CN103341822A - 基于双电解作用的表面磨削方法及其设备 - Google Patents
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Abstract
基于双电解作用的表面磨削方法及其设备，所述的方法包括：（1）将电源的阴极分别与工件电解修整装置和砂轮电解修整装置连接、电源的阳极分别与工件和砂轮连接，使得工件和砂轮同时作为电解对象，砂轮和工件作为阳极、工件电解修整装置和砂轮电解修整装置作为阴极；（2）在电解液供给装置中加入足量的电解液；（3）开启整个设备，在控制器中设定好工件的加工条件后运行整个设备，对砂轮实行在线电解修整的同时对工件表面实行电化学磨削。所述的设备包括电化学磨削模块、在线电解修整模块、电源、电解液供给装置和控制器，工件驱动装置与砂轮驱动装置均受控于控制器。本发明有益效果是：提高工件加工精度一致性，减少工序，提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于双电解作用的表面磨削方法及其设备。
背景技术
随着工业的快速发展，各行业对机械零件的加工精度及表面粗糙度的要求日益提高，磨削加工往往作为机械加工的终极环节，其加工性能直接影响到工件的加工质量，因此磨削加工在整个加工业中的地位日益提高。在现有机床设备的条件下，利用传统的磨削加工方法其加工精度和加工效率难以大幅度提高，如何采用新工艺，新技术，高精度、高效率、低成本地完成磨削过程，成为磨削加工的主要任务，同时也成为提高精加工领域竞争的主要手段。
例如轴承滚道是轴承的主要工作面，对于高性能滚动轴承而言，其滚道在具有高形状精度的同时，必须具有抗磨损、低摩擦系数和高疲劳强度等特性，因此，轴承滚道必须具有非常光滑的表面和高表面完整性。轴承滚道的传统加工工序是：毛坯成型—车削—软磨精整—热处理—磨削—滚道表面超精研。精磨阶段，由于磨削力和磨削热的作用，易形成表面变质层，直接影响了轴承的性能及寿命。因此，还需要对滚道进行两道超精研加工，以进一步去除加工变质层及改善表面粗糙度和形状精度。由于工艺过程复杂，影响加工效率和加工质量的因素众多，工艺条件难以保持一致，从而造成滚道的加工精度和精度一致性难以保证。
超精密磨削技术就是为适应高精度高表面质量的加工需要而发展起来的，超精密磨削具有较高的加工效率并可获得高度的镜面，具有很大的发展潜力。目前比较常用而且能够得到很好表面质量的加工方法是在线电解修整（ELID）磨削方法、电化学（电解）磨削（ECG）方法。在线电解修整磨削方法（ELID）的原理是在磨削过程中利用电解作用对金属结合剂砂轮进行在线的精细修整，从而获得极高的加工精度和表面质量。但在进行切入式磨削时不够稳定，加工效率不高，而且磨削时形成的钢屑嵌入砂轮表面，导致无法对砂轮结合剂进行有效电解，进而影响磨削效率和表面质量。电化学磨削（ECG）的优势是能在一道工序内将工件表面粗糙度大幅降低，而且电化学（电解）磨削加工既可保证良好的加工精度和表面质量，又可获得较高的加工效率。但是在加工过程中砂轮表面磨粒不能保持良好的等高性，会导致因磨削深度不易精确控制而造成的过磨削现象。另外，砂轮磨损后需要离线修整，影响了加工效率。
发明内容
针对目前的在线电解修整（ELID）磨削装置、电化学（电解）磨削（ECG）装置在加工过程中砂轮表面磨粒不能保持良好的等高性，会导致因磨削深度不易精确控制而造成的过磨削的问题，本发明提出了一种能实现工件表面的高质量、高精度、高一致性和高效率的基于双电解作用的表面磨削方法及其设备。
