Gia công điện hóa (ECM – electrochemical machining)

12.5. GIA CÔNG ĐIỆN HÓA
(ECM – Electrochemical Machining)
1. Giới thiệu.
 Gia công điện hoá (ECM): là sự loại bỏ kim loại có điều
khiển bằng sự hoà tan anôt trong một hệ thống điện phân
ở đó phôi là anôt và dụng cụ là katôt. Chất điện phân được
bơm qua khe giữa dụng cụ và phôi, trong khi dòng điện
một chiều đi qua hệ thống với điện áp thấp để hoà tan kim
loại của phôi.


 Mặc dù gia công điện hoá đôi khi áp dụng cho sản xuất
loạt nhỏ, phương pháp này tốt nhất là dùng trong sản xuất
loạt lớn vì chi phí dụng cụ, lắp đặt và chi phí thiết bị cao.
Một máy công cụ 15000 Ampe để gia công kim loại với tốc
độ 25x103mm3/ph có thể có giá 400.000 ÷ 700.000 USD
(không bao gồm thiết bị phụ và các vấn đề phụ trợ khác).
 VD: Nếu sử dụng dung dịch chất điện phân là muối ăn
NaCl, vật liệu gia công là sắt nguyên chất (Fe) thì trong quá
trình gia công điện hoá sẽ xảy ra các hiện tượng sau.


 Trong dung dịch chất điện phân có các ion Cl-, ion OH- sẽ
chuyển động về Anôt (phôi) và các ion H+, và Na+ sẽ
chuyển động về Katôt (dụng cụ).
 Tại Anốt: Fe mất điện tử trở thành ion Fe++, ion Fe++ và có
các phản ứng:
• Fe+++ 2(OH-) = Fe(OH)2 ↓
• Fe+++ 2Cl- = FeCl2
 Tại Katốt:

• H+ + e = H
• H + H = H2
• Na+ + H2O = NaOH + H2


TOOL
Cathode (-)
2H ++2 e = H 2
Gas (H2)
h

Electrolytic
Solution

Fe(OH)2
Fe+2(OH) = Fe(OH)2
Anode (+)

WORKPIECE
Hình 12.5. Sơ đồ nguyên lý - ECM


TOOL

WORKPIECE

TOOL

WORKPIECE

Hình 12.5. Sơ đồ nguyên lý - ECM


Sơ đồ hệ thống ECM


2. Điều khiển quá trình.
 Tốc độ tách bỏ vật liệu trong ECM được điều khiển bởi
định luật Pharaday. Các biến cơ bản tác động đến mật độ
dòng điện và tốc độ tách bỏ vật liệu là:
 Điện áp.
 Tốc độ tiến dao.
 Tính dẫn điện của chất điện phân.
 Lưu lượng chất điện phân.
 Thành phần chất điện phân.
 Vật liệu phôi.


 Điện áp: giữa khe hở gia công ảnh hưởng đến dòng
điện và tốc độ cắt bỏ vật liệu, nó được điều khiển trong
phần lớn các hoạt động ECM, trong gia công điện hoá U ≈
8 ÷ 20V. Tuy nhiên với một điện áp không đổi, dòng điện
cũng phụ thuộc vào trở kháng ở khe hở gia công. Trở
kháng khó điều khiển hơn nhiều vì nó phụ thuộc vào tính
dẫn điện của chất điện phân và chiều rộng của khe hở.


 Tốc độ tiến dao : Ở một điện áp không đổi cả khoảng
hở mặt bên và mặt trước đều tỷ lệ nghịch với tốc độ ăn
dao, ảnh hưởng tác động lên khoảng hở mặt bên khoảng

60%. Khe hở ở mặt trước là hàm của tốc độ tiến dao vì khi
katốt tiến gần anốt với tốc độ cao hơn, khe hẹp hơn dẫn
đến trở kháng giảm. Khi trở kháng giảm, dòng điện tăng do
đó tốc độ gia công tăng đến khi cân bằng được thiết lập.
Tốc độ tiến dao giảm, tốc độ gia công giảm khi khe hở tăng
vì katốt không gần bề mặt phôi. Khi khe hở tăng, trở kháng
tăng và dòng giảm.


