Подходит ли электролитическая полировка для сложных внутренних конструкций?

一, Основная идея электролитической полировки — это выравнивающее устройство, которое ни к чему не прикасается.
Анодное растворение – это то, что делает электролитическую полировку эффективной. Ключом к успеху является разница в распределении плотности тока. В качестве анода заготовка погружается в электролит. Микровыступы на поверхности растворяются первыми, поскольку плотность тока выше, а впадины растворяются медленнее, поскольку плотность тока ниже. «Теория слизистой оболочки» является основной идеей этого процесса. Там говорится, что ионы фосфата в электролите образуют толстую фосфатную пленку с растворенными ионами металлов. В выступах пленка тоньше и растворяется быстрее, а в впадинах толще и растворяется медленнее. Динамичное движение слизистой выравнивает микрошероховатости поверхности, что со временем делает ее гладкой, как зеркало.
Например, внутренняя сетчатая структура кардиоваскулярного стента из нержавеющей стали 316L имеет ширину всего 0,1 мм, и традиционная механическая полировка может легко привести к поломке или деформации сетки. Электролитическая полировка позволяет сделать поверхность внутренней сетки менее шероховатой, если очень тщательно контролировать плотность тока (15–50 А/дм²) и температуру электролита (60–70 градусов). Он может снизить шероховатость с Ra3,2 мкм до Ra0,05 мкм или ниже без изменения размера стента. Он также избавляет от остаточных напряжений, вызванных механической обработкой, что делает стент более долговечным и более совместимым с телом.
2. Три основных технологических преимущества обработки сложных внутренних конструкций.
1. Глобальный охват без пробелов
Электролитическая полировка может работать в местах, где недостаточно места, потому что она ни к чему не прикасается. Реакционная камера плазменного травления, используемая в полупроводниковой промышленности, имеет десятки тысяч микропор диаметром 0,5 мм и длинные каналы длиной до 500 мм. Чтобы выполнить традиционную механическую полировку, необходимо разобрать полости и обработать каждую деталь специальным оборудованием. Это занимает много времени и легко испачкаться. С помощью системы циркулирующего электролита можно выполнять электролитическое полирование. Это позволяет току равномерно достигать всех поверхностей микроструктуры и полировать их одновременно. Производитель полупроводникового оборудования предоставил практические данные, показывающие, что электролитическая полировка может снизить шероховатость поверхности внутри реакционной камеры с Ra1,6 мкм до Ra0,02 мкм. Он также может снизить количество металлических частиц до менее 5 на квадратный сантиметр, что соответствует стандартам чистоты для 5-нм техпроцесса.
2. Исправляем микроскопические дефекты и улучшаем работу
В процессе производства сложные внутренние конструкции могут иметь такие проблемы, как микротрещины и пористость. Электролитическая полировка позволяет преимущественно удалять материалы из дефектных областей посредством процесса избирательного растворения. Например, авиационные крепежные детали из титановых сплавов после обработки горячим изостатическим прессованием (ГИП) все еще имеют микроотверстия диаметром 0,01–0,05 мм во внутренней резьбе. Электролитическая полировка делает поверхность нитей более гладкой, а регулируя плотность тока (20–30 А/дм²) постепенно растворяет материал по краям микропор, что способствует закрытию пор. После обработки усталостная прочность крепежных изделий возросла на 35%, а их коррозионная стойкость соответствовала классу А стандарта ASTM G48.
3. Групповая обработка и сокращение затрат.
Электролитическая полировка — гораздо более эффективный способ полировки огромного количества сложных деталей. Например, топливная форсунка в системе впрыска топлива автомобиля имеет десятки впрыскивающих отверстий диаметром 0,2 мм и сложные пути потока внутри. Полировка одного куска металла с помощью традиционной механической полировки занимает более 2 часов, и его приходится зажимать и позиционировать несколько раз. Электролитическая полировка использует специальное оборудование и позволяет одновременно полировать от 50 до 100 бензиновых форсунок. Это сокращает время обработки одного изделия до 8 минут и гарантирует, что шероховатость поверхности каждый раз будет одинаковой, в отличие от механической полировки. По данным одной компании, производящей автомобильные детали, электролитическая полировка позволила повысить производительность топливных форсунок с 82% до 98%, что позволяет компании экономить более 2 миллионов юаней в год на доработках.
3. Примеры и данные из отрасли, подтверждающие это.
1. Область медицинских изделий: повышение биосовместимости ортопедических имплантатов
Внутренняя пористая структура искусственных протезов суставов должна удовлетворять требованиям пролиферации остеоцитов, одновременно подавляя бактериальную адгезию. Тщательно регулируя количество фосфорной и серной кислот в смешанном электролите (65–75% фосфорной кислоты и 10–15% серной кислоты), электролитическая полировка позволяет создать пассивационную пленку равномерной толщины на пористых поверхностях. Экспериментальные данные международной медицинской компании показывают, что электролитическая полировка делает протезы тазобедренного сустава из титанового сплава более гладкими, внутренние поры уменьшаются с Ra2,5 мкм до Ra0,3 мкм, снижается бактериальная адгезия на 92% и снижается частота послеоперационных инфекций с 1,2% до 0,15%.
2. Аэрокосмическая отрасль: Повышение жаростойкости лопаток турбин.
Диаметр внутреннего канала охлаждения лопаток турбины авиационного двигателя составляет всего 0,8 мм, а традиционная механическая полировка может легко изменить форму канала, что делает охлаждение менее эффективным. При электролитической полировке используется технология импульсного тока (скважность 30%, частота 1 кГц), чтобы сделать поверхность более гладкой без увеличения размера канала. Оно может варьироваться от Ra1,6 мкм до Ra0,1 мкм. Испытание, проведенное одним производителем авиационных двигателей, показало, что коэффициент теплопередачи внутренних каналов охлаждения обработанных лопаток увеличился на 18% при высокой температуре в 1200 градусов. Общий КПД двигателя увеличился на 2,3%.
4. Проблемы и решения в области технологий.
Электролитическая полировка имеет много преимуществ, когда дело доходит до работы со сложными внутренними конструкциями, но у нее все еще есть две большие проблемы:
Контроль однородности электролита: такие структуры, как глубокие глухие отверстия, могут привести к ухудшению потока электролита, что может привести к различиям в концентрации в разных областях. Ответ заключается в использовании ультразвукового-перемешивания, создании уникальных систем циркуляции и создании новых электролитов с низкой вязкостью и высокой проводимостью (например, добавлением этиленгликоля для улучшения текучести жидкости).
Точный контроль плотности тока: форма заготовки может легко изменить распределение плотности тока в структурах на уровне микрометра. Создав модель цифрового двойника и используя анализ методом конечных элементов (FEA) для моделирования распределения поля тока, можно улучшить конструкцию катода (например, использование формованных катодов, напечатанных на 3D-принтере) и параметры процесса (например, использование технологии градиентной плотности тока), чтобы обеспечить равномерную полировку сложных структур.