Электрохимические процессы

Из электрохимических процессов в самолетостроении находят при­менение анодно-механический и анодно-гидравлический.

Анодно-механический метод

Анодно-механический метод направленного разрушения металла за­ключается в совместном электрохимическом и термическом действии тока напряжением 10—30 в, протекающего между электродами 1 и 3 (рис. 61), которые находятся в среде 2 водного раствора жидкого стекла, в сочетании с механическим воздействием электрода-инструмен­та на обрабатываемую поверхность. При протекании тока через элек­тролит на поверхности заготовки образуется окисная пленка, обладаю­щая большим электрическим сопротивлением. Непрерывно перемещаю­щийся инструмент (диск, бесконечная лента) разрушает и удаляет плен­ку с неровностей обрабатываемой поверхности. Процесс снятия пленки сочетается с непрерывным ее ростом. В местах, где пленка тоньше или совсем разрушена, под действием тока резко возрастает температура, металл расплавляется и выбрасывается быстро перемещающимся ин­струментом.

а) б)

Рис. 61. Схемы анодно-механической обработки:

а—вращающимся инструментом; б—вибрирующим инструментом

При удельном давлении 0, 5—1, 0 кГ/см2(49 000—98 100 н/м2)ин­струмента на полуфабрикат и плотности тока 1—6 А/см2(10—60 кА/м2)металл снимается в основном за счет механического удаления продук­тов электрохимического окисления. В этом случае интенсивность съема металла небольшая, но поверхность получается высокой чистоты ( 6— 8). С увеличением плотности тока и давления инструмента на заготов­ку растет производительность, но снижается чистота обрабатываемой поверхности, так как металл в зоне обработки разрушается преимущест­венно вследствие расплавления.

Анодно-механическую обработку плоских поверхностей и поверхно­стей вращения выполняют вращающимся электродом-инструментом (см. рис. 61, а), часто помещая заготовку с инструментом в ванну с элек­тролитом вместо подачи электролита через сопло. При обработке фа­сонных поверхностей инструменту сообщают вибрирующие движения в вертикальном направлении (см. рис. 61, б).Электролит подается через сопло или полый инструмент.

Анодно-механическую резку полуфабрикатов производят при сле­дующих режимах: напряжение 20—30 в, сила тока 20—600 а, плотность тока 7—500 а/см2 (0, 07—5 Ма/м2), ско­рость перемещения инструмента 10— 25 м/сек при его удельном давлении на заготовку 0, 5—2, 0 кГ/см2 (49, 0— 196, 0 кН/м2). Интенсивность съема ме­талла на указанных режимах 2— 10 см3/мин, а чистота поверхности 2— 4.

В качестве инструмента на отрез­ном станке 4820 применен диск из малоуглеродистой стали диаметром 280—350 мм и толщиной 0, 8—2 мм, а на ленточных разрезных станках 4822 и 4823 — бесконечная стальная лента толщиной 0, 8—1, 2 мм и шириной 30—40 мм. Станки Челябинского стан­костроительного завода 4820, 4822 и 4823 позволяют разрезать на заго­товки полуфабрикаты с наибольшими размерами сечения соответственно 75X75, 300X600 и 600 X 600 мм.

Анодно-механическую резку экономически целесообразно применять для высокопрочных токопроводящих материалов. Например, при анодно-механической резке жаропрочных и нержавеющих сталей производи­тельность в 2—3 раза выше, чем при разделении их на заготовки и де­тали обработкой резанием. Для материалов небольшой прочности она целесообразна, когда затруднительна обработка резанием: вырезка заго­товок и деталей из тонкостенных полуфабрикатов, не допускающих при­ложения значительных усилий, выполнение узких прорезей и т. п.

К недостаткам анодно-механической обработки следует отнести не­которое воздействие электролита на поверхности заготовок и деталей и вредность выделяемых испарений. Это вызывает необходимость после­дующей нейтрализации деталей в содовом растворе и снабжения анодно-механических станков индивидуальным отсосом.

