CN101716748A - 一种硬脆难加工材料的在线电解修锐高速深磨磨削方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硬脆难加工材料的在线电解修锐高速深磨磨削方法，首先对砂轮进行整形，然后进行电解预修锐，由于形成绝缘氧化膜，电解电流逐渐减小直至一常数；再进行机械修锐，去除氧化膜，恢复电解电流；这两个过程循环进行，直至砂轮磨粒的突出高度达到最佳值为止。然后，利用本发明所建立的数学模型来设置电解参数，以取代氧化膜来调节砂轮的电解去除结合剂材料与砂轮磨粒摩擦磨损的动态平衡，并对工件进行在线电解修锐高速深磨磨削，直至电解电流稳定，这表明进入了稳定磨削阶段。该磨削方法磨削过程中的比磨削力较低，工件表面粗糙度较好、工件微观表面质量良好，并可实现在线电解修锐进程的自适应调节，砂轮能始终处于最佳切削状态。

Description

一种硬脆难加工材料的在线电解修锐高速深磨磨削方法

技术领域

本发明涉及一种在线电解修锐高速深磨磨削方法，具体为一种硬脆难加工材料的在线电解修锐高速深磨磨削方法。

背景技术

工程陶瓷等硬脆材料具有许多优异的物理与机械性能，如高强度、高硬度、高耐热性、高耐磨性、高耐腐蚀性等，在电子、光学、仪器仪表、航空航天和民用等行业得到日益广泛的应用。然而，它们的高硬度、高脆性特性给加工带来很大困难，加工成本非常高。有研究表明：磨削是工程陶瓷加工的主要方法，磨削成本占陶瓷零件总加工成本的75％以上；而对于金属零件来说，相应的成本却仅占5-15％。提高磨削的加工效率，可大大地降低它们的加工成本。因此，工程陶瓷等硬脆材料的高效磨削加工技术的发展作为一新课题已提到议事日程，成为普遍关注的新焦点之一。

高速超高速磨削能大大地减小单颗磨粒未变形切屑厚度，减小磨削力，从而不仅可以改善工件加工表面质量，还可以提高加工效率。对于高速超高速磨削所带来的技术优势和经济效益，人们给予了充分的注意和重视：德国著名磨削专家Tawakoli.T博士将其誉为“现代磨削技术的最高峰”；日本先端技术研究学会把超高速加工列为五大现代制造技术之一；国际生产工程学会(CIRP)将其确定为21世纪的中心研究方向之一。高速深磨(High Speed DeepGrinding，简写为HSDG)是高速超高速磨削的典型应用形式之一，由德国居林公司在20世纪80年代初期研制开发成功。它是基于深切缓进给磨削方法，集高的砂轮线速度(80-200m/s)、快的工件进给速度(0.5-10m/min)和大切深(0.1-30mm)于一体，既能达到高的金属切除率，又能达到加工表面高质量的一种加工技术。它打破了传统的磨削观念，使磨削不再局限于精密加工范畴，给传统的磨削领域带来了一场革命。一些工业发达国家，如德国、美国、英国等，对发展这一技术予以了高度重视，并已初步进入实用化阶段。然而，工程陶瓷的硬脆难加工特性给高速深磨技术带来了新的挑战：大的磨削力及高的磨削温度使加工条件急剧恶化，砂轮的磨损大大加剧，极易产生钝化、堵塞现象而丧失切削性能，从而造成加工面的脆性破坏及应力集中，加工质量恶化，难以满足高精度、高效率的加工要求。为解决上述问题，不仅需要频繁地对砂轮进行修锐，使其保持锋利的磨刃。

