CN107520753A - 砂轮微磨粒修平的脉冲放电修整参数和运动参数控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种砂轮微磨粒修平的脉冲放电修整参数和运动参数控制方法，包括步骤：1）在机床上装夹好电极和待修整的砂轮，以正极性方式与石墨电刷、示波器、电源、电压/电流传感器连接构成放电回路；2）进行试磨操作，加载开路电压后砂轮以特定运动参数沿磨削路径运动以确定修整前的磨粒出刃高度；3）进行微磨粒修平操作，重新设定运动参数并控制脉冲放电电压在19~23V范围内，砂轮沿磨削路径循环运动，示波器实时采集脉冲放电信号，间歇地计算/更新当前磨粒出刃高度和有效磨粒数并与目标值对比。本发明无需电极旋转装置，修整后的微磨粒刚度系数大，修整面光滑平整，出刃高且等齐性好，可实现硬脆材料的镜面加工。
Description
技术领域
本发明涉及金刚石砂轮的微磨粒修平技术领域，具体涉及一种砂轮微磨粒修平的脉冲放电修整参数和运动参数控制方法。
背景技术
精密磨削中的材料表面加工质量取决于金刚石砂轮磨粒特征参数。通过机械修整方式得到的磨粒切削刃非常锋利(其顶角一般小于130°，出刃高度是磨粒大小的20％～30％)，但等齐性差。这会导致在磨削过程中出现磨粒易脱落现象，并直接影响表面完整性。而采用非机械接触式的激光、化学腐蚀等修整技术也只是提高了磨粒出刃高度，并未解决磨粒等齐性问题。
为解决该问题，“一种大颗粒金刚石砂轮的气中放电修锐修齐方法”，【专利号：ZL201310314120.4，授权日期：2016.01.06】专利中公开了粗金刚石砂轮磨粒气中放电修锐修齐的方法，其原理是：修整中磨粒切削铜基电极产生的切屑与砂轮结合剂之间形成放电间隙而发生电火花放电，通过脉冲电火花可去除砂轮表面金属结合剂，使金刚石磨粒出刃，产生的瞬时高温同时也会由切屑传递到参与切削的磨粒上，使其切削刃尖端石墨化，以实现金刚石磨粒修平修齐的效果。气中放电修整技术的优点在于只需在砂轮与电极间连接放电回路即可进行修整(磨粒修锐修齐)，其修锐效率是机械修整的5～10倍，且绿色环保。为了产生脉冲放电，现有技术通过合理设定开路电压参数与机床运动参数的方式将放电间隙控制在小于磨粒出刃高度的范围内。然而，该技术存在以下不足：
1.磨粒修平效果不明显，例如利用铜电极在开路电压为DC-25V下修整#46 金刚石砂轮20小时，磨粒出刃明显提高，但其形貌基本没有发生变化；
2.修整过程中产生的铜屑熔融物容易附着在砂轮表面，影响磨粒出刃。
3.磨粒修锐修齐效果不便于控制，尤其是在修整过程中，磨粒切削刃的耕犁作用易使铜电极表面形成隆起(放电间隙减小)，进而产生脉冲电弧放电，导致磨粒表面结构破损或直接脱落。
此外，“一种粗金刚石砂轮的微磨粒出刃尖端修平修齐装置及方法”，【专利号：ZL201511022295.3，授权日期：2017.06.02】专利中公开了利用具有圆形微结构阵列的含铸铁微粉金刚石研磨圆盘对金刚石砂轮进行修平修齐的方法，其原理是：铁元素可降低金刚石磨粒的石墨化温度，正交研磨过程中圆盘上的微细金刚石可在切向(砂轮径向移动)和轴向(圆盘旋转)磨削力作用下对砂轮磨粒出刃尖端进行热化学研磨微去除，且圆盘上的微结构阵列具有容屑散热作用，可提高修整性能。然而，该技术也存在以下不足：
1.与上述第一种方法比较，虽然砂轮与圆盘对磨可修平微磨粒的出刃尖端，但金刚石去除率非常低，例如利用#60金刚石砂轮与旋转铁电极(不含微细金刚石颗粒)进行长达两周的对磨才将磨粒出刃尖端修平；
2.磨削力不便于控制，修整过程中需考虑微结构阵列尺寸、圆盘的平面度和主轴圆跳动等因素的影响，避免产生的磨削力过大使磨粒脱落；
