CN111571315A - 一种延塑性金属零件的电化学清理磨削方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种延塑性金属零件的电化学清理磨削系统及方法，其中，导电树脂金刚石杯形砂轮随机床主轴运转，利用砂轮磨料层对被磨工件进行磨削；同时导电树脂金刚石杯形砂轮与直流电源的正极连接作为阳极；紫铜电极与直流电源负极连接作为阴极；电解液喷嘴用于向阴阳两极间隙喷洒电解液。在电化学清理磨削中，磨削过程和电解过程同时进行，砂轮磨料层表面的导电金刚石磨料同时作为磨削微切削刃和参与电化学反应的微电极；电流通过时，粘附的在这些微电极表面的被磨工件材料发生阳极电化学溶解。本发明能解决延塑性金属零件磨削过程中出现的砂轮粘附问题，提高磨削加工效率和加工精度。

Description

一种延塑性金属零件的电化学清理磨削方法及系统
技术领域
本发明涉及机械零件加工技术领域，尤其涉及延塑性金属零件的电化学清理磨削技术。
背景技术
在磨削铝合金、钛合金和高温镍基合金等延塑性金属材料零件时，砂轮表面极易发生粘附。砂轮粘附形式包括磨粒间粘附(堵塞粘附)和磨粒顶部粘附，其往往引起磨粒的破碎和脱落，使砂轮磨损加剧，同时导致磨削过程中磨削力和磨削温度上升，磨削后工件表面质量恶化。此外由于砂轮粘附，在磨削过程中需要对砂轮进行频繁的修整，容易导致磨削效率和砂轮寿命的降低。
为了减轻磨削过程中出现的砂轮粘附现象，最大限度地延长砂轮使用寿命和保持磨削过程中良好的磨粒切削性能，一些科研人员研究出各种磨削技术，其中包括采用大气孔率砂轮磨削，高压水射流清洗辅助磨削，激光清理辅助磨削，电化学磨削和在线电解修整磨削等。
目前这些磨削技术虽然在一定程度上缓解了砂轮粘附的影响，但其应用受到加工精度、加工效率、能量消耗，或环境保护等不同方面的制约。因此对传统磨削技术进行一种另辟蹊径的革新，是解决延塑性零件精密磨削过程中砂轮粘附问题的必由之路。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种延塑性金属零件的电化学清理磨削方法及系统，用于延塑性金属及其合金材料类零件的精密磨削加工，其能够解决这种类型材料磨削过程中砂轮粘附问题，提高磨削加工效率和加工精度。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
本发明提供一种延塑性金属零件的电化学清理磨削系统，用于延塑性金属及其合金的精密磨削加工，其包括：
安装在机床主轴上的导电树脂金刚石杯形砂轮、阳极电刷、用于喷射电解液的电解液喷嘴、直流电源、紫铜电极和用于喷洒磨削液的磨削液喷嘴；
所述导电树脂金刚石杯形砂轮包括砂轮基体和粘接在砂轮基体端部的砂轮磨料层；所述砂轮磨料层由导电金刚石磨料分散在绝缘的酚醛树脂结合剂中形成，其中的导电金刚石磨料由非导电金刚石磨料表面涂覆导电膜制得；
所述导电树脂金刚石杯形砂轮随机床主轴运转，利用砂轮磨料层对被磨工件进行磨削；同时导电树脂金刚石杯形砂轮作为阳极，通过机床主轴、阳极电刷和导线与直流电源的正极连接；紫铜电极作为阴极，通过导线与直流电源负极连接。
所述磨削液喷嘴对着导电树脂金刚石杯形砂轮和被磨工件之间的磨削区；
所述电解液喷嘴对着作为阳极的导电树脂金刚石杯形砂轮和作为阴极的紫铜电极之间的间隙，在电解过程中向阴阳两极间隙喷射电解液。
更优选地，所述电解液为自来水。
更优选地，所述导电金刚石磨料包括铜、镍或镍磷合金包覆型金刚石磨料以及导电CVD金刚石膜包覆型金刚石磨料。
本发明还提供一种延塑性金属零件的电化学清理磨削方法，其应用上述的延塑性金属零件的电化学清理磨削系统，所述延塑性金属零件的电化学清理磨削方法包括：
