ECM obrábění, elektrochemické obrábění, broušení

Some of the valuable NON-CONVENTIONAL MANUFACTURING processes AGS-TECH Inc offers are ELECTROCHEMICAL MACHINING (ECM), SHAPED-TUBE ELECTROLYTIC MACHINING (STEM) , PULSNÍ ELEKTROCHEMICKÉ OBRÁBĚNÍ (PECM), ELEKTROCHEMICKÉ BRUŠENÍ (EKG), HYBRIDNÍ PROCESY OBRÁBĚNÍ.

​

ELEKTROCHEMICKÉ OBRÁBĚNÍ (ECM) je nekonvenční výrobní technika, kde se kov odstraňuje elektrochemickým procesem. ECM je typicky hromadná výrobní technika používaná pro obrábění extrémně tvrdých materiálů a materiálů, které je obtížné obrábět pomocí konvenčních výrobních metod. Elektrochemicko-obráběcí systémy, které používáme pro výrobu, jsou číslicově řízená obráběcí centra s vysokou produkční rychlostí, flexibilitou, dokonalou kontrolou rozměrových tolerancí. Elektrochemické obrábění je schopno řezat malé a liché úhly, složité obrysy nebo dutiny v tvrdých a exotických kovech, jako jsou aluminidy titanu, Inconel, Waspaloy a slitiny s vysokým obsahem niklu, kobaltu a rhenia. Lze obrábět vnější i vnitřní geometrie. Modifikace procesu elektrochemického obrábění se používají pro operace jako soustružení, lícování, drážkování, trepanace, profilování, kde se elektroda stává řezným nástrojem. Rychlost úběru kovu je pouze funkcí rychlosti výměny iontů a není ovlivněna pevností, tvrdostí nebo houževnatostí obrobku. Bohužel metoda elektrochemického obrábění (ECM) je omezena na elektricky vodivé materiály. Dalším důležitým bodem ke zvážení nasazení techniky ECM je porovnání mechanických vlastností vyrobených dílů s díly vyrobenými jinými metodami obrábění.

​

ECM odstraňuje materiál místo jeho přidávání, a proto se někdy označuje jako „reverzní galvanické pokovování“. V některých ohledech se podobá elektroerozivnímu obrábění (EDM) v tom, že mezi elektrodou a součástí prochází vysoký proud procesem odstraňování elektrolytického materiálu, který má záporně nabitou elektrodu (katodu), vodivou tekutinu (elektrolyt) a vodivý obrobek (anoda). Elektrolyt působí jako proudový nosič a je to vysoce vodivý roztok anorganické soli, jako je chlorid sodný smíchaný a rozpuštěný ve vodě nebo dusičnanu sodného. Výhodou ECM je, že nedochází k opotřebení nástroje. Řezný nástroj ECM je veden po požadované dráze blízko obrobku, ale bez dotyku obrobku. Na rozdíl od EDM však nevznikají žádné jiskry. Díky ECM jsou možné vysoké rychlosti úběru kovu a zrcadlové povrchové úpravy, aniž by se na díl přenášelo žádné tepelné nebo mechanické namáhání. ECM nezpůsobuje žádné tepelné poškození součásti a protože zde nepůsobí žádné síly nástroje, nedochází k žádné deformaci součásti a opotřebení nástroje, jak by tomu bylo u typických obráběcích operací. Při elektrochemickém obrábění je vytvořena dutina nástroje.

​

V procesu ECM se katodový nástroj přesune do anodového obrobku. Tvarový nástroj je obecně vyroben z mědi, mosazi, bronzu nebo nerezové oceli. Stlačený elektrolyt je čerpán vysokou rychlostí při nastavené teplotě průchody v nástroji do řezané oblasti. Rychlost posuvu je stejná jako rychlost zkapalňování materiálu a pohyb elektrolytu v mezeře mezi nástrojem a obrobkem smývá kovové ionty pryč z anody obrobku dříve, než mají šanci nanést se na katodový nástroj. Mezera mezi nástrojem a obrobkem se pohybuje mezi 80-800 mikrometry a stejnosměrné napájení v rozsahu 5 – 25 V udržuje proudové hustoty mezi 1,5 – 8 A/mm2 aktivního obrobeného povrchu. Když elektrony překročí mezeru, materiál z obrobku se rozpustí, protože nástroj vytvoří požadovaný tvar v obrobku. Elektrolytická kapalina odvádí hydroxid kovu vzniklý během tohoto procesu. K dispozici jsou komerční elektrochemické stroje s proudovými kapacitami mezi 5A a 40 000A. Rychlost úběru materiálu při elektrochemickém obrábění lze vyjádřit jako:

 

MRR = C x I xn

 

Zde MRR=mm3/min, I=proud v ampérech, n=proudová účinnost, C=a materiálová konstanta v mm3/A-min. Konstanta C závisí na mocenství pro čisté materiály. Čím vyšší je valence, tím nižší je její hodnota. U většiny kovů je to mezi 1 a 2.