基于双电解作用的表面磨削方法，包括以下步骤：
（1）将电源的阴极分别与工件电解修整装置和砂轮电解修整装置连接、电源的阳极分别与工件和砂轮连接，使得工件和砂轮同时作为电解对象，砂轮和工件作为阳极、工件电解修整装置和砂轮电解修整装置作为阴极；
（2）在电解液供给装置中加入足量的电解液；
（3）开启整个设备，在控制器中设定好工件的加工条件后运行整个设备，对砂轮实行在线电解修整（ELID）的同时对工件表面实行电化学磨削（ECG）：电解液供给装置的出液口不断流出的电解液覆盖到砂轮和工件表面，砂轮与工件表面均形成一层氧化膜后通过砂轮与工件的机械摩擦作用，使得砂轮和工件表面的氧化膜不断更新，从而对工件的表面进行磨削。
整个设备的加工条件为：电解液经1:50稀释，砂轮转速调到1050rpm、工件转速100rpm，设备的电压为120V、电流为48A，电解液的供给量为20-30L/min。
按照本发明所述的方法构建的设备，其特征在于：包括电化学磨削模块（EMG）、在线电解修整模块（ELID）、电源、电解液供给装置和控制器，所述的电化学磨削模块包括工件安装架、工件电解修整装置和工件驱动装置；所述的在线电解修整模块包括砂轮、砂轮电解修整装置和砂轮驱动装置，所述的砂轮的外圆与工件的外圆相切；所述的电解液供给装置设置多个出液口，所述的工件与砂轮的接触点处上方、所述的工件电解修整装置与工件接触处上方以及砂轮电解修整装置与砂轮接触处上方均排布出液口；所述的电源的阴极分别与所述的工件电解修整装置和所述的砂轮电解修整装置连接、所述的电源的阳极分别与所述的工件和所述的砂轮连接；所述的工件驱动装置与所述的砂轮驱动装置均受控于所述的控制器。
所述的工件电解修整装置与所述的工件外圆间隙匹配、所述的砂轮电解修整装置与所述的砂轮外圆间隙匹配。
所述的设备配置两套独立的电源，其中一个所述的电源的阴极与所述的工件电解修整装置连接、阳极与所述的工件连接；另一个所述的电源的阴极与所述的砂轮工件电解修整装置连接、阳极与所述的砂轮连接。
所述的电解液供给装置设置3个出液口，且第一个出液口位于工件与砂轮的接触点处上方，第二个出液口位于电解修整装置与工件接触处上方、第三个出液口位于电解修整装置与砂轮接触处上方。
所述的工件的旋转方向与所述的砂轮的旋转方向相反。
所述的工件的旋转方向为顺时针，所述的砂轮的旋转方向逆时针。
所述的砂轮采用金属结合剂立方氮化硼（CBN）砂轮。
所述的电解液采用AFG-M冷却液。
所述的电源采用高频脉冲电源HDMD-IV。
工作原理：电解液供给装置源源不断的送出电解液，砂轮与电源的阳极相接，利用电解作用使砂轮表面的结合剂生成氧化膜并通过与工件的机械作用去除，使钝化的磨粒易于脱落，露出内部的新磨粒，从而使砂轮表面始终具有锋利的磨粒，可以实现高精度的表面质量和较高的磨削效率；同时，工件与电源的阳极相接，外圆工件表面在电解作用下被氧化为一层极薄的氧化膜，并迅速的被砂轮的机械作用去除，露出新的表面，继续被电解；由于金属去除主要是靠电化学作用，机械作用主要是去除阳极氧化膜，而不对工件的基体材料进行磨削，因此，能够获得更高的表面质量和加工效率；磨削过程中利用电解作用砂轮进行在线的精细修整；砂轮结合剂在电解作用下电离溶解，使得砂轮表面的磨粒突出；同时，在砂轮结合剂表面生成一层致密而绝缘的氧化膜，减缓砂轮结合剂的进一步电解；随着磨削加工的进行，表面的磨粒因磨损而脱落，生成的氧化膜也因被工件摩擦而变薄；此时，对砂轮结合剂表层的电解再次恢复，新的磨粒露出。