3.微细金刚石颗粒需以电镀的方式固定在铁基圆盘上，但现有技术所提供的电镀层厚度不足1mm，难以满足修整时间要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种砂轮微磨粒修平的脉冲放电修整参数和运动参数控制方法，该方法无需采用电极旋转装置，修整过程中只需将铁基电极固定在机床工作台上，并通过对脉冲放电修整参数和运动参数的控制即可获得良好的修平效果，其工作原理是：修整过程中砂轮始终与电极接触，铁元素有效地降低了金刚石的石墨化温度，使金刚石磨粒切削刃尖端可在磨削力、磨削热和电火花放电瞬时高温的共同作用下(即热化学效应)逐渐被修平，同时脉冲电火花可去除砂轮表面的金属结合剂，使金刚石磨粒出刃。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种砂轮微磨粒修平的脉冲放电修整参数和运动参数控制方法，包括以下步骤：
1)将金刚石砂轮和电极分别固定在机床的砂轮轴和工作台上，并利用导线以正极性方式依次将金刚石砂轮、石墨电刷、电流传感器、电源、电极连接构成放电回路，电压传感器与电源并联并与电流传感器连接示波器；
2)进行试磨操作，为放电回路加载开路电压E，让金刚石砂轮以预先设定的运动参数沿磨削路径运动，待电极表面因扬起切屑与砂轮结合剂形成放电间隙而产生稳定脉冲电火花时，示波器在线采集由电压传感器与电流传感器发出的脉冲放电信号，并计算出修整前的砂轮磨粒出刃高度H0，其中，基于单颗磨粒切削与扬起切屑放电原理建立的砂轮磨粒出刃高度模型由式(1)参数确定：
式中，脉冲放电电压U和脉冲放电电流I为脉冲放电修整参数，砂轮转速N、工作台进给速度vf和进给深度ap为运动参数，a、b和c为与开路电压和电极材料相关的系数，d为与切屑长度相关的系数，D为砂轮直径，θ为切屑扬起角度，且θ＝20～30°；
3)进行微磨粒修平操作，根据步骤2)中确定的磨粒出刃高度H0重新设定机床运动参数，将脉冲放电电压控制在19～23V范围内，金刚石砂轮沿磨削路径循环运动，所述示波器实时采集脉冲放电信号，通过式(1)和式(2)间歇地计算/更新当前砂轮磨粒出刃高度和有效磨粒数，并与目标值进行比较；待达到目标值后，机床停止工作；其中，砂轮有效磨粒数nd由式(2)参数确定：
式中，tm为脉冲放电波形采样时间，ne为脉冲放电电流波峰数量。
通过将脉冲放电电压控制在19～23V范围内，可提高金刚石磨粒的微去除率，使修整面光滑平整，还可防止放电过程中大量的熔融物附着在砂轮结合剂表面。大量电火花放电加工实验结果表明，放电间隙受开路电压、电极材料成分/物理性能和电源稳定性等因素影响，因此修整过程中的脉冲放电电压控制范围可根据实际工况在19～23V的基础上进行适当调整。
作为一种优选方案，在步骤1)中，所述金刚石砂轮的粒度为#24～#180。
作为一种优选方案，在步骤1)中，所述电极为铁基电极。
作为一种优选方案，在步骤1)中，所述电源为直流/脉冲电源。
作为一种优选方案，在步骤2)中，所述开路电压为20V≤E≤30V。
作为一种优选方案，在步骤2)中，所述预先设定的运动参数包括 N≤2400rpm、vf≤100mm/min、ap≤2μm。
作为一种优选方案，在步骤3)中，需重新设定的机床运动参数由式(3) 确定：
式中，Umin和Umax为砂轮修整时控制的脉冲放电电压最小值和最大值，分别取19V和23V，相应的脉冲放电电流最小值Imin和最大值Imax分别为2A和5A。
放电间隙与切屑扬起高度之和可近似为磨粒出刃高度。其中，放电间隙与脉冲放电修整参数(U和I)相关；切屑扬起高度与接触弧长相关，受运动参数影响。因此，实现磨粒修平效果的控制关键在于弄清脉冲放电修整参数和运动参数与磨粒出刃高度之间的关系。
此外，通过将工作台进给速度控制在小于200mm/min范围内，可减缓砂轮主轴振动对放电间隙和磨削力的影响，进而避免产生脉冲电弧放电和因磨削力突变而引起的磨粒脱落现象。随着技术的发展，砂轮主轴稳定性会越来越好，所以在修整时砂轮主轴稳定性足够好的前提下工作台进给速度也可大于 200mm/min。
