CN107598723B - 砂轮微尖端磨粒电热化学修尖装置及其在线控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种砂轮微尖端磨粒电热化学修尖装置，包括电源、石墨电刷、微尖端砂轮、对磨锥台、旋转装置、数控磨床工作台、电流传感器、电压传感器、示波器，所述旋转装置固定在数控磨床工作台上，所述对磨锥台固定在旋转装置上，利用导线以正极性方式依次将微尖端砂轮、石墨电刷、电流传感器、电源、对磨锥台连接构成放电回路，所述电压传感器与所述电流传感器共同连接示波器。本发明还公开了一种砂轮微尖端磨粒电热化学修尖装置在线控制方法。本发明只需调整数控磨床运动参数来控制脉冲放电修整参数即可获得砂轮微尖端微磨粒良好的修尖效果；修尖后的尖端微磨粒成型精度高，尖端圆弧半径低，不易磨损，可实现非硬脆材料的精密磨削加工。
Description
技术领域
本发明涉及微尖端砂轮尖端微磨粒修尖的精密控制技术，具体涉及一种砂轮微尖端磨粒电热化学修尖装置及其在线控制方法。
技术背景
目前，零部件表面微沟槽主要是采用以机械修整方式对磨成型的微尖端砂轮精密磨削而成，但机械修整方式只去除微尖端砂轮的结合剂使磨粒出刃，可控制微尖端的宏观形貌，但无法控制影响加工质量的砂轮微尖端磨粒形状。
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数控磨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.磨粒修平修齐效果不明显，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。
“一种气中放电对磨的金刚石砂轮V形尖角修整方法”(申请公布号：CN102490121A，申请公布日：2012.06.13)专利中所述的原理与“一种大颗粒金刚石砂轮的气中放电修锐修齐方法”专利中的基本一致，而该技术的区别仅在于通过V形的磨削路径修整砂轮，以达到去除砂轮结合剂和V尖端成型的目的。然而，该技术除上述专利中的问题外，尚存在以下不足：
1.砂轮从下往上的磨削路径使其微尖端的侧面总是先于顶端接触电极，无法有效地对砂轮顶端上的微磨粒进行修整；
2.砂轮从下往上的磨削路径增大了单颗金刚石磨粒的切削接触弧长，无法通过调整数控磨床运动参数来控制脉冲放电修整参数，修整中易出现电弧放电；
3.电极固定在数控磨床上使砂轮磨粒在修整中所受的磨削力方向不变，无法利用金刚石各向异性存在的易碎面对磨粒进行修整。
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在线控制方法”，(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：利用铁元素能降低金刚石磨粒的石墨化温度的原理，使用旋转圆盘上的含铸铁微粉金刚石研磨圆盘使平面金刚石砂轮的出刃微磨粒达到修平修齐的效果，通过物理滑擦方式对金刚石磨粒热修整去除，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，该技术中的金刚石微去除率低，虽然通过物理滑擦方式可对微磨粒进行热化学去除，但热量积聚慢，无法满足高效率修整的要求，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。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种砂轮微尖端磨粒电热化学修尖装置及其在线控制方法，该方法只需通过调整数控磨床运动参数来控制脉冲放电修整参数即可获得砂轮微尖端微磨粒良好的修尖效果，其工作原理是：采用旋转电极方式修整可在砂轮微磨粒、锥台微磨粒及其基体材料旋转对磨中利用金刚石各向异性的特点对磨粒易碎面进行修整，并通过合理规划磨削路径和在砂轮微磨粒、锥台微磨粒及其基体材料对磨引起的磨削力、磨削热和电火花放电瞬时高温作用下所产生的物理及热化学效应对砂轮微尖端微磨粒进行修尖。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种砂轮微尖端磨粒电热化学修尖装置，包括电源、石墨电刷、微尖端砂轮、对磨锥台、旋转装置、数控磨床工作台、电流传感器、电压传感器、示波器，所述的旋转装置固定在数控磨床工作台上，所述对磨锥台固定在旋转装置上，所述的旋转装置的中心线微尖端砂轮的中心线相垂直，利用导线以正极性方式依次将微尖端砂轮、石墨电刷、电流传感器、电源、对磨锥台连接构成放电回路，所述电压传感器与电源并联并与所述电流传感器共同连接示波器；
进一步地，所述对磨锥台的锥角角度为60°≤β≤150°。
进一步地，所述电源为直流/脉冲电源。
一种基于所述砂轮微尖端磨粒电热化学修尖装置的在线控制方法，包括步骤：
1)装置搭建，将对磨锥台固定在数控磨床工作台的旋转装置上，使微尖端砂轮中心线与旋转装置的中心线垂直，利用导线以正极性方式依次将微尖端砂轮、石墨电刷、电流传感器、电源、对磨锥台连接构成放电回路，所述电压传感器与电源并联并与所述电流传感器共同连接示波器；
2)砂轮微磨粒修尖参数控制，为放电回路加载开路电压E，通过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以获得脉冲放电电压U 及脉冲放电电流I，设定数控磨床运动参数，包括砂轮转速Nw、砂轮进给速度 vf，进给深度ap和旋转装置转速Nr，将脉冲放电电压U和脉冲放电电流I分别控制在18～30V和4～10A范围内，使对磨锥台表面出现稳定的脉冲电火花；
3)砂轮微磨粒修尖操作，微尖端砂轮沿修整角度β＝α的磨削路径循环运动，修整中对磨锥台基体元素促使砂轮微磨粒石墨化，并通过在砂轮微磨粒、锥台微磨粒及其基体材料对磨引起的磨削力、磨削热和电火花放电瞬时高温作用下产生的物理及电热化学效应，进行砂轮微尖端上微磨粒修尖；
通过将脉冲放电电压和放电电流分别控制在18～30V和4～10A的范围内，可提高金刚石磨粒的微去除率，使微尖端磨粒修尖，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和放电电流的控制范围可根据实际工况在18～30V及4～10A 的基础上进行适当调整。
4)砂轮尖端微磨粒在线检测，利用修整后的砂轮尖端进行放电磨削加工，在线检测产生的脉冲放电电流波形和工件划痕截面轮廓，计算砂轮尖端有效磨粒数nd，并判断砂轮微尖端金刚石磨粒的尖端角度γ和圆弧半径r；当有效磨粒数nd大于目标值，且检测的划痕尖端角度γ1和圆弧半径r1分别满足γ1＝γ＝α±1°和r1＝r≤0.05mm时，数控磨床停止工作。
进一步地，步骤2)中，所述砂轮进给速度vf由式(1)确定：
式中，W、α为砂轮尖端宽度和角度。
进一步地，步骤4)中，所述砂轮尖端有效磨粒数nd由式(2)确定：
式中，tm为脉冲放电波形采集时间，ne为脉冲放电电流波峰数量。
因产生脉冲放电信号的前提条件是在砂轮有效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，所以通过脉冲放电电流波峰数量可进一步确定砂轮的有效磨粒数nd。
进一步地，步骤2)中，当脉冲放电电压U和脉冲放电电流I不满足所述 18～30V和4～10A时，通过调整数控磨床运动参数或/和电源开路电压，直到脉冲放电电压及放电电流重新稳定在所述18～30V和4～10A范围内。
进一步地，按以下方式调整数控磨床运动参数或/和电源开路电压：
当脉冲放电电压U＜18V和脉冲放电电流I＜4A时，减小砂轮进给速度vf 或/和进给深度ap或/和开路电压E；
当脉冲放电电压U＞30V和脉冲放电电流I＞10A时，增大砂轮进给速度vf 或/和进给深度ap或/和减小开路电压E。
