I Рис. 2.17. Схема анодно-абразивного шлифования I

Обрабатываемая деталь I подключается к положительному полюсу источника питания напряжением 6... 12 В, а вращающийся абразивный круг 2 - к отрицательному. Особенность абразивных кругов, применяемых при анодно-абразивном шлифовании, в том, что абразивные зерна 5 находятся в токопроводящей связке 4. Электролит подается из сопла 3 на абразивный круг и увлекается в зону обработки.

При анодно-абразивном шлифовании имеются два характер­ных участка с различным механизмом съема припуска ^ На участке ы_и съем металла осуществляется в результате совместного воздей­ствия анодного растворения, механического резания абразивными зернами и электроэрозионных разрядов. На участке 1_а съем осуще­ствляется только в результате анодного растворения. Точка М яв­ляется границей перехода от комбинированного съема к анодному растворению.

В зависимости от величины подачи V соотношение между ве­личинами припусков, снимаемых комбинированно и анодно, изме­няется. С увеличением скорости подачи увеличивается и величина припуска, снимаемого комбинированно. При этом появляется ис­крение, вызываемое наличием в зазоре стружки, снимаемой абра­зивными зернами. При дальнейшем увеличении скорости подачи пространство между зернами заполняется продуктами шлифова­ния, зазор между связкой круга и обрабатываемой поверхностью уменьшается, и процесс переходит в электроконтаюный. Этот ре­

жим приводит к резкому увеличению износа шлифовального круга и к снижению качества обработки. Предпочтительны режимы, при незначительном искрении которые обеспечивают высокие произ­водительность и качество обработки. Съем металла при анодно­абразивном шлифовании значительно превышает сумму съемов, взятых отдельно при механическом шлифовании и электрохимиче­ской обработке вращающимся электродом-инструментом. При обычном механическом шлифовании вязких материалов, таких как нержавеющие стали, жаропрочные сплавы, сплавы на основе цвет­ных металлов, обрабатываемый материал налипает на абразивные зерна, вследствие чего снижается режущая способность абразив­ных зерен. При этом возрастают усилия резания, повышается тем­пература в зоне резания и появляются прижоги и микротрещины. При анодно-абразивном шлифовании за счет анодного растворения стружки и выделения водорода предотвращается как налипание металла на поверхность зерен, так и заполнение промежутков меж­ду зернами продуктами шлифования. Получаемую разницу в съе- мах можно объяснить именно различными условиями работы абра­зивного зерна при шлифовании, поскольку режущая способность зерен, работающих в режиме анодно-абразивного шлифования, значительно выше, чем зерен того же круга без наложения тока.

Анодно-абразивное шлифование применяется для шлифования плоскостей, тел вращения, фасонных профилей и заточки режущего инструмента по схемам, аналогичным механическому шлифованию. Наиболее полно преимущества этого способа проявляются при глу­бинной схеме шлифования фасонных профилей, снимаемый при этом припуск может достигать 10 мм за один проход. При этом обес­печивается производительность 2ООО...4000 мм /мин, износ круга со­ставляет 2,7-4,7%, время между правками круга 60...80 мин, высота микронеровностей обрабатываемой поверхности 3,5...6,0 мкм.

Разновидностью анодно-абразивной обработки является элек- троалмазное шлифование. В этом случае электродом-инструмен- том служит алмазный диск на металлической связке. По сравнению с обычным алмазным шлифованием электроалмазное обеспечивает большую стойкость инструмента и более высокую производитель­ность. Наиболее широко электроалмазная обработка применяется при заточке твердосплавного режущего инструмента.

Способ анодно-абразивной зачистки литых деталей предло­жен в 1962 г. группой ленинградских инженеров. В основе этого процесса лежит анодное растворение с одновременным удалением продуктов растворения гранулами свободного абразива.

На рис. 2.18 приведена схема анодно-абразивной зачистки. Обрабатываемая деталь 1 вместе с электродом 2 закрепляется на вращающейся планшайбе станка. Межэлектродный зазор заполня­ется электролитом и абразивными гранулами 3.