作为一种优选方案，在步骤3)中，当脉冲放电电压超出所述的19～23V范围时，按以下方式调整机床运动参数或/和电源开路电压：
31)当脉冲放电电压U＜19V时，减小工作台进给速度或/和进给深度或/和开路电压；
32)当脉冲放电电压U＞23V时，增大工作台进给速度或/和进给深度或/ 和减小开路电压。
在修整过程中，尤其是当稳定的放电间隙因磨粒脱落、机床主轴振动和回程误差增大等偶然因素而被切屑堵塞时，优先调节工作台进给速度来控制脉冲放电电压，其次是调节进给深度和电源开路电压，其原因在于：一方面，在平面磨削中，工作台进给速度对接触弧长和磨削力的影响要比进给深度的小，即工作台进给速度的可调节范围更大；另一方面，工作台进给速度可随时调节，且安全简单，无需考虑磨削路径的循环节点。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
1.无需使用专用的电极旋转装置，只需将铁基电极固定在机床工作台上，简化了夹具结构，降低了成本，操作简便，且磨削力、放电间隙的稳定性不会受旋转装置的圆跳动及其工作台平面度影响。
2.由于随加热温度的提高，金刚石石墨化程度不断增大(热化学效应)，因此只需控制脉冲放电修整参数和运动参数即可使微磨粒获得良好的修平效果 (砂轮微磨粒快速修平一直是制造领域上的难题)，这种调节方式灵活、方便，并且可实时调节。
3.通过追踪脉冲放电修整参数可有效地预测砂轮微磨粒出刃高度，避免复杂繁琐的检测和数据处理过程，为实现修整过程智能化创造有利条件。
4.修整后金刚石砂轮的表面熔融物少，因微磨粒刚度系数大(不易脱落)，修整面光滑平整，出刃高且等齐性好，可用于硬脆材料的镜面磨削加工。
附图说明
图1为砂轮微磨粒修平示意图。
图2a为砂轮微磨粒宏观磨削示意图。
图2b为砂轮微磨粒微观磨削示意图。
图3a为直流电源恒压恒流控制原理图。
图3b为修整中采集的脉冲放电波形图。
图4为运动参数与连续脉冲电火花放电率关系图。
图5a为1μm进给深度下的脉冲放电修整参数随工作台进给速度的变化图。
图5b为2μm进给深度下的脉冲放电修整参数随工作台进给速度的变化图。
图5c为3μm进给深度下的脉冲放电修整参数随工作台进给速度的变化图。
图6a为电火花+电弧放电修整波形图。
图6b为电火花放电修整波形图。
图7a为电火花+电弧放电修整所产生的切屑电镜图。
图7b为电火花放电修整所产生的切屑电镜图。
图8a为不同修整条件下的微磨粒1形貌电镜图。
图8b为不同修整条件下的微磨粒2形貌电镜图。
图9a为5μm进给深度下的脉冲放电修整参数随修整时间的变化图。
图9b为1μm进给深度下的脉冲放电修整参数随修整时间的变化图。
图10a为23V脉冲放电电压下的砂轮结合剂表面形貌电镜图。
图10b为24V脉冲放电电压下的砂轮结合剂表面形貌电镜图。
图中所示：1-金刚石砂轮；2-石墨电刷；3-脉冲电火花；4-磨削路径；5-电极；6-示波器；7-电压传感器；8-电源；9-电流传感器；10-切屑；11-金刚石微磨粒。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
一种砂轮微磨粒修平的脉冲放电修整参数和运动参数控制方法，包括以下步骤：
1)将金刚石砂轮1和电极5分别固定在机床的砂轮轴和工作台上，并利用导线以正极性方式依次将金刚石砂轮1、石墨电刷2、电流传感器9、电源8、电极5连接构成放电回路，电压传感器7与电源8并联并与电流传感器9连接示波器6(参见图1)；
2)进行试磨操作，为放电回路加载开路电压E，让金刚石砂轮1以预先设定的运动参数沿磨削路径4运动，待电极5表面因扬起切屑与砂轮结合剂形成放电间隙而产生稳定脉冲电火花3时，示波器6在线采集由电压传感器7与电流传感器9发出的脉冲放电信号，并计算出修整前的砂轮磨粒出刃高度H0，其中，基于单颗磨粒切削与扬起切屑放电原理建立的砂轮磨粒出刃高度模型由式 (1)参数确定：
