ECM Machining, Ηλεκτροχημική Μηχανική, Λείανση

Some of the valuable NON-CONVENTIONAL MANUFACTURING processes AGS-TECH Inc offers are ELECTROCHEMICAL MACHINING (ECM), SHAPED-TUBE ELECTROLYTIC MACHINING (STEM) , ΠΑΛΜΠΗ ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ (PECM), ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΗ ΑΛΕΩΣΗ (ΗΚΓ), ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΥΒΡΙΔΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣΗΣ.

​

Η ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ (ECM) είναι μια μη συμβατική τεχνική κατασκευής όπου το μέταλλο αφαιρείται με ηλεκτροχημική διαδικασία. Η ECM είναι συνήθως μια τεχνική μαζικής παραγωγής, που χρησιμοποιείται για την κατεργασία εξαιρετικά σκληρών υλικών και υλικών που είναι δύσκολο να επεξεργαστούν χρησιμοποιώντας τις συμβατικές μεθόδους κατασκευής. Τα συστήματα ηλεκτροχημικής κατεργασίας που χρησιμοποιούμε για την παραγωγή είναι αριθμητικά ελεγχόμενα κέντρα μηχανικής κατεργασίας με υψηλούς ρυθμούς παραγωγής, ευελιξία, τέλειο έλεγχο των ανοχών διαστάσεων. Η ηλεκτροχημική μηχανική κατεργασία είναι ικανή να κόβει μικρές και περίεργες γωνίες, περίπλοκα περιγράμματα ή κοιλότητες σε σκληρά και εξωτικά μέταλλα όπως αλουμινίδια τιτανίου, Inconel, Waspaloy και κράματα υψηλής περιεκτικότητας σε νικέλιο, κοβάλτιο και ρήνιο. Τόσο οι εξωτερικές όσο και οι εσωτερικές γεωμετρίες μπορούν να υποβληθούν σε μηχανική επεξεργασία. Τροποποιήσεις της διαδικασίας ηλεκτροχημικής μηχανικής κατεργασίας χρησιμοποιούνται για εργασίες όπως το γύρισμα, η όψη, η σχισμή, η κοψίματα, το προφίλ όπου το ηλεκτρόδιο γίνεται το εργαλείο κοπής. Ο ρυθμός αφαίρεσης μετάλλου είναι μόνο συνάρτηση της ταχύτητας ανταλλαγής ιόντων και δεν επηρεάζεται από την αντοχή, τη σκληρότητα ή τη σκληρότητα του τεμαχίου εργασίας. Δυστυχώς η μέθοδος της ηλεκτροχημικής κατεργασίας (ECM) περιορίζεται σε ηλεκτρικά αγώγιμα υλικά. Ένα άλλο σημαντικό σημείο που πρέπει να εξετάσετε την ανάπτυξη της τεχνικής ECM είναι η σύγκριση των μηχανικών ιδιοτήτων των παραγόμενων εξαρτημάτων με εκείνες που παράγονται από άλλες μεθόδους κατεργασίας.