对硬脆难加工材料进行高速深磨时，超硬磨料砂轮是最常用的砂轮，其坚硬的磨粒给修锐带来了许多困难。日本学者大森整教授提出的砂轮在线电解修锐(Electrolytic In-process Dressing，简称ELID)技术，除了具有修整效率高、方法装置简单、修整质量好等特点以外，它还能对砂轮进行在线连续非线性修锐，使砂轮磨粒获得恒定的突出量，实现稳定、可控、最佳的磨削过程，这大大减少了辅助工作时间，提高加工效率。因此，将在线电解修锐技术应用于高速深磨方法中就可以实现砂轮的在线修锐，使磨粒始终保持锋利状态。在线电解修锐技术在精密超精密镜面加工领域已得到比较成熟的发展，但在高效加工尤其是高速深磨领域的研究却基本上是空白。美国著名学者Zhang B.等的研究表明：在线电解修锐技术的连续和高效性仅能在普通磨削中实现，当应用在高速深磨时，还存在以下几个问题：

1)当砂轮线速度超过20m/s时，修锐效率及修锐效果就会急剧下降，这是由于高速旋转的砂轮周围存在高压气流屏障，阻碍电解液进入修锐区而引起电解液供应不足造成的。

2)砂轮线速度与材料磨除率的大幅提高使砂轮与工件之间的摩擦作用更加频繁、剧烈，这将使砂轮表面的电解产物被实时去除，砂轮表面上难以形成致密、连续的氧化膜，电解修锐进程难以实现自适应调控，磨削过程也就无法持续稳定地进行。

3)砂轮的磨削性能主要由修锐效果所左右，这可用磨粒突出于结合剂基面的高度来评价。研究表明，磨粒突出高度存在一最佳值，一般来说，金属结合剂金刚石砂轮修锐，以磨粒有d_g/3-d_g/2(d_g为磨粒平均直径)的突出高度为宜。在传统ELID磨削所用砂轮的磨粒非常小(亚微米级)，相应的最佳磨粒突出高度就更小，仅需较短的时间(30分钟左右)即可完成电解预修锐；而在高速深磨ELID中，所用砂轮的磨粒较大(100μm以上)，相应的最佳磨粒突出高度可达几十微米左右。在ELID预修锐过程中，随着磨粒突出高度的增加，砂轮表面的氧化膜也相应增厚，氧化膜的电阻亦增加，电解电流随之急剧减小，电解预修锐效率急剧下降，预修锐时间更进一步增加，甚至使电解无法持续进行。

发明内容

为了克服现有的硬脆难加工材料的高速深磨时超硬磨料砂轮修整困难的不足，本发明提供一种硬脆难加工材料的在线电解修锐高速深磨磨削方法，该方法能实现金属结合剂超硬磨料砂轮的在线电解修锐，并可实现修锐进程的自适应调节，使砂轮始终保持最佳的切削状态，进而使磨削力减小，并可改善工件的表面质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种硬脆难加工材料的在线电解修锐高速深磨磨削方法，采用的磨削装置中，砂轮中心位置设有与之旋转接触的电刷，该电刷与电源正极相连，砂轮周向工作面上端装有封闭式电解电极，该电极与该电源负极相连，所述砂轮与电极之间设有间隙，其特征在于，磨削时电解液通过封闭式电解电极注入此间隙；具体方法步骤为：

a、将砂轮安装完毕后，对砂轮进行整形，直至其圆度误差不超过10μm为止；

b、开启电源，并向砂轮与电极之间的间隙部位喷浇电解液，进行电解预修锐，砂轮线速度为30m/s～160m/s，直到电解预修锐电流降至一常数，氧化膜形成，再关闭电源，停止供给电解液，电解参数如下：

电解频率为10KHz～500KHz；电解电压为60V～120V；占空比为10％～90％；

c、对砂轮进行机械修锐，去除氧化膜，直至砂轮磨粒的突出高度达到磨粒平均直径的1/3～1/2，否则转步骤b；

d、再开启电源，根据下列数学模型来设置电解参数，并向砂轮与电极之间的间隙部位喷浇电解液，保持电解参数不变，对工件进行在线电解修锐高速深磨磨削，直至电解电流稳定，即磨削过程稳定；

$I_p{R}_c=\frac{\mathrm{n\ρF}{k}_w{V}_w{V}_g({\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_s^2-d_g^2)}{\mathrm{\η}{\mathrm{\ρ}}_{d}G{f}_1{d}_g^{2}M}$