式中，脉冲放电电压U和脉冲放电电流I为脉冲放电修整参数，砂轮转速N、工作台进给速度vf和进给深度ap为运动参数，a、b和c为与开路电压和电极材料相关的系数，d为与切屑长度相关的系数，D为砂轮直径，θ为切屑扬起角度，且θ＝20～30°；
3)进行微磨粒修平操作，根据步骤2)中确定的磨粒出刃高度H0重新设定机床运动参数，将脉冲放电电压控制在19～23V范围内，金刚石砂轮1沿磨削路径4循环运动，所述示波器6实时采集脉冲放电信号，通过式(1)和式(2) 间歇地计算/更新当前砂轮磨粒出刃高度和有效磨粒数，并与目标值进行比较；待达到目标值后，机床停止工作；其中，砂轮有效磨粒数nd由式(2)参数确定：
式中，tm为脉冲放电波形采样时间，ne为脉冲放电电流波峰数量。
通过将脉冲放电电压控制在19～23V范围内，可提高金刚石磨粒的微去除率，使修整面光滑平整，还可防止放电过程中大量的熔融物附着在砂轮结合剂表面。大量电火花放电加工实验结果表明，放电间隙受开路电压、电极材料成分/物理性能和电源稳定性等因素影响，因此修整过程中的脉冲放电电压控制范围可根据实际工况在19～23V的基础上进行适当调整。
具体而言，在步骤1)中，所述金刚石砂轮1的粒度为#24～#180，所述电极 5为铁基电极，所述电源8为直流/脉冲电源。
具体而言，在步骤2)中，所述开路电压为20V≤E≤30V，所述预先设定的运动参数包括N≤2400rpm、vf≤100mm/min、ap≤2μm。
具体而言，在步骤3)中，需重新设定的机床运动参数由式(3)确定：
式中，Umin和Umax为砂轮修整时控制的脉冲放电电压最小值和最大值，分别取19V和23V，相应的脉冲放电电流最小值Imin和最大值Imax分别为2A和5A。
放电间隙与切屑扬起高度之和可近似为磨粒出刃高度。其中，放电间隙与脉冲放电修整参数(U和I)相关；切屑扬起高度与接触弧长相关，受运动参数影响。因此，实现磨粒修平效果的控制关键在于弄清脉冲放电修整参数和运动参数与磨粒出刃高度之间的关系。
此外，通过将工作台进给速度控制在小于200mm/min范围内，可减缓砂轮主轴振动对放电间隙和磨削力的影响，进而避免产生脉冲电弧放电和因磨削力突变而引起的磨粒脱落现象。随着技术的发展，砂轮主轴稳定性会越来越好，所以在修整时砂轮主轴稳定性足够好的前提下工作台进给速度也可大于 200mm/min。
另外，在步骤3)中，当脉冲放电电压超出所述的19～23V范围时，按以下方式调整机床运动参数或/和电源开路电压：
31)当脉冲放电电压U＜19V时，减小工作台进给速度或/和进给深度或/和开路电压；
32)当脉冲放电电压U＞23V时，增大工作台进给速度或/和进给深度或/ 和减小开路电压。
参见图1～10，以#46金刚石砂轮微磨粒修整为例，详细说明本发明的砂轮微磨粒修平的脉冲放电修整参数和运动参数控制方法的工作原理，进而验证本发明的技术效果。
砂轮微磨粒修平方式如图1所示，将金刚石砂轮1和电极5分别固定在机床的砂轮轴和工作台上，并利用导线以正极性方式将金刚石砂轮1、石墨电刷2、电极5、示波器6、电压传感器7、电源8和电流传感器9连接构成放电回路。为放电回路加载开路电压E后，金刚石砂轮1按设定的运动参数(砂轮转速N，工作台进给速度vf，进给深度ap)沿磨削路径4循环运动，使电极5表面出现稳定脉冲电火花3，以达到微磨粒修平的目的。其中，以正极性方式连接可提高砂轮结合剂去除率，有利于微磨粒出刃；通过示波器6在线采集的由电压传感器7与电流传感器9发出的脉冲放电信号可用于计算磨粒平均出刃高度和控制微磨粒修平效果。
