Teorijski uvod
Elektrohemijska obrada koristi ‘elektrolizu’ za odstranjivanje materijala. Radni komad (anoda) i alat (katoda) se potapaju u jaku elektrolitnu tečnost (npr. rastvor natrijum-hlorida ili natrijum-hidroksida) i povezuju na DC izvor. Primena struje uzrokuje kontrolisanu hemijsku reakciju – atomi metalnog obradka se jonizuju i rastvor preobražava u hidrokside koji se ispiraju (pomoću protoka elektrolita).
Po Faradejevom zakonu, količina uklonjenog metala proporcionalna je prenesenoj električnoj struji (Q = I·t) i karakteristikama materijala. Postupak je takođe bezkontaktan (nema pritiska alata), pa su instrumenti potpuno zaštićeni od habanja . ECM je idealan za obradu veoma tvrđih i egzotičnih metala (Inconel, titanske legure, visokohromski čelik) kojima tradicionalne mašine teško pristupaju.
Osnovni principi:
• Radni komad je anoda (+), alat (oblikovan po suprotnom profilu) je katoda (–).
• Između njih postoji mali raspon (80–800 μm) kroz koji se pod visokim pritiskom uliva elektrolit.
• Pri primeni struje, metalni joni obradka (anode) se rastvaraju u tečnost, napuštajući površinu obradka. Joni se pretvaraju u hidrokside/okside i ispiraju, a fluid se filtrira.
• Postupak se ponavlja sve dok alat, pomerajući se prema komadu (obično konstantnom brzinom), ne oformi željeni oblik.
• Temperatura u zoni rezanja je niska (nema varenja ili nagoretina) pa nema termičkih napona u materijalu.
Namena: Korišćen je za burne operacije na tvrdim materijalima u preciznoj proizvodnji (medicinska industrija, vazduhoplovstvo). Često se primenjuje za bušenje nizova veoma preciznih otvora i za izradu složenih profila delova od legura koje se ne mogu obrađivati glodanjem.
Prednosti:
• Obrada bez mehaničkog pritiska (instrumenti skoro da se ne troše).
• Radni alat samo oblikom oblikuje komad – dozvoljava komplikovane forme (kanali, spirale, konkavne površine) sa visokom preciznošću.
• Velika brzina odstranjivanja kod veoma tvrdih materijala u odnosu na konvencionalne metode (anodna disolucija je efikasna na čeliku sa tvrdoćom HRC > 45).
• Površina ostaje bez mehaničkih napuklina ili stresova (nema termičkih deformacija jer nema iskre i izuzetno se lako hladi tečnošću).
Ograničenja:
• Rad samo sa provodljivim materijalima – elektrolit mora strujiti između anode i katode.
• Visoka potrošnja struje – elektrolit treba da omogući velike struje (često desetine ampera) za brzu obradu.
• Kontrola elektrolita – potrebno je stalno pumpanje svežeg elektrolita da odnosi otopljene čestice (postupak je zahtevan u vidu održavanja i utroška tečnosti).
• Ograničena geometrija – posebno duboke ili uske obrade su složenije jer cirkulacija tečnosti i njeno ispiranje moraju biti dobro organizovani.
Ilustrativan opis postupka
ECM mašina sadrži snažan DC izvor, rezervoar sa elektrolitom (npr. NaCl rastvor), pumpe i kolektore. Radni komad (anoda, +) i alat-elektroda (katoda, –) se fiksiraju i usklađuju tako da alat ima geometriju želenog konačnog oblika. Kada se primeni struja (npr. 10–20 V), između alata i obradka pojavljuju se jonski tokovi u pravcu iz elektrolita (sa katode ka anodi). Metalni atomi obradka se pretvaraju u rastvorljive jone – oni otiču u elektrolit i formiraju hidrokside. Pumpa stalno dovodi svežu tečnost i hvata iskorišćenu. Svaki fluks materijala je tačno proporcionalan provedenoj električnoj energiji (Faradejev zakon). Alat se pomera prema obradku tempom koji odgovara navedenim parametrima (struji i koncentraciji elektrolita), sve dok oblik alata u negativu ne bude izrezan u obradku. Na kraju, isprane supstance ostavljaju čistu, savršeno ocrtanu površinu bez izobličenja materijala.
Praktični zadaci
1. Faradejev proračun: U ECM postupku koristi se čelik (Fe, atomska masa 55.8, valencija 2). Ako je priložena struja I = 50 A tokom vremena t = 60 s, kolika je masa i približna zapremina čelika koja se rastvori? (Koristite Faradejev zakon: m = (I·t·M)/(z·F), gde je F = 96.500 C/mol, zatim m/ρ za volumen. Reš. ~0.87 g ≈ 110 mm³.)
2. Šema i parametri: Za izradu komplikovanog kanala u turbinskoj disku, opišite postavku ECM: koji je radni komad a koji alat, kakva je geometrija elektrode (oblik katode), nivo napona i struje, i kako se održava kontinuitet elektrolita (gde se pumpa, gde otiče).
3. Postupak korišćenja: Pretpostavimo da treba izrađivati dugu šupljinu praga, obris kao kod lasersko sečenih delova. Navedite korake algoritma za kontrolu podataka: izbor brzine hoda alata, prilagođavanje struje u toku obrade i mere bezbednosti (nadgledanje temperature elektrolita, mera), pri čemu nema direktnog mehaničkog kontakta.
Pitanja za proveru znanja
• Koji je oblik reakcije koja odvija materijal u ECM (anodna ili katodna depolarizacija)?
• U ECM postupku, šta nadoknađuje trošenje alata?
• Zašto se u ECM izbegava oštre ivice ili napukline na površini obradka?
• Da li je udaljenost između alata i obradka u ECM fiksna ili varijabilna, i zašto?
• Kako bi se povećao stepen obrade u ECM: povećanjem ukupne struje ili vremenom trajanja procesa?