Tốc độ tiến dao phụ thuộc vào dạng bề mặt gia công. Tốc
độ tiến dao khi gia công Inconel 718 (hợp kim NiCrFe độ
bền cao) như sau:


 Tính dẫn điện của chất điện phân: ảnh hưởng đến trở
kháng ở khe hở gia công. Việc tăng mức đậm đặc của chất
điện phân sẽ làm độ dẫn điện tăng lên, do đó làm giảm trở
kháng. Nhiệt độ của chất điện môi tăng cũng làm tăng độ
dẫn điện. Vì vậy nồng độ chất điện phân và nhiệt độ của nó
cần được kiểm soát.


 Lưu tốc chất điện phân: là một thông số trong việc điều
khiển quá trình ECM. Nhiệt độ của chất điện phân tăng khi
chẩy qua khe hở gia công phụ thuộc vào lưu lượng. Thêm
vào đó, tốc độ ở đó các bong bóng Hydrô được mang đi do
đó ảnh hưởng đến tính dẫn điện. Điều khiển áp lực là một
phương pháp điều khiển lưu tốc (đặc biệt khi sử dụng bơm
ly tâm). Lưu tốc cũng ảnh hưởng đến mức độ chảy rối của
chất điện phân khi nó đi qua khe hở gia công và điều này

ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt. Lưu tốc cũng phải đủ
lớn để rửa trôi lớp “bùn” sinh ra trong quá trình gia công.


 Vật liệu phôi: vật liệu phôi cũng ảnh hưởng đến tốc độ
tách bỏ vật liệu và mật độ dòng điện. Tốc độ tách bỏ vật liệu
lý thuyết với các kim loại khác nhau được liệt kê ở bảng
sau. Tốc độ này được suy ra từ định luật Faraday.


3. CHẤT ĐIỆN PHÂN:
 Chất này có 3 chức năng trong ECM:
 Truyền dòng điện giữa dụng cụ và phôi.
 Mang các sản phẩm phản ứng khỏi vùng gia công.
 Tản nhiệt tạo ra trong quá trình gia công.
 Chất điện phân phải có tính dẫn điện tốt, ít độc hại và ít
ăn mòn, ổn định về tính chất hoá và điện hoá, có tác dụng
chống ôxi hoá. Phôi nên được hoà tan ở dạng xệt. Chất
điện phân hoạt động tốt hơn khi cấu trúc tinh thể của phôi
nhỏ mịn và khi các thành phần của nó có một tốc độ loại bỏ
kim loại đều hiệu quả.


Chất điện phân dùng trong ECM với vật liệu gia công khác nhau.


3.1. Loại chất điện phân.
 Dung dịch cloric: là chất điện phân hay dùng nhất. Nó có
thể được giữ ở độ mạnh không đổi bằng cách thêm nước
vào để duy trì nồng độ của nó và độ dẫn điện của nó

không đổi với độ PH thay đổi từ 4 đến 13. Trong gia công
ECM phản ứng hoá và điện hoá và sự có mặt của các
hydroxit kim loại có tác động giảm sốc, giữ độ PH trong
phạm vi trung tính 4 đến 10 mà không cần các phương
pháp kiểm soát đặc biệt.


 Chất điện phân cloric natri cũng có vài nhược điểm. Nó
có tính ăn mòn trung bình và tạo ra một lượng lớn chất
kết tủa. Một vài kim loại như vonfram và titan nguyên chất
không thể gia công trong chất điện phân natri cloric. Chất
lượng bề mặt xấu trên bề mặt hợp kim nhôm ở đó có
chứa Silic khi dùng loại chất điện phân này (trong ECM).




Nitrat natri là loại muối được sử dụng độc lập hay kết
hợp với cloric natri trong vài ứng dụng. Nitrat natri cho
chất lượng tốt hơn trên hợp kim nhôm và đồng và ăn mòn
kém hơn cloric natri, nhưng nó đắt hơn và có xu hướng
gây ra tính thụ động trên vài bề mặt làm việc. Phản ứng
điện hoá của nó cũng kém hiệu quả hơn cloric natri.


