Pemesinan Elektrokimiawi (ECM): Dasar, Komponen, Keuntungan, Keterbatasan & Penggunaan Industri

Dalam artikel ini, kita akan mempelajari Definisi, Bagian atau Konstruksi, Prinsip Kerja, Keuntungan, Kerugian, Aplikasi Pemesinan Elektrokimiawi secara detail.

Mari kita mulai dengan definisi pertama,

Definisi Pemesinan Elektrokimiawi:

Pemesinan Elektrokimiawi (ECM), dikarakterisir sebagai pemesinan non-tradisional, adalah proses pemesinan canggih, non-kontak, elektrodeksi terbalik (ECM menghapus bahan alih-alih menyetorkannya). Dalam ECM, arus listrik tinggi dilewatkan di antara alat dan benda kerja melalui fluida konduktif. Arus tinggi dan fluida konduktif digunakan untuk mengionisasi dan menghapus atom logam benda kerja sehingga menghasilkan permukaan bebas goresan.

Dalam proses pemesinan konvensional atau tradisional, bahan alat harus lebih keras dari bahan benda kerja. Namun, fitur menonjol dari Pemesinan Elektrokimiawi yang independen dari kekuatan, kekerasan, dan ketawahan bahan benda kerja menjadikannya cocok untuk pemesinan semua bahan konduktif dan juga pemesinan lubang kompleks dalam bahan kekuatan tinggi.

Proses elektrolisis adalah aktivitas paling dasar dari ECM berdasarkan “hukum elektrolisis (elektrodeksi)” yang dirumuskan oleh Faraday pada tahun 1833.

Elektrolisis adalah fenomena kimia yang terjadi di antara dua konduktor yang dicelupkan dalam larutan yang sesuai ketika arus listrik dilewatkan di antara mereka.

Dalam konduktor padat, arus diangkut oleh elektron.

Dalam elektrolit, arus diangkut oleh atom atau sekelompok atom. Atom disebut ion ketika mereka mendapatkan muatan positif atau negatif setelah kehilangan atau mendapatkan elektron masing-masing. Ion positif (kation) tertarik oleh katoda, dalam arah arus positif melalui elektrolit, dan ion negatif (anion) tertarik pada anode.

Pengaturan elektroda dan elektrolit ini disebut sel elektrolitik.

Bagian atau Konstruksi Pemesinan Elektrokimiawi:

Pemesinan Elektrokimiawi terdiri dari bagian utama berikut:

• Power supply
• Electrolyte
• Workpiece
• Tool
• Feed Unit
• Tank
• Workpiece holding table
• Pressure gauge
• Flowmeter
• Flow control valve
• Pressure relief valve
• Pump
• Reservoir tank
• Filters
• Sludge container
• Centrifuge
• Fume extractor
• Enclosure

Power supply:

Tegangan harus dijaga rendah untuk menghindari short-circuit karena jarak di antara alat dan benda kerja rendah untuk keakuratan yang tinggi

Material removal rate ∝ Current density. Oleh karena itu, nilai arus tinggi digunakan untuk proses ECM.

Berikut adalah parameter power supply untuk proses ECM:

1. Sumber daya adalah listrik dalam ECM
2. Tipe: Arus langsung
3. Kapasitas arus: 50 hingga 40.000 A
4. Tegangan dijaga kecil (untuk mencegah short-circuit) : 2- 35 V

Electrolyte:

Elektrolit adalah fluida konduktif dan dipilih dalam paritas dengan elektroda. Beberapa kombinasi elektrolit-elektroda adalah sebagai berikut:

• Sodium chloride (NaCl) pada konsentrasi 20% digunakan untuk legasi ferrous.
• Sodium nitrate (NaNO3) digunakan untuk legasi ferrous.
• Hydrochloric acid (HCl) digunakan untuk legasi Nikel.

Campuran sodium chloride (NaCl) dan sulphuric acid (H2SO4) digunakan untuk legasi nikel.

Campuran 10% hydrofluoric acid (HF), 10% hydrochloric acid (HCl), 10% nitric acid (HNO3) digunakan untuk Titanium.

Sodium hydroxide (NaOH) digunakan untuk tungsten carbide (WC).

Elektrolit harus memiliki properti berikut:

1. Viskositas rendah
2. Toxic dan korosivitas rendah
3. Stabilitas kimia dan elektrokimia untuk tingkat penghapusan bahan yang lebih baik.

3 fungsi elektrolit adalah:

1. Mengangkut arus di antara alat dan benda kerja
2. Menghapus produk dari celah internal elektroda
3. Menghapus panas yang dihasilkan oleh aliran arus.

