GIA CÔNG ĐIỆN HÓA LÀ GÌ ?

Hôm nay trong bài viết này chúng ta sẽ cùng nhau thảo luận về một phương pháp gia công mới trong lĩnh vực cơ khí nhé. Đó chính là phương pháp gia công điện hóa, là một trong những phương pháp gia công đặc biệt hiện nay.

Trong bài viết chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về các vấn đề liên quan như. Gia công điện hóa là gì ? Nguyên lý gia công ra sao ? Cơ sở lý thuyết của là gì ? Các loại thiết bị, dụng cụ và máy gia công như thế nào ? Phạm vi ứng dụng ? Thông số công nghệ ? Và các loại phương pháp gia công điện hóa khác nhau. Và bây giờ thì chúng ta cùng nhau tìm hiểu nhé.

Gia công điện hóa là gì ?

Gia công bằng điện hóa là phương pháp gia công đặc trưng để gia công những bề mặt có hình dáng nhất định bằng phương pháp ăn mòn điện hóa. Dùng trong khoan lỗ điện hóa hay còn gọi là gia công điện hóa, mài điện hóa, làm sạch bavia bằng điện hóa (hay đánh bóng điện hóa). Bản chất của phương pháp gia công này là không có sự tác động cơ khí của dụng cụ tới bề mặt gia công.

Nguyên lý gia công điện hóa:

Phương pháp gia công điện hoá dựa trên cơ sở định luật điện phân của Faraday. Trong quá trình gia công, chi tiết được nối với cực dương còn dụng cụ được nối với cực âm của nguồn. Hai điện cực điều được đặt vào trong bể đựng dung dịch điện phân. Khi đóng mạch điện và các điều kiện điện phân hợp lý, dòng điện đi qua bể có tác dụng làm hoà tan kim loại ở anod với 1 lượng được xác định theo định luật Faraday. Lượng chất kết tủa hoặc hoà tan do điện phân tỷ lệ với lượng điện chạy qua.

Lượng các hoạt chất kết tủa hoặc hoà tan bằng lượng điện tương đương, tỷ lệ với thành phần hoá trị của chúng (với hợp kim có nhiều thành phần nguyên tố khác nhau). Nếu đồng thời với sự hòa tan anod, mà lấy đi lớp bề mặt có kết cấu không còn chặt chẽ, thì đó là quá trình mài điện hóa. Ở phương pháp đánh bóng điện hóa thì chúng ta chỉ tận dụng tác dụng điện hóa. Chúng ta không muốn làm thay đổi hình dạng bề mặt, mà chúng ta chỉ gia công làm mất đi những gồ ghề li ti trên bề mặt đó mà thôi. Ở phương pháp gia công điện hóa, tính chất vật lý của nguyên liệu làm anod (vật gia công) không ảnh hưởng đến năng suất lấy phôi, vì vậy phương pháp này thường dùng để gia công những vật liệu khó cắt gọt.

Luật Faraday vào gia công điện hóa:

Nếu dùng catod làm khuôn có hình dáng gần giống với lỗ mà ta muốn gia công thì ở bề mặt gần nhất với catod sự hoà tan anod diễn ra mạnh nhất. Lý do là điện trở suất của dd điện phân lớn hơn của kim loại. Như vậy dòng điện tập trung vào điện cực nhỏ nhất tức là ở đây có dòng điện lớn nhất, bằng cách đó cực catod dần dần ăn vào anod.

Máy và dụng cụ gia công điện hóa:

Điện cực dụng cụ - catod:

Vật liệu chế tạo điện cực phải được chế tạo bằng các kim loại có tính dẫn điện cao, độ bền chống rỉ tốt, điển hình như thép không rỉ, thép chịu nhiệt, hợp kim titan, grafit,… Để tạo biến dạng của dụng cụ có thể sử dụng các phương pháp sau: gia công cắt gọt đúc chính xác, mạ chất dẻo, phun kim loại.