其中，I_p为电解电流(A)，R_c为占空比，n为金属离子化学价，ρ为金属结合剂材料密度(g/mm³)，F为法拉第常数，k_w为磨粒磨耗磨损在磨粒总磨损中占有的份额，V_w为单位时间工件材料磨除体积(mm³/s)，V_g为磨料含量(g/mm³)，λ_s为相邻磨粒平均间距(mm)，G为磨削比，f_l为体积修正因子，d_g磨粒球体的外接正方体的边长mm，M为摩尔质量(g/mol)；η为电流效率，ρ_d为人造金刚石密度。

所述硬脆难加工材料的工件硬度为HV1000～3000，所用砂轮为金属结合剂砂轮。

所述砂轮3与电极1之间的间隙为0.5mm～1mm。

其中步骤a中所述对砂轮进行整形采用的是电火花-机械复合整形法。

步骤c中所述对砂轮进行机械修锐的材料为金刚石或200#氧化铝油石。

与非在线电解修锐高速深磨磨削相比，本发明的有益效果是：1、将在线电解修锐磨削与高速深磨磨削复合起来，实现硬脆难加工材料的高速高效加工，使得磨削方法磨削过程中比磨削力较低，为非在线电解修锐磨削方法的3/4，工件表面粗糙度较好、工件微观表面质量良好；

2、在预修锐阶段增加了机械修锐，以及时去除电解氧化膜，提高修锐效率；

3、利用所建的数学模型来确定电解参数以取代电解氧化膜，实现电解修锐过程的自适应控制，砂轮能处于最佳切削状态。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是本发明所述的在线电解修锐高速深磨磨削方法原理图；

图2是本发明的磨削装置示意图。

在图中：

1-封闭式电解阴极；2-电刷；3-金属结合剂砂轮；

4-工件；5-电源；

具体实施方式

在线电解修锐高速深磨磨削就是将在线电解修锐装置集成在高速磨床上，在对工件材料高速深磨的同时对砂轮进行在线电解修锐，使其始终处于最佳的切削状态。在线电解修锐技术是以金属结合剂超硬磨料砂轮通过电刷与电源的正极相连做阳极，依据砂轮的形状制造出一个导电性能好的工具电极与电源的负极相连做阴极，在砂轮和阴极的间隙中通过电解液，在电源的驱动下，利用电解过程中的阳极溶解效应，对砂轮表层的金属结合剂进行电解去除，逐渐露出崭新锋利的磨粒，从而保证砂轮在整个磨削过程中保持锐利状态。在线电解修锐平面磨削系统的工作原理及系统组成如图1和2所示。

该系统包括封闭式电解阴极1，电刷2，金属结合剂超硬磨料砂轮3，工件4，高频直流脉冲电源5等。

所述一种硬脆难加工材料的在线电解修锐高速深磨磨削方法，采用的磨削装置中，砂轮3中心位置设有与之旋转接触的电刷2，该电刷2与电源1正极相连，砂轮3周向工作面上端装有封闭式电解电极1，该电极1与该电源5负极相连，所述砂轮3与电极1之间设有间隙，该间隙优选为为0.8mm，磨削时电解液通过封闭式电解电极1注入此间隙；具体方法步骤为：

a、将砂轮3安装完毕后，对砂轮3进行整形，直至其圆度误差不超过10μm为止；

b、开启电源5，并向砂轮3与电极1之间的间隙部位喷浇电解液，进行电解预修锐，砂轮3线速度为120m/s，直到电解预修锐电流降至一常数，氧化膜形成，再关闭电源5，停止供给电解液，电解参数如下：