Parameter elektrolit dalam ECM adalah sebagai berikut:

• Suhu : 20 °C – 50 °C
• Laju aliran: 20 liter/menit per 100 A arus
• Tekanan: 0,5 hingga 20 bar
• Pengenceran: 100 g/l hingga 500 g/l

Work piece:

Benda kerja adalah objek yang harus dimesin dari mana bahan masuk ke dalam larutan. Benda kerja dibuat anode dalam ECM. Tingkat penghapusan bahan atau pemesinan hanya tergantung pada bobot atom dan valensi bahan kerja.

Benda kerja dapat berupa bahan konduktif apa pun dan diisolasi dari sistem sehingga tidak ada kebocoran atau short-circuit arus.

Tool:

Alat digunakan untuk menghapus bahan dari benda kerja. Ia dibuat katoda dan terhubung ke terminal negatif dari power supply. Alat dipilih dan diproduksi dengan memperhatikan properti berikut:

• Konduktor listrik yang baik.
• Cukup kaku untuk menahan beban dan tekanan fluida.
• Kimia inert terhadap elektrolit.
• Mudah dibentuk dan dimesin ke bentuk yang diinginkan.
• Harus diproduksi dengan akurasi yang besar

Lubang yang dihasilkan di benda kerja adalah replika dari bentuk alat. Oleh karena itu, akurasi benda kerja setelah pemesinan secara langsung dipengaruhi oleh akurasi bentuk alat.

Bahan yang tersedia untuk pembuatan alat: Tembaga, Kuningan, Titanium, Tembaga-tungsten, Stainless steel, Aluminium, Grafit, Perunggu, Platinum, Tungsten Carbide.

Bahan ditetapkan pada alat dalam proses ECM. Namun, untuk tujuan industri pemesinan, setoran bahan tidak dihindari dan bahan dalam larutan diangkut oleh larutan elektrolitik.

Alat diisolasi dari sistem sehingga tidak ada kebocoran atau short-circuit arus.

Feed Unit:

Servo motor digunakan untuk memberikan feed yang terkontrol ke alat untuk penghapusan bahan dari benda kerja. Feed rate adalah 0,5 mm/menit hingga 15 mm/menit.

• Tank: Menampung elektrolit di mana alat dan benda kerja direndam.
• Workpiece holding table: Meja pemegang benda kerja memegang benda kerja dengan kuat.
• Pressure gauge: Menunjukkan tekanan di mana elektrolit disuplai ke alat.
• Flowmeter: Menunjukkan laju aliran elektrolit ke area pemesinan.
• Flow control valve: Membantu mengontrol laju aliran elektrolit.
• Pressure relief valve: Valve pembuka tekanan membuka dan mengalihkan elektrolit ke tank jika tekanan naik di saluran pasokan.

Pump:

Pompa membantu mengedarkan elektrolit. Laju pompa dan tekanan di mana elektrolit akan dipompa harus ditentukan sebelumnya tergantung pada aplikasi atau kebutuhan proses.

Oleh karena itu, pompa untuk memompa elektrolit harus ditentukan sesuai.

Reservoir tank: Menyimpan elektrolit.

Filters:

Filter membantu menyaring impuritas yang ada dalam elektrolit yang mungkin menyumbat saluran pasokan.

Filter digunakan untuk menghasilkan ECM yang presisi dengan biaya efektif tinggi dengan menjaga kualitas elektrolit konstan dan menghapus ion toksik yang tersisa dari elektrolit untuk tujuan konservasi kesehatan dan lingkungan.

Sludge container: Menyimpan sludge yang dihasilkan selama pemesinan.

Centrifuge: Sentrifuge adalah perangkat yang menggunakan gesekan sentrifugal untuk memisahkan sludge dari elektrolit.

Fume extractor: Ekstraktor asap adalah perangkat yang menggunakan kipas dengan tarikan negatif untuk menarik asap dan debu keluar dari kotak pelindung.

Enclosure: Seluruh sistem ECM ditempatkan di dalam kotak pelindung sehingga asap beracun yang dihasilkan dalam proses pemesinan tidak mempengaruhi lingkungan dan operator.

Prinsip Kerja Pemesinan Elektrokimiawi:

Misalkan kita contoh pemesinan benda kerja besi. Benda kerja besi dirakit di meja pemegang benda kerja.

Alat didekatkan ke benda kerja. Dua elektroda direndam dalam larutan elektrolitik NaCl (larutan garam dapur).

Katoda (alat) dan anode (benda kerja besi) dihubungkan ke terminal negatif dan positif dari power supply (biasanya sekitar 10 V) masing-masing.

Elektrolit dari reservoir tank dipompa secara berkelanjutan, mengalir melalui lubang di alat, ke celah di antara alat dan benda kerja dengan bantuan pompa sirkulasi.