如此循环，使磨具表面始终保持有锋锐的磨粒和一定的容屑空间，从而在获得极高的加工精度和表面质量的情况下保持高效率；工件（阳极）表面的金属在电流和电解液的作用下发生电解作用，被氧化成为一层氧化薄膜；产生的氧化薄膜迅速被砂轮的机械作用刮除，工件上又露出新的金属表面并继续被电解作用；在磨削过程中，金属去除主要是靠电化学作用，磨削作用主要是去除阳极氧化膜；这样由电化学作用和刮除薄膜的磨削作用交替进行，使工件连续地被加工，直至达到一定的尺寸精度和表面粗糙度；此加工的优势是能在一道工序内将工件表面粗糙度大幅降低；加工既可保证良好的加工精度和表面质量，又可获得较高的加工效率。
本发明有益的效果为：1）双电解磨削过程中，由于磨削的对象是工件表面的氧化膜，而不会影响到工件的基体材料，从而能获得极高的表面质量和加工效率；2）砂轮的磨损更少，提高了砂轮的精度保持性；3）由于得到了在线修整，砂轮表面可以一直保持良好的锋锐性和磨粒等高性，避免了采用普通砂轮进行ECG加工时，由于磨削深度不易精确控制而造成的过磨削现象；4）在加工过程中，由于工件是电解加工，去除的是工件表面的氧化膜，从而避免了在线电解修整磨削时形成的钢屑嵌入砂轮表面，导致无法对砂轮的结合剂进行有效电解，进而影响磨削效率和表面质量的问题；5）双电解加工系统的设备比较简易，可以在普通磨床上构建其加工系统。并且通过对工件和砂轮的电解液配方的优化，可以对工件和砂轮使用同一种电解液；同时，经过优化，电化学磨削模块和在线修整磨削模块也可以使用同一个电源，简化其设备系统。
附图说明
图1是本发明的双电解磨削加工原理示意图。
图2是本发明使用一个电源加工原理图。
图3是本发明的工件的电解作用示意图（-Ve代表金属负离子；+代表金属正离子）。
图4是本发明的砂轮的电解作用示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明
参照附图：
实施例1基于双电解作用的表面磨削方法，包括以下步骤：
（1）将电源的阴极分别与工件电解修整装置和砂轮电解修整装置连接、电源的阳极分别与工件和砂轮连接，使得工件和砂轮同时作为电解对象，砂轮和工件作为阳极、工件电解修整装置和工件电解修整装置作为阴极；
（2）在电解液供给装置中加入足量的电解液；
（3）开启整个设备，在控制器中设定好工件的加工条件后运行整个设备，对砂轮实行在线电解修整（ELID）的同时对工件表面实行电化学磨削（ECG）：电解液供给装置的出液口不断流出的电解液覆盖到砂轮和工件表面，砂轮与工件表面均形成一层氧化膜后通过砂轮与工件的机械摩擦作用，使得砂轮和工件表面的氧化膜不断更新，从而对工件的表面进行磨削。
整个设备的加工条件为：电解液经1:50稀释，砂轮转速调到1050rpm、工件转速100rpm，设备的电压为120V、电流为48A，电解液的供给量为20-30L/min；
实施例2按照实施例1所述的方法构建的设备，包括电化学磨削模块（EMG）1、在线电解修整模块（ELID）2、电源3、电解液供给装置4和控制器，所述的电化学磨削模块1包括工件安装架11、工件电解修整装置12和工件驱动装置；所述的在线电解修整模块2包括砂轮21、砂轮电解修整装置22和砂轮驱动装置，所述的砂轮21的外圆与工件5的外圆相切；所述的电解液供给装置4设置多个出液口41，所述的工件5与砂轮21的接触点处上方、所述的工件电解修整装置12与工件5接触处上方以及砂轮电解修整装置22与砂轮21接触处上方均排布出液口41；所述的电源3的阴极分别与所述的工件电解修整装置12和所述的砂轮电解修整装置22连接、所述的电源3的阳极分别与所述的工件5和所述的砂轮21连接；所述的工件驱动装置与所述的砂轮驱动装置均受控于所述的控制器。