砂轮微磨粒修平工作原理如图2a和2b所示，修整中金刚石砂轮1对电极5 起磨削作用，使扬起的切屑10与砂轮结合剂表面之间形成放电间隙，并在由电源8输出的开路电压E下产生脉冲电火花放电3。一方面，当金刚石微磨粒11 的切削刃尖端因电火花放电瞬时高温和磨削热的影响而出现石墨化现象12后 (金刚石石墨化的特点是原子晶体间的结合力减弱)，可在磨削力作用下逐渐被去除；另一方面，产生的脉冲电火花放电3可熔化蚀除砂轮表面金属结合剂和扬起的切屑10，使金刚石磨粒出刃，并为电火花放电创造良好的条件。
根据上述的砂轮微磨粒修平工作原理，可进一步建立微磨粒的出刃高度模型。如图2b所示，磨粒出刃高度近似为放电间隙Ge和切屑扬起高度hf之和。其中，放电间隙Ge与脉冲放电修整参数(U和I)相关；假设切屑扬起角度θ为常数，则切屑扬起高度hf与切屑长度ld成正比；切屑长度ld与接触弧长lg有关，主要受运动参数(砂轮转速N，工作台进给速度vf，进给深度ap)影响。因此，砂轮微磨粒的出刃高度H：
式中，a，b和c为与开路电压和电极材料相关的系数，U为脉冲放电电压； I为脉冲放电电流，d为与切屑长度相关的系数，D为砂轮直径。
建立上述的磨粒出刃高度模型目的在于实现对砂轮微磨粒出刃高度的在线监测，避免复杂繁琐的检测和数据处理过程，并为修整过程中脉冲放电修整参数和运动参数的控制提供理论依据。
此外，产生脉冲放电信号的前提条件是在砂轮微磨粒切削工件过程中扬起的切屑与砂轮结合剂形成放电间隙，且微磨粒切削工件次数与产生的切屑数量相关，所以可进一步通过脉冲放电电流波峰数量确定砂轮的有效磨粒数nd，其关系式为：
式中，tm为脉冲放电波形采样时间，ne为脉冲放电电流波峰数量。
关于修整过程中通过控制脉冲放电修整参数和运动参数是否能促使金刚石石墨化，进而获得良好的微磨粒修平效果，可通过理论和实验验证。
当金刚石加热到900℃后，其表面开始石墨化，随温度升高，石墨化加速， 1050℃后整个晶体迅速石墨化，化学反应为O2+2C金刚石→2CO，2CO+C金刚石→ CO2+2C石墨。然而，金刚石在铁元素作用下加热到750℃时就开始发生石墨化，到850℃时其表面已完全石墨化，即铁元素降低了金刚石的石墨化温度约 150～200℃。因此，本发明所述的技术中采用铁基电极进行修整的目的在于降低砂轮微磨粒的石墨化温度。
以单颗金刚石微磨粒(直径350μm)为例对修整过程中的温度场进行仿真分析，将运动参数中的砂轮转速N和工作台进给速度vf替换为磨粒与工件表面的接触时间，并设定工件材料为45钢。仿真结果表明，以N＝2400rpm，vf＝80mm/min和ap＝1μm的运动参数进行磨削时，微磨粒表面温度(即磨削区温度)为500℃，未达到金刚石石墨化最低温度；若在扬起的切屑顶端增设热源(脉冲电火花放电产生的瞬时高温)后，其表面温度可达800℃而迅速石墨化。因此，本发明所述的技术理论上可实现微磨粒的快速修平。
金刚石迅速石墨化的前提是吸收足够多的热量。上述的“一种粗金刚石砂轮的微磨粒出刃尖端修平修齐装置及方法”中，只是纯粹地采用旋转圆盘对砂轮微磨粒进行修整，所产生的磨削热无法使金刚石表面迅速石墨化，所以微磨粒的修平效率低；而“一种大颗粒金刚石砂轮的气中放电修锐修齐方法”中，气中放电所产生的热量可促使砂轮微磨粒的石墨化，但该技术采用的是铜基电极，铜元素无法降低金刚石石墨化温度，所以微磨粒表面即使吸收了更多的热量，产生的温度也不足以使金刚石磨粒发生石墨化现象。此外，修整过程中砂轮磨削铜电极所产生的磨削力比铁电极的小，所以在不产生石墨化的情况下铜电极难以将微磨粒修平。
需强调的是，本发明所述的技术并不是现有技术的简单叠加，其本质区别在于通过修整过程中对脉冲放电修整参数和运动参数的控制使脉冲放电电压稳定在19～23V范围内才能令微磨粒获得良好的修平效果，即产生热化学效应，而且参数控制与磨粒出刃高度模型相关，这不是本领域中的基础常识。由于工艺参数控制的理论依据及方式的不同，本领域技术人员即使结合本领域的基本常识和有限次的实验，也无法获得本发明所限定的19～23V的脉冲放电电压及式 (2)中的运动参数调节范围。