Sistem feed alat maju menuju benda kerja.

Reaksi pada anode disebut reaksi anodik. Reaksi pada katoda disebut reaksi katodik.

Reaksi dasar untuk elektrolit sodium chloride:

• Disosiasi sodium chloride: NaCl → Na⁺ + Cl⁻
• Disosiasi air: H₂O → H⁺ + OH⁻

Reaksi Katodik: Ion hidrogen mengambil elektron dari katoda (alat) untuk membentuk gas H₂.

• 2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑

Hanya gas H₂ yang dihasilkan pada katoda. Bentuk elektroda tetap tidak berubah selama proses elektrolisis, yang merupakan fitur paling signifikan dari proses ECM.

Reaksi Anodik:

• Besi keluar dari benda kerja (anode) sebagai ion besi
• Fe → Fe⁺⁺ + 2e⁻
• Reaksi dalam elektrolit sodium chloride
• Na⁺ + OH⁻ → NaOH
• Fe⁺⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂ ↓
• Fe⁺⁺ + 2Cl⁻ → Fe(Cl)₂ ↓

Fe(OH)₂, Fe(Cl)₂ menendang sebagai sludge. Benda kerja secara bertahap dimesin untuk memberikan finishing permukaan yang baik dan permukaan bebas stres karena proses pelarutan anodik yang dikontrol ini pada tingkat atom.

Tidak ada keterbatasan atas geometri bentuk alat. Awalnya, jarak di antara alat dan benda kerja tidak rata. Setelah pemesinan, jarak menjadi seragam (0,1 mm hingga 2 mm) di sepanjang seluruh benda kerja dan dipertahankan melalui laju kemajuan alat atau benda kerja yang tepat.

Lebar jarak secara bertahap cenderung menuju nilai steady-state dan dalam kondisi seperti itu, lubang yang dihasilkan adalah replika dari bentuk alat.

Sludge dari tank diambil dan dipisahkan dari elektrolit menggunakan sentrifuge.

Elektrolit, setelah melalui proses filtrasi di filter, kembali diangkut ke reservoir tank untuk dipompa untuk proses pemesinan.

Ini cara kerja pemesinan elektrokimiawi. Sekarang kita akan mempelajari Keuntungan.

Keuntungan Pemesinan Elektrokimiawi:

Berikut adalah keuntungan Pemesinan Elektrokimiawi:

• Bagian dengan lengkungan cekung dan kompleks dapat dihasilkan dengan mudah menggunakan alat cekung dan cembung.
• Geometri yang lebih kompleks dapat dihasilkan menggunakan satu mesin CNC yang terhubung.
• Karena aus alat yang tidak signifikan, alat yang sama dapat digunakan untuk menghasilkan jumlah komponen yang tak terbatas.
• Karena tidak ada kontak langsung di antara alat dan bahan kerja, tidak ada gaya dan stres sisa.
• Finishing permukaan yang sangat baik dihasilkan tanpa kerusakan termal karena pelarutan pada tingkat atom
• Sedikit panas yang dihasilkan.

Kerugian Pemesinan Elektrokimiawi:

Berikut adalah kerugian Pemesinan Elektrokimiawi:

• Elektrolit asam (saline) dapat menyebabkan korosi pada alat, benda kerja, dan peralatan.
• Konsumsi energi spesifik tinggi.
• ECM hanya dapat memesin bahan kerja yang konduktif listrik.
• Tidak dapat digunakan untuk bahan lunak.
• Diperlukan lantai produksi yang luas.
• ECM menimbulkan masalah kesehatan dan lingkungan.

Aplikasi Pemesinan Elektrokimiawi:

Berikut adalah aplikasi Pemesinan Elektrokimiawi:

1. Pemesinan Elektrokimiawi digunakan untuk Die sinking dan hole-contouring operation.
2. Grinding, dengan menggabungkan proses grinding (menggunakan roda gerinda abrasif bermuatan negatif) untuk menghapus bahan. Proses ini juga disebut electrochemical grinding.
3. Memotong lubang, bor yang lebih dalam dan bahkan lubang dengan bentuk tidak beraturan dalam struktur kompleks seperti daun turbin mesin jet.
4. Trepanning (dengan menggunakan elektroda alat dengan lubang) dan mikromesin untuk memproduksi mikrokomponen karena ECM memberikan permukaan bebas stres dan finishing yang baik yang memiliki aplikasi ekstensif dalam Nanofabrication dan nanotechnology.
5. Profiling dan pemesinan profil kompleks seperti daun turbin uap dalam batas yang ketat.

Pemesinan Elektrokimiawi Video: