Химическими называются методы обработки материалов, в которых снятие слоя материала происходит за счет химических реакций в зоне обработки. Достоинства химических методов обработки: а) высокая производительность, обеспечиваемая относительно высокими скоростями протекания реакций, прежде всего отсутствием зависимости производительности от величины площади обрабатываемой поверхности и ее формы; б) возможность обработки особо твердых или вязких материалов; в) крайне малое механическое и тепловое воздействие в процессе обработки, что делает возможным обработку деталей малой жесткости с достаточно высокой точностью и качеством поверхности.
Размерное глубокое травление (химическое фрезерование) является наиболее распространенным методом химической обработки. Этим методом целесообразно пользоваться для обработки поверхностей сложных в плане форм на тонкостенных деталях, получения трубчатых деталей или листов с плавным изменением толщины по длине, а также при обработке значительного числа мелких деталей или круглых заготовок с большим; количеством обрабатываемых мест (перфорация цилиндрических поверхностей труб). Путем местного удаления этим методом из лишнего материала в ненагруженных или малонагруженных можно снизить общий вес самолетов и ракет, не снижая их прочности и жесткости. В США использование химического фрезерования позволило снизить вес крыла сверхзвукового бомбардировщика на 270 кг. Этот метод позволяет создавать новые элементы конструкций, например листы 1 переменной толщины. Химическое фрезерование находит применение также при изготовлении печатных схем радиоэлектронной аппаратуры. В этом случае у панели из изоляционного материала, покрытой с одной или двух сторон медной фольгой, травлением удаляют заданные схемой участки.
Технологический процесс химического фрезерования складывается из следующих операций.
1. Подготовка деталей к химическому фрезерованию для обеспечения последующего плотного и надежного сцепления защитного покрытия с, поверхностью детали. Для алюминиевых сплавов эту подготовку осуществляют: обезжириванием в бензине Б70; легким травлением в ванне с едким натром 45—55 г/л и фтористым натром 45—55 г/л при температуре 60—70° С в течение 10—15 мин для снятия плакированного слоя; промывкой в теплой и холодной водах и осветлением в азотной кислоте с последующей промывкой и сушкой. Для нержавеющих и титановых сплавов подготовку деталей производят путем протравливания для снятия окалины в ванне с плавиковой (50—60 г/л) и азотной (150—160 г/л) кислотами или в ванне с электроподогревом до 450—460° С в едком натре и азотнокислом натрии (20%) с последующей промывкой и сущкой, обезжириванием и легким травлением с повторной промывкой и сушкой.
2. Нанесение защитных покрытий на места обрабатываемой детали, не подлежащие травлению. Его производят путем установки специальных накладок, химически стойких шаблонов прилипающего типа или, наиболее часто, нанесением лакокрасочных покрытий, в качестве которых обычно используют перхлорвиниловые лаки и эмали, полиамидные лаки и материалы на основе не опреновых каучуков. Так, для алюминиевых сплавов рекомендуется эмаль ПХВ510В, растворитель РС1 ТУ МХП184852 и эмаль ХВ16 ТУ МХПК-51257, растворитель Р5 ТУ МХП219150, для титановых сплавов — клей АК20, разбавитель РВД. Для лучшего сцепления этих покрытий с металлом иногда предварительно производят анодирование поверхности. Нанесение лакокрасочных покрытий осуществляют кистями или пульверизаторами с предварительной защитой мест травления шаблонами или путем погружения в ванну; в последнем случае на высушенной защитной пленке производят разметку контура, затем его прорезку и удаление.
3. Химическое растворение производят в ваннах с соблюдением температурного режима. Химическое фрезерование алюминиевых и магниевых сплавов производят в растворах едких щелочей; сталей, титана, специальных жаропрочных и нержавеющих сплавов — в растворах сильных минеральных кислот.
4. Очистка после травления деталей из алюминиевых сплавов с эмалевым защитным покрытием производится промывкой в проточной воде при температуре 50+70° С, отмачиванием защитного покрытия в более горячей проточной воде при температуре
70—90° С и последующим снятием защитного покрытия ножами вручную или мягкими щетками в .растворе этилацетата с бензином (2:1). Затем производят осветление или легкое травление и сушку.
Качество поверхности после химического фрезерования определяется исходной шероховатостью поверхности заготовки и режимами травления; обычно она на 1—2 класса ниже чистоты исходной поверхности. После травления все имевшиеся ранее на заготовке дефекты. (риски, царапины, неровности) сохраняют свою глубину, но уширяются, приобретая большую плавность; чем больше глубина травления, тем сильнее проявляются эти изменения. На качество поверхности влияют также способ получения заготовок и их термообработка; прокатанный материал дает лучшую поверхность по сравнению со штампованным или прессованным. Большая шероховатость поверхности с резко выраженными неровностями получается на литых заготовках.