在修整过程中，尤其是当稳定的放电间隙因磨粒脱落、数控磨床主轴振动和回程误差增大等偶然因素而被磨屑堵塞时，优先调节砂轮进给速度来控制脉冲放电电压及脉冲电流，其次是调节进给深度和电源开路电压，其原因在于：一方面，在微尖端磨粒修尖过程中，砂轮进给速度对电火花火电的瞬间高温持续时间和磨削力的影响要比进给深度的小，即砂轮进给速度的可调节范围更大；另一方面，砂轮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。
进一步地，步骤1)中，所述微尖端砂轮的粒度为20～400目金刚石磨粒，微尖端角度为60°≤α≤150°；所述对磨锥台4的粒度为100～2000目金刚石磨粒，基体材料包含铁、铬。
根据金刚石的各向异性，通过砂轮微磨粒、锥台微磨粒及其基体材料的旋转对磨改变修整中的磨削力方向，使砂轮微尖端磨粒总是从易碎面开始修尖。砂轮微磨粒所受磨削力方向与其速度方向一致，且由砂轮主轴转速Nw，砂轮进给速度vf和旋转装置转速Nr共同决定。其中，当修整微尖端右侧面及尖端微磨粒时，砂轮微尖端线速度vw与Nr方向相反；当修整微尖端左侧面及尖端微磨粒时，砂轮微尖端线速度vw与Nr方向相同。
进一步地，所述数控磨床运动参数的砂轮转速为250rpm≤Nw≤2500rpm，砂轮进给速度为10mm/min≤vf≤500mm/min，砂轮进给深度为1μm≤ap≤3μm，旋转装置转速为10rpm≤Nr≤500rpm，所述电源的开路电压23V≤E≤35V，且脉冲放电电压U不低于所设定开路电压E的2～5V范围内。
通过将砂轮进给速度控制在小于500mm/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，因此在修整时砂轮主轴稳定性足够好的前提下砂轮进给速度也可大于500mm/min。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
1.采用旋转电极方式，通过合理的磨削路径规划使砂轮微磨粒，锥台微磨粒及其基体材料相互对磨，并利用调整数控磨床运动参数控制脉冲放电修整参数，可提高微尖端磨粒的修尖效率。
2.通过追踪脉冲放电修整参数可在线评价微尖端有效磨粒数，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。
3.修整后微尖端砂轮的表面熔融物少，尖端微磨粒出刃高且成型精度高，可用于非硬脆材料的高精度微沟槽磨削加工。
附图说明
图1为砂轮微尖端磨粒的电热化学修尖装置整体结构示意图。
图2为图1中A处放大示意图。
图3为砂轮微尖端磨粒的电热化学修尖原理图。
图4a为电火花+电弧放电修整波形图。
图4b为电火花放电修整波形图。
图5a为电火花+电弧放电修整所产生的切屑电镜图。
图5b为电火花放电修整所产生的切屑电镜图。
图6a为直流电源恒压恒流控制原理图。
图6b为修整中采集的脉冲放电波形图。
图7a为修整前的砂轮微磨粒形貌电镜图。
图7b为修整后的砂轮微磨粒形貌电镜图。
图中所示：1-电源；2-石墨电刷；3-微尖端砂轮；4-对磨锥台；5-旋转装置； 6-数控磨床工作台；7-电流传感器；8-电压传感器；9-示波器；10-磨削路径；11- 砂轮微尖端金刚石磨粒；12-砂轮侧面金刚石磨粒；13-锥台金刚石磨粒；14-脉冲电火花；15-石墨；16-对磨处。
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。
如图1所示，一种砂轮微尖端磨粒的电热化学修尖装置，包括电源1、石墨电刷2、微尖端砂轮3、对磨锥台4、旋转装置5、数控磨床工作台6、电流传感器7、电压传感器8、示波器9，所述的旋转装置5固定在数控磨床工作台6上，所述对磨锥台4固定在旋转装置5上，所述的旋转装置5的中心线微尖端砂轮3 的中心线相垂直，利用导线以正极性方式依次将微尖端砂轮3、石墨电刷2、电流传感器7、电源1、对磨锥台4连接构成放电回路，所述电压传感器8与电源 1并联后与所述电流传感器7共同连接示波器9；所述对磨锥台4的锥角角度为 60°≤β≤150°。所述电源1为直流或脉冲电源。
