predavanje-4 kemijsko glodanje, fotokemijska obrada

1

8. KEMIJSKO GLODANJE

8.1. Uvod u obradu kemijskim glodanjem

8.2. Obradni sustav

8.3. Procesni parametri

8.4. Proces odvajanja materijala

8.5. Točnost i kvaliteta obrađene površine

8.6. Prednosti i nedostaci obrade kemijskim glodanjem

8.7. Primjena obrade kemijskim glodanjem

Mehanička

Erozija

Pneumatski ili

hidraulički tlak

Obrada

abrazivnim

mlazom

Čestice velike

brzine

Ultrazvučna

obrada

Fizički

dodir

Fluid velike

brzine

Obrada

vodenim

mlazom

Mehaničko

konturno

brušenje

Vrsta

energije

Osnovni

mehanizam

Neposredni

izvor

energije

Medija

prijenosa

energije

Proces

Elektro-kemijska Termo-električna

Smicanje

Rezni alat

Pomak iona

Struja velike

jakosti

Elektrolit

Elektro-

kemijsko

brušenje

Elektro-

kemijska

obrada

Obrada

vrućim

klorom

Vaporizacija2 Fuzija

Visoki napon Pojačano

svjetlo

ZračenjeElektroni

EDM EBM

LBM

Ionizirani

materijal

Vrući plin

IBM PBM1 – ablacija – odnošenje2 – vaporizacija – pretvaranje čvrstog ili tekućeg stanja u parno bez kemijske promjene

2

Kemijsko

nagrizanje

Kemijska

Ablacija1

Kemijski

reaktivni

agens

Okoliš

Kemijska

obrada

2

8.1. Uvod u obradu kemijskim glodanjem (CHM)

Kemijska obrada se još naziva i kemijsko jetkanje (nagrizanje). Jetkanje jeodvajanje materijala s nezaštićenih dijelova obratka pomoću mikroskopskihdjelovanja elektrokemijskih ćelija kao što je korozija ili kemijsko razlaganje metala bezdjelovanja vanjskog izvora električne struje.

To je ujedno i najstariji nekonvencionalni postupak obrade. Kemijska obrada setemelji na kontroliranoj kemijskoj razgradnji materijala obratka uslijed kontakta sasredstvom za jetkanje (kemijskog reagensa). Danas se postupak uglavnom koristiza izradu plitkih šupljina kompleksnih oblika u materijalima raznovrsnih tvrdoća ičvrstoća. Kemijska obrada se provodi primjenom dvije osnovne tehnike:

• Kemijsko glodanje (a) • Fotokemijska obrada (b)


Kemijsko glodanje je kontrolirano kemijsko otapanje materijala obratka (visok omjerčvrstoće i težine) u dodiru s jakim reagensom.

Za zaštitu dijela obratka, koji se ne želi kemijski obraditi, koriste se posebne zaštitneprevlake (engl. maskant).

Postupak kemijskog glodanja sastoji se od sljedećih koraka:

1. Priprema površina obratka mehaničkim ili kemijskim čišćenjem kako bi seosiguralo dobro prianjanje zaštitne prevlake za obradak.

2. Prevlačenje obratka zaštitnom prevlakom koja je otporna na kemijsku abrazijutijekom jetkanja ili nagrizanja.

3. Rezbarenje prevlake pomoću posebnih šablona kako bi se otkrila površina koje jepotrebno jetkati.

4. Nakon jetkanja, obradak se ispire, a ostatak prevlake se skida ručno,mehaničkim ili kemijskim putem.

5. Na kraju postupka, obradak se ponovno ispire deioniziranom vodom tesuši dušikom.

4

3

5

ObradakVješalica

Miješalica

Zaštitni premaz Podrezivanje

Grijanje

Hlađenje

Kemijski reagens

Dubina obrade, tj. jetkanja, kontrolira se vremenom djelovanja kemijskog reagensa.Kako bi se izbjegle neravnine tijekom obrade, kemikalija koja prodire u obradakmora biti odgovarajućeg datuma.