Анодно-гидравлический метод

Анодно-гидравлический метод размерной обработки (рис. 62) ос­нован на анодном растворении металлов в результате электролиза при малом напряжении (12 в) и большой силе тока. Продукты растворения удаляются из зоны обработки электролитом, который под давлением прокачивается через межэлектродный зазор. Электролитом также отво­дится тепло, выделяющееся при электролизе. Износ электрода-инстру­мента отсутствует. Межэлектродный зазор (0, 1—0, 5 мм) в направлении перемещения инструмента в процессе обработки поддерживается по­стоянным с помощью следящей системы.

Анодно-гидравлический метод обеспечивает высокое качество обра­ботанной поверхности и скорость удаления металла, являющуюся функ­цией плотности тока, до 0, 5 мм/мин. Введение сжатого газа (например, углекислого) в электролит улучшает чистоту поверхности (до 7 — 8), точность и стабильность обработки (предотвращает искрообразование).

В качестве электролита для обработки стали, никеля и жаропроч­ных сплавов на его основе используют 20%-ный раствор NaCl.

Анодно-гидравлическая обработка позволяет получать фасонные по­верхности высокого качества из высокопрочных металлов.

Электрополирование

Электрополирование состоит также в анодном растворении металла заготовки, помещенной в электролитную ванну. Образующаяся при этом на поверхности заготовки вязкая пленка солей защищает от действия тока микровпадины, не препятствуя растворению гребешков, в результа­те чего поверхность сглаживается.

Чистота поверхности после электрополирования зависит от чистоты ее до полирования. Для получения чистоты поверхности 7—8-го класса необходимо, чтобы до полирования она имела чистоту не ниже 4-го класса.

Электрополирование — высокопроизводительный и технологически простой процесс — заменяет трудоемкое и тяжелое ручное полирование, но недостаточно освоен. На протекание процесса и его результаты оказы­вают большое влияние химический состав сплава, его структура и мно­гие другие факторы.

Акустические процессы

Ультразвуковой метод обработки применяется для изготовления де­талей из любых твердых и хрупких материалов — бронестекла, керамики, твердых сплавов и др. Этот метод обработки (рис. 63) основан на выкрашивании твердых и хрупких материалов при импульсном вдавлива­нии в них абразива. Абразивные частицы выдалбливают в материале углубление по форме сечения торца, колеблющегося с амплитудой 0, 02—0, 06 мм и большим ускорением инструмента. Кроме колебатель­ного движения, инструмент получает поступательную подачу с неболь­шим нажимом — 2—5 кГ/см2(0, 19—0, 49 Мн/м2)—на обрабатываемый материал. Точность обработки 0, 01—0, 02 мм, чистота поверхности 79.

Рис. 63. Схема ультразвуковой обработки:

1—заготовка; 2—инструмент; 3— концентратор; 4—магнито-стрикционный пакет; 5—кольцо для разбрызгивания воды; 6— генератор ультразвуковых колебаний; 7—центробежный насос

Вибратор акустической головки, выполненный из магнитострикционного материала (никель, кобальт, железо и др.), изменяя под действием переменного магнитного потока свои размеры, колеблется с ультразву­ковой частотой 18—25 кгц.Электрическая энергия высокочастотного генератора преобразуется в зоне обработки в акустическую. Обработка ведется в среде 30—40%-ной водной суспензии абразива (карбиды бора, кремния или корунда). Бурная кавитация жидкости, вызываемая коле­баниями вибратора, усиливает циркуляцию суспензии в зоне обработки.

Рис. 64. Кинематические схемы ультразвуковой обра­ботки:

а—при неподвижной заготовке; б—при продольном перемещении заготовки; в—при вращении и продольном перемещении заготовки

Заготовки и детали из твердых и хрупких материалов можно выре­зать на универсальных станках для ультразвуковой обработки моделей 4770 и 4772 с выходной мощностью генераторов соответственно 0, 25 и 1, 5 кет.