一种基于所述砂轮微尖端磨粒的电热化学修尖装置的在线控制方法，包括步骤：
1)装置搭建，将对磨锥台4固定在数控磨床工作台6的旋转装置5上，使微尖端砂轮3中心线与旋转装置5的中心线垂直，利用导线以正极性方式依次将微尖端砂轮3、石墨电刷2、电流传感器7、电源1、对磨锥台4连接构成放电回路，所述电压传感器8与电源1并联并与所述电流传感器7共同连接示波器9；
2)砂轮微磨粒修尖参数控制，为放电回路加载开路电压E，通过示波器9 在线采集由电压传感器8与电流传感器7发出的脉冲放电信号以获得脉冲放电电压U及脉冲放电电流I，设定数控磨床运动参数，包括砂轮转速Nw、砂轮进给速度vf，进给深度ap和旋转装置转速Nr，将脉冲放电电压U和脉冲放电电流 I分别控制在18～30V和4～10A范围内，使对磨锥台4表面出现稳定的脉冲电火花14；
3)砂轮微磨粒修尖操作，微尖端砂轮3沿修整角度β＝α的磨削路径10循环运动，修整中对磨锥台4基体元素促使砂轮微磨粒石墨化，并通过在砂轮微磨粒、锥台微磨粒及其基体材料对磨引起的磨削力、磨削热和电火花放电瞬时高温作用下产生的物理及电热化学效应，进行砂轮微尖端上微磨粒11修尖；
4)砂轮尖端微磨粒在线检测，利用修整后的砂轮尖端进行放电磨削加工，在线检测产生的脉冲放电电流波形和工件划痕截面轮廓，计算砂轮尖端有效磨粒数nd，并判断砂轮微尖端金刚石磨粒11的尖端角度γ和圆弧半径r；当有效磨粒数nd大于目标值，且检测的划痕尖端角度γ1和圆弧半径r1分别满足γ1＝γ＝α±1°和r1＝r≤0.05mm时，数控磨床停止工作。
具体而言，步骤2)中，所述砂轮进给速度vf由式(1)确定：
式中，W、α为砂轮尖端宽度和角度。
具体而言，步骤4)中，所述砂轮尖端有效磨粒数nd由式(2)确定：
式中，tm为脉冲放电波形采集时间，ne为脉冲放电电流波峰数量。
具体而言，步骤2)中，当脉冲放电电压U和脉冲放电电流I不满足所述 18～30V和4～10A时，通过调整数控磨床运动参数或/和电源开路电压，直到脉冲放电电压及放电电流重新稳定在所述18～30V和4～10A范围内。
具体而言，按以下方式调整数控磨床运动参数或/和电源开路电压：
当脉冲放电电压U＜18V和脉冲放电电流I＜4A时，减小砂轮进给速度vf或/和进给深度ap或/和开路电压E；
当脉冲放电电压U＞30V和脉冲放电电流I＞10A时，增大砂轮进给速度vf或/和进给深度ap或/和减小开路电压E。
具体而言，步骤1)中，所述微尖端砂轮3的粒度为20～400目金刚石磨粒，微尖端角度为60°≤α≤150°；所述对磨锥台4的粒度为100～2000目金刚石磨粒，基体材料包含铁、铬。
具体而言，步骤2)中，所述数控磨床运动参数的砂轮转速为250rpm≤Nw≤2500rpm，砂轮进给速度为10mm/min≤vf≤500mm/min，砂轮进给深度为 1μm≤ap≤3μm，旋转装置转速为10rpm≤Nr≤500rpm；所述电源1的开路电压 23V≤E≤35V，且脉冲放电电压U不低于所设定开路电压E的2～5V范围内。
下面参见图1～图7，以46目120°尖端的金刚石砂轮(直径150mm，厚度 4mm)的尖端磨粒修尖为例，详细说明本发明的砂轮微尖端磨粒的电热化学修尖装置及其在线控制方法的工作原理，进而验证本发明的技术效果。
砂轮微尖端磨粒的电热化学修尖装置整体结构如图1所示，为砂轮微尖端磨粒的电热化学修尖装置的放电回路加载开路电压E，调整数控磨床运动参数，包括砂轮转速Nw，砂轮进给速度vf，进给深度ap，旋转装置转速Nr，微尖端砂轮3沿磨削路径10循环运动，使对磨锥台4出现稳定脉冲电火花14，达到砂轮微尖端金刚石磨粒11修尖的目的，通过示波器9在线采集的由电流传感器7与电压传感器8发出的脉冲放电信号可以通过数控磨床运动参数调整，控制砂轮微尖端金刚石磨粒11修尖效果(如图2)。