2

Рис. 2.18. Схема анодно-абразивной зачистки

В результате анодного растворения на поверхность изделия оседает слой продуктов обработки, который препятствует даль­нейшему растворению поверхности. При вращении детали абра­зивные гранулы удаляют этот слой в основном с гребешков микро­неровностей, На оголенных участках снова происходит анодное растворение. Во впадинах слой продуктов обработки сохраняется, и на этих участках растворение не происходит. Из-за различных скоростей растворения на выступах и во впадинах микрорельеф поверхности сглаживается. Съем металла осуществляется только за счет анодного растворения, а абразив оказывает лишь депассиви­рующее воздействие.

Окружная скорость обрабатываемой поверхности детали на­ходится в пределах 10...20 м/мин. При меньших скоростях воздей­ствие абразива на продукты обработки незначительно, при боль­

ших скоростях абразив увлекается поверхностью детали. Для обес­печения равномерного воздействия абразива на все участки обра­батываемой поверхности направление вращения планшайбы пе­риодически изменяется.

В качестве абразива применяют абразивный или керамический бой, а также используют фарфоровые шары диаметром 5...6 мм. Аб­разив должен заполнять 25—40% объема межэлектродного проме­жутка. Межэлектродный зазор составляет 10... 15 мм.

Напряжение на электродах обычно не превышает 24 В. При плотности тока 0,8—1,2 А/см² время обработки составляет 60...80 мин. Шероховатость обработанной поверхности достигает 40—10 мкм после удаления припуска 0,5—0,8 мм. Время анодно-абразивной зачистки не зависит от размеров и конфигурации обрабатываемой полости, а определяется материалом детали и режимами обработ­ки. Поэтому наибольший экономический эффект достигается при обработке крупных деталей сложной конфигурации.

2. Анодно-механическая обработка. Анодно-механическое полирование применяется для отделочных операций деталей, изго­товленных из нержавеющей стали, красной меди и других вязких металлов и сплавов. Обработка происходит в пассивном состоянии.

С хема обработки приведена на рис. 2.19. Полировальная го­ловка 3 оснащена притирами 2, изготовленными из пластмассы или из мягких пород дерева.

Рис. 2.19. Схема анодно-механического полирования

При обработке могут применяться также и абразивные бру­ски. Корпус полировальной головки соединяют с отрицательным полюсом источника, технологического тока, а обрабатываемую де­таль 1 — с положительным. Зазор между полировальной головкой и деталью заполняется электролитом с мелкодисперсным абразив­ным порошком. В процессе полирования головка совершает вра­щательное и осциллирующее движения. Параметры обработки и состав электролита подбираются такими, чтобы образовалась пас­сивная пленка, плотно прилегающая к анодной поверхности и пре­пятствующая дальнейшему растворению (рис. 2.20).

Рис. 2.20. Схема анодно-механического полирования абразивными брусками

Под действием притиров и абразивного порошка, находяще­гося в электролите, эта пленка удаляется с микровыступов. Во впа­динах пассивная пленка сохраняется и препятствует дальнейшему растворению. Оголенные участки вновь подвергаются анодному растворению с образованием пассивной пленки, которая затем уда­ляется притирами. Поверхность после анодно-механического по­лирования имеет зеркальный блеск и высоту микронеровностей = 0,8 мкм.

В качестве электролитов применяются водные растворы фос­форнокислых и азотнокислых солей, абразивными порошками служат окись хрома или корунд.

Анодно-механическое полирование применяется для чисто­вой отделки полостей, наружных и внутренних поверхностей тел вращения. Съем металла незначителен и составляет от десятков микрометров до нескольких сотых долей миллиметра.

Примером описываемого метода является полирование глян- . цовочных листов из нержавеющих сталей площадью 1500x1500 до

высоты микронеровностей Л- < 0,2. Листы обрабатываются в два перехода: предварительный - со свободным абразивом - и оконча­тельный - с окисью хрома. Время обработки в зависимости от со­стояния исходной поверхности составляет от 2 до 4 ч.