Наиболее широко ультразвуковую обработку используют для полу­чения сквозных и глухих полостей различной формы в сечении и глуби­ной до 25—40 мм (рис. 64, а), что объясняется предельно простой ки­нематикой. Однако ее применяют и для обработки длинных пазов, на­ружных цилиндрических и фасонных поверхностей, наружных и внут­ренних резьб с использованием более сложной кинематики (рис, 64, б, в), а для электропроводных материалов — в комбинации с анод­ным растворением.

Кроме этого, ультразвуковая обработка играет большую роль как интенсификатор многих процессов: резания труднообрабатываемых ма­териалов, сварки, пайки быстро окисляющихся металлов, очистки поверх­ностей от загрязнений и т. п.

Лучевые процессы

При лучевых методах обработки возможна концентрация светово­го, электронного или ионного луча с высокой плотностью энергии на очень малой площади. Это открывает широкие перспективы в примене­нии лучевых методов для обработки самых тугоплавких материалов. Ма­териал из зоны обработки удаляется испарением его в результате преоб­разования лучевой энергии в тепло непосредственно в зоне обработки.

Химические проЦессы

Размерное травление, применяемое для всех используемых в про­мышленности металлов и сплавов, заключается в удалении металла пу­тем растворения его в травящих средах.

При сквозном травлении на поверхность листового полуфабриката, покрытого с двух сторон защитным слоем (как правило, химически стой­кими лакокрасочными покрытиями), наносят по трафарету или шабло­ну контур заготовки (детали), прорезая защитный слой режущим ин­струментом. По прорезанным линиям в дальнейшем растворяется ме­талл. После вытравливания металла по контуру раскроя заготовки де­тали не выпадают в ванну, а удерживаются слоем защитного покрытия, нанесенного с обратной стороны полуфабриката.

Глубина избирательного травления при использовании освоенных промышленностью защитных покрытий до 5—6 мм для алюминиевых сплавов, малолегированных конструкционных и углеродистых сталей (30ХГСА и др.), титановых сплавов, до 1, 5 мм — для магниевых спла­вов и до 0, 7 мм — для нержавеющих сталей типа Х18Н9Т.

Растворителем при размерном травлении алюминиевых сплавов Д16 и В95 является подогретый до 70—90°С водный раствор едкого нат­ра (NaOH) 12—17%-ной концентрации, а для остальных металлов — водные растворы различных кислот или их смесей.

Замедленность протекания процесса размерного травления (0, 3— 2, 4 мм/час) в некоторой степени компенсируется возможностью одновре­менного изготовления большой группы деталей (заготовок) без исполь­зования сложного оборудования, оснастки и инструментов.

При общем травлении металл удаляется со всей поверхности заго­товки, погруженной в раствор. Извлекая с определенной скоростью за­готовку из ванны, получают детали переменного (клиновидного) или ступенчатого сечения.

При местном избирательном травлении поверхности, не подлежа­щие травлению, покрывают химически стойкими лакокрасочными покры­тиями. Металл удаляется с незащищенных поверхностей заготовки. В этом случае технологический процесс изготовления детали состоит из следующих операций:

1) обезжиривание заготовки;

2) покрытие заготовки липкой бумагой;

3) разметка по трафарету контуров вырезов;

4) прорезка бумаги по разметке и удаление ее с участков, не под­лежащих травлению;

5) нанесение защитного покрытия на места, свободные от бумаги, с его просушкой;

6) снятие бумаги с мест, подлежащих травлению;

7) размерное травление;

8) промывка и осветление деталей;

9) снятие защитного покрытия с предварительным погружением детали в бензин Б-70 на 15—20 мин.

Глубину травления проверяют по образцам, загружаемым в ванну вместе с заготовкой, которые периодически извлекаются из ванны и из­меряются.

