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磨床镜面磨削新方式:在线电解修锐法

发布时间:2018-9-2
  在线电解修锐法简称ELID法(Electrolytic In-Process Dressing)。ELID法是近年来金属结合剂类超硬磨料修整技术的一项新成就,由日本理化研究所大森(H.Ohmori)教授研制成功的。利用ELID法在线修锐金刚石砂轮磨削硅片陶瓷或其他超硬材料,目前已可达到镜面加工水平。
  (1)在线电解修锐原理
  在线电解修锐超硬磨料砂轮的原理如图1所示。由图1可知,在电解修锐开始时,由于电解液作用,铸铁结合剂砂轮的结合剂部位将被电解,产生铁离子。铁离子在磨削液中将由于化学作用形成氢氧化铁及氧化铁等生成物。铁的氢氧化物易脱水形成铁的氧化物,这种新生成的物质被堆积在砂轮表面,逐渐形成了一层具有绝缘性质的氧化物薄膜。薄膜的存在使得作用在结合剂上的电解电流逐渐降低,这即为初期修整。随着磨削过程的进行,砂轮磨粒顶面逐渐磨损,此时磨屑及工件表面的摩擦和挤压将使原磨粒的氧化膜逐渐剥落,砂轮导电性又开始恢复,继续开始砂轮表面的电解过程,周而复始,利用在线电解作用连续修整砂轮来获得恒定的磨粒凸出高度,并借助砂轮表面氧化物生成的绝缘层的动态平衡,来实现可自适应控制的最佳的磨削过程。
  (2)在线电解修锐法磨嗣的特点
  ①磨床磨削过程具有良好的稳定性。借助ELID磨削修锐的作用,砂轮表面可以在磨削过程中始终保持最佳的显微起伏形貌。在线电解修锐不仅可以在砂轮表面形成容纳冷却液和切屑的空闯,而且可以及时地去除黏附在砂轮表层的切屑。因此,ELID法使砂轮具有良好、稳定的磨削性能。测力的数据表明ELID磨削中,磨削力基本恒定,仅为普通磨削的1/2~1/10,工件的表面质量也十分稳定。
 