Kemikalije su jako korozivne. Kemijsko glodanje je kontrolirano kemijsko otapanjematerijala obratka u dodiru s jakim reagensom.


6

Faktor jetkanja je omjer između dubine podrezivanja, d, i visine jetkanja, T. Ovajfaktor je bitan kod određivanja veličine maske.

Faktor jetkanja 1:1 je uobičajen kod dubine rezanja 1,27 mm. Veća dubina znači imanji omjer, oko 1:3.

Nastali radijus zaobljenja je otprilike jednak dubini jetkanja.


Zaštitni premaz

Dubina

podrezivanja, d

Visina jetkanja, T

Prije jetkanja

Nakon jetkanja

4

7

Nanošenje zaštite

Prvo jetkanje

Odstranjivanje

dijela zaštite

Drugo jetkanje

Prvo i drugo jetkanje

CHM neće ukloniti površinske nepravilnosti, udubljenja, ogrebotine ili valovitost.

Stepeničasti presjek može se dobiti kao na slici, uzastopnim uklanjanjem maske iuranjanjem u kemijsko sredstvo.


8

Konični oblici mogu biti proizvedeni bez nanošenja zaštitnog premaza na izradak.

Kontroliranjem dubine i brzine uranjanja i izranjanja te broja ciklusa dobiva seželjeni konus.

Uranjanje Konstantna brzina

izranjanja

Brzina za stepeničasto

izranjanje


5

8.2. Obradni sustav

9

Oprema za CHM je relativno jeftina i jednostavno se mijenja.

Oprema se sastoji od četiri elementa:

zaštitni premaz

sredstvo za nagrizanje

predlošci za obilježavanje

pribor

Zaštitni premaz se općenito koristi za zaštitu dijelova obratka gdje nije potrebnareakcija kemijskog sredstva.

Najčešće korišteni materijal je na bazi sintetike ili gume.

Svojstva zaštitnog premaza:

Zadovoljavajuća tvrdoća

Dobro prianjanje na površinu obratka

Jednostavna primjena

Inertnost prema korištenim kemijskim reagensima

Otpornost na toplinu generiranu jetkanjem

Lako i jeftino uklanjanje nakon jetkanja

8.2. Obradni sustav

10

Tablica prikazuje različite zaštitne premaze, sredstva za jetkanje, brzinu jetkanja ifaktor jetkanja za nekoliko materijala obradaka.

Obradak Reagens Zaštitni premaz Brzina jetkanja [mm/min] Faktor jetkanja

Aluminij FeCl3NaOH

PolimeriPolimeri

0,013 – 0,0250,020 – 0,030

1,5 – 2,0

Magnezij HNO3 Polimeri 1,0 – 2,0 1,0

Bakar FeCl3CuCl3

PolimeriPolimeri

2,0 2,5 – 3,0

Čelik HCl:HNO3

FeCl3

Polimeri 1,20,025

2,0

Titanij HFHF:HNO3

Polimeri 0,0250,025

1,02

Nikal FeCl3 Polietilen 0,013 – 0,038 1,0 – 3,0

Silicij HNO3:HF:H2O Polimeri vrlo sporo

6

8.2. Obradni sustav

11

Materijal obratkaVećina metala je pogodna za CHM.Neke slitine su problematične, npr. zbog visokog postotka ugljika kontaminira sesredstvo za jetkanje unatoč filtriranju.Silicij ima problem i sa stupnjem jetkanja i adhezijom fotorezistivnog materijala naobradak.Slitine sa sadržajem kobalta, paladijuma ili titanija nisu pogodne za CHM.Postoje dvije metode za pripremu obratka, tj. čišćenje prije CHM.- mehanička i- kemijska.Mehaničko čišćenje obično uključuje neki oblik ispiranja s nekom blagom otopinom. Ova metoda daje dobre rezultate ali nije prikladna za tanke obratke. Nehrđajući čelik debljine 0,013 mm ili bakar debljine 0,05 mm je gotovo nemoguće očistiti bez pojave mehaničkih oštećenja. Ultrazvuk je najprikladniji za ovakvu vrstu pripreme. Za kemijsko čišćenje koristi se blaga kiselina. Metalni tanki obratci se pripremaju u 30% otopini fosforne kiseline uz dodataka nekog sredstva za odmašćivanje i uz lagano zagrijavanje otopine do 45°C.

