FYZIKÁLNÍ METODY OBRÁBĚNÍ Ing. Jana Kalinová 2013 Elektrochemické obrábění Chemické Ultrazvukové

Elektrochemické obrábění je beztřískové, na principu ELEKTROLÝZY Obrobek ponořen v elektrolytu Obrobek = anoda je rozrušován Nástroj = katoda kopíruje tvar obrobku Úběr materiálu je v mezeře mezi anodou a katodou Pracovní mezera 0,05 až 1 mm Proud v mezeře až 1000 A/cm2 Napětí stejnosměrného proudu 5 až 30 V

Elektrochemické obrábění 1 – obrobek (anoda) 2 – napájecí zdroj 3 – nástroj (katoda) 4 – pracovní vana 5 – elektrolyt

Vlastnosti elektrolytu Vedení elektrického proudu Určuje podmínky rozpouštění anody Odvádí z pracovního prostoru teplo Odvádí produkty vzniklé chemickými reakcemi

Druhy elektrolytů pro E-Ch obrábění NaCl (konc. 5% až 20%) – pro slitiny Fe, Ni, Cu, Al, Mg, Ti NaNO3 (konc. 10% až 20%) – pro slitiny Fe, Al, Cu, Zn NaClO3 (konc. 20% až 45%) – pro oceli HCl a H2SO4 (konc. do 10%) – pro slitiny Ni, Cr, Co NaOH (konc. Do 10%) – pro W, Mo, SK

Produktivita E-Ch obrábění Závisí na hustotě proudu Rychlosti proudění elektrolytu Na množství aktivních činidel v elektrolytu Při vysoké hustotě proudu však může vzniknout na povrchu pasivační (nežádoucí) vrstva, která brání anodickému rozpouštění !!! Téměř neobrobitelné jsou litiny, slitiny s vysokým % C a duraly obsahující Si !!!

Srovnání s elektroerozívním obráb.

Hloubení dutin a obrábění tvarů Použití pro formy, tvarové plochy Nástroj má negativní tvar vyráběného povrchu Katoda je „vtlačována“ do povrchu obrobku Vzdálenost elektrod je 0,05 až 1 mm Nástrojový materiál je mosaz, měď, antikoro, grafit, kompozit (grafit a měď) Dosahované Ra = 0,2 až 2μm Proud v mezeře až 1000 A/cm2 Napětí stejnosměrného proudu 5 až 30 V

Hloubení dutin - zařízení 1 – napájecí zdroj 2 – mechanismus posuvu 3 – odsávání 4 – filtr 5 – nástroj 6 – obrobek 7 – pracovní stůl 8 – čerpadlo 9 – zásobník elektrolytu 10 – filtr 11 – nádrž s elektrolytem 12 – izolace

Vnější tvarové plochy - zařízení 1 – nástroj 2 – rozvod elektrolytu 3 – čerpadlo 4 – nádrž s elektrolytem 5 – chladič 6 – filtr 7 – regulátor tlaku 8 – pracovní komora 9 – obrobek

Vrtání STEM Shaped Tube Electrolytic Machining – elektrolytické vrtání tvarovou trubkou dmin 0,5 až 5 mm Poměr l/d 200 Tolerance díry ± 0,05 mm Elektrolyt H2SO4 ; HNO3 Napětí 20 až 100 V Tlak elektrolytu 3 až 10 kPa Rychlost vrtání 1 až 3,5 mm/min

Vrtání ECF Electro-chemical Fine drilling – jemné elektrochemické vrtání dmin 0,2 až 2 mm Poměr l/d 100 Tolerance díry ± 0,03 mm Elektrolyt H2SO4 ; HNO3 Napětí 100 až 500 V Tlak elektrolytu 3 až 20 kPa Rychlost vrtání 1 až 4 mm/min

Vrtání ESD Electro-stream drilling – elektrolytické vrtání proudem elektrolytu dmin 0,125 až 1 mm Poměr l/d 50 Tolerance díry ± 0,03 mm Elektrolyt H2SO4 ; HNO3 Napětí 300 až 600 V Tlak elektrolytu 3 až 10 kPa Rychlost vrtání 1 až 3,5 mm/min

Odstraňování otřepů po obrábění Tvarovou elektrodou 1 – izolace 2 – nástroj 3 – otřep 4 – obrobek 5 – přívod elektrolytu

Odstraňování otřepů po obrábění Segmentovou elektrodou 2 – nástroj 4 – obrobek

Odstraňování otřepů po obrábění V lázni 2 – nástroj 4 – obrobek

Elektrochemické broušení Úběr E-Ch z 90%, broušením z 10% 1 – přívod elektrolytu 2 – brousící nástroj 3 – obrobek

Elektrochemické honování 6x vyšší produktivita x klasickému 1 – pohon 2 – nástroj 3 – napájecí zdroj 4 – zás. elektrolytu 5 – čerpadlo 6 – obrobek 7 – honovací lišta

Elektrochemické leštění Pro vnitřky nerez. cisteren, trubek a folie 1 – teplotní stabilizace 2 – napájecí zdroj 3 – nástroj 4 – elektrolyt 5 – cirkulace elektrolytu 6 – chlazení 7 – obrobek

Chemické obrábění Pro řízené obrábění se využívají chemické reakce mezi obrobkem a chemickou látkou Pro křemíkové slitiny v elektromechanice se využívá anizotropické leptání

Princip chemického leptání Odleptání vrstvy materiálu chemickou reakcí Chemikálie: kyseliny, hydroxidy Neodleptaná místa se chrání „maskou“ Maska = lak nebo pryskyřice, tl. max. 2mm Vhodné materiály k leptání: hliník a slitiny Al, konstrukční neleg. oceli, nerezové oceli, měď a slitiny Cu, titan

Pracovní parametry Maximální doba leptání 10hod Odleptání až 0,4mm/min Podleptání masky v hodnotě hloubky leptu Leptání tvoří pouze oblé hrany Obrobek se vkládá do lázně pod 45° !!!

