W obróbce elektrochemicznej (ECM) przedmiot obrabiany podłączony jest do dodatniego bieguna źródła prądu elektrycznego, a narządzie-katoda do bieguna ujemnego. W szczelinie miedzy elektrodami płynie elektrolit (prędkość przepływu od kilku do kilkunastu m/s). Materiał z przedmiotu obrabianego usuwany jest w drodze procesów elektrochemicznych po przyłożeniu do elektrod napięcia elektrycznego. Dokładność w obróbce elektrochemicznej uzależniona jest od kształtu elektrody roboczej i rozkładu grubości szczeliny międzyelektrodowej między elektrodą roboczą i przedmiotem obrabianym. W klasycznej obróbce elektrochemicznej prądem ciągłym prowadzenie procesu przy szczelinach poniżej 0,2 mm jest bardzo utrudnione. Wynika to z wielu czynników, a w szczególności z: — nagrzewania się elektrolitu w wyniku przepływu prądu elektrycznego przez ośrodek, — wydzielania sic; fazy gazowej w elektrolicie, — powstawania produktów stałych w elektrolicie, najczęściej wodorotlenków metali, — niskich prędkości przepływu elektrolitu. Z powyższych względów realizacja procesu przy szczelinach poniżej 0,2 mm jest możliwa tylko w bardzo krótkim czasie i wymusza zastąpienie źródła prądu ciągłego źródłem prądu impulsowego (PECM). Zastosowanie prądu impulsowego powoduje, że proces roztwarzania elektrochemicznego znacznie różni się od procesu prądem ciągłym. W pracy opisano zagadnienia związane z obróbką elektrochemiczną impulsową i jej celem było poznanie zjawisk zachodzących w szczelinie międzyelektrodowej, budowa modeli matematycznych do symulacji komputerowej procesu, wyznaczenie podstawowych charakterystyk PECM oraz wyznaczenie granicznych parametrów procesu ze względu na możliwość wystąpienia stanów krytycznych. W rozdziałach 1 i 2 tej monografii przedstawiono charakterystykę procesu roztwarzania elektrochemicznego impulsowego (z odniesieniem do procesów prądem ciągłym), a w szczególności opisano zmiany kształtu powierzchni obrabianej, wpływu hydrodynamiki, pola elektrycznego i zmiany przewodności elektrycznej elektrolitu (wynikające z nagrzewania się elektrolitu i powstawania fazy gazowej) na przebieg procesu. Omówiono korzyści wynikające z zastosowania PECM (zwiększenie dokładności poprzez stosowanie małych szczelin i uproszczenie projektowania elektrody roboczej) oraz jej wady (mniejsza wydajność w stosunku do ECM). Analizę procesu i kierunek badań nad PECM wytyczono na podstawie prac własnych autora, jak i wiedzy dostępnej w literaturze publikowanej W kraju i za granicą, a którą omówiono w rozdziale 3. Liczba publikacji dotyczących zagadnień obróbki elektrochemicznej impulsowej jest duża, ale rzadko kiedy ujmuje całościowo stan wiedzy, co jest zrozumiałe ze względu na złożoność procesów w niej zachodzących. Celem pracy było m. in. uporządkowanie tej wiedzy i stworzenia pozycji traktującej proces całościowo. Ze względu na brak możliwości fizycznej obserwacji i rejestracji procesów zachodzących W szczelinie międzyelektrodowej, jedną z najskuteczniejszych metod wyznaczania warunków panujących w szczelinie międzyelektrodowej jest modelowanie procesu (rozdziały 4-9). W modelowaniu PECM (modele fizyczne i matematyczne) najczęściej zakłada się, że czynnikami wpływającymi najbardziej na zmianę konduktywności elektrolitu są: nagrzewanie się elektrolitu i wydzielanie się fazy gazowej. Wydzielanie się fazy gazowej w niektórych przypadkach może być pominięte lub ujęte w różnorodny sposób. Przedstawione w pracy modele, opisujące zjawiska w szczelinie międzyelektrodowej, podzielono na: bez wydzielania się fazy gazowej (modele termiczne), modele warstwowe i homogeniczne. Wymienione modele zaprezentowane zostały w różnych wariantach obróbki: bez przepływu i z przepływem elektrolitu, bez wymiany i z wymianą ciepła przez elektrody. Dla wybranych modeli matematycznych zbudowano modele numeryczne i algorytmy (rozdział 10). Na ich podstawie zostało wykonane oprogramowanie symulacyjne procesów PECM (rozdział 11). Pozwala ono na wyznaczenie podstawowych charakterystyk procesu, np.: zależności prędkości roztwarzania od grubości szczeliny międzyelektrodowej w czasie pojedynczego impulsu napięcia, jak i ciągu impulsów (pakietów impulsu), wyznaczenie stanów krytycznych procesu, zbadanie możliwości osiągnięcia stanu quasi-ustalonego, wyznaczenie grubości szczeliny międzyelektrodowej W chwili zakończenia procesu - istotnie ważne ze względu na projektowanie kształtu elektrody-narzędzia. Oprogramowanie pozwala na przeprowadzenie symulacji impulsowego kształtowania elektrochemicznego powierzchni krzywoliniowych. W rozdziale 12 przedstawiono warunki i wybrane wyniki badań doświadczalnych. Badania ukierunkowane były głównie na weryfikację modeli matematycznych, jak i na przyszłe zastosowania przemysłowe. Przeprowadzona weryfikacja doświadczalna pozwala wnioskować o przydatności opracowanych modeli matematycznych i oprogramowania komputerowego symulacji PECM do zastosowań praktycznych. W ostatnim rozdziale przedstawiono wnioski ogólne dotyczące zawartych w tej pracy badań. Obróbka elektrochemiczna impulsowa pozwala na kilkukrotne zwiększenie dokładności w stosunku do obróbki prądem ciągłym, pozwala na projektowanie elektrody jako ekwidystanty powierzchni obrabianej, co znacznie upraszcza proces przygotowania technologii i znacznie redukuje jego koszty.