下面通过实施例说明本发明的脉冲放电修整参数和运动参数控制的工作原理及必要性：
首先将#46金刚石砂轮(直径D＝150mm，青铜结合剂)与铁电极(45钢) 固定在CNC精密磨床上(SMART 818)，以正极性方式与石墨电刷、示波器 (DS1102E)、直流电源(DCS80)、电压和电流传感器(RP1000D和RP1001C) 连接构成放电回路。其中，直流电源工作原理如图3a和3b所示，该电源中的恒压恒流控制单元可根据负载R大小对放电回路的输入电压/电流(Ui/Ii)进行自适应调节。修整过程中，负载随放电间隙的增大而增大，所以传感器检测到的脉冲放电电压U即为电源自适应调节后的输入电压(直流)，其发生时间不仅限于脉冲放电电流I的脉冲持续时间。
接着以开路电压E＝25V，砂轮转速N＝2400rpm，轴向进给△Z＝1mm，工作台进给速度vf＝20～170mm/min，进给深度ap＝1～3μm进行实验，规定工作台进给速度每次增加10mm/min，直到连续脉冲电火花放电率ηc小于80％为止，且每次修整的累计进给深度∑ap＝3ap，共25组实验。此外，实验前通过白光干涉检测砂轮微磨粒平均出刃高度为102.4μm。
如图4所示，随工作台进给速度vf的增大，连续脉冲电火花放电率ηc先稳定在90％以上，然后因切屑的堆积而迅速降到60％；当进给深度ap增大(1μm →3μm)时，临界工作台进给速度(连续脉冲电火花放电率大于80％)从 160mm/min下降至40mm/min，所以有必要限定工作台进给速度在200mm/min 范围内。
如图5a，5b和5c所示，脉冲放电电流I随工作台进给速度vf和进给深度ap的增大而减小；脉冲放电电压U也随进给深度ap的增大而减小，但基本不受工作台进给速度vf的影响(连续脉冲电火花放电率大于80％时忽略脉冲电弧放电的影响)。
图4和5揭示了砂轮微磨粒修整中运动参数与脉冲放电修整参数的变化规律，得出进给深度的影响程度远大于工作台进给速度的结论。由于进给深度每增加1μm可降低脉冲放电电压1～1.5V，且易使切屑堆积在放电间隙中而发生脉冲电弧放电，所以在控制脉冲放电电压时应优先调节工作台进给速度。
最后在修整过程中，随着进给深度的增大(即连续脉冲放电率的减小)，所产生的脉冲放电波形与切屑会出现截然不同的变化。如图6a所示，当进给深度 ap≥3μm时，脉冲放电电压U的幅值低于18V且不稳定，易下降至5V以下，而脉冲放电电流I的频率大于500Hz，但幅值小于4A；如图6b所示，当进给深度 ap＜3μm时，脉冲放电修整参数的幅值较大且更稳定，其中脉冲放电电流I的频率一般小于100Hz。需说明的是，本实施例将图6a和6b中的放电形式分别定义为电火花+电弧放电和电火花放电。此外，如图7a和7b所示，与电火花+电弧放电比较，电火花放电修整所产生的切屑中掺杂了大量的球状熔融物。
图6和7说明了电火花+电弧放电释放的热量远小于电火花放电，且上述已阐述金刚石石墨化的必要条件是吸收足够多的热量。因此，修整过程中有必要对脉冲放电修整参数与运动参数进行控制，以产生稳定的脉冲电火花。
由于修整过程中砂轮微磨粒的出刃高度会发生变化，脉冲放电修整参数与运动参数的控制不能完全依赖于经验，需借助磨粒出刃高度模型。结合上述的实验数据，可推导出具体的磨粒出刃高度计算公式：
下面通过另一个实施例说明本发明的微磨粒修平效果及脉冲放电修整参数参数和运动参数控制范围：
类似地，首先将#46金刚石砂轮(直径D＝150mm，青铜结合剂)与铁电极 (45钢)固定在CNC精密磨床上(SMART 818)，以正极性方式与石墨电刷、示波器(DS1102E)、直流电源(DCS80)、电压和电流传感器(RP1000D和RP1001C)连接构成放电回路，接着以开路电压E＝25V，砂轮转速N＝2400rpm，工作台进给速度vf＝80mm/min，轴向进给△Z＝1mm，进给深度ap＝5μm(电火花 +电弧放电)和1μm(电火花放电)进行实验，且规定每种放电形式的修整时间为20小时。