步骤S101，启动机床；打开电解液和磨削液开关，利用电解液喷嘴向阴阳两极间隙喷洒电解液；利用磨削液喷嘴向磨削区喷洒磨削液，实现对磨削区的冷却和润滑；打开直流电源开关，根据磨削参数和被磨工件材料特性，设置合适的工作电压；
步骤S102，打开电路开关，使电路接通，由导电树脂金刚石杯形砂轮、机床主轴、阳极电刷、电解液喷嘴喷洒在阴阳两极间隙的电解液、紫铜电极和导线构成导电回路；
步骤S103，启动机床主轴，利用导电树脂金刚石杯形砂轮对被磨工件进行磨削。
由上述本发明的技术方案可以看出，本发明具有如下技术效果：
该发明通过利用提出的延塑性金属零件的电化学清理磨削系统和方法，对延塑性金属类零件进行磨削。导电树脂金刚石杯形砂轮随机床主轴运转，对被磨工件进行磨削，磨削液喷嘴用于向磨削区喷洒磨削液，电解液喷嘴用于向作为阳极的导电树脂金刚石杯形砂轮和作为阴极的紫铜电极之间的电极间隙喷洒电解液；由导电树脂金刚石杯形砂轮、机床主轴、电解液喷嘴喷洒在阴阳两极间隙的电解液、阳极电刷、紫铜电极和导线构成导电回路；当电流通过时，粘附在导电树脂金刚石杯形砂轮磨料层表面上的被磨工件材料发生阳极电化学溶解，从而能够解决这种类型材料磨削过程中砂轮粘附问题，提高磨削加工效率和加工精度。
附图说明
图1为本发明中的电化学清理磨削系统的结构示意图；
图2为本发明中的电化学清理磨削方法的原理图；
图3(a)为试验得到的磨削后砂轮表面铝合金粘附率；
图3(b)为试验得到的磨削后工件表面粗糙度。
附图图标说明：
1-导电树脂金刚石杯形砂轮、2-机床主轴、3-阳极电刷、4-电解液喷嘴、5-直流电源、6-紫铜阴极、7-被磨工件、8-磨削液喷嘴；11-砂轮基体、12-砂轮磨料层。
具体实施方式
以下结合附图并结合实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种延塑性金属零件的电化学清理磨削系统，其采用电化学清理磨削方法，对在磨削过程中容易出现砂轮粘附现象的金属以及其合金类零件进行精密磨削加工。
本发明提供的延塑性金属零件的电化学清理磨削系统的结构如图1所示，其包括导电树脂金刚石杯形砂轮1、机床主轴2、阳极电刷3、电解液喷嘴4、直流电源5、紫铜电极6和磨削液喷嘴8。
导电树脂金刚石杯形砂轮1包括砂轮基体11和粘接在砂轮基体11端部的砂轮磨料层12。其中的砂轮磨料层12由绝缘的酚醛树脂结合剂和导电金刚石磨料组成，其中的导电金刚石磨料由传统的非导电金刚石磨料表面涂覆导电膜制得，该导电金刚石磨料随机分散在酚醛树脂结合剂中，使砂轮磨料层12具有类似金属的高导电性。该导电金刚石磨料包括铜、镍或镍磷合金包覆型金刚石磨料以及导电CVD(Chemical Vapor Deposition，化学汽相淀积)金刚石膜包覆型金刚石磨料。
导电树脂金刚石杯形砂轮1安装在机床主轴2上，并随机床主轴2运转，利用砂轮磨料层12对被磨工件7进行磨削。同时导电树脂金刚石杯形砂轮1作为阳极，通过机床主轴2、阳极电刷3和导线与直流电源5的正极连接；紫铜电极6作为阴极，通过导线与直流电源5负极连接。
磨削液喷嘴8对着导电树脂金刚石杯形砂轮1和被磨工件7之间的磨削区，用于喷洒磨削液，以便对磨削区进行冷却和润滑。
电解液喷嘴4对着作为阳极的导电树脂金刚石杯形砂轮1和作为阴极的紫铜电极6之间的间隙，用于电解过程中向阴阳两极间隙喷射电解液，该电解液为自来水。
本发明还提供了应用上述系统实现的延塑性金属零件的电化学清理磨削方法，用于延塑性金属及其合金的精密磨削加工。在实施本发明的电化学清理磨削方法之前，首先按照上述延塑性金属零件的电化学清理磨削系统的结构组成装配好系统中各个零部件；然后，按照如下实施流程执行电化学清理磨削过程：
