Метод применяют для повышения производительности при обработке высокотвердых и вязких материалов на финишных операциях. По производительности процесс ЭАХ на один­два порядка превосходит операции шлифования и алмазного хонингования. Физико­механические характеристики обрабатываемых материалов практически не оказывают серьезного влияния на производительность и качество обработки.

Метод обработки является комбинированным, основан на процессе электрохимического растворения металла и механическом съеме продуктов анодного растворения и основного металла алмазными зернами брусков. Обработка заготовок ведется в протоке электролита. В качестве электролитов используются водные растворы азотной, серной, соляной кислот. Например, 20 % азотнокислого натрия, или 17 % сернокислого натрия, или 15–20 % хлористого натрия, или водные растворы ортофосфорной кислоты.

Обрабатываемая заготовка 1 подсоединяется к положительному полюсу низковольтного (8–12 вольт) источника постоянного тока (Рис. 1), а катод 2, расположенный на головке, – к отрицательному полюсу. Между катодом и заготовкой (анодом) обеспечивается зазор 0,4–0,5 мм, в котором протекает электролит. Алмазные бруски 3 на металлической связке М1 устанавливаются в колодке 5 и изолируются от катода и других частей головки капролоновыми прокладками 4. Алмазные бруски на нетокопроводных силикатных или вулканитовых (резиновых) связках от колодки электрически не изолируются. Бруски крепятся к колодкам с помощью винтов или эпоксидного клея. Головка в процессе обработки совершает, так же как и при обычном хонинговании, вращательное и возвратно­поступательное движение, а подача брусков в радиальном направлении производится непрерывно от механизма разжима. Для снятия остатков продуктов анодного растворения последние 2–3 хода хонинговальной головки выполняются при отключенном источнике постоянного тока.

Рис. 1. Схема процесса электроалмазного хонингования отверстий

При назначении режимов обработки следует различать механические и электрические параметры. К механическим, как и при алмазном хонинговании, относятся: скорость резания, соотношении скоростей вращательного и возвратно­поступательного движения V₀/V_п; давление брусков — Р_бр; расход и давление электролита и Q и Р_э. К электрическим параметрам относятся: величина напряжения на электродах и плотность тока i; величина тока в цепи I; концентрация электролита. Общий объем металла представляется суммой двух составляющих, где Q_ан — величина анодного растворения (разрушения) металла; Q_обр — величина механического (абразивного) съема металла.

Величина анодного растворения находится по закону Фарадея, как Q_ан = η·k·l·T, где η  — коэффициент выхода по току; k — электрохимический эквивалент обрабатываемого материала, г/А/ч; l — величина тока в цепи; Т — время обработки, ч. Электрохимический эквивалент характеризует количество растворенного металла в граммах при прохождении тока в один ампер в течение одного часа.

Процесс анодного растворения считается идеальным и соответствует закону Фарадея, если металл анода растворяется при одной валентности и реакция эта является единственной на аноде. В большинстве же случаев электрохимическому превращению подвергается меньшее количество данного вещества. Отношения, связанные с побочными реакциями, учитываются коэффициентом выхода по току η. При разработке операции электрохимического алмазного хонингования необходимо уяснить, что она предназначена для исправления погрешностей поверхности заготовки (макро­ и микродефектов). При этом желательно снимать величину припуска, примерно равную величине исходной погрешности. Процесс анодного растворения металла происходит по всей поверхности заготовки, непрерывно, тем самым ведет к увеличению величины припуска на обработку. Чтобы этого не было, нужно правильно назначить вид электролита. Электролиты, применительно для электроалмазного хонингования, можно разбить на две группы: сильные и слабые (инертные).

В случае применения сильных электролитов продукты анодного растворения могут удалятся потоком (струей) электролита. Скорость потока составляет не менее 15 м/с. Коэффициент выхода по току приближается к единице, то есть обработка ведется с максимальным коэффициентом полезного действия. Растворение металла происходит независимо от вида дефекта и по выступам макро­ и микронеровностей (с этих участков начинается процесс растворения). Для исправления погрешностей до определенной величины потребуется больший припуск на обработку, а следовательно, и большее время. К сильным электролитам относятся водные растворы солей соляной кислоты (хлористый калий и натрий).