4. Технологические показатели электрохимической обработки

Шероховатость поверхности. Формирование микрорельефа поверхности при ЭХО зависит от структуры материала заготовки, от состава, температуры, скорости прокачки электролита, электри­ческих параметров режима. Все эти факторы постоянно изменяют­ся по времени, и процесс анодного растворения в каждой точке протекает по-разному. Отличия могут быть незначительными и практически не влияют на скорость съема металла, но вызывают образование микронеровностей.

Если ЭХО выполняют после механической обработки, то в начале процесса анодного растворения микрорельеф повторяет профиль заготовки. После точения, например, необходимо удалить с помощью ЭХО припуск, в 6... 10 раз больший, чем начальная вы­сота неровностей, пока не перестанет проявляться влияние обра­ботки, предшествующей ЭХО. В дальнейшем при стабильных па­раметрах процесса шероховатость поверхности не меняется. Ха­рактер микронеровностей зависит от структуры обрабатываемого материала. Чаще наблюдается межкристаллитное растравливание, которое и определяет шероховатость поверхности (рис. 2.21). Зерна / металла, как правило, растворяются медленнее, поэтому после удаления материала 2 между зернами возникают углубления размером И.

Рис. 2.21. Схема межкристаллического растравливания

Следует подчеркнуть, что все способы контроля шероховато­сти позволяют оценить только часть углубления, поскольку при ощупывании поверхности иглой не удается достичь крайней точки углубления. Чем мельче зерно, тем меньше глубина межкристал- литного растравливания. Поэтому шероховатость поверхности крупнозернистых сплавов обычно выше, чем у сплавов с мелким зерном. Глубина микронеровностей зависит от плотности тока. Для большинства сплавов с увеличением плотности тока шерохова­тость поверхности снижается.

На рис. 2.22 показано изменение шероховатости никелевого сплава при различной температуре электролита. При плотности то­ка У > 0,15 ... 0,2 А/мм² шероховатость поверхности остается прак­тически постоянной.

Лг, мкм

Рис. 2.22. Схема изменения шероховатости никелевого сплава при различной температуре электролита

При высоких плотностях тока ускоренное растворение спла­вов может наблюдаться не по границам, а по самому зерну, на ко­тором образуются местные углубления, определяющие шерохова­тость поверхности. Чем ниже температура электролита, тем при той же плотности тока меньше высота неровностей, но и ниже ско­рость растворения металла.

В большинстве случаев используются электролиты с темпера­турой 290...310 К. Для обработки титановых сплавов применяются электролиты, нагретые до 320 К, а в случае чистовой обработки (например, нержавеющих сталей) электролит охлаждают до 277 К.

Применение импульсного тока из-за повышения его плотно­сти во время импульса способствует снижению высоты неровно­стей на 20...30% по сравнению с ЭХО при постоянном токе.

При обработке в электролитах на базе хлорида натрия шеро­ховатость поверхности:

• конструкционных сталей Яа = 0,32...0,Ю мкм;

• нержавеющих сталей и сплавов - Яа = 1,25...0,32 мкм;

• титановых сплавов -Яа = 2,5... 1,25 мкм;

• алюминиевых сплавов -Яа = 2,5... 0,63 мкм.

Физические свойства поверхности. После ЭХО в поверхно­стном слое не наблюдается снижения содержания углерода и изме­нения твердости. В отличие от механической обработки после ЭХО отсутствует наклеп. Напряжения в поверхностном слое после ЭХО повышаются вследствие растравливания. Из рис. 2.21 видно, что углубления между кристаллами имеют малый радиус закругления, что способствует концентрации напряжений. Очевидно, что для уменьшения напряжений в поверхностном слое используют те же способы, что и для снижения шероховатости: повышают плотность тока, применяют охлажденные электролиты, используют импульс­ный ток, стабилизируют параметры электролита и его гидродина­мический режим.

Как известно, при анодном растворении заготовки на катоде выделяется водород. Ввиду малого расстояния между электродами он может достичь поверхности заготовки, наводораживая ее. Наво- дораживание повышает хрупкость материала и снижает усталост­ную прочность. Эффект наводораживания поверхности особенно сказывается у титановых сплавов, а стали, никелевые, алюминие­вые сплавы не подвержены ему вовсе. Если обеспечить скорость протекания электролита не ниже расчетной (чего в ряде случаев, к сожалению, не удается достичь), то практически весь водород вы­носится из зазора и наводораживания не наблюдается.