На шероховатость поверхности оказывают влияние структура материала, размер зерен и их ориентация. Закаленные алюминиевые листы, подвергнутые старению, имеют более высокий класс чистоты поверхности. Если структура крупнозернистая (например, металл отожжен), то окончательно обработанная поверхность будет с большими шероховатостями, неровной, бугристой. Наиболее пригодной для химической обработки следует считать мелкозернистую структуру. Заготовки из углеродистой стали лучше обрабатывать химическим фрезерованием перед закалкой, так как в случае наводороживания при травлении последующий нагрев способствует удалению водорода. Однако тонкостенные стальные детали желательно закаливать перед химической обработкой, так как последующая термическая обработка может вызвать их деформацию. Обработанная химическим фрезерованием поверхность всегда несколько разрыхлена вследствие растравливания, и поэтому этот метод Значительно снижает усталостные характеристики детали. Учитывая это, для деталей, работающих в условиях циклических нагрузок, необходимо после химического фрезерования проводить полирование.
Точность химического фрезерования ±0,05 мм по. глубине и не менее +0,08 мм по контуру; радиус закругления стенки выреза получается равным глубине. Химическое фрезерование обычно производят на глубину 4—6 мм и реже до 12 мм; при большей глубине фрезерования резко ухудшается качество поверхности и точность обработки. Минимальная окончательная толщина листа после травления может составлять 0,05 мм, поэтому химическим фрезерованием можно обрабатывать детали с очень тонкими перемычками без коробления, проводить обработку- на конус путем постепенного погружения детали в раствор. При необходимости травления с двух сторон нужно либо располагать заготовку вертикально так, чтобы дать возможность выделяющемуся газу свободно подниматься с поверхности, либо травить в два приема — 1 сначала с одной стороны, а потом с другой. Второй способ предпочтительнее, так как при вертикальном расположении заготовки верхние кромки вырезов обрабатываются хуже из-за попадающих туда пузырьков газа. При изготовлении глубоких вырезов следует применять специальные меры (например, вибрации) по удалению с обрабатываемой поверхности газа, который препятствует осуществлению нормального процесса. Контроль глубины, травления в процессе обработки осуществляют погружением Одновременно с заготовкой контрольных образцов, непосредственным контролем размеров толщиномерами типа индикаторной скобы или электронными, а также посредством автоматического весового контроля.
Производительность химического фрезерования определяется скоростью удаления материала по глубине. Скорость травления возрастает с повышением температуры раствора примерно на 50—60% на каждые 10° С, а также зависит от вида раствора, его концентрации и чистоты. Перемешивание раствора в процессе травления можно производить сжатым воздухом. Процесс травления определяется экзотермической реакцией, поэтому подача сжатого воздуха несколько его охлаждает, однако в основном постоянство температуры обеспечивается помещением в ванну водяных змеевиков.
Травление методом погружения имеет ряд недостатков — использование ручного труда, частичный пробой защитных пленок на необрабатываемых поверхностях. При обработке ряда деталей более перспективен струйный метод травления, при котором подача щелочи осуществляется форсунками.
Средством повышения производительности химического фрезерования является использование ультразвуковых колебаний с частотой 15—40 кгц; в этом случае производительность обработки увеличивается в 1,52,5 раза — до 10 мм/ч. Процесс химической обработки также значительно ускоряется под воздействием инфракрасного излучения направленного действия. В этих условиях отпадает необходимость в нанесении защитных покрытий, так как сильному нагреву подвергается металл по заданному контуру нагрева, остальные участки, будучи холодными, практически не растворяются.
Время травления устанавливают опытным путем на контрольных образцах. Протравленные заготовки вынимают из травильной машины, промывают в холодной воде и для удаления эмульсии, краски и клея БФ4 обрабатывают при температуре 60—80° С в растворе, содержащем 200 г/л каустической соды. Готовые детали тщательно промывают и сушат в потоке воздуха.
Улучшение условий черновой обработки заготовок резанием путем предварительного удаления корки травлением является другим примером растворяющего действия реактива. Перед травлением заготовки с целью удаления окалины подвергают обдувке песком. Травление титановых сплавов производят в реактиве, состоящем из 16% азотной и 5% фтористоводородной кислот и 79% воды. По данным зарубежной литературы, для этой цели применяют травление в соляных ваннах с последующей промывкой в воде и затем повторным травлением в кислотных травителях для окончательной очистки поверхности.
Химическое воздействие технологической среды находит применение и для улучшения процессов обычного резания; все более широкое применение находят методы обработки материалов, основанные на сочетании химического и механического воздействий. Примерами уже освоенных методов является химико-механический способ шлифования твердых сплавов, химическое полирование и др.