​

Η ECM αφαιρεί υλικό αντί να το προσθέτει και επομένως μερικές φορές αναφέρεται ως «αντίστροφη ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση». Μοιάζει κατά κάποιο τρόπο με την κατεργασία ηλεκτρικής εκκένωσης (EDM) στο ότι ένα υψηλό ρεύμα διέρχεται μεταξύ ενός ηλεκτροδίου και του εξαρτήματος, μέσω μιας διαδικασίας αφαίρεσης ηλεκτρολυτικού υλικού που έχει ένα αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο (κάθοδος), ένα αγώγιμο ρευστό (ηλεκτρολύτη) και αγώγιμο τεμάχιο εργασίας (άνοδος). Ο ηλεκτρολύτης δρα ως φορέας ρεύματος και είναι ένα εξαιρετικά αγώγιμο ανόργανο διάλυμα άλατος όπως το χλωριούχο νάτριο αναμεμειγμένο και διαλυμένο σε νερό ή νιτρικό νάτριο. Το πλεονέκτημα της ECM είναι ότι δεν υπάρχει φθορά του εργαλείου. Το εργαλείο κοπής ECM καθοδηγείται κατά μήκος της επιθυμητής διαδρομής κοντά στην εργασία αλλά χωρίς να αγγίζει το κομμάτι. Σε αντίθεση με το EDM, ωστόσο, δεν δημιουργούνται σπινθήρες. Με το ECM είναι δυνατά υψηλά ποσοστά αφαίρεσης μετάλλων και φινιρίσματα επιφάνειας καθρέφτη, χωρίς να μεταφέρονται θερμικές ή μηχανικές καταπονήσεις στο εξάρτημα. Η ECM δεν προκαλεί θερμική ζημιά στο εξάρτημα και δεδομένου ότι δεν υπάρχουν δυνάμεις εργαλείου, δεν υπάρχει παραμόρφωση στο εξάρτημα και καμία φθορά του εργαλείου, όπως θα συνέβαινε με τις τυπικές εργασίες κατεργασίας. Στην κοιλότητα ηλεκτροχημικής μηχανικής κατεργασίας που παράγεται είναι η θηλυκή εικόνα ζευγαρώματος του εργαλείου.

​

Στη διαδικασία ECM, ένα εργαλείο καθόδου μετακινείται σε ένα τεμάχιο εργασίας ανόδου. Το διαμορφωμένο εργαλείο είναι γενικά κατασκευασμένο από χαλκό, ορείχαλκο, μπρούτζο ή ανοξείδωτο χάλυβα. Ο ηλεκτρολύτης υπό πίεση αντλείται με υψηλό ρυθμό σε καθορισμένη θερμοκρασία μέσω των διόδων του εργαλείου προς την περιοχή που κόβεται. Ο ρυθμός τροφοδοσίας είναι ο ίδιος με τον ρυθμό «ρευστοποίησης» του υλικού και η κίνηση του ηλεκτρολύτη στο διάκενο εργαλείου-τεμαχίου κατεργασίας ξεπλένει τα μεταλλικά ιόντα μακριά από την άνοδο του τεμαχίου εργασίας προτού έχουν την ευκαιρία να επικολληθούν στο εργαλείο καθόδου. Το κενό μεταξύ του εργαλείου και του τεμαχίου εργασίας κυμαίνεται μεταξύ 80-800 μικρομέτρων και η παροχή συνεχούς ρεύματος στην περιοχή 5 – 25 V διατηρεί πυκνότητες ρεύματος μεταξύ 1,5 – 8 A/mm2 ενεργής επεξεργασμένης επιφάνειας. Καθώς τα ηλεκτρόνια διασχίζουν το διάκενο, το υλικό από το τεμάχιο εργασίας διαλύεται, καθώς το εργαλείο σχηματίζει το επιθυμητό σχήμα στο τεμάχιο εργασίας. Το ηλεκτρολυτικό υγρό απομακρύνει το υδροξείδιο μετάλλου που σχηματίζεται κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας. Διατίθενται εμπορικά ηλεκτροχημικά μηχανήματα με τρέχουσα χωρητικότητα μεταξύ 5Α και 40.000Α. Ο ρυθμός αφαίρεσης υλικού στην ηλεκτροχημική κατεργασία μπορεί να εκφραστεί ως:

 

MRR = C x I xn

 

Εδώ MRR=mm3/min, I=ρεύμα σε αμπέρ, n=απόδοση ρεύματος, C=μια σταθερά υλικού σε mm3/A-min. Η σταθερά C εξαρτάται από το σθένος για τα καθαρά υλικά. Όσο μεγαλύτερο είναι το σθένος, τόσο μικρότερη είναι η τιμή του. Για τα περισσότερα μέταλλα είναι μεταξύ 1 και 2.

