CN113798927A - 一种电场辅助砂带磨削方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电场辅助砂带磨削方法，包括如下步骤：1)将砂带磨头安装在磨床上，并将工件夹持在磨床夹具上；2)布置电场辅助装置；3)打开电源，使两个电极之间产生电场；调节电源参数，改变电源电压脉冲频率、大小和方向，产生脉冲电场；4)通过砂带磨头对工件依次进行表面的粗磨、精磨和抛光加工等步骤；本发明公开的电场辅助砂带磨削方法通过引入电场的影响，所加工工件将产生电致塑性、焦耳热效应等现象，使工件性能发生改变，从而达到改善材料组织和性能、提高加工效率和减少加工缺陷、变形等，从而实现工件的无应力、高表面完整性和高性能的加工，且实现了砂带磨削方法内容的扩充。

Description

一种电场辅助砂带磨削方法

技术领域

本发明属于砂带磨削技术领域，具体涉及一种电场辅助砂带磨削方法。

背景技术

单晶合金材料是一种应用日益广泛的新材料，由单独的一个晶体组成，它具有以下特征：均匀性、各向异性、自限性、对称性、最小内能和最大稳定性。单晶材料良好的结构稳定性使得材料具有非常好的循环稳定性，随着生产和科学技术的发展，天然单晶已经不能满足人们的需要，各种产业都提出了对单晶材料的大量需求。针对单晶材料的加工，要求实现加工过程中的无应力，从而避免单晶材料内部的组织和力学性能的改变。

砂带磨削加工也逐渐应用于单晶材料的精密加工中，如单晶硅片、镍基单晶叶片等。砂带磨削技术是利用进行磨削运动的砂带作为磨具对被加工物表面进行研磨抛光的技术，与普通磨削方式相比，砂带磨削兼具抛光和磨削双重作用，高工艺灵活性和适应性以及其柔性磨削的特性在型面平滑过渡的方面有着其他加工手段不可比拟的优势，使得砂带磨削在加工薄壁件等若刚性工件具有独特的优势，故常用于加工叶片、整体叶盘等复杂曲面零件。再加上其所具有的冷态磨削特性，使得砂带磨削成为了高表面完整性加工时最适宜的工艺之一。但由于磨削力热的存在，加工后的工件内部将产生残余应力，而镍基单晶叶片对于加工后的无应力要求，进一步限制了砂带磨削。

关于电场对材料影响的研究可以追述到20世纪50年代，电场对材料组织性能的影响，最初是由电塑效应的发现而被人们所逐渐认识。近年来，许多研究表明脉冲电场能够影响材料回复、再结晶、相变、晶粒细化等行为，是改善材料组织和性能的有效方法。

发明内容

本发明目的是提供一种电场辅助砂带磨削的方法，该方法可实现工件在脉冲电场中的砂带磨削加工，从而达到工件表面的高效率、无应力、高表面完整性和工件的高综合力学性能，该方法可克服砂带磨削加工单晶合金材料时产生残余应力的缺点。且该方法可丰富砂带磨削加工工艺内涵，具有提高各种材料工件加工质量的潜力。为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种电场辅助砂带磨削方法，包括如下步骤：

1)将砂带磨头安装在磨床上，并将工件夹持在磨床夹具上。

2)布置电场辅助装置。所述电场辅助装置包括电源和两个电极。两个所述电极间隔布置，使工件位于两个电极之间。所述电源的正极与两个电极并联。所述电源的负极连接工件。

3)打开电源，使两个电极之间产生电场。调节电源参数，改变电源电压脉冲频率、大小和方向，产生脉冲电场。

4)通过砂带磨头对工件依次进行表面的粗磨、精磨和抛光加工。

5)在加工过程中，脉冲电场产生电致塑性，使得工件内部产生位错滑移。同时，脉冲电场产生焦耳热效应，脉冲电流将电能瞬时输入到工件内部，脉冲电流在工件损伤部位发生焦耳热效应，使得工件损伤部位局部温度升高。

6)持续加工工件，直至加工完成。

进一步，在步骤2)中，根据工件的大小和位置实时调节两个电极的位置和距离。

进一步，所述电源为高性能高频率开关型直流电源。所述电源具有大直流脉冲变换系统。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明公开的电场辅助砂带磨削方法通过引入电场的影响，所加工工件将产生电致塑性、焦耳热效应等现象，使工件性能发生改变，从而达到改善材料组织和性能、提高加工效率和减少加工缺陷、变形等，从而实现工件的无应力、高表面完整性和高性能的加工，且实现了砂带磨削方法内容的扩充。

附图说明

图1为电场辅助砂带磨削方法的示意图；

图2为电场作用下位错增殖机制流程示意图。

图中：砂带磨头1、工件2、电源3和电极4。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开一种电场辅助砂带磨削方法，参见图1，包括如下步骤：