步骤S101，启动机床；打开电解液和磨削液开关，利用电解液喷嘴4向阴阳两极间隙喷洒电解液；利用磨削液喷嘴8向磨削区喷洒磨削液，实现对磨削区的冷却和润滑；打开直流电源5开关，根据磨削参数和被磨工件材料特性，设置合适的工作电压；
步骤S102，打开电路开关，使电路接通，由导电树脂金刚石杯形砂轮1、机床主轴2、设置在阴阳两极间隙的电解液、阳极电刷3、紫铜电极6和导线构成导电回路；
步骤S103，启动机床主轴2，利用导电树脂金刚石杯形砂轮1对被磨工件7进行磨削。
在延塑性金属零件电化学清理磨削过程中，导电金刚石磨料主要起三个方面的作用：(一)作为导电填料，使砂轮磨料层12具有良好的导电性；(二)砂轮表面的导电金刚石磨料作为微切削刃，完成被磨工件12的切削；(三)砂轮表面的导电金刚石磨料作为微电极，是粘附物阳极电化学溶解反应的发生场所。
在磨削过程中，导电金刚石磨料通过磨削区，在磨削高温和较大的接触压力作用下，被磨材料会粘附在导电金刚石磨料上，磨料表面上粘附物的形成速率与磨削参数(如砂轮转速、进给速度和磨削深度)的选取有关。电流通过时，磨粒上的粘附物失去电子而发生阳极电化学溶解，磨粒上粘附物的电化学溶解速率与工作电压的设定值选取有关。当砂轮粘附物形成率等于粘附物阳极电化学溶解速率时，即磨削参数和电解参数匹配合适时，可以减轻甚至避免磨削延塑性合金过程出现的砂轮粘附现象，从而提高砂轮的磨削性能，改善磨削后被磨工件的表面质量。
下面结合图2详细说明本发明提出的延塑性金属零件的电化学清理磨削方法的工作原理：
1)磨削开始，砂轮磨料层表面的导电金刚石磨料在切削工件材料的同时，其上逐渐发生被磨工件材料的粘附，本文称其为粘附物M。
2)电流通过时，砂轮磨料层表面导电金刚石磨料作为微电极，粘附物M在微电极上发生阳极电化学溶解，溶解出金属离子Mz+和电子e－，如公式(1)。由于粘附物M的溶解，砂轮表面磨料重新恢复切削能力。
M＝Mz++3e－ (1)
3)由于电解液是自来水，因此在阴极表面，主要发生吸氧反应，电解液中的氢离子H+得到电子e－与氧气分子O2结合生成水分子H2O，如公式(2)。
O2+4H++4e－＝H2O (2)
4)两个电极反应的结果是铝离子Mz+与羟基离子OH－结合沉淀出氢氧化铝M(OH)z沉淀物，如公式(3)。沉淀物由高速流动的电解液带离电极间隙。
Mz++zOH－＝M(OH)z (3)
5)在电化学清理磨削过程中，导电磨粒表面粘附铝合金的形成与粘附铝合金的电化学溶解同时进行。粘附铝合金的电化学溶解速率与总电解电流I有关，可由如下公式(4)所示的法拉第电解定律求得：
Figure BDA0002469417560000061
公式(4)中，△ma为粘附物溶解速率，Ma为粘附物金属原子的摩尔质量，z为粘附物金属离子的化合价，λ为电流效率，F＝96485C/mol为法拉第常数。
6)总电解电流I与直流电源5设定的工作电压U和回路总阻抗有关，通过改变电极间的工作电压U，可以控制粘附物阳极电化学溶解速率。
为了验证电化学清理磨削工艺的有效性，以树脂结合剂镍磷合金包覆型金刚石磨料杯形砂轮磨削铝合金AA6061为例，对比研究了在相同磨削参数下，传统磨削和电化学清理磨削后，工件表面粗糙度和砂轮表面铝合金粘附率。因为铝合金AA6061具有硬度低、塑性高、韧性高等不利的机械性能，因此磨削加工难度极大。工件材料和磨粒表层涂覆的镍磷合金材料的电化学性质差异为实现电解作用不损害砂轮提供可能。一般来说，当电极电施从零电流电势向正电势方向移动时，首先被还原的是具有更负标准电极电势的还原物。因为铝(EΘ(Al)＝﹣1.662V vs.NHE)相比于镍(EΘ(Ni)＝﹣0.257vs.NHE)具有更低的标准电极电势，因此在电化学清理磨削过程中，铝合金材料优先溶解。
表1为传统磨削与本发明实施例中的电化学清理磨削实验用的磨削实验参数：
表1：磨削实验参数