 

Εάν το Ao υποδηλώνει την ομοιόμορφη περιοχή διατομής που υποβάλλεται σε ηλεκτροχημική κατεργασία σε mm2, ο ρυθμός τροφοδοσίας f σε mm/min μπορεί να εκφραστεί ως:

 

F = MRR / Ao

 

Ο ρυθμός τροφοδοσίας f είναι η ταχύτητα με την οποία το ηλεκτρόδιο διεισδύει στο τεμάχιο εργασίας.

 

Στο παρελθόν υπήρχαν προβλήματα χαμηλής ακρίβειας διαστάσεων και περιβαλλοντικά ρυπογόνων απορριμμάτων από εργασίες ηλεκτροχημικής μηχανικής κατεργασίας. Αυτά σε μεγάλο βαθμό έχουν ξεπεραστεί.

 

Μερικές από τις εφαρμογές της ηλεκτροχημικής κατεργασίας υλικών υψηλής αντοχής είναι:

 

- Επιχειρήσεις Die-Sinking. Η βύθιση είναι η μηχανική σφυρηλάτηση - κοιλότητες μήτρας.

 

- Διάτρηση πτερυγίων τουρμπίνας, εξαρτημάτων και ακροφυσίων κινητήρα αεριωθούμενου κινητήρα.

 

- Διάνοιξη πολλών μικρών οπών. Η διαδικασία ηλεκτροχημικής κατεργασίας αφήνει μια επιφάνεια χωρίς γρέζια.

 

- Τα πτερύγια τουρμπίνας ατμού μπορούν να υποβληθούν σε μηχανική επεξεργασία εντός στενών ορίων.

 

- Για αφαίρεση γρεζιών επιφανειών. Κατά την αφαίρεση γρεζιών, η ECM αφαιρεί τις μεταλλικές προεξοχές που έχουν απομείνει από τις διαδικασίες κατεργασίας και έτσι θαμπώνουν τις αιχμηρές άκρες. Η διαδικασία ηλεκτροχημικής κατεργασίας είναι γρήγορη και συχνά πιο βολική από τις συμβατικές μεθόδους αφαίρεσης γρεζιών με το χέρι ή με μη παραδοσιακές διαδικασίες κατεργασίας.

​

SHAPED-TUBE ELECTROLYTIC MACHINING (STEM) είναι μια έκδοση της διαδικασίας ηλεκτροχημικής κατεργασίας που χρησιμοποιούμε για τη διάνοιξη οπών μικρής διαμέτρου. Ένας σωλήνας τιτανίου χρησιμοποιείται ως εργαλείο το οποίο είναι επικαλυμμένο με μια ηλεκτρικά μονωτική ρητίνη για να αποτρέψει την αφαίρεση υλικού από άλλες περιοχές όπως οι πλευρικές όψεις της οπής και του σωλήνα. Μπορούμε να τρυπήσουμε μεγέθη οπών 0,5 mm με αναλογίες βάθους προς διάμετρο 300:1

​

ΠΑΛΜΙΚΗ ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ (PECM): Χρησιμοποιούμε πολύ υψηλές παλμικές πυκνότητες ρεύματος της τάξης των 100 A/cm2. Χρησιμοποιώντας παλμικά ρεύματα εξαλείφουμε την ανάγκη για υψηλούς ρυθμούς ροής ηλεκτρολυτών που θέτει περιορισμούς για τη μέθοδο ECM στην κατασκευή καλουπιών και καλουπιών. Η παλμική ηλεκτροχημική κατεργασία βελτιώνει τη διάρκεια ζωής της κόπωσης και εξαλείφει το στρώμα ανακατασκευής που αφήνει η τεχνική ηλεκτρικής εκκένωσης (EDM) σε επιφάνειες καλουπιού και καλουπιού.