砂轮微尖端磨粒的电热化学修尖原理如图3所示，微尖端砂轮3按磨削路径10循环运动，砂轮侧面与对磨锥台4起磨削作用，使扬起的磨屑与砂轮结合剂表面之间形成放电间隙，并在电源1的开路电压E下产生脉冲电火花放电。一方面，脉冲电火花14产生的瞬时高温可熔化蚀除砂轮表面金属结合剂，使金刚石磨粒出刃；另一方面，受电火花放电瞬时高温和磨削热及锥台基体材料的影响，砂轮微磨粒表面出现由金刚石磨粒电热化学石墨化形成的石墨15，且锥台基体上的锥台金刚石磨粒13易与砂轮微磨粒的易碎面在对磨处16产生对磨，进而促使砂轮微尖端金刚石磨粒11的修尖和砂轮侧面金刚石磨粒12的修平。
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，进而获得良好的砂轮微尖端微磨粒修尖效果，可通过理论和实验验证。
当金刚石加热到900℃后，其表面碳原子晶体间的结合力减弱，即开始石墨化，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，铬元素作用下加热到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，铬等元素组成的对磨锥台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Nw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Nw＝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600℃，未达到金刚石石墨化最低温度；若在扬起的磨屑顶端增设热源(脉冲电火花放电产生的瞬时高温)时，通过模拟金刚石磨粒表面温度已经低到 800～900℃，由上述可知该温度下受铁，铬等元素催化下，金刚石磨粒出现石墨15，在对磨过程中，通过磨削力去除砂轮侧面金刚石磨粒12出现石墨15的尖端切削刃。因此，本发明所述的技术理论上可实现微磨粒的快速修尖。
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，所产生的物理滑擦方式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。
如图4所示，在调整运动参数过程中，随着进给深度的增大，所产生的脉冲放电波形与磨屑会出现截然不同的变化。需说明的是本发明将图4a和4b中的放电形式分别定义为电火花+电弧放电和电火花放电。当取脉冲放电开路电压 23V≤E≤35V，当进给速度200rpm≤vf≤500rpm时，脉冲放电电压U的幅值易低于 18V且不稳定，易下降至5V以下，而脉冲放电电流Ic的频率大于500Hz，幅值小于4A；如图4b所示，当进给速度10rpm≤vf≤200rpm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。如图5a和5b 所示，与电火花+电弧放电比较，电火花放电修整所产生的磨屑中掺杂了大量的球状熔融物。金刚石石墨化的必要条件是吸收足够多的热量，图4和5说明了电火花放电释放的热量远大于电火花+电弧放电，所以需对有效脉冲放电电压U 设定下限值。
随着修整时间的推移，在电火花放电下的脉冲放电电压U和脉冲放电电流 I有增大的趋势，随着脉冲放电修整参数的增大意味着放电间隙(外部负载)的增大。一方面，外部负载越大，放电回路消耗的热能量就越多，即磨粒可吸收的热能量就越少，直接影响到微磨粒的石墨化效果；另一方面，修整过程中飞溅的磨屑在电火花放电作用下将充分熔化并附着到砂轮表面，直接影响到微磨粒的修尖效果。当脉冲放电电压U从30V增加至31V时，导致脉冲放电电流I 大于10A，且砂轮表面附着的铁熔物明显增多。因此，从尖端微磨粒修尖效果上考虑，需对有效脉冲放电电压设定U上限值。