Electrochemical machining (ECM and Pulse ECM) is an important manufacturing technology in machining difficult-to-cut materials and in shaping complicated contours and profiles with high material removal rate without tool wear and without inducing residual stress. From theory and practice of ECM it follows that gap size during ECM should be as small as possible for enhancing shape accuracy and simplifying tool design, and reduction non-uniformity of electrical conductivity and other physical conditions are needed for a more stable gap state. These requirements limit ECM with continuous working voltage performance limited. The minimum practical tool gap size, which may be used, however, is constrained by the onset of unwanted electrical discharges. All these constraints of continuous ECM can be eliminated and the requirements of machining accuracy can be achieved by application of pulse working voltage in pulse electrochemical shaping and smoothing. In the pulse electrochemical machining (PECM) process, a pulse generator is used to supply working voltage pulses across two electrodes, typically in the form of pulse strings consisting of single pulses or grouped pulses. The anodic electrochemical dissolution occurs during the short pulse on-times, each ranging from 0,1 ms to 5 ms. Dissolution products (sludge, gas bubbles and heat) are fiushed away from the inter-electrode gap by the flowing electrolyte during the pulse otf-times between two pulses or two groups of pulses. To intensify the electrolyte fiushing, the tool is retracted from the workpiece to enlarge the gap during the pulse off-times. Gap checking and tool repositioning can also be conducted during these pulse pauses to establish a given gap size before the arrival of the next pulse, leading to a significant reduction in the indeterminacy of the gap and, hence, of the shaping accuracy. With PECM, it is possible to produce complex shapes, such as dies, turbine blades, and precision electronic components, with accuracy within 0,02-0,10 mm. In electrochemical machining, a smaller gap yields better control on dimensional accuracybut the gap size is limited by many factors such as electrolyte boiling point and cleanness of electrolyte. The disturbance from electrolyte flow and tool repositioning errors may also cause process instability when the gap is small. It depends on pressure distribution in the gap during pulse cycle. Material processing by pulse electrochemical machining (PECM) is a complicated process with specific characteristic features. Systematization and substantiation of anodic dissolution in the process of pulse electrochemical machining and the identification of interactions between diiferent phenomena during this process are important for the achievement of maximum accuracy, machining quality and productivity at various technological parameters. Accuracy of electrochemical machining is dependent on the tool electrode shape as well as on width distribution of the gap between the tool electrode and the machined object. In the conventional electrochemical machining, using direct current, the process becomes difficult to continue for the gap width smaller than 0,2 mm. lt results from multiple factors and particularly from: - electrolyte warming during the electric current fiow through the working medium, - gaseous phase separation in the electrolyte, - solid products appearance on the electrolyte, usually metal hydroxides, - low electrolyte flow velocity. The operation with the gap width lower than 0,2 mm is possible only at a very short time span. The replacement of the direct current source by the pulse current source (PECM) is one of the ways to enable operation with very thin gaps so that the accuracy of electrochemical machining is higher (it can be accomplished without the necessity of speeding up the electrolyte flow, which may result in hydrodynamic fiaws of the machined surfaces). It should be noted that the tool elcctrode shape is strictly connected with the machining parameters and with distributions of the above mentioned quantities both along and across the interelectrode gap. Determining the tool elcctrode shape and the respective PECM parameters is very difficult, sometimes because of its very size (in the case of micromachining it can be a few microns). As there is no chance for physical observation and monitoring of the gap phenomena, process modeling (mathematical physical and numerical with computer simulatíon) tums out to be one of the most effective methods for determining the condition of the inter-elcctrode gap. It is usually assumed in PECM modeling that the electrolyte warming and the gaseous phase separation are the most influential factors for the electrolyte conductivity variation. The electrolyte warming cannot be disregarded because it is the in-born process part. The models describing phenomena taking place in the inter-elcctrode gap can be divided into three categories: ones omitting the gaseous phase (thermal-based models), layer-based models and hornogeneous models. Numerical models have been developed for the categories mentioned above, describing different machining variants. Simulation software for the PECM process has been then elaborated as based on the developed numerical models. This software is usefill in determining basic process characteristics such as dissolution speed versus inter-elcctrode gap width during the individual voltage pulse as well as in the course of pulse series (pulse pack), determining the process critical condition, exploring the possibility of achieving the quasi-steady process state, determining the gap width level on the process completion, which is essential for the tool electrode design. The software allows to carry out PECM shaping for free-form surfaces. Experimental validation has been conducted for the selected mathematical models. It has been carried out for a few materials and electrolyte compositions. Basing on the results obtained, it is possible to conclude that these models (as well as the developed software based on them) are suitable for practical applications.