​

In ELECTROCHEMICAL GRANDING (ECG) συνδυάζουμε τη συμβατική λειτουργία λείανσης με ηλεκτροχημική λείανση. Ο τροχός λείανσης είναι μια περιστρεφόμενη κάθοδος με λειαντικά σωματίδια διαμαντιού ή οξειδίου αλουμινίου που είναι συνδεδεμένα με μέταλλο. Οι πυκνότητες ρεύματος κυμαίνονται μεταξύ 1 και 3 A/mm2. Παρόμοια με την ECM, ένας ηλεκτρολύτης όπως το νιτρικό νάτριο ρέει και η αφαίρεση μετάλλου στην ηλεκτροχημική άλεση κυριαρχείται από την ηλεκτρολυτική δράση. Λιγότερο από το 5% της αφαίρεσης μετάλλου γίνεται με λειαντική δράση του τροχού. Η τεχνική ΗΚΓ είναι κατάλληλη για καρβίδια και κράματα υψηλής αντοχής, αλλά δεν είναι τόσο κατάλληλη για βύθιση μήτρας ή κατασκευή καλουπιών, επειδή ο μύλος μπορεί να μην έχει εύκολη πρόσβαση σε βαθιές κοιλότητες. Ο ρυθμός αφαίρεσης υλικού στην ηλεκτροχημική λείανση μπορεί να εκφραστεί ως:

 

MRR = GI / d F

 

Εδώ το MRR είναι σε mm3/min, το G είναι η μάζα σε γραμμάρια, το I είναι ρεύμα σε αμπέρ, το d είναι η πυκνότητα σε g/mm3 και το F είναι η σταθερά του Faraday (96.485 Coulombs/mole). Η ταχύτητα διείσδυσης του τροχού λείανσης στο τεμάχιο εργασίας μπορεί να εκφραστεί ως:

 

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

 

Εδώ το Vs είναι σε mm3/min, το E είναι η τάση στοιχείου σε βολτ, το g είναι το διάκενο τροχού προς το τεμάχιο εργασίας σε mm, το Kp είναι ο συντελεστής απώλειας και το K είναι η αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη. Το πλεονέκτημα της μεθόδου ηλεκτροχημικής λείανσης σε σχέση με τη συμβατική λείανση είναι η λιγότερη φθορά του τροχού, επειδή λιγότερο από το 5% της αφαίρεσης μετάλλου οφείλεται στη λειαντική δράση του τροχού.

 

​

Υπάρχουν ομοιότητες μεταξύ του EDM και του ECM:

 

1. Το εργαλείο και το αντικείμενο εργασίας χωρίζονται με ένα πολύ μικρό κενό χωρίς επαφή μεταξύ τους.

 

2. Τόσο το εργαλείο όσο και το υλικό πρέπει να είναι αγωγοί του ηλεκτρισμού.

 

3. Και οι δύο τεχνικές χρειάζονται υψηλή επένδυση κεφαλαίου. Χρησιμοποιούνται σύγχρονες μηχανές CNC

 

4. Και οι δύο μέθοδοι καταναλώνουν πολλή ηλεκτρική ενέργεια.

 

5. Ένα αγώγιμο υγρό χρησιμοποιείται ως μέσο μεταξύ του εργαλείου και του τεμαχίου εργασίας για το ECM και ένα διηλεκτρικό υγρό για το EDM.

 

6. Το εργαλείο τροφοδοτείται συνεχώς προς το τεμάχιο εργασίας για να διατηρείται ένα σταθερό κενό μεταξύ τους (το EDM μπορεί να περιλαμβάνει διακοπτόμενη ή κυκλική, συνήθως μερική, απόσυρση εργαλείου).

​

ΥΒΡΙΔΙΚΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ: Συχνά εκμεταλλευόμαστε τα πλεονεκτήματα των διεργασιών υβριδικής κατεργασίας όπου δύο ή περισσότερες διαφορετικές διεργασίες όπως ECM, EDM… κ.λπ. χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό. Αυτό μας δίνει την ευκαιρία να ξεπεράσουμε τις αδυναμίες της μιας διαδικασίας από την άλλη και να επωφεληθούμε από τα πλεονεκτήματα της κάθε διαδικασίας.