综上所述，当脉冲放电电压U小于18V时，易产生电火花+电弧放电；当脉冲放电电压U大于30V时，微磨粒修尖效率降低，且熔融物易附着在砂轮表面，所以修整时有必要将脉冲放电电压U控制在18～30V范围内。
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，其本质区别在于是对砂轮尖端微磨粒的修尖，而不是砂轮尖端形状的修尖，且修整过程中只有合理地规划磨削路径，并通过对数控磨床运动参数及脉冲放电修整参数的控制，才能使砂轮微尖端磨粒获得良好的修尖效果。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18～30V的脉冲放电电压及砂轮尖端微磨粒的修尖效果。
下面通过实施例说明本发明的砂轮微尖端磨粒的电热化学修尖装置及其在线控制方法的工作原理及必要性：
首先，将46目120°微尖端金刚石砂轮(直径D＝150mm，青铜结合剂)安装在CNC精密磨床上(SMART 818)的砂轮轴上，铁基对磨锥台4固定在旋转装置5正中心上，以正极性方式与石墨电刷2、示波器9(DS1102E)、直流电源 1、电压传感器8和电流传感器7连接构成放电回路。直流电源1的工作原理如图6a和6b所示，该电源1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＝30V，砂轮转速Nw＝2400rpm，砂轮微尖端宽度W和角度α分别为4mm和120°，设定旋转装置转速Nr＝10～250rpm，进给深度ap＝1～3μm 进行实验，根据式(2)计算出砂轮进给速度vf＝23～577mm/min，规定旋转装置转速每次增加10rpm，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，进行下一种进给深度，目的在于获得高放电效率下的高效率数控磨床运动参数。实验现象表明随着旋转装置转速的增大，连续脉冲电火花放电率ηc先稳定在90％以上，后因磨屑的堆积而迅速降到60％，以此作为评判标准。
通过观察脉冲电火花现象及脉冲电压电流信号，优化数控磨床运动参数得到，砂轮转速Nw＝2400rpm，砂轮进给速度vf＝184mm/min，砂轮进给深度ap＝3μm，旋转装置转速Nr＝80rpm，使46目120°微尖端砂轮以修整角度为β＝120°的磨削路径运动。
如图7a和7b所示，砂轮微尖端微磨粒在电热化学修整下被修尖，其尖端角度γ＝120.8°近似于修整角度β，且砂轮侧面微磨粒的修平面与结合剂基准面相平行。以砂轮转速Nw＝250rpm，进给速度vf＝10mm/min，进给深度ap＝1μm的数控磨床运动参数对工件进行放电磨削加工，5min内采集的脉冲放电电流波峰数量约5300个，则通过步骤4)中的式(2)计算出的有效微尖端磨粒为5；然后检测工件划痕截面轮廓，其划痕尖端角度γ1＝121.6°和尖端圆弧半径 r1＝0.041mm，表明砂轮微尖端磨粒已被修尖。
综上所述，采用上述步骤对微尖端砂轮进行修尖，不仅砂轮表面熔融物少，而且尖端微磨粒成型效果好，能在线评价控制尖端有效微磨粒数及其形貌特征，是一种适用于微尖端砂轮的精密修尖技术。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于砂轮微尖端磨粒电热化学修尖装置的在线控制方法，特征在于：所述装置包括电源（1）、石墨电刷、微尖端砂轮（3）、对磨锥台（4）、旋转装置、数控磨床工作台、电流传感器、电压传感器、示波器，所述的旋转装置固定在数控磨床工作台上，所述对磨锥台固定在旋转装置上，所述的旋转装置的中心线微尖端砂轮的中心线相垂直，利用导线以正极性方式依次将微尖端砂轮、石墨电刷、电流传感器、电源、对磨锥台连接构成放电回路，所述电压传感器与电源并联并后与所述电流传感器共同连接示波器；
