電解加工（ECM）：運動学、ダイナミクス、作業および工具設計

この記事では、電解加工（ECM）について説明します。-1。電解加工（ECM）の意味と動作2.ECMプロセスの電気化学3.運動学とダイナミクス4.熱とH2気泡の発生の影響5 。表面仕上げに対するECMの影響6.ECMのツール設計7.使用する電解質8.電解加工プラント9.材料に対するECMの影響10.ECMの特性。

コンテンツ：

電解加工（ECM）の意味と働き
ECMプロセスの電気化学
ECMの運動学とダイナミクス
ECMでの熱とH2バブル生成の影響
表面仕上げに対するECMの影響
ECMのツール設計
ECMで使用される電解質
電解加工プラント
材料に対するECMの影響
ECMの特徴

1。電解加工（ECM）の意味と働き：

電解加工は、最も可能性のある型破りな機械加工プロセスの1つです。これは金属加工の新しいプロセスですが、基本的な原理は長い間よく知られていました。このプロセスは、いくつかの変更を加えた電気めっきの逆と見なすことができます。さらに、それは電気分解の原理に基づいています。

金属では、電気は自由電子によって伝導されますが、電解質では、電気の伝導はイオンの動きによって達成されることが確立されています。したがって、電解質を流れる電流は常に物質の動きを伴います。

電気分解の原理は、目的がワークピースに金属を堆積させることである電気めっきに長い間使用されてきました。しかし、電解加工では金属を除去することが目的であるため、ワークピースはプラス端子に接続され、ツールはマイナス端子に接続されます。図6.25は、ワークピースと適切な形状のツールを示しています。ツールとワークの間のギャップは適切な電解液で満たされています。電流が流れると、アノードの溶解が起こります。

ただし、電流密度はギャップに反比例するため、ギャップが小さい場合は溶解速度が速くなり、その逆も同様です。ここで、工具を下向きに動かすと、作業面は工具と同じ形状になる傾向があり、定常状態では、図6.25に示すようにギャップが均一になります。このように、ツールの形状はジョブで再現されます。

電解加工プロセスでは、工具に一定の送り動作が提供されます。電解液は、ツールとツールとワークピースの間の小さなギャップを介して高圧でポンプで送られます。電解質は、アノードが溶解するように選択されますが、カソード（ツール）に堆積は発生しません。電流と電圧の順序は、数千アンペアと8〜20ボルトです。ギャップは0.1〜0.2mmのオーダーです。

一般的な機械では、金属の除去率は約1600 mm ³ です。 1000アンペアごとに/分。 16 x 10 ³ を削除するには、約3kWhが必要です。 mm ³ これは、従来のプロセスで必要とされるエネルギーのほぼ30倍です（もちろん、金属が容易に機械加工できる場合）。しかし、ECMを使用すると、金属の除去率はワークピースの硬度に依存しません。そのため、被削材の被削性が非常に低い場合や、加工する形状が複雑な場合に、ECMが有利になります。

他のほとんどの従来型および非従来型のプロセスとは異なり、ここでは実質的に工具の摩耗はありません。機械加工は電気化学的に行われるため、工具には力がかからないように見えますが、実際には、工具と仕事はギャップ内の高圧流体によって非常に大きな力を受けます。

2. ECMプロセスの電気化学：

電気分解プロセスは、ファラデーによって提案された次の2つの法律に準拠しています。

（i）電流によって生成される化学変化の量、つまり溶解または堆積した材料の量は、通過した電気の量に比例します。

（ii）同じ量の電気によって溶解または堆積したさまざまな物質の量は、それらの化学当量に比例します。定量的な形式では、ファラデーの2つの法則は次のように述べています–

金属体が電解質に沈むと（図6.27）、金属原子は体を離れてイオンになり、イオンは体に移動して原子になります。プロセスは継続的に進行し、平衡が維持されます。金属体（電極）の表面上の点と電解液中の隣接する点との間に電位差が存在します。

この電位差は、電極電位として知られています。電極電位は、電極と電解質の組み合わせによって異なります。 2つの異なる電極（AとB）が浸漬されている場合、共通の電解液に対するAとBの電位が異なるため、これらの電極間に電位差が存在します。この電位差は、電極と電解質によって生成されるセルの起電力（emf）です。これは図6.27で説明されています。たとえば、図6.28aに示すように、Fe電極とCu電極を塩水（台所の塩の水溶液）に浸した場合、電極電位は–