Dung dịch điện phân:

Vai trò quan trọng của dung dịch điện phân là tạo sự di chuyển của các tia lửa điện bằng các ion giữa các anod và catod. Ngoài ra các ion của dd điện phân còn tham gia tích cực vào các phản ứng điện cực. Dung dịch điện phân được sử dụng để hòa tan liên tục kim loại của chi tiết (anod) do đó thành phần của nó phải được chọn đúng để tránh khả năng tạo các chất không hòa tan gây ra sự trơ hóa bề mặt của chi tiết. Vì vậy sự tồn tại của các ion hoặc các nhóm ion trong dd điện phân phụ thuộc vào các tính chất của nó.

Phản ứng điện cực xảy ra ở catod vì vậy cần phải nghiên cứu sự phóng các ion đã nạp điện, chúng không được kiềm chế quá trình hòa tan các anod. Trên catod không nên có sự kết tủa các ion kim loại có trên dung dịch điện phân vì như vậy sẽ làm thay đổi hình dáng của catod và gây ra sai số hình dáng chi tiết. Do đó các cation của dung dịch điện phân không được là kim loại vì chúng sẽ tạo sự kết tủa trên dụng cụ (làm bằng vật liệu là thép hoặc đồng,…) thông thường các cation là hidro, kiềm như natri, kali,…

Các thông số công nghệ của gia công điện hóa:

Năng suất gia công:

Năng suất gia công được tính bằng lượng nguyên liệu được lấy đi trong 1 đơn vị thời gian (cm3/phút) và tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện. Như đã xác định theo định luật Faraday, tốc độ tiến của điện cực cũng ảnh hưởng đến năng suất. Tốc độ này là hằng số với dd điện phân thường dùng là NACL, KCL, và NANO3 và nhiệt độ dung dịch từ 90÷125°C. Ngoài ra còn các yếu tố như điện áp, khả năng dẫn điện của dung dịch điện phân, vật liệu làm điện cực cũng ảnh hưởng đến năng suất gia công.

Độ chính xác gia công:

Trong quá trình gia công, giữa vật gia công và mặt đầu của điện cực tồn tại khe hở (h). Trong trường hợp khoan lỗ cụt, thì nó có ảnh hưởng tới độ chính xác và độ sâu của lỗ.

Có thể thấy rằng đồ thị không phải là đường thẳng do ảnh hưởng của những yếu tố khác nhau (như dòng chảy). Có thể rút ra kết luận rằng, bằng cách nâng tốc độ tiến điện cực thì có thể giảm sai số của khe hở, tức là giảm sai số gia công, thậm chí có thể nâng điện áp lên thì sẽ làm khe hở trở nên không đổi. Dòng điện không những chỉ đi qua khe hở mặt đầu, mà cả ở khe hở giữa thành trong của lỗ với mặt bao quanh điện cực. Ở khe hở này thì tác dụng điện hóa của dòng điện xảy ra chậm hơn. Tốc độ hòa tan tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa các bề mặt của điện cực. Do đó trường hợp gia công lỗ bằng điện cực hình trụ thì đường sinh của lỗ có dạng parabol.

Ở đây cũng nhận thấy rằng nếu tăng tốc độ tiến cực thì có thể làm giảm sai số hình dạng. Sai số hình dạng có thể hạn chế bằng cách tạo hình điện cực một cách phù hợp. Nếu bọc cách điện ở chung quanh cho đến cạnh của mặt đầu thì có thể ngăn chặn sự hòa tan ở mặt bên, lỗ sẽ có đường sinh song song. Hình dạng điện cực phổ biến như trên hình bên dưới, ở đó đường kính ngoài của ống nhựa cách điện phải nhỏ để không ngăn cản sự lưu thông của dung dịch. Bán kính vê tròn chu vi ngoài của mặt đầu chỉ là 0,13 – 0,18 mm. Mặt đáy của lỗ không bao giờ bằng phẳng, mà có ụ nổi lên, nếu ta muốn làm nhẵn thì cần có một bước gia công riêng.

Trường hợp gia công lỗ có tiết diện thay đổi, thì không dùng được điện cực có vỏ cách điện. Ở đây khoảng cách điện cực phụ thuộc rất nhiều vào thông số hình học và các thông số khác, do đó trong thực tế không thể chuẩn bị trước một điện cực được tạo hình theo đúng kích thước và hình dáng của lỗ cần gia công. Bằng thực nghiệm người ta tạo hình điện cực phù hợp. Phương pháp này khá tốn kém, do đó chỉ có trong sản xuất hàng loạt thì mới có hiệu quả kinh tế. Điện cực không mòn, có thể dùng để gia công nhiều lần, độ chính xác của lỗ có thể đảm bảo được 0,02 mm. Muốn bảo đảm đạt độ chính xác kích thước cao người ta thường lọc sạch dung dịch trong quá trình gia công.