При использовании слабых электролитов продукты анодного растворения не интенсивно удаляются потоком. Для ускорения процесса требуется воздействие абразивного инструмента и механического удаления анодной пленки. Такие электролиты позволяют вести процесс обработки со снятием припуска, равного погрешности отверстия заготовки. Растворение микродефекта в виде впадин не будет происходить из­за образовавшейся анодной пленки, пока абразивные зерна не дойдут до этого места. К таким электролитам относятся водные растворы солей азотной кислоты (азотнокислый натрий и калий). Коэффициент выхода по току в этом случае во многом зависит от скорости движения хонинговальной головки. Чем интенсивнее (чаще) будет удаляться анодная пленка, тем чаще будут вскрываться чистые слои металла и интенсивнее происходить процесс анодного растворения. При этом значительно повышается коэффициент выхода по току, то есть решается задача снижения припуска на обработку и интенсивного исправления исходных погрешностей отверстия заготовки.

 Процессы, происходящие на аноде и катоде, можно представить в виде определенных зависимостей, позволяющих достаточно просто определить данные для эффективного проведения операции. В частности, для конкретного диаметра обрабатываемого отверстия задают параметры используемой хонинговальной головки (начальный межэлектродный зазор, диаметр катода, рабочую поверхность катода, количество брусков, ширину и длину изоляторов катода и др.), а также величины электрических параметров процесса, учитывая используемый электролит.

При электроалмазном хонинговании на коэффициент выхода по току большое влияние оказывает воздействие зерен брусков на анодную пленку или на продукты анодного растворения. С увеличением скорости резания это влияние становится большим, практически можно приблизить величину η к единице для любого инертного электролита. Скорость возвратно­поступательного движения головки ограничена из­за возникновения инерционных нагрузок при реверсе, но значительный диапазон увеличения имеет при варьировании окружной скоростью вращения или головки, или обрабатываемой заготовки.

При обработке на горизонтально­хонинговальных станках заготовок длиной 6­12 м и более с диаметром отверстия 28, 29, 32, 44, 57 из­за громоздкости инструмента (большей длины стебля и головки) не всегда целесообразно увеличивать частоту вращения головки. В этом случае необходимо изменить схему хонингования с кинематикой, обеспечивающей быстрое вращение заготовки при возвратно­поступательном движении невращающегося инструмента. При обработке на вертикально­хонинговальных станках наиболее рациональна схема обработки при жестком креплении хониговальной головки в шпинделе и плавающем креплении обрабатываемой заготовки. Практика применения процесса электрохимического алмазного хонингования показала, что при реализации процесса в зависимости от твердости материала и возможностей используемого оборудования, варьировать можно режимами резания в двух направлениях: снижение давления брусков и увеличение скорости вращательного движения или увеличение давления брусков и снижение окружной скорости (Рис. 2).

Рис. 2. Зависимость режимов хонингования от твердости обрабатываемой поверхности

При электроалмазном хонинговании обработку целесообразно вести при малых давлениях брусков и повышенных окружных скоростях инструмента или заготовки. Алмазные зерна в этом случае будут снимать (удалять) в основном продукты анодного растворения, имеющие низкие физико­механические характеристики. Это способствует снижению нагрузок, деформации заготовки и температуры процесса, становится эффективной обработка тонкостенных высокотвердых цилиндров и цилиндров из высокотвердой металлокерамики марок ВКМ. Повышение окружной скорости только в пять раз (с 45 до 220 м/мин) позволило при обработке азотированных цилиндров из стали З8ХМЮА довести коэффициент выхода по току практически до единицы. Припуск на обработку был минимальный, соизмеримый с величиной исходной погрешности отверстия после азотирования. Снижение погрешности отверстия в виде отклонения от круглости 0,3 до 0,01 мм при хонинговании цилиндров с толщиной стенки 2–5 мм выполняется за 1–1,2 минуты (Рис. 3).