電気分解プロセスの性質は、使用する電解質によって異なります。 ECMがどのように実現されるかを理解するために、電解質として塩化ナトリウムの水溶液を考えてみましょう。電極間に電圧差が印加されると（図6.28b）、アノードとカソードでの反応は-

水は電極から2つの電子を受け取り、その結果、水素ガスが発生し、ヒドロキシルイオンが生成されます。正の金属イオンは陰極に向かって移動する傾向があり、負のヒドロキシルイオンは陽極に向かって引き付けられます。次に、正の金属イオンが負に帯電したヒドロキシルイオンと結合して、水酸化第一鉄を形成します-

この水酸化第一鉄は不溶性の沈殿物を形成します。したがって、この種の電極の金属と電解質の組み合わせでは、アノードが溶解し、H ₂ カソードで生成され、カソードの形状は変更されません。これは、ECMプロセスの電気化学の最も重要な特性です。 ECMの場合、電極と電解質の選択は、どちらの電極でも堆積が起こらないようにする必要があることに注意してください。

金属のグラム当量は、Ž=A / Zで与えられます。ここで、Aは原子量、Zは生成されたイオンの原子価です。これを式（6.20）で使用すると、質量除去率が次の形式で得られます–

アノードが純金属ではなく合金でできている場合、各元素の単位体積を除去するために必要な電荷を考慮することにより、除去率を求めることができます。（電解質に入る対応するイオンの）原子質量と原子価がA ₁の場合、A ₂ 、A ₃ 、…およびZ _1、 Z ₂ 、Z ₃ 、…、それぞれ、合金の組成（重量）はx ₁ 要素1の％、x ₂ 要素2の％、…、次に体積v cm ³ 合金のvρx_iが含まれています / 100グラムのi番目の要素。ここで、ρは合金の全体的な密度（g / cm ³ ）です。。

ボリュームvのi番目の要素をすべて削除するために必要な電荷は次の式で与えられます–

3. ECMの運動学とダイナミクス：

図6.31は、平面と平行な表面を持つ電極のセットを示しています。ワーク（上部電極）は、-y方向（電極表面に垂直）に一定速度ƒで供給されています。

問題は1次元であると見なされ、工具表面からの作業表面の瞬間距離はyと見なされます。被削材が純金属であることを考慮すると、被削材の除去率は式（6.23）で与えられます。過電圧がΔVの場合、電解液を流れる電流の密度は次の式で与えられます–

ここで、Kは電解質の導電率です。ここで、被削材の除去により、ワークの表面は、元の表面に対してQ 'で与えられる速度で（y方向に）後退します。ここで、Q'は、ワーク表面の単位面積。したがって、ワークと工具表面の間のギャップが変化する速度は–

次に、いくつかの基本的なケースを調査します。

ゼロフィード：

コンスタントフィード：

ECMプロセスでは、ギャップが増え続けることは望ましくありません。したがって、実際には、電極には適切な大きさの一定の供給速度が提供されます。したがって、式（6.28）では、ƒは一定です。明らかに、送り速度ƒが金属除去による電極表面の後退速度に等しい場合、ギャップは一定のままです。このギャップ（送り速度に依存）は、平衡ギャップ（y _e）と呼ばれます。）。したがって、平衡ギャップの場合、式（6.28）は次のようになります–

図6.32bは、初期ギャップのさまざまな値に対するy̅対t̅のプロットを示しています。初期状態に関係なく、ギャップは常に平衡値に近づくことがわかります。

表面に傾斜した送り運動：

送り速度ベクトルが表面に対して傾斜している場合（図6.33）、表面に垂直な送りの成分はƒcosθです。この場合、平衡ギャップはλ/（ƒcosθ）で与えられます。

不均一な表面の加工：

凹凸のある作業面にECMをかけると、（他の機械加工とは異なり）表面のすべての部分から金属が除去されます。外側に突き出ている部分（丘）は工具表面に近く、内側に突き出ている部分（空洞）よりも速く加工されます。したがって、ECMプロセスには、凹凸を滑らかにする効果があります。