8.2. Obradni sustav

12

Kemijski reagensiKemijski reagensi koji se koriste za jetkanje su visokokoncentrirane kisele ili lužnateotopine kontroliranog kemijskog sastava i temperature. Imaju sposobnost reagiranja smaterijalom obratka tako da generiraju metalne soli koje se rastapaju u otopini.

Odgovarajuci kemijski reagens mora zadovoljiti sljedece uvjete: dobra površinska obrada materijala koji se obrađuje, jednolikost odstranjivanja materijala, dostupnost i ekonomska isplativost, sposobnost regeneracije ili neutralizacije te zbrinjavanja otpadnih produkata, kontrolirana absorpcija vodika kod obrade titanovih legura.

Vrste reagensa Željezni klorid za željezne metale, bakar, broncu, nikal, aluminij Željezni nitrat za srebro i srebrne slitine i molibden

7

8.2. Obradni sustav

13

Predlošci za obilježavanje

Predlošci za obilježavanje se koriste za definiranje područja koje će biti izloženodjelovanju kemijskog sredstva. Najčešći način je rezanje nožem ili npr. laser vođen CNCupravljanjem.Uzeti u obzir dodatak za iznos faktora jetkanja.

Snaga lasera:

75kW za debljinu

zaštite 400 µm

Zaštićena

površina

Laser

CO2 Laser Leća

Hlađenje zrakom

KonstantnoZaštita

Aluminij

8.3. Procesni parametri

14

Procesni parametri kod kemijskog glodanja su:

vrsta i svojstva kemijskog reagensa,

koncentracija,

radna temperatura,

cirkulacija,

vrsta zaštitnog premaza.

Navedeni parametri izravno utječu na:

1. Faktor jetkanja (d/T)

2. Brzinu obrade

3. Tolerancije proizvoda

4. Kvalitetu obrađene površine

8


15

Učinak odvajanja materijala ili jetkanja ovisi o kemijskim i metalurškim svojstvimaobratka i o temperaturi reagensa. Na slici je prikazana hrapavost u ovisnosti o načinuproizvodnje obratka i materijalu obratka nakon odvajanja materijala debljine 0,25 mmdo 0,40 mm.

lijevanjekovanjevaljanje

Hra

pav

ost

po

vrši

ne,

µm

Mo

libd

en

Alu

min

ijska

leg

ura

Čel

ici

Legu

ra m

agn

ezija

Legu

ra n

ikla

Tita

nij

Tant

alij

Kolu

biju

m


16

Alu

min

ijska

leg

ura

Mo

libd

en

Čel

ici

Legu

ra n

ikla

Brz

ina

jetk

anja

µm

/min

Tita

nij

Tant

alij

Kolu

biju

m

Hra

pav

ost

po

vrši

ne,

Ra

[µm

] HrapavostBrzina jetkanja

Na slici je prikazana hrapavost i brzina jetkanja za neke legure nakon odvajanja materijala debljine 0,25 mm do 0,40 mm.

Alu

min

ijeva

leg

ura

9


17

Kod kemijskog glodanja metal se otapa pomoću kemijske otopine. Ova faza obrade

odvija se i na površini zrna i na granici zrna. Sitnije zrno i homogena metalurška

struktura su neophodni za jednoliku hrapavost obrađene površine.

Površine obrađene kemijskim glodanjem nemaju pravilnu teksturu. Veličina zrna,

usmjerenost zrna, toplinska obrada te zaostala naprezanja utjecat će da svaki materijal

ima specifičnu završnu površinu kao rezultat kemijskog glodanja.

Površinske nepravilnosti kao što su valovitost, udubljenja, ogrebotine, neće biti

eliminirane kemijskim glodanjem.