Рис. 3. Исправление овальности отверстия при электрохимическом алмазном хонинговании

Переменный межэлектродный зазор δ_min и δ_max (Рис. 4) обуславливает различную интенсивность анодного растворения, плюс

Рис. 4. Схема распределения межэлектродного зазора при обработке овального отверстия

применяемый инертный электролит не позволяет вести растворение в направлении большего радиуса отверстия, пока алмазные зерна брусков головки не раздвинутся до этой величины. В исправлении погрешности имеет место и чисто механическое резание алмазных зерен. Оно происходит в виде дуг, показанных на схеме (Рис. 4). По мере снятия припуска с азотированной поверхности снижается твердость поверхности отверстия заготовки (Рис. 5), а это уже во многом влияет на износостойкость и ресурс работы изделия. Твердость поверхности HV 1100–1200 на периферии отверстия, а при снятии припуска порядка 0,6 мм (исправление погрешностей на сторону 0,3 мм) твердость поверхности НV составит всего 650–700 единиц. Для повышения срока эксплуатации изделий необходимо снизить величину снимаемого азотированного слоя. Это будет возможным, если операция чистового растачивания ГО выполняется с отклонением размеров в пределах 0,02–0,05 мм.

Рис. 5. Изменение твердости по глубине азотированного слоя

Как пример, эффективность процесса размерного электроалмазного хонингования доказывает опыт обработки отверстий цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Такие цилиндры диаметром 180 мм и длиной 330 мм имеют высокую твердость обрабатываемой поверхности и переменную жесткость по длине (колебание толщины стенки от 5–8 до 2–3 мм по длине). По обычной технологии обработка цилиндров включает три операции: внутреннее шлифование (предварительное и чистовое) и операцию размерного абразивного хонингования. Общее время составляет более 20 мин.

Был использован модернизированный вертикально–хониговальный станок. Схема обработки: жесткое крепление головки в шпинделе и плавающее крепление заготовки в приспособлении с резиновой диафрагмой (Рис. 6).

Рис. 6. Приспособление для электроалмазного хонингования цилиндров - приспособление с резиновой диафрагмой

На поверхности диафрагмы 2 размещались в пазах медные полосы 5, которые при подаче сжатого воздуха в диафрагму прижимались к наружной поверхности заготовки 1 и обеспечивали контакт с положительным полюсом источника постоянного тока. От стола приспособление изолируется текстолитовым диском 6. Приспособление имеет две позиции: загрузочно­разгрузочную и рабочую. Фиксация поворотного приспособления осуществляется фиксатором 3, раскрепление – с помощью рукоятки 4. Крутящийся момент и осевое усилие, возникающие при хонинговании, воспринимаются диафрагмой и пластинами. Подвод тока к приспособлению производится через гибкий токопровод.

Инструмент — шестибрусковая хонинговальная головка. Бруски алмазные 150х12х89х5х3, АСР 250/200; 100 % концентрации, на связке М1. Электролит — водный раствор, содержащий азотнокислого натрия — 20 %, азотистокислого натрия — 0,3 %, дибутилнафталин сульфаната (или замена — жидкое мыло) — 0,5 %. Расход электролита — 100 л/мин, давление электролита 0,2–0,3 мПа. Режим обработки: окружная скорость головки 220 м/мин (~400 об/мин), возвратно­поступательная скорость головки — 15 м/мин, давление брусков — 0,2МПа, что соответствовало величине радиальной подаче брусков на сторону 0,0005 мм. Ход головки — 300 мм (длина перебега головки в верхнем и нижнем положении принята одинаковой, в силу малых значений давлений брусков, равной 60 мм). Начальный межэлектродный зазор δ=1,0 мм. Длина катода — 200 мм. Напряжение на электродах — 6 вольт. Источник постоянного тока ИПП — 15000/6. Опыт показал, что при использовании электроалмазного хонингования основное время обработки составило 2,4 мин. При этом получены: диаметр отверстия 179,98^+0,02; погрешность геометрической формы 0,003­0,005 мм; шероховатость поверхности Ra=0,З2 мкм.

Для реализации процесса электроалмазного хонингования на горизонтально­хонинговальных станках тоже требуется их модернизация. Она (Рис. 7) заключается в оснащении гидростанцией для подачи электролита, устройствами для подвода тока к заготовке и инструменту, источником постоянного тока, системой очистки электролита, вытяжным устройством для отвода водорода, выделяющегося вовремя обработки. Емкость под электролит желательно выполнять из нержавеющей стали, насосы ставить коррозионностойкие.