所述的工件电解修整装置12与所述的工件5外圆间隙匹配、所述的砂轮电解修整装置22与所述的砂轮21外圆间隙匹配。
所述的设备配置两套独立的电源3，其中一个所述的电源3的阴极与所述的工件电解修整装置12连接、阳极与所述的工件5连接；另一个所述的电源3的阴极与所述的砂轮工件电解修整装置22连接、阳极与所述的砂轮21连接。
所述的电解液供给装置4设置3个出液口41，且第一个出液口位于工件与砂轮的接触点处上方，第二个出液口位于工件电解修整装置12与工件接触处上方、第三个出液口位于砂轮电解修整装置22与砂轮接触处上方。
所述的工件5的旋转方向与所述的砂轮的旋转方向相反。
所述的工件5的旋转方向为顺时针，所述的砂轮21的旋转方向逆时针。
所述的砂轮21采用金属结合剂立方氮化硼（CBN）砂轮。
所述的电解液采用AFG-M冷却液。
所述的电源3采用高频脉冲电源HDMD-IV。
工作原理：电解液供给装置源源不断的送出电解液，砂轮与电源的阳极相接，利用电解作用使砂轮表面的结合剂生成氧化膜并通过与工件的机械作用去除，使钝化的磨粒易于脱落，露出内部的新磨粒，从而使砂轮表面始终具有锋利的磨粒，可以实现高精度的表面质量和较高的磨削效率；同时，工件与电源的阳极相接，外圆工件表面在电解作用下被氧化为一层极薄的氧化膜，并迅速的被砂轮的机械作用去除，露出新的表面，继续被电解；由于金属去除主要是靠电化学作用，机械作用主要是去除阳极氧化膜，而不对工件的基体材料进行磨削，因此，能够获得更高的表面质量和加工效率；磨削过程中利用电解作用砂轮进行在线的精细修整；砂轮结合剂在电解作用下电离溶解，使得砂轮表面的磨粒突出；同时，在砂轮结合剂表面生成一层致密而绝缘的氧化膜，减缓砂轮结合剂的进一步电解；随着磨削加工的进行，表面的磨粒因磨损而脱落，生成的氧化膜也因被工件摩擦而变薄；此时，对砂轮结合剂表层的电解再次恢复，新的磨粒露出。如此循环，使磨具表面始终保持有锋锐的磨粒和一定的容屑空间，从而在获得极高的加工精度和表面质量的情况下保持高效率；工件（阳极）表面的金属在电流和电解液的作用下发生电解作用，被氧化成为一层氧化薄膜；产生的氧化薄膜迅速被砂轮的机械作用刮除，工件上又露出新的金属表面并继续被电解作用；在磨削过程中，金属去除主要是靠电化学作用，磨削作用主要是去除阳极氧化膜；这样由电化学作用和刮除薄膜的磨削作用交替进行，使工件连续地被加工，直至达到一定的尺寸精度和表面粗糙度；此加工的优势是能在一道工序内将工件表面粗糙度大幅降低；加工既可保证良好的加工精度和表面质量，又可获得较高的加工效率。
实施例3采用#2000的金属结合剂立方氮化硼CBN砂轮对工件按照表1中的加工条件进行磨削，其余的实施方式以及实施方法与实施例1和实施例2中的相同：
表1#2000金属结合剂CBN砂轮的双电解磨削的加工条件
| 工件 | 外圆工件 |
| 砂轮 | #2000金属结合剂CBN砂轮 |
| 砂轮转速 | 1050rpm |
| 工件转速 | 100rpm |
| 电源 | 高频脉冲电源HDMD-IV |
| 设置 | 电压：120V，电流：48A |
