Honowanie (gładzenie) zaliczane jest do dokładnościowych obróbek ściernych i wykorzystywane przede wszystkim do obróbki wewnętrznych powierzchni walcowych. Obróbka ta pozwala na osiągnięcie IT4-IT6 klasy dokładności i chropowatości na poziomie Ra0,02÷Ra1,3. Współczesne zastosowanie niejako ogranicza się do obróbki powierzchni walcowych. Jednak formalnie wyróżnia się oprócz gładzenia otworu także honowanie:
• wałka,
• płaszczyzny,
• uzębienia (wstępne i wykańczające).

Uogólniając, celem obróbki honowania jest otrzymanie wysokiej dokładności wymiarowo-kształtowej wraz z określoną kierunkową strukturą i chropowatością, które korzystnie poprawiają współpracę ruchową elementów.

Operacje technologiczne poprzedzające gładzenie

Gładzenie jest obróbką wykańczającą, a więc taką, której zastosowanie wymaga wcześniejszych operacji technologicznych. Honowanie można określać mianem mikroobróbki ze względu na charakter jakościowy związany z uzyskiwanymi dokładnościami wymiarów geometrycznych (tolerancje na poziomie 0,25 μm), błędami kształtu (0,5÷1,0 μm) oraz chropowatością powierzchni. Ten rodzaj techniki wytwarzania (mikroskrawanie) jest wykorzystywany do obróbki zróżnicowanych gabarytowo przedmiotów i rożnych powierzchni (np. powierzchnie wewnętrzne cylindrów w silniku samochodowym, lufa pistoletu).

Podstawowym narzędziem obróbki jest głowica honująca z zamontowanymi osełkami (ilustracja 2a). Stosuje się również gładzenie z wykorzystaniem szczotek honujących (ilustracja 2b).

Osełki do honowania montowane na głowicach wykonuje się jako listwy prostokątne. Jako materiały ścierne wykorzystuje się węglik krzemu, elektrokorund oraz ziarna diamentowe. Spoiwa dla materiałów ściernych stanowią materiały ceramiczne, żywice syntetyczne oraz – dla ziaren diamentowych – metal. Przyjętą zasadą jest, iż do obróbki materiałów twardych stosuje się osełki o mniejszej twardości, a w przypadku obróbki materiałów miękkich osełki twarde. Wyróżnia się osełki:
• zgrubne,
• wykończeniowe,
• polerujące.

Ilustracja 2a: Głowica honująca


Ilustracja 2b: Szczotki honujące FLEX-HONE

Chropowatość powierzchni poddanej obróbce honowaniem z użyciem osełek ceramicznych wynosi Rz0,5÷1,5 μm, a w przypadku osełek diamentowych Rz0,1 μm. W przypadku szczotek do honowania, omówionych w dalszej części, uzyskuje się chropowatość rzędu Ra0,06 (Rz0,3). Honowanie szczotkami umożliwia podwyższenie chropowatości do poziomu Ra2 (Rz8) z zachowaniem struktury plateau.

Smarowanie jest niezbędne
Proces gładzenia wymaga stosowania cieczy smarująco-chłodzących. Zadaniem cieczy jest odprowadzanie energii cieplnej ze strefy procesu obróbki. Dodatkowo wytwarzana jest cienka warstwa filmu smarnego, który oddziałuje na rzeczywiste naciski osełek na powierzchnię obrabianą. Przepływająca pod ciśnieniem ciecz usuwa produkty ścierania się osełki i obrabianego materiału. Pełni też ważną rolę względem narzędzia, zabezpieczając osełki przed zamazaniem.

Jako oleje do honowania stosuje się rożne środki, w tym także w pełni bazujące na roślinności bez udziału ropy naftowej oraz dodatki takie, jak siarka i chlor, które mogą agresywnie oddziaływać na obrabiany materiał.
Oleje na bazie olejów mineralnych stosuje się do obróbki materiałów twardszych (np. stal nierdzewna). Oleje te cechują się lepszymi właściwościami smarnymi i mogą być także wykorzystywane do obróbki rożnych materiałów (np. aluminium, cyrkon). Dodatki do olejów mineralnych modyfikują ich właściwości, dedykując je do konkretnych, zawężonych obszarów aplikacyjnych (np. honowanie w jednym przejściu narzędzia).