Brzina odvajanja materijala utječe na hrapavost površine i na tolerancije izratka.

Općenito, sporo jetkanje proizvest će bolju kvalitetu površine.

Kako bi kemijskim glodanjem dobili što bolju površinu potrebno je da obrada bude u

smjeru valjanja ili u smjeru rasta zrna.


18

Dimenzijske tolerancije

Debljina metala (T) Tolerancija

< 0,25 mm ± 0,025 mm

> 0,25 mm ± 10% od T

Minimalni otvor (provrti ili utori)

Debljina metala (T) Minimalna veličina

< 0,10 mm 0,10 mm

> 0,10 mm T

Udaljenost od centra do centra Tolerancija pozicije

± 0,013 mm

Debljina metala (T)Presjek A – A

tipični profil jetkanog ruba s obje strane

Kapica = 20% TMin. unutarnji radijus

R = 1/3 T

Min. vanjski radijusR = 2/3 T Min. širina traka

Debljina metala (T) Minimalna širina

< 0,10 mm 0,10 mm

> 0,10 mm T

10


19

Tolerancija dubine rezanja se povećava ako se obrađuju veće dubine pri većom

brzinama obrade. Aluminijeve i magnezijeve legure mogu se bolje kontrolirati nego

niklove ili titanijeve legure te čelik.

Hrapavost ovisi i o početnoj hrapavosti obratka. Ona se povećava kako raste

koncentracija iona metala u reagensu. Za manje dubine obrade < 200 µm, hrapavost se

povećava s povećanjem dubine rezanja.

Kemijsko glodanje može utjecati na mehanička svojstva obratka ako su na površini

drugačija svojstva nego u osnovnom metalu. Odvajanje ovakvih slojeva mijenja

prosječna mehanička svojstva izratka. Ako je površina prevučena slojem titanijevog

oksida, ili razugljičena i sl. kemijska obrada će promijeniti svojstva.

Najčešći je gubitak zamorne čvrstoće, koja se nakon kemijskog glodanja primjerice

aluminija može vratiti postupkom kugličarenja.

8.6. Prednosti i nedostaci obrade kemijskim glodanjem

20

Prednosti Nedostaci

Moguće je smanjenje težine geometrijski složenih obradaka teško obradivih konvencionalnim postupcima.

Moguće debljine obrade: ploče i limovi do debljine od 12,3 mm, cijevi do debljine stijenke 4 mm i otkivci debljine 6,5 mm

Istovremeno je moguće obrađivati više površina obratka čime se povećava produktivnost

Dugo vrijeme postavljanja i skidanja zaštitnog premaza na obratku

Nema pojave srha Problematično rukovanje i odlaganje kemikalija.

Nema pojave zaostalih naprezanja tijekom obrade, što minimizira distorziju obratak i čini obradu osjetljivih dijelova mogućom.

Potrebna metalurški homogena struktura za bolje rezultate

Kontinuirana koničnost je dostižna i na geometrijski složenim obratcima

Teško se obrađuju uske i duboke površine na obratku

Relativno niska cijena početne investicije vezane za opremu.

Radijus zaobljenja je određen dubinom jetkanja

Promjene u dizajnu obratka su vrlo brzo izvedive Zavari imaju različitu brzinu nagrizanja nego osnovni materijal

Trošak alata je minimalan kao i trošak otpada

Dobra kvaliteta površine, bez pojave srha, eliminira potrebu za završnom obradom.

Moguća je obrada tankostjenih konstrukcija.

11


21

Primjenjiva na većinu metala: bakar, aluminij, cink, čelik, olovo i nikal.Metali kao što su titanij, molibden i cirkonij, i nemetalni materijali kao što su staklo,keramike i neke plastike mogu se također obrađivati kemijskim glodanjem.Veliki raspon veličine obratka, od dijelova avionskih krila do integriranih sklopova čipova.Područje dubine obrade od 2,54 mm do 12,27 mm.

