapaliny (vodní sklo).

Dosahované úběry materiálu:

• ocel: až 6000 mm³.min^-1;
• slinutý karbid: až 2000 mm³.min^-1.

Chemické obrábění se používá pro leptání a termické odstraňování otřepů. Leptání je řízený úběr materiálu s využitím chemických reakcí vznikajících mezi materiálem obrobku a chemickou látkou (tj. nástrojem). Při termickém odstraňování otřepů se využívá tepelný účinek chemických reakcí dvou látek, které obě tvoří nástroj.

Poznámka: Pro opracování křemíku byly vyvinuty speciální metody leptání, využívající fyzikálně-chemické zákonitosti. Jedná se o anizotropické a selektivní leptání. Pro jejich specifické použití je zde neuvádíme.

3.1 Leptání

Chemické obrábění – leptání – je řízený úběr vrstvy materiálu z povrchu obrobku chemickou reakcí vznikající mezi materiálem obrobku a nástrojem, který tvoří chemická látka, nejčastěji kyselina nebo hydroxid (obr. 3.1). Místa, která nemají být obrobena, se zakrývají maskou. Jako maska se používají speciální laky a pryskyřice, nanášené v několika vrstvách do tloušťky 0,15 až 2 mm. Leptání se používá pro tyto materiály: hliník a jeho slitiny, konstrukční uhlíkové ocele, korozivzdorné ocele, měď, mosaz a titan.

Pracovní parametry:

• rychlost obrábění (leptání): 0,01 až 0,4 mm.min^-1;
• maximální hloubka odebírané vrstvy je až 10 mm. Závisí na odolnosti masky proti jejímu narušení chemickou látkou použitou pro leptání. Materiály používané na vytváření masky umožňují maximální dobu leptání 8 až 10 hodin;
• v praxi se většinou odebírá vrstva několik setin milimetru až několika milimetrů;
• leptáním nelze vytvořit ostré hrany, přechod mezi dnem a stěnou leptané dutiny je vždy zaoblen poloměrem r = h;
• doba leptání nezávisí na celkové ploše obrábění;
• obrobek je nutné vkládat do leptací lázně pod úhlem 45°.

Oblasti použití:

• výroba mělkých (několik setin milimetru hlubokých), tvarově složitých reliéfů (např. do tzv. klišé pro tampoprint) apod.;
• úběr velkých ploch do malých tlouštěk a složitých tvarů (nosníky v leteckých konstrukcích, potahy křídel z hliníku apod.),
• obrábění tenkostěnných součástí (obrábění je bezsilové, a tudíž nedochází k deformaci obrobku);
• obrábění tvarově složitých a málo tuhých součástí, které lze obtížně upínat, aniž by došlo k jejich deformaci řeznými nebo upínacími silami;
• výroba děr do tenkostěnných trubek a fólií.

Obrábění je založeno na chemicko-tepelném procesu, probíhajícím mezi dvěma látkami, které tvoří nástroj. Obrobky jsou uloženy v uzavřené pracovní komoře, ve které se elektrickou jiskrou zapaluje směs vodíku a kyslíku (nástroj). Při vzniklé chemické reakci dosáhne teplota v pracovní komoře až 3500 °C. Otřepy na hranách shoří za velmi krátkou dobu. Po odstranění otřepů je nutné součásti vyprat v ultrazvukových pračkách. Intenzita odstranění otřepů je dána zejména směšovacím poměrem vodíku a kyslíku. Používá se poměr 2 : 1. Pro termické odstraňování otřepů se používají speciální stroje, vybavené protihlukovou komorou.

Výhody termického odstraňování otřepů:

• použitelné pro libovolný tvar dostatečně hmotných obrobků (nemá dojít k ohřátí obrobku nad 100 °C );
• použitelné též pro odstraňování otřepů v dutinách;
• lze odstraňovat otřepy u kovových materiálů i u plastů;
• velká operativnost metody (rychlé přestavení stroje na jiný druh obrobku).

• teplota působí na celý povrch obrobku;
• součásti, vkládané do pracovní komory, musí být suché a odmaštěné;
• při práci je bezpodmínečně nutné dodržovat velmi přísné bezpečnostní předpisy.

Ing. Zuzana Kerečaninová, Ph.D.

ČVUT, VCSVTT

www.rcmt.cvut.cz

j.rasa@rcmt.cvut.cz

z.Kerecaninovarcmt.cvut.cz