図6.34に示すように、平衡作業面の位置（y̅=1）は、目的の最終的な作業面と見なすことができます。この望ましい表面からの偏差は、欠陥が谷であるか丘であるかに応じて、無次元の深さまたは高さ（δ̅）によって特徴付けられる欠陥です。 δ=y – y _eなので、

理論的には、欠陥を完全に取り除くには無限の時間がかかります。ただし、実際には、δ̅が事前に割り当てられた許容値を下回るとすぐに、プロセスは終了します。図6.35は、丘と谷がどのように滑らかになっているのかを示しています。

4.熱とH ₂の影響 ECMでのバブル生成：

異なるパラメータと特性は、電極の面全体で均一であると想定されました。しかし、実際には、それは真実ではありません。これらの特性の変化は、機械加工プロセスに影響を与えます。また、電解質の導電率は、（i）電解質温度の上昇、（ii）水素気泡の発生、および（iii）沈殿物の形成により、電解質がギャップを通過するときに変化します。最後の影響はわずかです。

電気の流れにより、電解液の温度が徐々に上昇し、導電率が変化するため、電解液の流れ方向に沿って電流密度が不均一になります。これとは別に、加工中に水素が発生するため気泡が発生します。これらの気泡は電解液によって掃引され、そのような気泡の濃度は電解液の流れの方向に沿って増加する傾向があります。その結果、全体の導電率と電流密度は同じ方向に沿って変化します。これらの結果として生じる効果により、電極間の平衡ギャップが変化します。

5.表面仕上げに対するECMの影響：

一般に、ECMで機械加工された部品には非常に優れた表面仕上げが望まれるため、仕上げが悪くなる可能性を調査することが重要です。

表面仕上げは次の影響を受けます：

（i）選択的解散：

合金では、さまざまな構成要素がさまざまな電極電位を持っています。純金属でも、粒界での溶解ポテンシャルは結晶粒内の溶解ポテンシャルとは異なります。図6.38aに示す作業面（2つの構成要素AとBを含む）を考えてみましょう。この図では、ギャップの両端の電圧プロファイルも示されています。成分Bの溶解ポテンシャル（V _dB ）成分Aの溶解ポテンシャル（V _dA ）。

したがって、ECMを開始するために、表面上の点と隣接する電解質との間に必要な電位差は、V _dAのいずれかである必要があります。またはV _dB 、地域の構成員によって異なります。アノード表面全体が等電位であり、電解質の電位が図のようにギャップ全体で変化するため、Bの粒子の表面は、構成要素Aの表面から離れて突出する必要があります（より低い電位の電解質に会うため）。、V _dB が達成された。したがって、定常状態では、作業面は不均一になり、あまり滑らかではなくなります。

電位勾配が高いほど、ムラが少なくなります。図6.38bは、電位勾配が異なる2つの状況を示していますが、他のパラメーターは同じままです。この図から、電位勾配が高いほど、構成要素Bの粒子の投影の高さが低くなることが明らかです。投影高さの近似式は、次のように導出することもできます。図6.38bから、

（ii）陽極膜の散発的な内訳：

陽極皮膜が散発的に破壊される主な理由は、加工領域から離れた領域で、作業面と電解液の電位差が徐々に低下することです。図6.39は、この領域でのアノードの表面電位の変化を示しています。ここでは、ポイントP _1、まで電位は、すべての相の溶解を引き起こすのに十分です。 P ₁で、利用可能な電位が1つの相の溶解電位を下回るため、アノードは溶解を停止します。

P _1、を超えてアノード表面電位は低下し続け、相の数が増えると溶解が停止し、表面が不均一になります。最終的に、少数の相だけが活性を維持し、溶解すると、活性相がアノード表面の小さな割合を占めるため、電界の集中が生じる。この電界集中により、これらの相は非常に急速に溶解し、図6.39に示すように深いピットを形成します。ポイントP ₂を超えて、アノード表面電位は、溶解が起こらないほど低い値に低下します。

（iii）流れの分離と乱気流の形成：

アノード表面に丘と谷が存在すると、電解液の流れが分離し、渦が形成される可能性があります。主流から分離されたこれらの渦では、高濃度の金属イオンが蓄積する可能性があり、その結果、渦の電位に対して高濃度になります。