如图8a和8b所示，在电火花+电弧放电下，微磨粒的修整面变化不明显，且由于砂轮青铜结合剂易被去除，其出刃高度H平均增大了5.4％；但在电火花放电下，微磨粒以1.103×104μm3/h的效率被快速修平，使磨粒等齐性σ提高了26％，且微磨粒修整面光滑平整。因此，稳定的脉冲电火花放电可提高微磨粒的修平效率，当微磨粒的出刃高度减小且修平面积增大时，其刚度系数必定增大，但有必要为脉冲放电电压设定下限。
如图9a和9b所示，随着修整时间tc的推移，在电火花放电下的脉冲放电电压U和脉冲放电电流I分别增大了3V和2A，但在电火花+电弧放电下的变化不明显。说明在微磨粒修平过程中，砂轮青铜结合剂也逐渐被去除，进而使微磨粒出刃。然而，脉冲放电修整参数的增大也意味着放电间隙(外部负载)的增大。外部负载越大，放电回路消耗的热能量就越多，即微磨粒可吸收的热能量就越少，这将直接影响其石墨化效果。因此，从微磨粒修平效率上考虑，有必要为脉冲放电电压设定上限。
此外，经电火花+电弧放电后的砂轮青铜结合剂表面附着了较多的铁熔物，其铁元素Fe的质量百分比Wc从4.6％上升至38.6％，而经电火花放电后，虽然仍有铁熔物附着在结合剂表面，但铁元素Fe的质量百分比Wc下降至29.8％。因此，与电火花+电弧放电相比，电火花放电修整后的砂轮表面更加“干净”。然而，随着脉冲放电电压(放电间隙)的增大，飞溅的切屑在电火花放电作用下将充分熔化并附着到砂轮表面，直接影响微磨粒的出刃。如图10a和10b所示，当脉冲放电电压U从23V增加至24V时，砂轮表面附着的铁熔物明显增多。因此，从微磨粒修锐效果上考虑，也有必要为脉冲放电电压设定上限。
根据上述分析，当脉冲放电电压U小于19V时，易产生电火花+电弧放电 (参见图4和5)；当脉冲放电电压U大于23V时，微磨粒修平效率降低，且熔融物易附着在砂轮表面(参见图10)，所以修整时有必要将脉冲放电电压控制在19～23V范围内。当确定脉冲放电电压的控制范围后，可通过砂轮微磨粒出刃高度计算公式(4)进一步确定运动参数的控制范围：
需说明的是，当电源型号、电极和砂轮结合成分剂等条件发生变化时，磨粒出刃高度模型中的系数也会发生变化，但结构形式不变，即式(1)和(3)，而式(4)和(5)仅作为本发明中的一个例子。
综上所述，采用上述参数对金刚石砂轮进行修整，不仅砂轮表面熔融物少，而且微磨粒刚度系数大(不易脱落)，修整面光滑平整，出刃高且等齐性好，适用于硬脆材料的镜面磨削加工。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种砂轮微磨粒修平的脉冲放电修整参数和运动参数控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将金刚石砂轮和电极分别固定在机床的砂轮轴和工作台上，并利用导线以正极性方式依次将金刚石砂轮、石墨电刷、电流传感器、电源、电极连接构成放电回路，电压传感器与电源并联并与电流传感器连接示波器；
2)进行试磨操作，为放电回路加载开路电压E，让金刚石砂轮以预先设定的运动参数沿磨削路运动，待电极表面因扬起切屑与砂轮结合剂形成放电间隙而产生稳定脉冲电火花时，示波器在线采集由电压传感器与电流传感器发出的脉冲放电信号，并计算出修整前的砂轮磨粒出刃高度H0，其中，基于单颗磨粒切削与扬起切屑放电原理建立的砂轮磨粒出刃高度模型由式(1)参数确定：
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中，脉冲放电电压U和脉冲放电电流I为脉冲放电修整参数，砂轮转速N、工作台进给速度vf和进给深度ap为运动参数，a、b和c为与开路电压和电极材料相关的系数，d为与切屑长度相关的系数，D为砂轮直径，θ为切屑扬起角度，且θ＝20～30°；