工件通过上述条件加工之后，表面粗糙度可以达到Ra10nm。残余应力在150～300MPa，远小于传统珩磨加工的残余应力600～800MPa，压力层深度为10μm，也小于珩磨产生的压力层深度（15～20mm）。
采用#4000金属-树脂结合剂CBN砂轮磨削后的表面粗糙度可达Ra5nm。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (10)
1.基于双电解作用的表面磨削方法，包括以下步骤：
（1）将电源的阴极分别与工件电解修整装置和砂轮电解修整装置连接、电源的阳极分别与工件和砂轮连接，使得工件和砂轮同时作为电解对象，砂轮和工件作为阳极、工件电解修整装置和砂轮电解修整装置作为阴极；
（2）在电解液供给装置中加入足量的电解液；
（3）开启整个设备，在控制器中设定好工件的加工条件后运行整个设备，对砂轮实行在线电解修整的同时对工件表面实行电化学磨削：电解液供给装置的出液口不断流出的电解液覆盖到砂轮和工件表面，砂轮与工件表面均形成一层氧化膜后通过砂轮与工件的机械摩擦作用，使得砂轮和工件表面的氧化膜不断更新，从而对工件的表面进行磨削。
2.如权利要求1所述的基于双电解作用的表面磨削方法，其特征在于：整个设备的加工条件为：电解液经1:50稀释，砂轮转速调到1050rpm、工件转速100rpm，设备的电压为120V、电流为48A，电解液的供给量为20-30L/min。
3.按照本发明所述的方法构建的专有设备，其特征在于：包括电化学磨削模块（EMG）、在线电解修整模块（ELID）、电源、电解液供给装置和控制器，所述的电化学磨削模块包括工件安装架、工件电解修整装置和工件驱动装置；所述的在线电解修整模块包括砂轮、砂轮电解修整装置和砂轮驱动装置，所述的砂轮的外圆与工件的外圆相切；所述的电解液供给装置设置多个出液口，所述的工件与砂轮的接触点处上方、所述的工件电解修整装置与工件接触处上方以及砂轮电解修整装置与砂轮接触处上方均排布出液口；所述的电源的阴极分别与所述的工件电解修整装置和所述的砂轮电解修整装置连接、所述的电源的阳极分别与所述的工件和所述的砂轮连接；所述的工件驱动装置与所述的砂轮驱动装置均受控于所述的控制器。
4.如权利要求3所述的专有设备，其特征在于：所述的工件电解修整装置与所述的工件外圆间隙匹配、所述的砂轮电解修整装置与所述的砂轮外圆间隙匹配。
5.如权利要求4所述的专有设备，其特征在于：所述的设备配置两套独立的电源，其中一个所述的电源的阴极与所述的工件电解修整装置连接、阳极与所述的工件连接；另一个所述的电源的阴极与所述的砂轮工件电解修整装置连接、阳极与所述的砂轮连接。
6.如权利要求5所述的专有设备，其特征在于：所述的电解液供给装置设置3个出液口，且第一个出液口位于工件与砂轮的接触点处上方，第二个出液口位于电解修整装置与工件接触处上方、第三个出液口位于电解修整装置与砂轮接触处上方。
7.如权利要求6所述的专有设备，其特征在于：所述的工件的旋转方向为顺时针，所述的砂轮的旋转方向逆时针。
8.如权利要求7所述的专有设备，其特征在于：所述的砂轮采用金属结合剂立方氮化硼（CBN）砂轮。
9.如权利要求8所述的专有设备，其特征在于：所述的电解液采用AFG-M冷却液。
10.如权利要求9所述的专有设备，其特征在于：所述的电源采用高频脉冲电源HDMD-IV。
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