Chất lượng bề mặt:

Độ bóng bề mặt khi gia công bằng điện hóa được hình thành rất tốt. Nếu tăng tốc độ tiến của điện cực và tăng cường độ dòng điện sẽ làm giảm độ nhấp nhô của bề mặt, như vậy độ bóng bề mặt rất tốt khi được gia công với công suất lớn. Đặc biệt là thép austenit. Với thép cacbon thì bề mặt thô hơn (Rmax = 5÷10 µm). Bề mặt sau khi gia công có thể đánh bóng đạt Rmax <1 µm với thép không rỉ, chịu nhiệt và chịu mài mòn. Vật liệu sau khi gia công vẫn giữ được tính chất của nó, không có sự thay đổi trong cấu trúc, không có ứng suất dư và biến cứng bề mặt.

Phạm vi ứng dụng:

Lượng phoi lấy đi không phụ thuộc vào các tính chất cơ học của kim loại. Công nghệ này có tính kinh tế cao trong trường hợp ứng dụng để gia công các vật liệu cứng, khó cắt gọt. Trừ một số kim loại hiếm, còn tất cả kim loại khác đều có thể gia công bằng công nghệ này. Cacbon có tác dụng kiềm chế hiện tượng điện hoá, do đó thép có thành phần cacbon cao thì ít có khả năng gia công bằng công nghệ này. Gang thì đặc biệt khó gia công vì có hạt grafit. Tương tự như vậy với carbide của titan và wolfram. Do đó nói chung không gia công điện hoá các hợp kim cứng.

Công suất trung bình thì có giới hạn. Còn lượng phoi lấy được thì không, nó tăng khi bề mặt tăng, vì vậy gia công bề mặt lớn thì có tính kinh tế cao. Khoan sâu bằng điện hoá ngày càng được thực hiện với thiết bị có năng suất lấy phoi càng lớn. Hiện nay đã có thiết bị 20.000 A với năng suất lấy phoi 33 cm3/ph, tốc độ tiến điện cực là 12mm/phút và mật độ dòng điện 800 A/cm2, loại thiết bị này có kích thước lớn và cứng vững, vì áp suất của dung dịch điện phân lên đến 10-24 atm, lực tác dụng lên bề mặt vô cùng lớn.

Độ chính xác gia công lỗ rỗng là 0,02-0,03 mm, độ nhẵn bề mặt đạt Ramax = 0,03 µm. Một phạm vi ứng dụng đặc trưng là gia công lỗ nhỏ, từ 0,3 mm. Phổ biến nhất là dùng gia công tạo hình không gian phức tạp bằng thép chịu nhiệt, chịu mài mòn và thép không rỉ. Ví dụ đặc trưng là gia công cánh tuabin. Hai điện cực gia công với tốc độ tiến cực e = 0,18mm/phút, cùng tiến đồng thời, và việc gia công chỉ mất 5-10 phút. Trên máy mài thì thao tác này phải mất gần một giờ.

Một trường hợp ứng dụng đặc biệt là: điện cực gia công là một ống, được uốn theo qui định, tiến theo một hướng nhất định, để tạo hình mà không cần làm mòn hết cả khoảng thể tích vật liệu cần phải lấy đi. Điện cực là một ống có sẻ rãnh. Phương pháp này có thể gia công một cách chính xác những vật quay đối xứng (vật gia công quay hay điện cực quay), phương pháp này gọi là tiện mài bóng, ứng dụng rất thích hợp để gia công van hình cầu, các rãnh vành khăn,…

Trong những năm gần đây, công nghệ điện hoá chiếm lĩnh việc gia công lỗ sâu, kích thước đường kính nhỏ, nhưng chỉ kinh tế trong sản xuất hàng loạt, đòi hỏi thiết bị có sản lượng lớn. Công nghệ điện hoá ngày nay được áp dụng phổ biến ở các nước phương tây. Tuy nhiên cũng có nhược điểm là chi phí lớn cho điện cực, máy lớn có giá trị rất cao. Trường hợp gia công với sản lượng trung bình thì không đủ sức cạnh tranh với cắt gọt thông thường.

Các phương pháp gia công điện hóa:

Mài điện hóa:

Mài điện hoá là dạng đặc biệt của phương pháp gia công điện hoá trong đó đá mài quay (catod) là một đĩa mài hình vành khăn dẫn điện có gắn các hạt kim cương, hoặc carbid silic hoặc cô ranh đông, được dùng đễ tăng cường sự hoà tan của bề mặt kim loại gia công (anod). Vật liệu dùng cho mài điện hoá là oxít nhôm và kim cương. Vật liệu kết dính hoặc là kim loại (cho hạt mài kim cương) hoặc là nhựa trộn với các hạt kim loại để tạo thành chất dẫn điện (cho oxít nhôm). Các hạt mài nhô ra từ đá mài tiếp xúc với chi tiết gia công hình thành nên khe hở trong mài điện hoá. Tác dụng cọ xát của những hạt mài của đĩa mài ngăn cản quá trình tự kiềm chế của anod. Dòng dung dịch điện phân đi qua khe hở giữa các hạt mài để thực hiện chức năng của nó.

Những hạt mài có hai nhiệm vụ song hành. Một mặt chúng là những hạt cách điện, và quyết định kích thước của khe hở (0,02-0,08 mm), bảo đảm sự lưu thông của dung dịch điện phân và loại trừ khả năng bị ngắn mạch, mặc khác chúng đẩy ra khỏi dung dịch điện phân lượng vật liệu đã bị bóc đi và lớp còn bám trên vật gia công. Điều rất quan trọng là sự lấy phoi là kết quả của quá trình điện hoá, và tác dụng mài bóng ở đây chưa phải là quyết định. 

Phương pháp có năng suất cao gấp 2 lần so với phương pháp mài thông thường. Có hai phương pháp mài bằng điện hóa: đó là dùng đá mài dẫn điện và dùng đá mài trung tính (không dẫn điện).

Trong trường hợp thứ nhất người ta dùng đá mài dẫn điện. Năng suất gia công của phương pháp có thể đạt 1000 mm3/phút. Độ chính xác của kích thước gia công đạt cấp 2, còn độ bóng bề mặt gia công đạt cấp 7-8, đôi khi cấp 10-12 (khi lượng dư gia công 0,01-0,05 mm). Ưu điểm của phương pháp: có khả năng mài được bất kỳ kim loại nào, không phụ thuộc vào độ cứng hay độ dẻo và không có phóng điện hồ quang hay tia lửa điện. Nhược điểm của phương pháp: mật độ dòng điện lớn đòi hỏi phải có công suất nguồn điện lớn và tiêu hao chất điện phân lớn. Phương pháp này được dùng để mài rãnh thoát phoi trên các dụng cụ hợp kim cứng và mài nhiều loại chi tiết hợp kim cứng khác.

Đặc điểm chung:

Năng suất cao.

Các thông số về chất lượng của bề mặt được mài: Độ bóng bề mặt khi mài bằng điện phân rất tốt. Độ nhám có thể đạt tới Ra = 0,04 µm. Hiện tượng điện hoá đóng vai trò chính yếu. Do đó trên bề mặt gia công không có những đường gân nằm theo hướng tiến của điện cực gia công. Các hạt trên bề mặt vẫn còn nguyên. Độ bóng rất ít phụ thuộc vào độ lớn của hạt mài.

Các thông số khác của lớp bề mặt giống như ở trường hợp gia công điện hoá. Ở đây không có tổn hao nhiệt nhiều, cũng không có biến đổi trong cấu trúc tế vi và cũng không thấy có hiện tượng hóa cứng bề mặt cũng như không có ứng suất dư bên trong. Do không có ứng suất dư, nên điều này rất thuận lợi cho việc gia công hợp kim cứng, có thể tránh được hiện tượng rạn nứt khi mài.

Đá mòn tương đối nhiều, trung bình khoảng 10÷15 % thể tích kim loại bị tách ra khỏi vật gia công.