1)将砂带磨头1安装在磨床上，并将工件2夹持在磨床夹具上。

2)布置电场辅助装置。所述电场辅助装置包括电源3和两个电极4。两个所述电极4间隔布置，使工件2位于两个电极4之间，根据工件2的大小和位置实时调节两个电极4的位置和距离。所述电源3的正极与两个电极4并联。所述电源3的负极连接工件2。所述电源3为高性能高频率开关型直流电源，且具有大直流脉冲变换系统。

3)打开电源3，使两个电极4之间产生电场。调节电源3参数，改变电源电压脉冲频率、大小和方向等，产生脉冲电场。

4)通过砂带磨头1对工件2进行表面的粗磨，对粗磨的工件2进行表面的精磨，对经过精磨的工件2进行表面的抛光加工，在三种加工方式中，砂带磨头1上的砂带需要进行更换，即三种不同的砂带分别对应粗磨加工、精磨加工和抛光加工。

5)在加工过程中，脉冲电场将产生电致塑性现象，其作用机制包括：

基于位错动力学的电子风力F_ew，如下式所示：

式(1)中，ρ_d是电阻，N_d是位错密度，e是电子电荷，n_e是电子密度，j是电流密度。

基于量子力学电子风力模型，如下式所示：

式(2)中，α取0.25～1.0；b是柏氏矢量；p_f是费米动量；v_e是电子飘逸速度；v_d是位错运动速度。

其模型揭示了电脉冲处理能提高金属材料的塑性变形能力，材料内部将产生位错滑移，从而细化合金的凝固组织，促进再结晶过程，提高材料的综合力学性能，并对金属材料的其他性能有显著影。

更进一步地，上述位错增殖机制为：

从图2可以看出，脉冲电流作用下位错增殖机制的过程。假设有一段刃型位错AB在某一滑移面上，位错线的两端被杂质、位错网节点等钉扎，不能运动，如图2(a)所示；此时，若脉冲电场对位错的力与位错的柏氏矢量方向平行，单位长度位错线存在滑移力，从而使位错沿滑移面向前进行滑移。但由于位错线两端AB被固定，所以位错线只能发生弯曲，如图2(b)所示；由于电场作用于位错的力垂直于位错本身，所以弯曲后的每一小段位错线在电流作用力的推动下会沿它的法线方向向外扩展，但位错线两端点由于仍然被钉扎，只能分别绕节点A，B发生回转，如图2(c)所示；当两端弯出来的位错线相互靠近时，就会相互抵消，形成一闭合的位错环，这是由于此时两线段是平行于柏氏矢量的，但其位错线方向相反，如图2(d)所示所示。在脉冲电场持续作用下，环内的弯曲位错在线张力作用下又被拉直，恢复到原始状态，并重复以前的运动，不断地产生新的位错环，从而造成位错的增殖，如图2(e)所示。

更进一步地，上述电场将产生焦耳热效应，其作用机制包括：

对于温恒电流，焦耳热释放引起试样的平均温升，如下式所示：

对于脉冲电流，焦耳热释放引起试样的平均温升，如下式所示：

式(3)和式(4)中，ρ是电阻率；I是通过材料的瞬时电流大小；t是电流作用时间；c_p是材料比热容；A是材料横截面积；d是质量密度。

脉冲电流将电能瞬时输入到工件2内部，在裂纹尖端或缺陷部位电流发生较为明显的焦耳热效应，使得损伤部位局部温度升高，为防止裂纹和愈合提供了基础条件。

6)持续加工工件2，直至加工完成。

本实施例公开的电场辅助砂带磨削方法通过引入电场的影响，所加工工件将产生电致塑性、焦耳热效应等现象，使工件性能发生改变，从而达到改善材料组织和性能、提高加工效率和减少加工缺陷、变形等，从而实现工件的无应力、高表面完整性和高性能的加工，且实现了砂带磨削方法内容的扩充。

实施例2：

本实施例提供一种较为基础的实现方式，本实施例公开一种电场辅助砂带磨削方法，参见图1，包括如下步骤：

1)将砂带磨头1安装在磨床上，并将工件2夹持在磨床夹具上。

2)布置电场辅助装置。所述电场辅助装置包括电源3和两个电极4。两个所述电极4间隔布置，使工件2位于两个电极4之间。所述电源3的正极与两个电极4并联。所述电源3的负极连接工件2。

3)打开电源3，使两个电极4之间产生电场。调节电源3参数，改变电源电压脉冲频率、大小和方向等，产生脉冲电场。

4)通过砂带磨头1对工件2进行表面的粗磨，对粗磨的工件2进行表面的精磨，对经过精磨的工件2进行表面的抛光加工，在三种加工方式中，砂带磨头1上的砂带需要进行更换，即三种不同的砂带分别对应粗磨加工、精磨加工和抛光加工。