3)进行微磨粒修平操作，根据步骤2)中确定的磨粒出刃高度H0重新设定机床运动参数，将脉冲放电电压控制在19～23V范围内，金刚石砂轮沿磨削路径循环运动，所述示波器实时采集脉冲放电信号，通过式(1)和式(2)间歇地计算/更新当前砂轮磨粒出刃高度和有效磨粒数，并与目标值进行比较；待达到目标值后，机床停止工作；其中，砂轮有效磨粒数nd由式(2)参数确定：
<mrow>
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<mi>n</mi>
<mi>d</mi>
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<mo>=</mo>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中，tm为脉冲放电波形采样时间，ne为脉冲放电电流波峰数量。
2.根据权利要求1所述的砂轮微磨粒修平的脉冲放电修整参数和运动参数控制方法，其特征在于：在步骤1)中，所述金刚石砂轮的粒度为#24～#180。
3.根据权利要求1所述的砂轮微磨粒修平的脉冲放电修整参数和运动参数控制方法，其特征在于：在步骤1)中，所述电极为铁基电极。
4.根据权利要求1所述的砂轮微磨粒修平的脉冲放电修整参数和运动参数控制方法，其特征在于：在步骤1)中，所述电源为直流/脉冲电源。
5.根据权利要求1所述的砂轮微磨粒修平的脉冲放电修整参数和运动参数控制方法，其特征在于：在步骤2)中，所述开路电压为20V≤E≤30V。
6.根据权利要求1所述的砂轮微磨粒修平的脉冲放电修整参数和运动参数控制方法，其特征在于：在步骤2)中，所述预先设定的运动参数包括N≤2400rpm、vf≤100mm/min、ap≤2μm。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的砂轮微磨粒修平的脉冲放电修整参数和运动参数控制方法，其特征在于：在步骤3)中，需重新设定的机床运动参数由式(3)确定：
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
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<mi>sin</mi>
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</mrow>
</mfrac>
</mrow>
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<mtr>
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</mfenced>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中，Umin和Umax为砂轮修整时控制的脉冲放电电压最小值和最大值，分别取19V和23V，相应的脉冲放电电流最小值Imin和最大值Imax分别为2A和5A。
8.根据权利要求1至6中任意一项所述的砂轮微磨粒修平的脉冲放电修整参数和运动参数控制方法，其特征在于：在步骤3)中，当脉冲放电电压超出所述的19～23V范围时，按以下方式调整机床运动参数或/和电源开路电压：
31)当脉冲放电电压U＜19V时，减小工作台进给速度或/和进给深度或/和开路电压；
32)当脉冲放电电压U＞23V时，增大工作台进给速度或/和进给深度或/和减小开路电压。
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