Механические свойства металлов после размерного травления прак­тически не изменяются, эквидистантность выдерживается до 0, 01 мм, чи­стота поверхности снижается на 1—2 класса. Риски и забоины травле­нием не устраняются, а лишь сглаживаются, получая форму углубле­ний с плавными переходами.

Величина бокового подтравливания а (рис. 65) зависит от глуби­ны травления Hi и адгезии защитного покрытия. При горизонтальном расположении заготовки в ванне и высокой адгезии защитного покрытия боковое подтравливание будет минимальным и равным глубине травле­ния. При вертикальном расположении заготовки в ванне и низкой адге­зии защитного покрытия боковое подтравливание достигает 6/г.

Для размещения захватов или отверстий для подвески заготовок из листовых материалов на них предусматривают припуски > 207z, а на слу­чай подтравливания заготовок с торцов > 8А.

Изготовление деталей изгибом и местным травлением возможно в двух вариантах:

а) заготовку травят, а затем изгибают по местам, не подвергавшимся травлению;

б) заготовку (с нанесенным защитным покрытием) изгибают, а затем подвергают травлению. Для предохранения защитного покрытия от разрушения при изгибе его обклеивают фольгой или крафт-бумагой.

Детали пространственной формы из ли­стового материала подвергают травлению обычно после формообразования.

К преимуществам размерного травле­ния по сравнению с механической обработ­кой относятся возможность обработки ли­стовых заготовок одновременно с двух сто­рон, получения поверхностей сложной кон­фигурации из труднообрабатываемых материалов и одновременной об­работки большого количества заготовок. При этом возможно применение простого и дешевого оборудования.

Недостатками размерного травления являются: большая длитель­ность процесса, невозможность устранения дефектов поверхности и ухуд­шение исходной чистоты поверхности.

Термические процессы

Сущность термических процессов разделения полуфабриката или удаления излишнего материала состоит в нагревании металла заготовки, плавлении или превращении его в окислы и удалении этих продуктов газовой струей. В самолетостроении находят применение газопламенная (кислородно-ацетиленовая) и плазменная обработка.

Газопламенная обработка

Кислородно-ацетиленовую обработку применяют для вы­резки фигурных заготовок из листов и плит малоуглеродистой и низко­легированной стали толщиной от 5 до 100 мм. Производительность резки весьма высокая. Например, малоуглеродистую сталь толщиной 5—15 мм можно резать со скоростью 1, 8—1, 2 м/мин. Стоимость вырезки фигур­ных заготовок из стали в 10—20 раз ниже стоимости фрезерования.

Кислородно-ацетиленовую резку по шаблонам заготовок из стали толщиной от 5 до 100 мм производят на машинах шарнирного типа АСШ-2. Наибольшие размеры вырезаемых заготовок 750x1500 мм. Чи­стота реза приближается к чистоте механической обработки. Погреш­ность копирования не превышает 0, 3—0, 5 мм.

Кислородно-флюсовую обработку применяют для вырезки заготовок из хромистых и хромоникелевых жаропрочных и нержавеющих сталей, цветных металлов и сплавов. Флюсом служит железный порошок с частицами 0, 13—0, 2 мм, который непрерывно подается в струю режу­щего кислорода. При сгорании флюса выделяется дополнительное коли­чество тепла, повышающее температуру в месте реза, благодаря чему об­разующиеся окислы не затвердевают. Продукты сгорания флюса пере­ходят в шлак, понижая температуру его плавления.

Пакеты листов из титановых сплавов и нержавеющих сталей разре­заются с верхним накладным листом из малоуглеродистой стали толщи­ной 1, 5—3, 0 мм, предохраняющим кромки верхних листов от оплавления и чрезмерного нагревания. Пакетная резка листов должна производить­ся в специальном зажимном приспособлении, когда листы плотно приле­гают друг к другу, и устраняется возможность свободной деформации заготовки и ее провисания. Заготовки после вырезки правятся для устра­нения коробления. Под механическую обработку следует предусматри­вать припуск 3—5 мм.