Duża ilość olejów zużywanych do honowania wywołuje potrzebę prac rozwojowych w tym zakresie ze względu na wymagania ochrony środowiska naturalnego oraz pracowników (BHP). Opracowano oleje (m.in. AN-863), które bazują na naturalnych czynnikach aktywnych wraz z konserwantami, dodatkiem siarki oraz metalowego dezaktywatora w celu minimalizowania osadzania się zanieczyszczeń stopów miedzi. Do użytku wprowadzono zbliżony olej, lecz całkowicie pozbawiony dodatków, w całości bazujący na naturalnych powierzchniowo czynnych składnikach smarnych. Stosowany jest w przemyśle lotniczym oraz konstrukcjach na potrzeby energetyki jądrowej.

Zastosowanie nieodpowiednio dobranego oleju może skutkować wystąpieniem mikrokorozji (przyczyną są związki siarki i chloru jako dodatków oleju) czy przyklejaniem się usuniętego naddatku do przedmiotu obrabianego (niski współczynnik smarowania, niewłaściwe składniki chemiczne). W takim przypadku chropowatość ulega zwiększeniu i nie uzyskuje się pożądanych efektów jakościowych warstwy wierzchniej, gdyż osełka nie ma możliwości zetknięcia się z powierzchnią przedmiotu obrabianego. Wydajność obróbki maleje, pojawiają się uszkodzenia powierzchni obrabianej (zależy od lokalizacji osadzenia przy przedniej krawędzi osełki) oraz możliwe jest uszkodzenie samych osełek.

Struktura uzyskanej powierzchni
Podczas honowania osełki są dociskane do powierzchni obrabianej mechanicznie, hydraulicznie lub pneumatycznie. Kinematyka ruchów roboczych powoduje, iż na obrobionej powierzchni otrzymuje się zagłębienia skrzyżowane pod kątem. W zakresie długości obrabianego otworu głowica powinna wykonywać skoki robocze, aby minimalizować wystąpienie sytuacji, kiedy ziarno trafiłoby na wcześniej przebytą ścieżkę. Prace doświadczalne wskazały, że roboczy skok głowicy należy dobierać tak, by droga wybiegu osełki poza obszar obrabianej powierzchni nie przekroczyła 1/3 jej długości.

Wspomniane zagłębienia wzajemnie krzyżujące się określa się jako geometryczną strukturę płaskowierzchołkową (tzw. plateau lub szlif krzyżowy). Otrzymane rysy, o różniących się głębokościach, mogą pełnić rolę kanalików smarnych. Taka struktura na powierzchni obrobionej zdecydowanie skraca czas dotarcia współpracujących powierzchni (np. w silniku spalinowym), a dodatkowo zużycie powierzchni również ulega zmniejszeniu.

Nawiązując do silników spalinowych, odporność tulei cylindrów na zużycie znacząco wpływa na okres użytkowania silnika. Podwyższenie odporności tulei na zużycie prowadzi do wydłużenia okresu trwałości pracy silnika. Uzyskuje się to przez mechaniczną obróbkę powierzchni współpracujących i poddawanych tarciu. O ile rysy są nieregularne, to ich rozmieszczenie powinno być regularne. W przypadku gładzenia decyduje o tym profil zastosowanej osełki oraz stała siła nacisku narzędzia na powierzchnię obrabianą.

Opisana powyżej struktura płaskowierzchołkowa nie stanowi jedynej, jaką można otrzymać w wyniku obróbki gładzeniem. Gładzenie jednokierunkowe pozwala na uzyskanie śladów równoległych do osi obrabianego przedmiotu. Równoległa struktura do kierunku ruchu tłoka cechuje się korzystnym zmniejszeniem sił tarcia przy współpracy pary tłok – cylinder. Taki układ nie pozostaje obojętny dla warunków smarowania. Uzyskanie wolniejszego tempa zużywania się współpracujących komponentów stanowi ekonomiczne uzasadnienie stosowania takiego rozwiązania.