これにより、除去率に局所的な変動が生じ、その結果、仕上げ面が不均一になります。丘と谷の存在は別として、流れの分離は、ツールと電解液の流路の不適切な設計によって引き起こされる可能性があります。したがって、ツール内の電解液の流路を設計する際には細心の注意を払う必要があります。

（iv）H ₂の進化ガス：

流れる電解液は、カソードで生成された発生する水素ガスを収集します。 H ₂の存在電解液に含まれると、溶液の比導電率が低下します。この効果は、H ₂として増加します。濃度は下流で増加し続け、全体的な影響は表面仕上げの劣化です。

前述の4つのメカニズムとは別に、表面劣化の原因は他にもいくつかあります。ただし、それらの重要性はそれほど重要ではないため、ここでは説明しません。

6. ECMのツール設計：

ツール設計には2つの主要な側面があります。

これらは次のとおりです：

（i）与えられた加工条件でジョブの望ましい形状が達成されるように工具形状を決定します。

（ii）（i）以外の考慮事項、たとえば、電解液の流れ、絶縁、強度、および固定の配置のためのツールの設計。

ツール形状の理論的決定：

機械加工されたワークピース表面の望ましい形状がわかっている場合、与えられた一連の機械加工条件に対して必要な工具表面の形状を理論的に決定することが可能です。

印加電位、過電圧、送り速度をそれぞれV、ΔV、ƒとします。アノードとカソードの表面間の平衡ギャップは、次のように表すことができます–

電解質フローの設計 ：

熱と機械加工の生成物を運び去り、必要な送り速度で機械加工プロセスを支援し、満足のいく表面仕上げを実現するには、工具とワークピースの間に十分な電解液の流れが必要です。キャビテーション、停滞、および渦の形成は、表面仕上げが悪くなるため、避ける必要があります。基本的なルールの1つは、流路に鋭い角があってはならないということです。流路のすべてのコーナーの半径は、少なくとも0.7〜0.8mmである必要があります。

コンポーネントの初期形状は一般にツールの形状に準拠しておらず、最初はツールの表面に近い領域はごくわずかです。そのような領域に電解質を供給する問題は、通常、流量制限技術によって解決されます。

多くの場合、初期の作業形状が工具形状に一致すると、

電解液供給スロットを備えた工具は製造が簡単ですが、そのようなスロットは作業に小さな隆起を残します。ただし、スロットを十分に狭くすることで、隆起を非常に小さくすることができます。もちろん、スロット幅は適切な流れを提供するのに十分でなければなりません。スロットからの流れはスロットに垂直な方向に起こり、最後の流れは不十分です。したがって、スロットは、図6.43aに示すように、ワーク表面の角の近くで終端する必要があります。

スロットの先端と角の間の距離は少なくとも1.5mmである必要がありますが、幅が0.7〜0.8mmのスロットをお勧めします。ワークコーナーを丸くする場合は、図6.43bに示すようにスロット端を大きくする必要があります。スロットの形状と位置は、表面のすべての部分に電解液の流れが供給され、受動的な領域が存在しないようにする必要があります。図6.44は、スロットの設計に問題があるためにパッシブ領域が存在する2つの状況を示しています。

図6.44aでは、スロットとこの領域の間に外部スペースが存在するため、パッシブ領域は供給を受けていませんが、図6.44bでは、スロットに鋭い曲がりがあるため、パッシブ領域が作成されます（そして、流れがスロットに垂直であるという事実）。正しい設計は図6.45のとおりです。逆流ツールを使用して正確に切断し、優れた表面を生成することもありますが、このプロセスはより複雑で費用がかかるため、一般的にはお勧めしません。

初期作業面が工具形状に適合しない場合の電解液の流れを制御する手法を図6.46に示します。フローリストリクターを配置するための一般的なルールは次のように述べることができます。フローリストリクターは、最初の近接領域（ツールと作業面の間）に隣接している必要があり、流路を大幅に増加させてはなりません。また、電解液の入口または出口の位置にある必要があります。

断熱材の設計：

電解加工が望ましくない工具の領域は、絶縁する必要があります。ダイシンキングでも、漂遊加工を最小限に抑えるために工具を適切に絶縁する必要があります。図6.47は、適切な断熱材がある場合とない場合のECMプロセスを示しています。図6.48は、適切な断熱材がある場合とない場合のダイの沈下を示しています。