Figure BDA0002469417560000071
工件尺寸为20mm(长)×10mm(宽)×30mm(高)，磨削材料去除率为100mm/min，总材料去除量为2000mm3。磨削后采用粗糙度仪测量工件表面粗糙度，采用SEM-EDS分析砂轮表面形貌和铝合金的平均粘附率。砂轮表面粘附率定义为：
Figure BDA0002469417560000081
图3(a)为磨削后砂轮表面铝合金粘附率，图3(b)为磨削后工件表面粗糙度。可以看出，传统磨削砂轮表面铝合金粘附率为2.12％的工件表面粗糙度Ra值为0.99μm。采用本发明的电化学清理磨削工艺后，砂轮表面粘附率降低67.92％，等于0.68％。Ra值降低51.51％，等于0.48μm。
因此可以得出结论：本发明提出的电化学清理磨削法可以提升铝合金的可磨削性，显著降低砂轮表面粘附率的同时，有效的提高加工表面质量。另外，电化学清理磨削工艺以自来水为电解液，相较于传统的电化学加工，对设备腐蚀情况更轻。施加在阴阳两极间工作电压范围为0～2V，整个磨削过程中用于砂轮表面粘附物清理所消耗的电能极低，在10-3J/mm3量级。此外，该方法还具有涉及工艺系统简单和电解清理过程容易控制等优点。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (4)

1.一种延塑性金属零件的电化学清理磨削系统，其特征在于，所述的延塑性金属零件的电化学清理磨削系统包括：
安装在机床主轴(2)上的导电树脂金刚石杯形砂轮(1)、阳极电刷(3)、用于喷射电解液的电解液喷嘴(4)、直流电源(5)、紫铜电极(6)和用于喷洒磨削液的磨削液喷嘴(8)；
所述导电树脂金刚石杯形砂轮(1)包括砂轮基体(11)和粘接在砂轮基体(11)端部的砂轮磨料层(12)；所述砂轮磨料层(12)由导电金刚石磨料分散在绝缘的酚醛树脂结合剂中形成，其中的导电金刚石磨料由非导电金刚石磨料表面涂覆导电膜制得；
所述导电树脂金刚石杯形砂轮(1)随机床主轴(2)运转，利用砂轮磨料层(12)对被磨工件(7)进行磨削；同时导电树脂金刚石杯形砂轮(1)作为阳极，通过机床主轴(2)、阳极电刷(3)和导线与直流电源(5)的正极连接；紫铜电极(6)作为阴极，通过导线与直流电源(5)负极连接。
所述磨削液喷嘴(8)对着导电树脂金刚石杯形砂轮(1)和被磨工件(7)之间的磨削区；
所述电解液喷嘴(4)对着作为阳极的导电树脂金刚石杯形砂轮(1)和作为阴极的紫铜电极(6)之间的间隙，在电解过程中向阴阳两极间隙喷射电解液。
2.根据权利要求1所述的延塑性金属零件的电化学清理磨削系统，其特征在于，所述电解液为自来水。
3.根据权利要求1所述的延塑性金属零件的电化学清理磨削系统，其特征在于，所述导电金刚石磨料包括铜、镍或镍磷合金包覆型金刚石磨料以及导电CVD金刚石膜包覆型金刚石磨料。
4.一种延塑性金属零件的电化学清理磨削方法，其特征在于，其应用权利要求1、2或3所述的延塑性金属零件的电化学清理磨削系统，所述延塑性金属零件的电化学清理磨削方法包括：
步骤S101，启动机床；打开电解液和磨削液开关，利用电解液喷嘴(4)向阴阳两极间隙喷洒电解液；利用磨削液喷嘴(8)向磨削区喷洒磨削液，实现对磨削区的冷却和润滑；打开直流电源(5)开关，根据磨削参数和被磨工件材料特性，设置合适的工作电压；
步骤S102，打开电路开关，使电路接通，由导电树脂金刚石杯形砂轮(1)、机床主轴(2)、阳极电刷(3)、电解液喷嘴(4)喷洒在阴阳两极间隙的电解液、紫铜电极(6)和导线构成导电回路；
步骤S103，启动机床主轴(2)，利用导电树脂金刚石杯形砂轮(1)对被磨工件(7)进行磨削。
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