所述在线控制方法的步骤包括：
1）装置搭建，将对磨锥台固定在数控磨床工作台的旋转装置上，使微尖端砂轮中心线与旋转装置的中心线垂直，利用导线以正极性方式依次将微尖端砂轮、石墨电刷、电流传感器、电源、对磨锥台连接构成放电回路，所述电压传感器与电源并联并与所述电流传感器共同连接示波器；
2）砂轮微磨粒修尖参数控制，为放电回路加载开路电压E，通过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以获得脉冲放电电压U及脉冲放电电流I，设定数控磨床运动参数，包括砂轮转速N w、砂轮进给速度v f，进给深度a p和旋转装置转速N r，将脉冲放电电压U和脉冲放电电流I分别控制在18~30V和4~10A范围内，使对磨锥台表面出现稳定的脉冲电火花；
3）砂轮微磨粒修尖操作，微尖端砂轮沿修整角度β=α的磨削路径循环运动，修整中对磨锥台基体元素促使砂轮微磨粒石墨化，并通过在砂轮微磨粒、锥台微磨粒及其基体材料对磨引起的磨削力、磨削热和电火花放电瞬时高温作用下产生的物理及电热化学效应，进行砂轮微尖端上微磨粒修尖；
4）砂轮尖端微磨粒在线检测，利用修整后的砂轮尖端进行放电磨削加工，在线检测产生的脉冲放电电流波形和工件划痕截面轮廓，计算砂轮尖端有效磨粒数n d，并判断砂轮微尖端金刚石磨粒的尖端角度γ和圆弧半径r；当有效磨粒数n d大于目标值，且检测的划痕尖端角度γ 1和圆弧半径r 1分别满足γ 1=γ=α±1°和r 1=r≤0.05mm时，数控磨床停止工作。
2.根据权利要求1所述的在线控制方法，特征在于：所述对磨锥台的锥角角度为60°≤β≤150°。
3.根据权利要求1所述的在线控制方法，特征在于：所述电源为直流/脉冲电源。
4. 根据权利要求1所述的在线控制方法，其特征在于：步骤2）中，所述砂轮进给速度v f由式（1）确定：
(1)
式中，W、α为砂轮尖端宽度和角度。
5. 根据权利要求1所述的在线控制方法，其特征在于：步骤4）中，所述砂轮尖端有效磨粒数n d由式（2）确定：
(2)
式中，t m为脉冲放电波形采集时间，n e为脉冲放电电流波峰数量。
6.根据权利要求1所述的在线控制方法，其特征在于：步骤2）中，当脉冲放电电压U和脉冲放电电流I不满足所述18~30V和4~10A时，通过调整数控磨床运动参数或/和电源开路电压，直到脉冲放电电压及放电电流重新稳定在所述18~30V和4~10A范围内。
7.根据权利要求5所述的在线控制方法，其特征在于：按以下方式调整数控磨床运动参数或/和电源开路电压：
当脉冲放电电压U＜18V和脉冲放电电流I＜4A时，减小砂轮进给速度v f或/和进给深度a p或/和开路电压E；
当脉冲放电电压U＞30V和脉冲放电电流I＞10A时，增大砂轮进给速度v f或/和进给深度a p或/和减小开路电压E。
8.根据权利要求1所述的在线控制方法，其特征在于：步骤1）中，所述微尖端砂轮（3）的粒度为20~400目金刚石磨粒，微尖端角度为60°≤α≤150°；所述对磨锥台（4）的粒度为100~2000目金刚石磨粒，基体材料包含铁、铬。
9. 根据权利要求1所述的在线控制方法，其特征在于：步骤2）中，所述数控磨床运动参数的砂轮转速为250rpm ≤N w≤ 2500rpm，砂轮进给速度为10mm/min≤v f≤500mm/min，砂轮进给深度为1μm≤a p≤3μm，旋转装置转速为10rpm≤N r≤500rpm；所述电源（1）的开路电压23V≤E≤35V，且脉冲放电电压U不低于所设定开路电压E的2~5V范围内。
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