Рис. 7. Схема модернизации горизонтально-хонинговального станка для электрохимического хонингования: 1– насос для подачи электролита; 2 – деталь; 3 – хонинговальная головка; 4 – контактное устройство для подачи тока на деталь; 5 – выпрямитель; 6 – кожух приема электролита; 7 - стебель

Очистку электролита осуществлять с помощью центрифуг и магнитных сепараторов. Источник постоянного тока типа мотор–генератор или выпрямители низковольтные (на 6–12 вольт), на большую величину тока, от 5–15 до 25–50 кА в зависимости от типа размеров обрабатываемых в заготовках.

Рис. 8. Конструкция щеточного устройства

При проектировании щеточных устройств (Рис. 8) необходимо исходить из максимальной величины тока в цепи, создаваемой источником постоянного тока. Тип щеток можно рекомендовать марки МГ (медно­графитовые) с допустимой токовой нагрузкой 20 А/см². Расчетная зависимость для определения числа щеток имеет вид:

n_щ=I_max/i_щ•S_щ,

где n_щ — количество щеток в устройстве; I_max — максимальная величина тока в цепи; i_щ — допустимая токовая нагрузка щетки; S_щ — сечение щетки. Для подвода тока величиной в 5000 А при сечении щетки 50 мм•20 потребуется nщ=5000/20•10=25 щеток

 Стебли (Рис. 9) для соединения хонинговальной головки со шпинделем выполняются специальной конструкции со вставками медными в корпус металлического стебля или изготавливаются из высокопрочных медных сплавов, имеющих низкое омическое сопротивление. В конструкции хонинговальных головок применяются в основном неподвижные (жестко соединенные с корпусом головки) катоды. Это вполне допустимо на операции размерного хонингования при снятии припусков порядка 0,3–0,4 мм. При больших величинах снятия припуска (до 1–2 мм и более) целесообразно применять раздвижные катоды, соединяемые с колодками брусков или имеющие свой механизм раздвижения. Поддержание определенного межэлектродного зазора позволит вести процесс растворения металла с постоянной скоростью (интенсивностью). Технология выполнения операции электрохонингования такая же, как и для алмазного хонингования. Особенность только в подключении и отключении тока. Подача напряжения на электроды производится после подачи электролита, включения вращения и подачи хонинговальной головки.

Рис. 9. Конструкция стебля для электро-алмазного хонингования

При обработке стали 38ХМЮА с использованием электролита на основе водного раствора азотнокислого натрия образуется анодная пленка, которая представляет собой черный налет на поверхности. Он легко удаляется алмазными зернами брусков. После выполнения операции необходима промывка заготовки, просушка и смазка салом или жиром для предотвращения коррозии. Режимы обработки высокотвердых стальных поверхностей в зависимости от кинематики процесса следующие: скорость резания 50–150 м/мин. Значения скоростей определяются возможностями оборудования; меньшее значение может быть выполнено для случая медленного вращения заготовки (5–10 об/мин) и быстрого вращения головки, определяющей в основном скорость резания; большое значение — для варианта быстрого вращения заготовки и инструмента или даже без вращения инструмента, с перемещением невращающейся хонинговальной головки. Для исключения неравномерного износа брусков желательно по возможности медленное вращение инструмента:

скорость возвратно­поступательного движения головки — 20–25 м/мин;

давление брусков: для размерного хонингования – 0,1 Мпа;
для отделочного – 0,04–0,06 МПа;

величина межэлектродного зазора 0,4–0,5 мм;

расход электролита 100–150 л/мин;

давление электролита 0,3–0,4 МПа;

напряжение на электродах 8–2 вольт.

При электроалмазном хонинговании цилиндра штангового погружного насоса диаметром 44,45^+0,05 из стали марки 32 Х2МЮА, азотированного, длиной 5500 мм съем припуска в 0,5 мм производится при напряжении 8 вольт, межэлектродном зазоре 0,1 мм, на 20 % водном растворе азотнокислого натрия при скорости резания 115 м/мин за 6 мин. Источник постоянного тока ИПП 15000/6. Время обработки составляло около 40 мин. В данном случае обработка обеспечивала размер 44,45^+0,05 и шероховатость поверхности Ra=0,32 мкм с исключением операции отделочного хонингования.

И.Ф. Звонцов
П.П. Серебреницкий