Mật độ dòng điện trên mặt gia công thấp và do không cò sự tiếp xúc của kim loại với nhau nên ít bị đốt nóng và đốt cháy.

Điện áp thấp.

Độ chính xác về hình dáng hoàn toàn phụ thuộc vào độ chính xác của đĩa mài. Thông thường người ta áp chặt vật gia công vào mặt đầu của đĩa, nhờ có bàn toạ độ mà có thể làm chuyển động vật gia công, và bảo đảm độ chính xác gia công là 0,01 mm.

Phạm vi ứng dụng và tính kinh tế: 

Phương pháp mài bằng điện phân chủ yếu ứng dụng mài sắc các dụng cụ bằng hợp kim cứng, thỉnh thoảng chúng ta thấy ứng dụng trong mài mặt đầu, mặt phẳng hoặc mặt bao quanh có vật liệu bằng vật liệu khó cắt gọt. Gần đây người ta đang thử nghiệm thành công việc mài khuôn mặt trụ trong bằng mài điện phân.

Năng suất mài bằng điện phân hợp kim cứng cao hơn nhiều lần so với mài thông thường. Hình sau so sánh giữa mài thông thường mài kim cương và mài điện phân về độ bóng bề mặt và năng suất lấy phoi.

Nó cũng có nhược điểm là thiết bị đắt tiền hơn, tuy nhiên nhìn tổng hợp thì ưu điểm vẫn trội hơn. Đây là phương pháp tiên tiến hàng đầu để mài sắc dụng cụ từ hợp kim cứng rẻ nhất và chất lượng cao nhất.

Sử dụng trong phương pháp mài khôn điện hóa, mặc dù giá thành thiết bị cao nhưng phương pháp gia công này nhanh gấp 5 lần phương pháp mài khôn truyền thống, và được sử dụng chủ yếu trong gia công hoàn tất bề mặt trong của xilanh.

Đánh bóng điện hóa:

Là phương pháp bổ sung cho gia công điện hóa. Mục đích của đánh bóng điện hóa không phải là lấy phoi mà là đánh bóng bề mặt. Tất nhiên có lấy đi một chút ít nguyên liệu. Khác với các phương pháp gia công điện hóa khác, ở đây khoảng cách điện cực lớn hơn, hình dáng của vật liệu gia công sẽ không hình thành giống như của điện cực làm dụng cụ gia công, điện cực không chuyển động trong quá trình gia công, mật độ di chuyển của dòng điện thấp hơn và tốc độ di chuyển của chất điện phân thấp hơn nhiều, tốc độ bóc vật liệu cũng giảm.

Trong phương pháp đánh bóng điện hoá vật gia công (anod) và điện cực dương (catod) được nhúng vào dung dịch một cách độc lập nhau. Khi có dòng điện đi qua thì sự hoà tan anod bắt đầu, dòng điện tập trung ở những điểm nhô lên, còn chỗ lõm là màn muối mỏng từ dung dịch điện phân tách ra. Bề mặt gồ ghề dần dần mất đi và trở nên nhẵn bóng và óng ánh (gọi là óng ánh anod).

Bài viết trên đây là những chia sẻ của chúng tôi với mong muốn mang đến cho quý khách hàng những thông tin hữu ích nhất. Ngoài ra, nếu quý khách hàng cần tìm mua các sản phẩm về hợp kim, linh kiện,...quý khách có thể liên hệ với chúng tôi thông qua các hình thức sau. Công ty Văn Thái chúng tôi chuyên cung cấp các linh kiện và tất cả các loại hợp kim theo yêu cầu của khách hàng để sản xuất dao phay gỗ, với mã hợp kim đa dạng như: YG6, YG6Z, YG8, YG3X, YG15C, YG20C, YG25C...

Lựa chọn Văn Thái và các sản phẩm do Văn Thái cung cấp quý khách sẽ vô cùng hài lòng vì chúng tôi có:

• Dịch vụ giao hàng nhanh
• Hậu mãi tốt
• Sản phẩm giá thành hợp lí, chủng loại đa dạng

Hãy nhấc máy lên và gọi ngay cho chúng tôi theo số hotline: 094 124 7183 hoặc email: linhkienvanthai@gmail.com