Chất điện phân không kết tủa.
 Các dung dịch kiềm mạnh (NaOH) được dùng trong gia
công điện hoá các kim loại nặng (như vonfram & môlipden)
và các hợp kim của chúng. Chất này trong chất điện phân
cũng cho tính dẫn điện ổn định cần thiết. Tuy nhiên các hợp

chất mới như Sodium tunstate (Na2WO42H2) và Sodium
molybdate (Na2MoO42H2) hình thành trong quá trình gia
công cần phải kiểm soát quá trình. Kiểu gia công ECM này
được gọi là kiểu phân tích vì muối kiềm bị phân tích trong
quá trình gia công. Các hợp chất mới trong quá trình gia
công tan hoàn toàn trong nước và kết tủa không xảy ra.


Tuy nhiên các kim loại nặng có xu hướng tách khỏi dung
dịch và bám vào katốt. Vì vậy các katốt phải được làm
sạch định kỳ vì lớp phủ này ngăn cản quá trình gia công
chính xác và điều khiển.
 Các chất điện phân là axit mạnh (HCl, H2NO3, H2SO4)
cũng được dùng trong kiểu gia công tan. Các kim loại bị
tách bỏ bằng gia công điện hoá cũng hình thành các chất
mới (như niken cloric, niken nitrat, niken sunfat) tuỳ theo
chất điện phân. Khí hydro cũng được tạo ra trong quá trình
này.


 Các chất mới này trong các chất điện phân axit phải lấy
được ra bằng phương pháp điều chỉnh hay bằng cách thay
thế định kỳ bằng axit không sử dụng. Hiện tượng mạ trên
katốt xảy ra sớm, bám chặt và liên tục. Thường phải đảo
chiều điện áp định kỳ để giữ cho các bề mặt katốt được
sạch. Tuy vậy mức tạp chất trong dung dịch tăng liên tục và
cần phải điều chỉnh chất điện phân.


Chất điện phân kết tủa.

 Bao gồm các hydroxit hay hydrat oxit của kim loại gia
công, nó được tạo ra trong các chất điện phân là các muối
thông thường khoảng 6 ÷ 8 kg chất kết tủa/ 1 kg kim loại
sau khi nén lọc. Dung dịch Natri cloric có thành phần 0,2
kg/ L trở lên nhớt hơn ngay khi lượng kết tủa vượt quá 2 %
khối lượng. Khi khe hở gia công nhỏ hơn hay lưu tốc chất
điện phân lớn hơn cần phải dùng chất điện phân ít nhớt
hơn. Chất điện phân thích hợp nên chứa không qúa 2%
khối lượng chất kết tủa.


Chất điện phân có tới 2% chất kết tủa gần như là dung dịch
sạch. Có ít sự khác nhau trong tính dẫn điện, tốc độ tiến
dụng cụ gia công, chất lượng bề mặt hay sự chính xác gia
công. Dung dịch bẩn có thể đọng nhiều hơn kết tủa trên
cạnh của phôi, phụ thuộc chủ yếu vào lưu tốc của chất điện
phân. Có một vài nguy hiểm khi chất kết tủa có thể kẹt ở
khe hở gia công hay đường chảy của chất điện phân, gây
ra ngắn mạch hay cản trở dòng chảy. Đặc biệt vì lý do này
cần phải dùng chất điện phân sạch.


 Lọc: Việc lọc bằng li tâm và lắng chất kết tủa là các biện
pháp chung để loại bỏ chất này. Thông thường việc lọc
được tiến hành thậm chí với cả hai chất điện phân rẻ nhất
(Natri cloric) hơn là loại bỏ và thay chúng.
 Nồng độ: dung dịch điện phân trong gia công điện hoá
thường ở mức trung gian.

 Tính dẫn điện: của chất điện phân phụ thuộc chủ yếu
vào nồng độ và nhiệt độ của nó. Nó phải được kiểm soát
bởi vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến công suất yêu cầu và tốc
độ tiến dụng cụ gia công. Độ dẫn điện càng cao, tốc độ tiến
dụng cụ gia công càng cao.