При кислородно-флюсовой резке нержавеющей стали Х18Н9Т шири­на реза 8—10 мм, а скорость резки пакета толщиной 12—50 мм соответ­ственно 260—90 мм/мин.

Газопламенную обработку применяют также для замены обдироч­ных работ на металлорежущих станках, так как она позволяет снимать значительный слой металла на станках обычной жесткости. Для этого вместо резца на поперечный суппорт устанавливают резак, используя его иногда в комбинации с обтачиванием или шлифованием для получения поверхностей с чистотой 4.

Плазменная обработка

Рис. 66 Схема плазменной обработки:

а—разделение полуфабриката (1—полуфабрикат, 2—сжатая дуга, 3— подача воды для охлаждения наконечника горелки, 4—корпус горелки, 5—подача аргона, 6—вольфрамовый электрод, 7—подача водорода); б— удаление материала с поверхности вращающейся заготовки с после­дующим обтачиванием или шлифованием (1—заготовка, 2—резец, 3— абразивный круг, 4—плазменная горелка, 5—ванна с водой)

На рис. 66, а показана схема плазменной горелки. Между воль­фрамовым электродом и обрабатываемым полуфабрикатом возбуждает­ся сжатая дуга, сосредоточиваемая на небольшом участке полуфабри­ката. Теплом дуги и газов, выходящих через суженное сопло и нагревае­мых той же дугой, плавится металл. Расплавленный металл удаляется факелом пламени и струей газов.

На установках для плазменной обработки УДР-58 можно произво­дить как ручную, так и механизированную резку цветных металлов и нержавеющих сталей толщиной до 40 мм.

Замена газовой резки сталей и алюминиевых сплавов (АМц, АМгб, АД1) плазменно-дуговой с использованием в качестве плазмообразую-щих газов аргоно-аммиачной смеси или воздуха и водяных паров сни­жает глубину расплавленной зоны кромок, тепловые деформации (в 2— 4 раза), значительно улучшает качество поверхности реза и увеличивает скорость резки.

При оснащении газорежущих машин и установок для плазменной резки фотоэлектронной системой управления при скорости резки до 2600 мм/мин с выполненного в масштабе чертежа достигается точность копирования ± 1 мм. Хорошие результаты получаются также на газоре­жущих машинах с числовым программным управлением.

При помощи плазмы можно снимать большой слой самого твердого металла за один проход на станках обычной жесткости.

Высокая температура струи плазмы и способность плавить цветные металлы и нержавеющие стали без применения флюсов дает этому про­цессу очевидные преимущества перед газоплазменной обработкой.

В некоторых случаях плазменная обработка может быть финишной. Глубина зоны термического влияния (0, 38—0, 5 мм) значительно мень­ше, чем при газопламенной обработке.

В настоящее время для обработки применяют два типа плазменных горелок — с зависимой (переносной) и с независимой (непереносной) дугой. При использовании горелки с зависимой дугой обрабатываемая заготовка служит анодом. Горелки с независимой дугой (дуга возникает внутри сопла) более удобны для металлорежущих станков, однако эф­фективность их меньше.

Использование струи плазмы сильно ускоряет процесс удаления из­лишнего материала. Например, при глубине резания 9, 5 мм и скорости перемещения 254 мм/мин плазменной струей можно удалить 65, 6 см3 стали в минуту. Этого нельзя достигнуть резанием на обычных (легких) станках.

Плазменную обработку тел вращения часто применяют с одновремен­ной обработкой поверхности резцом с очень узкой режущей кромкой или шлифовальным кругом (рис. 66, б). Это позволяет выполнять од­новременно и черновую и чистовую обработку крупногабаритных загото­вок из металлов, трудно поддающихся резанию.

Таким образом, механические процессы, которые по-прежнему оста­ются основными при обработке обычных конструкционных материалов, удачно дополняются электрическими, электрохимическими и другими, наиболее эффективными при обработке материалов, трудно поддающих­ся резанию, и при изготовлении деталей сложной формы.