5)在加工过程中，脉冲电场将产生电致塑性现象，其作用机制包括：

基于位错动力学的电子风力F_ew，如下式所示：

式(1)中，ρ_d是电阻，N_d是位错密度，e是电子电荷，n_e是电子密度，j是电流密度。

基于量子力学电子风力模型，如下式所示：

式(2)中，α取0.25～1.0；b是柏氏矢量；p_f是费米动量；v_e是电子飘逸速度；v_d是位错运动速度。

其模型揭示了电脉冲处理能提高金属材料的塑性变形能力，材料内部将产生位错滑移，从而细化合金的凝固组织，促进再结晶过程，提高材料的综合力学性能，并对金属材料的其他性能有显著影。

更进一步地，上述位错增殖机制为：

从图2可以看出，脉冲电流作用下位错增殖机制的过程。假设有一段刃型位错AB在某一滑移面上，位错线的两端被杂质、位错网节点等钉扎，不能运动，如图2(a)所示；此时，若脉冲电场对位错的力与位错的柏氏矢量方向平行，单位长度位错线存在滑移力，从而使位错沿滑移面向前进行滑移。但由于位错线两端AB被固定，所以位错线只能发生弯曲，如图2(b)所示；由于电场作用于位错的力垂直于位错本身，所以弯曲后的每一小段位错线在电流作用力的推动下会沿它的法线方向向外扩展，但位错线两端点由于仍然被钉扎，只能分别绕节点A，B发生回转，如图2(c)所示；当两端弯出来的位错线相互靠近时，就会相互抵消，形成一闭合的位错环，这是由于此时两线段是平行于柏氏矢量的，但其位错线方向相反，如图2(d)所示所示。在脉冲电场持续作用下，环内的弯曲位错在线张力作用下又被拉直，恢复到原始状态，并重复以前的运动，不断地产生新的位错环，从而造成位错的增殖，如图2(e)所示。

更进一步地，上述电场将产生焦耳热效应，其作用机制包括：

对于温恒电流，焦耳热释放引起试样的平均温升，如下式所示：

对于脉冲电流，焦耳热释放引起试样的平均温升，如下式所示：

式(3)和式(4)中，ρ是电阻率；I是通过材料的瞬时电流大小；t是电流作用时间；c_p是材料比热容；A是材料横截面积；d是质量密度。

脉冲电流将电能瞬时输入到工件2内部，在裂纹尖端或缺陷部位电流发生较为明显的焦耳热效应，使得损伤部位局部温度升高，为防止裂纹和愈合提供了基础条件。

6)持续加工工件2，直至加工完成。

本实施例公开的电场辅助砂带磨削方法通过引入电场的影响，所加工工件将产生电致塑性、焦耳热效应等现象，使工件性能发生改变，从而达到改善材料组织和性能、提高加工效率和减少加工缺陷、变形等，从而实现工件的无应力、高表面完整性和高性能的加工，且实现了砂带磨削方法内容的扩充。

实施例3：

本实施例主要步骤同实施例2，进一步，在步骤2)中，可根据工件2的大小和位置实时调节两个电极4的位置和距离。

实施例4：

本实施例主要步骤同实施例2，进一步，所述电源3为高性能高频率开关型直流电源，具有大直流脉冲变换系统，可随时调节电源参数。

Claims (3)

1.一种电场辅助砂带磨削方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将所述砂带磨头(1)安装在磨床上，并将工件(2)夹持在磨床夹具上；

2)布置电场辅助装置；所述电场辅助装置包括电源(3)和两个电极(4)；两个所述电极(4)间隔布置，使工件(2)位于两个电极(4)之间。所述电源(3)的正极与两个电极(4)并联；所述电源(3)的负极连接工件(2)；

3)打开电源(3)，使两个电极(4)之间产生电场；调节电源(3)参数，改变电源电压脉冲频率、大小和方向，产生脉冲电场；

4)通过砂带磨头(1)对工件(2)依次进行表面的粗磨、精磨和抛光加工；

5)在加工过程中，脉冲电场产生电致塑性，使得工件(2)内部产生位错滑移；同时，脉冲电场产生焦耳热效应，脉冲电流将电能瞬时输入到工件(2)内部，脉冲电流在工件(2)损伤部位发生焦耳热效应，使得工件(2)损伤部位局部温度升高；

6)持续加工工件(2)，直至加工完成。

2.根据权利要求1所述的一种电场辅助砂带磨削方法，其特征在于：在步骤2)中，根据工件(2)的大小和位置实时调节两个电极(4)的位置和距离。

3.根据权利要求3所述的一种电场辅助砂带磨削方法，其特征在于：所述电源(3)为高性能高频率开关型直流电源；所述电源(3)具有大直流脉冲变换系统。

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