  ①修锐后砂轮状态    ②电解修锐开始时(约IOA)   ③电解修锐后(1A左右)
  图1在线电解修整原理
  ②ELID法使金刚石砂轮不会过快磨耗,提高了贵重磨料的利用率。在电解修锐中,绝缘层生成的厚度和非线性电解的修锐作用处于一种动态平衡,既保持了金刚石砂轮表面的最佳切削状态,又限制了金属结合剂的过度电解。同时,电解修锐对金刚石等超硬磨料不起作用(不导电),因而避免了砂轮的过快磨耗。
  ③ELID法使磨削过程具有良好的可控性。在电解修锐和磨削中,砂轮的修锐和磨削可以通过合理选择电源电参数和电解液的种类来控制,从而可实现磨削修整过程的最优化。
  ④采用ELID法磨削,可容易实现镜面磨削并可大幅度减少超硬材料被磨零件的残留裂纹。ELID法磨削采用在线电解修锐,解决了超细粒度金刚石砂轮的修锐问题,消除了难以保证磨粒凸出高度及砂轮容易堵塞等超细粒度砂轮使用中的障碍,使砂轮始终处于良好的切削状态,从而有效实现了超精密镜面磨削且由于该方法磨削力小,磨削热少,故大大减小了硬材料加工表面的微观裂纹。
  (3)ELID磨削的磨床必备装置
  实现ELID磨削的必备装置主要有砂轮、电源装置(包括正、负电极)、电解液(磨削液)等。
  ELID磨削对砂轮提出了特殊要求:首先砂轮结合剂应具有良好的导电性和电解性能。此外,砂轮结合剂元素的氧化物或氢氧化物不导电。目前采用ELID法常用的砂轮有铸铁纤维结合剂(CIFB)、铸铁结合剂(CIB)或铁粉结合剂(IB)的金刚石砂轮。
  ELID磨削和修整砂轮的电源,可以采用直流电源、交流电源或各种波形的脉冲电源及有直流基量的脉冲电源。根据研究资料,具有直流基量的脉动电源修整砂轮效果最佳。
  ELID修整砂轮和磨削时使用的磨削液,不仅能用来降低磨削区的温度,减少砂轮磨损,冲刷磨屑,同时也作为电解修整的电解液,因而它对磨削效果和砂轮磨损的影响有双重性。
  我国哈尔滨工业大学关于ELID磨削电解液的研究,已取得显著成效,迄今已研制出适于镜面磨削的HD-MY-10型的ELID磨削液。据研究报告,该磨削液具有较高的导电性及流动性;阳离子不能在电极表面电解附着。该电解磨削液能在砂轮表面形成适当的非溶性钝化生成物且腐蚀性小,无毒性作用,具有液体组成稳定、价格低廉等特点。采用该电解液在平面磨床上对工程陶瓷、GCrl5淬火钢等材料的ELID磨削试验表明:该磨削液适用于超细粒度砂轮的超精密镜面磨削。例如,采用粒度为1500#、结合剂为铸铁纤维结合剂(CIFB)的金刚石砂轮磨削GCrl5钢,磨削表面粗糙度Ra值达0.01um;用粒度为6000#、结合剂为铸铁结合剂(CIB)的立方氮化硼砂轮(CBN砂轮),磨削 GCrl5材料,表面粗糙度值Ra值达0.1um。图2所示为磨削GCrl5材料时,用该磨削液的ELID过程中工作电源的变化特性。显然,随着电解过程的进行,砂轮表面氧化物薄膜逐渐增厚。由于这层氧化膜具有较大电阻,因此使电解电流降低,与CBN砂轮(曲线2)相比,金刚石砂轮(曲线1)上氧化膜形成较快,因此电解电流下降较为迅速。CBN砂轮的磨粒较细,电解过程中不需要形成较厚的氧化膜。HD-MY一10型的ELID磨削液电解性能很好地满足了这一要求。
  
  图2 ELID过程中工作电源的变化特性
  从显微镜的观察,也可清楚地看到所形成的均匀致密的氧化膜使磨粒充分露出了结合剂的表面。
  ELID磨削用的砂轮、电源、电解液,日本目前已推出了定型产品,进一步研究是致力于ELID磨削专用机的开发。
  (4)ELID的磨削方式
  用于ELID的磨削方式主要有平面磨削方式、外圆磨削方式、曲面磨削方式及成形磨削方式,如图6—14所示。
  
  (a)平面磨削方式     (b)外圆磨削方式       (c)曲峦磨削方式      (d)成形磨削方式
                           图3 ELID的四种磨削方式
  对ELID的平面磨床磨削方式[图3(a)]有平磨和立磨两种形式,其工作原理如图3所示。图3(b)所示为外圆磨削方式。相对外圆等磨削来说,内圆ELID磨削较为困难,主要原因是由于磨削空间的限制,砂轮电解修整存在一定问题,目前仅可以采用ELID的断续修整方式。图3(c)所示为ELID曲面磨削方式,包括球体和非球体两种情况。需要注意的是,曲面磨削的实现必须借助数控机床才能进行。关于成形表面的ELID磨削,需要用不同的成形砂轮[图3(d)3,这是成形表面直接实现镜面加工的较好方法。
  ELID磨削与砂轮的在线惨锐,成功地实现了稳定性磨削和低磨削力磨削,解决了先进陶瓷的镜面超精加工和高效加工问题。但是,精细陶瓷的ELID磨削机理研究和实用关键技术研究在国内尚属空白。因此,开展ELID磨削精细陶瓷等超硬材料的研究具有十分重要的意义。目前我国研究ELID磨削精细陶瓷,主要包括以下几项内容:不同磨削方式、ELID磨削装置的开发;陶瓷ELID磨削机理的研究和镜面成形机理的研究;ELID磨削陶瓷的磨削力的研究;陶瓷ELID磨削加工表面质量的研究以及磨削效率和磨削参数优化的研究。
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