电解频率为150KHz；电解电压为90V；占空比为50％；

在电解预修锐阶段，通过电解作用将金属结合剂腐蚀去除，同时砂轮表面不断产生绿色或蓝色沉淀物，逐渐形成一层具有绝缘性质的氧化物薄膜，具体过程如下列化学反应式所示：

Cu＝Cu²⁺+2e

Cu²⁺+2OH^-＝Cu(OH)₂↓

Cu(OH)₂＝CuO↓+H2O

根据阳极反应原理，砂轮表层的青铜结合剂中最活跃的成分——铜被电解，形成的铜离子Cu²⁺溶解到电解液中，与氢氧根OH^-化合，生成溶解度极小的蓝色氢氧化铜Cu(OH)₂；氢氧化铜易脱水形成黑色的氧化铜CuO并堆积在砂轮表面，逐渐形成一层电阻率较大的氧化膜，电解电流也逐渐降低至一常数，抑制了青铜结合剂的进一步电解，使修锐效率急剧下降。同时，当结合剂的主要成分铜被电解去除后，砂轮表层就变成残存金刚石、锡和填料物的较松散骨架，这构成砂轮表面的腐蚀层。

所述电解用电解液为自制的青铜结合剂超硬磨料砂轮在线电解修锐高速磨削专用磨削液，基液为高速水基磨削液SY-1，具体配方如下：

c、对砂轮3进行机械修锐，采用200#氧化铝油石将砂轮3表面的氧化膜去除，使电解电流恢复稳定，去除氧化膜，直至砂轮3磨粒的突出高度达到磨粒平均直径的1/3～1/2，否则转步骤b。

d、再开启电源5，根据下列数学模型来设置电解参数，并向砂轮3与电极1之间的间隙部位喷浇电解液，保持电解参数不变，对工件4进行在线电解修锐高速深磨磨削，直至电解电流稳定，这表明进入了稳定磨削阶段。

$I_p{R}_c=\frac{\mathrm{n\ρF}{k}_w{V}_w{V}_g({\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_s^2-d_g^2)}{\mathrm{\η}{\mathrm{\ρ}}_{d}G{f}_1{d}_g^{2}M}$

其中，I_p为电解电流(A)，R_c为占空比，n为金属离子化学价，ρ为金属结合剂材料密度(g/mm³)，F为法拉第常数，其值为9.648456×10⁴C/mol，k_w为磨粒磨耗磨损在磨粒总磨损中占有的份额，其值为1/3，V_w为单位时间工件材料磨除体积(mm³/s)，V_g为磨粒率，λ_s为相邻磨粒平均间距(mm)，dg磨粒球体的外接正方体的边长(mm)，G为磨削比，f₁为体积修正因子，其值为π/6，M为摩尔质量(g/mol)，具体数值如下：

将上述参数带入数学模型中，得I_pR_c＝0.9971。

根据电解参数对磨削过程的影响规律，综合考虑磨削力及表面粗糙度，可以设定电解频率f为167KHz，占空比R_c为50％，由此可计算得出电解电流I_p为1.994A，相应的电解电压U为90V，即为步骤d中所采用的具体电解参数。

所述硬脆难加工材料的工件为氧化钇部分稳定氧化锆陶瓷，其外形尺寸为30mm×10mm×10mm。

所用砂轮为金属结合剂砂轮，具体为青铜结合剂金刚石砂轮，它是以铜粉为主，配以少量锡粉及一定量的填料，该填料一般为碳化硼、碳化硅等，与金刚石磨粒充分混合后压制成型，后经烧结或在加热条件下压制成型而成为密实的固体，具体规格如下：

在在线电解修锐高速深磨的稳定磨削阶段，随着电解修锐进程的持续进行，沉积氧化物不断地在砂轮表面产生；与此同时，较大的材料磨除率和高的砂轮线速度使砂轮与工件之间的摩擦挤压作用更加频繁剧烈，这使沉积氧化物被及时刮除；高压磨削液对砂轮也具有一定的清洗作用，沉积氧化物被进一步清除，使得砂轮磨粒的磨损与结合剂的电解去除保持平衡，以替代氧化膜，实现对磨削过程的自适应控制。