Szczotki honujące
Pokazana na ilustracji 2b szczotka honująca to samocentrujące się narzędzie do gładzenia z częścią roboczą z węglika krzemu (lub borazonu czy cyrkonu, ewentualnie diamentową albo ze szlifowanego tlenku glinu) do delikatnego procesu szlifowania. Kulki ścierne szczotki dopasowują się – dzięki elastyczności jej konstrukcji – do obrabianej powierzchni. Podobnie jak w przypadku osełek honujących czy zwykłego papieru ściernego rozróżnia się rożne gradacje ścierniwa.

Szczotki stosowane są do obróbki wykańczającej powierzchni i otworów cylindrycznych, do stępiania krawędzi i obróbki niecylindrycznych otworów oraz do wykonania jednolitych, drobno szlifowanych powierzchni ze zdolnością do przytrzymywania cienkiej warstwy oleju. W przypadku bloków zaworowych stosuje się operację honowania szczotkami przed wytaczaniem narzędziem o ostrzu diamentowym. Pozwala to na wydłużenie okresu trwałości narzędzia diamentowego.

Zaletą tych szczotek jest to, że nie mają kamieni, które ulegają wykruszeniom. Stosowane są w celu uzyskania żądanej mikrogeometrii oraz struktury metalurgicznej warstwy powierzchniowej. W ich przypadku nie istnieje konieczność czasochłonnego nastawiania narzędzia. Szczotki typu Flex-Hone amerykańskiej firmy Brush Research Manufacturing to narzędzie, które można stosować na frezarce, tokarce, a nawet z użyciem elektrycznej wiertarki ręcznej (elektronarzędzia). Ta elastyczność w obszarze aplikacyjnym stanowi zaletę tego typu konstrukcji.

Ilustracja 3: Poglądowo przedstawiony sposób gładzenia otworu głowicą honującą z osełkami


Ilustracja 4: Wpływ obróbki szczotkami honującymi na krawędzie w otworze

Tak jak w przypadku honowania głowicami z osełkami, również w przypadku stosowania szczotek honujących (ilustracja 2b) otrzymuje się powierzchnię typu plateau (geometryczną strukturę płaskowierzchołkową). Obróbka tymi szczotkami to proces szlifowania o niewielkim nacisku narzędzia na powierzchnię obrabianą bez konieczności podwyższania temperatury w strefie roboczej. Proces honowania szczotkami pozwala na otrzymanie struktury bazowej metalu bez zanieczyszczeń powierzchniowych.

Charakter sprężysto-elastyczny szczotek honujących pozwala na dopasowanie się narzędzia do kształtu obrabianej powierzchni, która w związku z tym nie musi być cylindryczna. Obróbce podlegają nie tylko powierzchnie, lecz rownież krawędzie (ilustracja 4), co ze względu na cechy użytkowe i kwestie reologiczne przepływu cieczy, także nienewtonowskich, ma korzystne znaczenie.

Honowanie szczotkami realizowane jest z prędkościami obrotowymi od 600 do 1200 obr./min w zależności od średnicy. Czas obróbki powinien zawierać się w przedziale czasowym od 5 do 60 sekund. Szczotki honujące stosowane są do obróbki w takich obszarach, jak:
• nadanie lepszych właściwości powierzchni cylindrów hydraulicznych, pneumatycznych,
• obróbka cylindrów z otworami poprzecznymi oraz kanałami (obróbka powierzchni i krawędzi),
• obróbka powierzchni współpracujących z uszczelnieniami wałków,
• ukształtowanie powierzchni typu plateau (szlif krzyżowy) w cylindrach silników spalinowych (skrócenie czasu docierania) zarówno na etapie produkcji, jak i przy regeneracji (m.in. poprawa warunków smarnych, również w przypadku broni lufowej), • czyszczenie, polerowanie, usuwanie korozji (m.in. broń lufowa),
• zwiększanie średnicy otworu z korekcją kształtu w zakresie od mikronów do 0,1 mm.