Oktivak

Obrada deformiranjem

Obradak dobiven obradom

odvajanjem čestica

Kritična zona

Završna obrada kemijskim glodanjem

Područja primjene vezana za poboljšanje svojstava materijala:1. Eliminacija alfa faze iz titanijevih otkivaka

i izradaka dobivenih deformiranjem2. Eliminacija razugljičenog sloja kod

niskolegiranih čeličnih otkivaka3. Eliminacija vanjskog sloja kod izradaka

dobivenih obradom EDM4. Uklanjanje oštrih srhova nakon

konvencionalnih postupaka rezanjem5. Priprema površine za nerazorna

ispitivanja penetrantima


22

12

9. FOTOKEMIJSKA OBRADA

9.1. Uvod u fotokemijsku obradu

9.2. Opis procesa

9.3. Primjena

9.4. Prednosti i nedostaci

9.1. Uvod u fotokemijsku obradu

Fotokemijska obrada je varijacija kemijskog glodanja gdje se zaštitna prevlakananosi fotografskim tehnikama. Kemijsko glodanje i fotokemijska obrada koristekemijski reagens za jetkanje materijala.

Fotokemijska obrada je prikladna za obradu folija i ploča raspona debljine od0,013 mm do 1,5 mm. S obzirom na navedeno, ova obrada predstavlja alternativeprešama za probijanje.

Kod kemijskog glodanja, dubina jetkanja se određuje vremenskim periodom unutarkojega je obradak u kontaktu s kemijskim reagensom, dok se kod fotokemijske obradetražena dubina jetkanja postiže vremenskim ograničenjem rada sapnica koje nanosekemijski reagens u obliku spreja na obradak.

24

13

25

9.2. Opis procesa

Modeliranje obratka /CAD

Fotografska obrada

Odabir i čišćenje metala

Fotootporni premaz

Foto alat

Jetkanje

Fotootporna matricana metal

Fotoosjetljivi metal

Skidanje matrice

Gotov proizvod

26

9.2. Opis procesa

Očišćen metal

Fotootporni premaz s obje strane

Svjetlo

Razvijanje

Razvijač nanesen kroz negativ (dvostrano)

Fotografski negativ

Djelomično jetkano

Gotov proizvod

14

9.3. Primjena

Fotokemijskim postupkom obrade obrađuju se sljedeći materijali:

aluminij, bakar, cink, čelik, nehrđajući čelik, olovo, nikal, titan, molibden, staklo,germanij, karbidi, keramika i neke vrste plastike.

Postupak je prikladan i za obradu elastičnih materijala koje je teško formiratiprobijanjem.

Obradak mora biti plosnat kako bi se nakon obrade mogao saviti u željeni oblik.Proizvodi izrađeni fotokemijskom obradom nalaze primjenu u elektroničkim,automobilskim, zrakoplovnim, telekomunikacijskim, kompjuterskim i drugimindustrijama.

27

9.4. Prednosti i nedostaci

Osnovne prednosti korištenja fotokemijske obrade su sljedeće:

preciznost i brzina odstranjivanja materijala su puno veće nego kod kemijskogglodanja,

s obzirom da se obradak priprema za obradu fotografskim tehnikama, vrlo jejednostavna izrada uzoraka te njihovo skladištenje,

vremena obrade tipičnih uzoraka su kraća nego kod konvencionalnih postupakaobrade,

osjetljivi i lomljivi dijelovi malih debljina obrađuju se bez pojava deformacija imotanja materijala.

Nedostaci kod primjene postupka fotokemijske obrade su sljedeći:

potreba za visokoobučenim operatorima,

oprema je skuplja nego kod kemijskog glodanja,

cijeli stroj mora biti zaštićen od korozije uslijed djelovanja kemijskog reagensa.