在高速深磨在线电解修锐中，由于在线电解的修整作用始终存在，及时清除了堵塞及容屑空间减少的现象，并且电解修整可以均匀一致地去除砂轮结合剂，不会造成磨削刃角的钝化现象；此外，砂轮表面残余的氧化膜能够起到润滑和缓冲作用，使得高速深磨在线电解修锐时的比磨削力仅约为非在线电解修锐高速深磨时的四分之三。

由于在高速深磨在线电解修锐磨削中，砂轮的切削状态较好，可以始终以等高的微刃切削，有效磨刃数较多；砂轮表面的残余氧化膜对磨削过程还有一定的润滑及抛光作用。这些都有助于改善磨削条件，从而获得较好的工件表面粗糙度。结果显示，在线电解修锐高速深磨中工件所磨表面粗糙度值要小于非在线电解修锐高速深磨中的值，减小幅度大约在0.15μm左右。另外，经高速深磨在线电解修锐后，工件表面呈现出规则的细小滑痕状，看不出有大的崩碎区，工件微观表面质量良好。

Claims (4)

1.一种硬脆难加工材料的在线电解修锐高速深磨磨削方法，采用的磨削装置中，砂轮(3)中心位置设有与之旋转接触的电刷(2)，该电刷(2)与电源(1)正极相连，砂轮(3)周向工作面上端装有封闭式电解电极(1)，该电极(1)与该电源(5)负极相连，所述砂轮(3)与电极(1)之间设有间隙，其特征在于，磨削时电解液通过封闭式电解电极(1)注入此间隙；具体方法步骤为：

a、将砂轮(3)安装完毕后，对砂轮(3)进行整形，直至其圆度误差不超过10μm为止；

b、开启电源(5)，并向砂轮(3)与电极(1)之间的间隙部位喷浇电解液，进行电解预修锐，砂轮(3)线速度为30m/s～160m/s，直到电解预修锐电流降至一常数，氧化膜形成，再关闭电源(5)，停止供给电解液，电解参数如下：

电解频率为10KHz～500KHz；电解电压为60V～120V；占空比为10％～90％；

c、对砂轮(3)进行机械修锐，去除氧化膜，直至砂轮(3)磨粒的突出高度达到磨粒平均直径的1/3～1/2，否则转步骤b；

d、再开启电源(5)，根据下列数学模型来设置电解参数，并向砂轮(3)与电极(1)之间的间隙部位喷浇电解液，保持电解参数不变，对工件(4)进行在线电解修锐高速深磨磨削，直至电解电流稳定，即磨削过程稳定；

$I_p{R}_c=\frac{\mathrm{n\ρF}{k}_w{V}_w{V}_g({\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_s^2-d_g^2)}{\mathrm{\η}{\mathrm{\ρ}}_{d}G{f}_1{d}_g^{2}M}$

其中，I_p为电解电流(A)，R_c为占空比，n为金属离子化学价，ρ为金属结合剂材料密度(g/mm³)，F为法拉第常数，k_w为磨粒磨耗磨损在磨粒总磨损中占有的份额，V_w为单位时间工件材料磨除体积(mm³/s)，V_g为磨料含量(g/mm³)，λ_s为相邻磨粒平均间距(mm)，G为磨削比，f_l为体积修正因子，d_g磨粒球体的外接正方体的边长(mm)，M为摩尔质量(g/mol)，η为电流效率，ρ_d为人造金刚石密度；

所述硬脆难加工材料的工件硬度为HV1000～3000，所用砂轮为金属结合剂砂轮。

2.根据权利要求1所述一种硬脆难加工材料的在线电解修锐高速深磨磨削方法，其特征在于，其中步骤a中所述对砂轮进行整形采用的是电火花-机械复合整形法。

3.根据权利要求1所述一种硬脆难加工材料的在线电解修锐高速深磨磨削方法，其特征在于，步骤c中所述对砂轮进行机械修锐的材料为金刚石或200#氧化铝油石。

4.根据权利要求1所述一种硬脆难加工材料的在线电解修锐高速深磨磨削方法，其特征在于，所述砂轮(3)与电极(1)之间的间隙为0.5mm～1mm。

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