 

Jestliže Ao označuje rovnoměrnou plochu průřezu elektrochemicky obráběnou v mm2, lze rychlost posuvu f v mm/min vyjádřit jako:

 

F = MRR / Ao

 

Rychlost posuvu f je rychlost, kterou elektroda proniká do obrobku.

 

V minulosti se vyskytovaly problémy se špatnou rozměrovou přesností a ekologicky znečišťujícím odpadem z operací elektrochemického obrábění. Ty byly z velké části překonány.

 

Některé z aplikací elektrochemického obrábění vysoce pevných materiálů jsou:

 

- Die-Sinking operace. Zápustkové hloubení je obrábění kování – zápustkových dutin.

 

- Vrtání lopatek turbíny proudového motoru, dílů proudového motoru a trysek.

 

- Vrtání několika malých otvorů. Elektrochemický proces obrábění zanechává povrch bez otřepů.

 

- Lopatky parní turbíny lze obrábět v úzkém rozmezí.

 

- K odjehlování povrchů. Při odstraňování otřepů ECM odstraňuje kovové výčnělky, které zůstaly při obrábění, a tím otupuje ostré hrany. Elektrochemický proces obrábění je rychlý a často pohodlnější než konvenční způsoby ručního odjehlování nebo netradiční obráběcí procesy.

​

ELEKTROLYTICKÉ OBRÁBĚNÍ TVAROVÝCH TRUBEK (STEM) je verze procesu elektrochemického obrábění, který používáme pro vrtání hlubokých děr malého průměru. Jako nástroj se používá titanová trubka, která je potažena elektricky izolující pryskyřicí, aby se zabránilo odstraňování materiálu z jiných oblastí, jako jsou boční plochy otvoru a trubky. Dokážeme vyvrtat otvory o velikosti 0,5 mm s poměrem hloubky k průměru 300:1

​

PULSNÍ ELEKTROCHEMICKÉ OBRÁBĚNÍ (PECM): Používáme velmi vysoké hustoty pulzního proudu v řádu 100 A/cm2. Použitím pulzních proudů eliminujeme potřebu vysokých průtoků elektrolytu, což představuje omezení pro metodu ECM při výrobě forem a zápustek. Pulzní elektrochemické obrábění zlepšuje únavovou životnost a odstraňuje přetavenou vrstvu, kterou na povrchu forem a zápustek zanechává technika elektroerozivního obrábění (EDM).

​

In ELEKTROCHEMICKÉ BRUŠENÍ (EKG) kombinujeme konvenční broušení s elektrochemickým obráběním. Brusný kotouč je rotační katoda s abrazivními částicemi diamantu nebo oxidu hlinitého, které jsou spojeny kovem. Proudové hustoty se pohybují mezi 1 a 3 A/mm2. Podobně jako u ECM proudí elektrolyt, jako je dusičnan sodný, a odstraňování kovu při elektrochemickém mletí je ovládáno elektrolytickým působením. Méně než 5 % úběru kovu je způsobeno abrazivní činností kotouče. Technika EKG je vhodná pro karbidy a slitiny s vysokou pevností, ale ne tolik vhodná pro hloubení nebo výrobu forem, protože bruska nemusí snadno proniknout do hlubokých dutin. Rychlost úběru materiálu při elektrochemickém broušení lze vyjádřit jako:

 

MRR = GI / d F

 

Zde je MRR v mm3/min, G je hmotnost v gramech, I je proud v ampérech, d je hustota vg/mm3 a F je Faradayova konstanta (96 485 Coulombů/mol). Rychlost pronikání brusného kotouče do obrobku lze vyjádřit jako:

 

Vs = (G / d F) x (E / g Kp) x K

 

Zde je Vs v mm3/min, E je napětí článku ve voltech, g je mezera mezi kolem a obrobkem v mm, Kp je ztrátový koeficient a K je vodivost elektrolytu. Výhodou elektrochemického způsobu broušení oproti konvenčnímu broušení je menší opotřebení kotouče, protože méně než 5 % úběru kovu je způsobeno abrazivním působením kotouče.

 

​

Mezi EDM a ECM jsou podobnosti:

 

1. Nástroj a obrobek jsou odděleny velmi malou mezerou bez kontaktu mezi nimi.

 

2. Nástroj i materiál musí být vodiči elektrického proudu.

 

3. Obě techniky vyžadují vysoké kapitálové investice. Používají se moderní CNC stroje

 

4. Oba způsoby spotřebovávají hodně elektrické energie.

 

5. Vodivá kapalina se používá jako médium mezi nástrojem a obrobkem pro ECM a dielektrická kapalina pro EDM.

 

6. Nástroj je přiváděn kontinuálně směrem k obrobku, aby se mezi nimi udržela konstantní mezera (EDM může zahrnovat přerušované nebo cyklické, typicky částečné, vytahování nástroje).

​

HYBRIDNÍ PROCESY OBRÁBĚNÍ: Často využíváme výhod hybridních obráběcích procesů, kde dva nebo více různých procesů, jako je ECM, EDM….atd. se používají v kombinaci. To nám dává příležitost překonat nedostatky jednoho procesu druhým a těžit z výhod každého procesu.