28

15

10. ELEKTROPOLIRANJE

10.1. Uvod u elektropoliranje

10.2. Parametri procesa

10.3. Primjena

10.4. Ograničenja procesa


Mehaničko poliranje vs. Elektropoliranje

Elektrokemijsko, elektrolitičko poliranje ili elektropoliranje je postupak kojim se možepostići visoki sjaj ili polusjaj. Dijelovi se obrađuju anodno, tj. spajanjem s pozitivnimpolom izvora istosmjerne struje napona 8 V do 24 V u korozivnim vodenim otopinama.Glavni anodni proces je ionizacija metala koja teče brže na mikroizbočinama nego umikro udubinama. Kako otapanje metala teče po Faradayevu zakonu moguća jeregulacija brzine i kakvoće obrade. Kao katode se koriste nehrđajući čelici, grafit, olovo,bakar ili plemeniti metali.

Omjer gustoće struje i napona

AB – mat površina

BC – poliranje

CD – oksidacija

Dubina metala koja se skida

elektropoliranjem 20 µm do 40 µm

30

Oksidacija

Poliranje

Jakost struje - gr

Napon, V

Gu

sto

ća s

tru

je, A

/mm

2

Zaglađivanje

Oksidacija

16


Glavne komponente sustava za elektropoliranje

Obradak koji je spojen u strujni krug istosmjernog izvora struje nalazi se u okruženjukatode koja ima negativni naboj. Medij za elektropoliranje je tekućina tj. mješavinanekoliko različitih kiselina i netopivih soli. Tijekom elektropoliranja anodna površina(obradak) je podvrgnuta kombiniranim učincima oksidacije koji prate elektrokemijskoodstranjenje metala i zasićenje površine s otopljenim metalom.

31

Elektrolit

ObradakNosač

Miješalica

Katoda

Grijač

Izvor struje DC

Shematski prikaz elektropoliranja

32

10.2. Parametri procesa

Na elektropoliranje utječe mnoštvo parametara koji imajuizravan utjecaj na kvalitetu proizvedene površine iproduktivnost procesa, a to su:

Materijal i stanje obratka

Izvorna hrapavost površine

Gustoća struje

Napon

Vrsta kiseline, temperatura i aktivnost

Tijekom elektropoliranja preporuča se uporabaodgovarajućeg elektrolita, održavanje temperature ikemijskog sastava, te opskrba istosmjernom strujomkonstantne jačine.

17

33

10.3. Primjena

Za ekonomično i visokokvalitetno elektropoliranje, hladno valjani obratci su najpovoljnijiodabir.

Lijevani obratci obično sadržavaju teksturu pješčanog kalupa, imaju grubo zrno iuključene legirajuće elemente koji poboljšavaju livljivost (fosfor, olovo, silicij). Takvegrube teksture ne mogu se otkloniti elektropoliranjem, međutim površina može postatiizuzetno sjajna, ali je u konačnici gruba površina.

Područja primjene:

Priprema površine za elektroplatiniranje, stvaranje uvjeta za dobro prianjanje

Poliranje medicinske opreme, opreme za pripremu hrane, elektroopreme.

Uklanjanje srha i oštrih rubova

Metalografska ispitivanja

Uklanjanje sloja na metalu koji ostaje nakon lijevanja ili kovanja

Uklanjanje sloja materijala sa zaostalim naprezanjima što poboljšava vijek trajanjaproizvoda

Mikroobrada metala i različitih legura

Poliranje više elemenata istovremeno

34

10.4. Ograničenja procesa

Ograničenja procesa su:

proces ne može otkloniti nedostatke nastale uslijed nemetalnih uključina u metalu

proces se ne može primijeniti na višefazne legure, u kojima je jedna faza relativnootporna na anodno otapanje

grube ogrebotine se ne mogu otkloniti čak i uz višestruko elektropoliranje

metali koji sadrže visok postotak silicija, olova i sumpora mogu biti problematični

elektropoliranje je više prikladno za uklanjanje male ogrebotine i nesavršenostinego za izravnavanje bilo koju vrste površinske valovitosti

premazi, za razliku od kovanog metala, neće poliranjem postati sjajni i glatki

uvjeti stanja osnovnog metala utječu na elektropoliranje

nemetalni uključci, nepravilna žarenja, veliko zrno, tragovi valjanja i hladnogvučenja imaju za posljedicu loše elektropolirane površine.

predavanje-4 kemijsko glodanje, fotokemijska obrada

Documents