Влияние качества поверхности после ЭХО на механиче­ские свойства материалов. При эксплуатации деталей на них мо­гут воздействовать статические, ударные и знакопеременные на­грузки. Низках шероховатость поверхности после ЭХО (по сравне­нию с механической обработкой) повышает механические свойства материалов. Этому же способствует отсутствие следов инструмен­та на поверхности, более плавный профиль на вершинах выступов, одинаковое качество поверхности во всех направлениях.

Отсутствие же наклепа поверхности от воздействия инстру­мента или его малое значение при комбинированном способе обра­ботки снижает механические показатели, особенно сопротивление усталости. Ухудшают качество поверхностного слоя микрорас­травливания по границам зерен, которые являются концентратора­ми напряжений.

Предел прочности при статических и ударных нагрузках образцов из конструкционных сталей после ЭХО при растяжении, сжатии, кручении и изгибе такой же, как у механически обрабо­танных образцов. Положительно и отрицательно действующие факторы взаимно уравновешиваются, и ЭХО для деталей с такими же видами нагружения можно использовать в качестве финишной операции.

У образцов из сплавов, склонных к межкристаллитному рас­травливанию (никелевых, титановых и др.), предел прочности на растяжение и угол загиба после ЭХО снижаются по сравнению с механически обработанными на 10... 15%, поэтому для деталей вы- соконагруженных конструкций после электрохимической обработ­ки необходимо механически удалять припуск на глубину растрав­ливания. Для никелевых сплавов этот припуск должен быть не ме­нее 0,15 мм, титановых - не менее 0,3 мм. Предел прочности об­разцов из никелевых и титановых сплавов при сжатии и кручении после ЭХО близок к тем же показателям образцов после механиче­ской обработки.

Испытания образцов на ударную вязкость показывают, что их результаты не зависят от сравниваемых видов обработки, поэтому детали после ЭХО можно использовать в конструкциях, работаю­щих при ударных нагрузках.

Сопротивление усталости сплавов определяется при мно­гократном приложении нагрузки, которая по значению может быть намного ниже предела прочности. В материале под воздействием повторяющихся деформаций возникают изменения, в результате чего детали ломаются при сравнительно небольших усилиях.

По значению предела выносливости образцы из конструкци­онных сталей и алюминиевых сплавов после ЭХО близки к шли­фованным образцам. Детали из этих материалов после ЭХО можно использовать в конструкциях, работающих в условиях вибраций, знакопеременных нагрузок. Детали из никелевых, титановых и других сплавов, у которых могут быть растравливания поверхно­стного слоя, имеют пониженное сопротивление усталости. При ис­пользовании таких сплавов в конструкциях, работающих в услови­ях знакопеременных нагрузок, следует удалять слой металла, имеющий растравливание.

Одним из основных методов повышения механических свойств материалов после ЭХО является последующее полирова­ние. Это довольно трудоемкий процесс, используемый обычно для снижения шероховатости поверхности. Для деталей после ЭХО наиболее приемлемо виброполирование, которое позволяет снять растравленный слой и выполнить наклеп поверхности, необходи­мый для получения высоких механических свойств.

ЭХО часто используют взамен точения, фрезерования, долб­ления и других операций, после которых шероховатость составляет &? = 20...40 мкм. В процессе ЭХО шероховатость может быть Яа < 0,3 мкм. Таким образом, после ЭХО высота неровностей за­метно ниже, что способствует повышению сопротивления устало­сти сплавов. Необходимо на стадии проектирования детали учиты­вать возможность снижения сопротивления усталости после ЭХО и компенсировать это снижение уменьшением шероховатости по­верхности.

Полностью восстанавливает усталостные характеристики сплава его упрочнение после ЭХО. Упрочнение выполняется виб­роударным, пневмогидравлическим, дробеструйным и ротацион­ным способами. При этом по сравнению с упрочнением механиче­ски обработанных деталей требуется несколько снизить усилия, время обработки и др.