Oblast použití leptání Tvarově složité reliéfy pro tampoprint Nosníky leteckých konstrukcí Potahy křídel hliníkových letadel Tenkostěnné výrobky (bez deformace) Díry do folií tenkostěnných trubek, aj.

Chemické leptání 1 – maska 2 – chemikálie 3 – odleptané částice mat. 4 – obrobek a – podleptání h – hloubka leptání r – rádius leptání

Anizotropické leptání Pro opracování křemíku Tvar vyleptané dutiny závisí na krystalografické orientaci povrchu obrobku (plátku křemíku) Závisí na tvaru a orientaci dutiny v krycí masce Závisí na použitém leptacím alkalickém roztoku a teplotě Tvary odleptaných děr

Anizotropické leptání [2] Krystalové roviny – popsány Millerovými indexy 110 – ve směru roviny probíhá odleptání rychle 100 – kolmo na ni probíhá odleptání pomaleji 111 – ve směru kolmo na rovinu je leptání téměř nulové

Obrábění mechanické - ultrazvukem Pro vodivé i nevodivé materiály !!! Jde o mechanický úběr řízeným rozrušováním materiálu obrobku účinkem pohybu zrn abrazívního materiálu a působením kavitační eroze. Abrazivo: zrna diamantu kubický nitrid boru karbid boru karbid křemíku korundu, v objemu 30% - 40%

Obrábění mechanické - ultrazvukem Kavitační eroze: povrchové rozrušení materiálu účinkem praskání vzduchových bublinek v kapalině, které vznikají za konkrétních teplotních a tlakových podmínek při určité rychlosti proudění kapaliny. Kapaliny: voda petrolej líh strojní olej

Obrábění mechanické - ultrazvukem Princip: nástroj kmitá v kolmém směru 18 až 25 kHz kapalina s abrazivem je přiváděna mezi nástroj a povrch obrobku zrna jsou přitlačována stálou silou k obrobku nástroj je „překopírován“ do obrobku 1 – kapalina 2 – nástroj 3 – brousící zrna 4 – přívod zrn a kapaliny 5 – obrobek

Ultrazvukové zařízení 1 – generátor ultrazvukových kmitů 2 – systém pro vytvoření mechanických kmitů 3 – přívod brousících zrn a kapaliny 4 – obrobek 5 – nástroj

Stroj pro obrábění ultrazvukem Generátor ultrazvukových kmitů Mění střídavý elektrický proud o frekvenci 50Hz na proud o frekvenci 18 až 25kHz Výstupní výkon generátoru bývá 0,2 až 4 kW Systém pro vytvoření mechanických kmitů Mění elektromagnetické kmity na mechanické Využívá magnetostrikce = feromagnetické materiály mění své rozměry při vložení do magnetického pole

Stroj pro obrábění ultrazvukem CNC řídící systém Moderní řídí pohyb minimálně ve 4 osách Reguluje přítlačnou sílu nástroje Reguluje rychlost pohybů a frekvenci kmitů nástroje Systém pro přívod brousících zrn Řídí přívod abraziva a kapaliny Kapalina odvádí opotřebovaná zrna z pracovní mezery Podle viskozity kapalina tlumí pohyb kmitajících zrn

Nástroje pro obrábění ultrazvukem Materiály Konstrukční ocel Korozivzdorná ocel Měď, Mosaz Tvar nástroje Odpovídá vyráběné ploše Kvůli rychlému opotřebení jsou nástroje vybaveny upínaním pro rychlou výměnu

Obrobitelnost materiálů (poměrná) Dána jejich tvrdostí a křehkostí: Sklo (etalon) 1,0 Rubín 0,9 Ferit 0,8 Germánium 0,6 Křemík 0,5 Keramika 0,3 Achát 0,3 Slinutý karbid 0,05 Grafit neuv. Kevlar neuv. Plasty jsou neobrobitelné !!!

Obrábění mechanické - ultrazvukem Nerotační dutiny Otevřené drážky 1 – nástroj, 2 – obrobek

Obrábění mechanické - ultrazvukem Kruhové díry Závity 1 – nástroj, 2 – obrobek

Obrábění mechanické - ultrazvukem Průchozí drážky Tvarové drážky 1 – nástroj, 2 – obrobek

Obrábění mechanické - ultrazvukem Technologické aplikace: řezání tyčí z křemene nebo rubínu tl. do 5mm hloubení průchozích děr, průměr do 10mm hloubení dutin, průměr do 120mm, hl. 6mm broušení rovinných ploch volným brusivem Ostatní aplikace: nedestruktivní zkoušení materiálů čištění povrchů (lékařství, optika,…) svařování plastů

Použité zdroje ŘASA, Jaroslav, Přemysl POKORNÝ a Vladimír GABRIEL. Strojírenská technologie 3. 1. vyd. Praha: Scientia, 2001, 221 s. ISBN 80-718-3227-8.