Obróbka gładzenia szczotkami honującymi również wymaga stosowania środka smarnego. Zalecane są oleje pełne o lepkości od 10 do 30 lub chłodziwo w postaci emulsji. Dopuszczalne jest stosowanie smaru w spreju, a w przypadku cylindrów hamulcowych oleju hydraulicznego do hamulców. Nie zaleca się stosowania oleju napędowego, ropy oraz smarów zawierających rozpuszczalniki ze względu na skrócenie okresu trwałości szczotek (szybsze odłupywanie kulek ściernych).

Wysoka dokładność
Honowanie – czy to głowicami z osełkami, czy z zastosowaniem szczotek – stanowi rodzaj obróbki ściernej. Honowanie szczotkami nie jest w stanie zastąpić gładzenia z wykorzystaniem głowicy z osełkami i honownic. Szczotki honujące i ich możliwości uzupełniają i rozszerzają obszar stosowalności tego rodzaju obróbki. Honowanie głowicami pozwala na obróbkę z większymi grubościami warstwy skrawanej. Gładzenie z wykorzystaniem szczotek to naddatek rzędu mikronów, względnie setnych części milimetra. Wymagania co do powierzchni obrobionej nie zawsze wymuszają zastosowanie honowania z wykorzystaniem dedykowanych obrabiarek i głowic z osełkami. Obróbka powierzchni wymaga określonej kinematyki narzędzia, która jest uzyskiwana w obróbce z zastosowaniem obu przedstawionych narzędzi. Honowanie umożliwia osiągnięcie wysokiej dokładności wymiarowej i kształtu obrobionej powierzchni z jednoczesnym uzyskaniem określonych własności warstwy wierzchniej. Powierzchnia obrobiona w porownaniu do szlifowania jest mniej uszkodzona i ma większą gładkość. Uzyskana kierunkowa struktura jest korzystniejsza dla mechanicznej współpracy elementów. Powodem tego jest to, iż w przypadku honowania głowicą z osełkami liczba jednocześnie pracujących ziaren osełki od 100 do 2000 razy przewyższa liczbę ziaren pracujących przy szlifowaniu ściernicą. Prędkość obróbki jest mniejsza i naciski narzędzia na powierzchnię obrabianą są mniejsze niż przy szlifowaniu. Istotną zaletą honowania jest możliwość korygowania błędów kształtu otworu (beczka, klepsydra, niewspółosiowość, owalność, krzywizna osi, stożkowatość, falistość) oraz geometrii powierzchni (np. usuwanie rys wzdłużnych).

Podsumowując, honowanie (gładzenie) charakteryzuje się:
• wysoką wydajnością objętościową,
• prostotą obsługi,
 krótkimi czasami przygotowawczo- zakończeniowymi,
• niezależnością uzyskiwanej dokładności i jakości obróbki od ustalenia przedmiotu obrabianego i dokładności obrabiarki,
• niewielkimi odkształceniami termicznymi.

To czyni z tej metody obróbki bardzo interesującą technikę wytwarzania, która jako obróbka wykańczająca ma sprecyzowany obszar zastosowań.

LITERATURA:

[1] J. Erbel, Encyklopedia technik wytwarzania stosowanych w przemyśle maszynowym, tom II, Obróbka skrawaniem, montaż, OWPW 1993
[2] R. Filipowski, M. Marciniak, Techniki obróbki mechanicznej i erozyjnej, OWPW 2000
[3] M. Marciniak, Elementy automatyzacji we współczesnych procesach wytwarzania, Obróbka, mikroobróbka, montaż, OWPW 2007
[4] Materiały handlowe firmy S.T.M. Systemy i Technologie Mechaniczne Sp. z o.o.
[5] Materiały handlowe firmy Sunnen Polska Sp. z o.o.