絶縁体は丈夫で、工具の表面にしっかりと接着されている必要があります。これは、強化された固体プラスチック材料をエポキシ樹脂セメントとプラスチックネジで通行料に固定することによって提供できます。場合によっては、人工的に酸化された銅の工具表面に合成ゴムコーティングを施すことによって絶縁を行うこともできます。このために、高温の化学酸化溶液が使用されます。絶縁層の境界は、接着層を引き裂く傾向があるため、高速電解液の流れにさらされるべきではありません。

7. ECMで使用される電解質：

ECMの電解質は、次の3つの基本機能を実行します。

（i）電気回路を完成させ、大電流を流す

（ii）必要な電気化学反応を維持する

（iii）発生した熱と廃棄物を運び去る。

最初の機能では、電解質が理想的には大きな電気伝導率を持っている必要があります。 2番目の機能では、電解液がアノードでワークピースの材料が連続的に溶解し、カソードでの金属イオンの放電が発生しないようにする必要があります。一般に、電解質のカチオン成分は、水素、アンモニア、またはアルカリ金属です。アノードの溶解は、高レベルの効率で維持する必要があります。

また、電解質は良好な化学的安定性を備えている必要があります。これらすべてとは別に、電解液は安価で安全で、可能な限り非腐食性でなければなりません。一般的に、無機化合物の水溶液が使用される。表6.4に、さまざまな種類の合金に使用される電解液を示します。

8.電解加工プラント：

電解加工機を設計する際には、いくつかの重要な点に留意する必要があります。これらには、コンポーネントの剛性と材料が含まれます。一見すると、工具と被削材の表面が物理的に接触していないため、加工力はごくわずかに見えますが、適切な状態を維持するために必要な電解液の高圧により、それらの間に非常に大きな力が発生する可能性があります。狭いギャップを通る流速。

したがって、機械は、機械加工される部品の精度を損なう可能性のある工具の大きなたわみを回避するのに十分な剛性を備えている必要があります。温度の変化はまた、ツールとワークピースの間にある程度の相対的な変位を引き起こす可能性があり、設計はそれを処理する必要があります。

腐食を防ぐために、可能な限り、非金属材料を使用する必要があります。強度と剛性が必要な場合は、プラスチックコーティングされた金属を使用する必要があります。ワークピースを保持するために使用される材料は陽極攻撃にさらされており、Tiはその受動性のために最も適しているように見えます。電解液の存在下で異なる金属が接触している場合、特に機械がアイドル状態の場合、腐食が発生する可能性があります。

これを最小限に抑えるために、接触する金属は、電気化学的挙動に大きな違いがないように選択する必要があります。スライドウェイは恒久的に保護することができないため、グリースで厚くコーティングされています。場合によっては、構造全体が電気化学的に高貴になるような方向に小さな電位を印加することによって、腐食保護が提供されることがあります。これは一般に陰極防食法として知られています。

ポンプは補助プラントの最も重要な要素です。一般的にはステンレス製の容積式ポンプ（ギアポンプと同様）が使用されます。電解液のタンク、パイプライン、バルブは通常PVC製です。

9.材料に対するECMの影響：

従来の機械加工プロセスとは対照的に、ECM中の材料の除去はスムーズで穏やかです。その結果、ワークピース表面の最大残留圧縮応力は非常に低くなります。さらに、加工硬化した表面層の深さはごくわずかです。加工硬化した表面層の深さが旋削とフライス盤でそれぞれ約0.5mmと1.5mmの場合、ECMの深さはわずか約0.001mmです。同様に、従来のプロセスで機械加工された表面の残留応力の大きさは、約50 kg / mm ² です。、一方、ECMの場合はほぼゼロです。

これにより、ECMで製造された部品の疲労強度が10〜25％低下します。これは、マイクロクラックの先端がECMによって生成された表面に露出しているためであり、プロセスによって応力のない表面が残るためです。疲労強度を高めるために、いくつかの機械的プロセス（例えば、機械的研磨、ガラスビーズブラスト、および蒸気ブラスト）を使用することができます。