軸承套圈內圓在線電解修整磨削試驗

楊黎健 任成祖 靳新民

天津大學天津市先進制造技術與裝備重點實驗室，天津，300072

0 引言

在軸承工業中，軸承內外圈滾道和滾子的工作表面經常需要經過研磨和拋光工藝來獲得較小的表面粗糙度和波紋度，以減小軸承工作時的噪聲和振動，然而這些方法將增加設備的投資且延長加工的時間，因此高效率的精加工是非常重要的。在線電解修整（electrolytic in－process dressing，ELID）磨削技術具有效率高、加工精度高及適應加工材料廣等特點，被廣泛應用于各種金屬和非金屬硬脆材料的加工，具有廣闊的應用前景。然而，相對軸承外圓的磨削來說，內圓ELID磨削較為困難，其主要原因是受磨削空間的限制，砂輪電解修銳存在著一定問題，目前僅可以采用ELID斷續修銳方式。筆者通過改進砂輪的修銳方式，將導電的金屬工件直接作為電解陰極，實現了ELID內圓磨削過程中鑄鐵基CBN砂輪的連續修銳，保證了磨削過程的穩定。

1 ELID磨削的原理

圖1是ELID磨削原理示意圖。金屬結合劑超硬磨料砂輪與電源正極相接做陽極，工具電極做陰極，在砂輪和電極間有電解磨削液。針對金屬結合劑金剛石砂輪或CBN砂輪難于修整的特點，ELID磨削利用電解的方法連續修整砂輪來獲得恒定的出刃高度和良好的容屑空間。同時，隨著電解過程的進行，砂輪表面逐漸形成一層氧化膜，從而阻止電解過程繼續進行，使砂輪損耗不致太快。當砂輪表面的磨粒磨損后，氧化膜被工件表面的磨屑刮擦去除，電解過程得以繼續進行。上述過程循環進行，既避免了砂輪過快消耗，又能自行保持砂輪表面的磨削能力[1－3]。

圖1 ELID磨削原理

2 ELID內圓磨削方式

文獻[4-5]介紹了一種ELID內圓磨削的方法，如圖2所示。該方法采用了ELID的斷續修銳方式，即在磨削的過程中要不時地移出工件，以對砂輪進行電解修銳，這不但效率很低，而且需要一套復雜的電解修整裝置。筆者在此基礎上，嘗試利用可導電的金屬工件作為電解修整陰極，實現了修銳和磨削的同時進行，如圖3所示。由于電解作用，在ELID磨削過程中鑄鐵基砂輪表面會生成一層不導電的氧化膜，在控制好磨削參數和電解參數的基礎上，氧化膜可以阻止磨削過程中電火花的產生，也就防止了工件表面的燒傷。

圖2 ELID內圓磨削方式Ⅰ

圖3 ELID內圓磨削方式Ⅱ

3 ELID內圓磨削試驗

3.1 試驗設備和條件

試驗設備和條件如表1所示。

表1 試驗設備及條件

3.2 磨削過程

一般來說，ELID內圓磨削包括以下幾個步驟：①整形，本文采用的是鑄鐵基CBN砂輪，很難用傳統的修整方式對砂輪進行修整，因此這里采用電火花整形的方法對砂輪進行整形；②預修銳，目的是使砂輪表面生成一層不導電的氧化膜，一般預修銳的時間約為30min；③ELID磨削，在磨削過程中，砂輪和電解陰極（工件）直接接觸，為了避免短路和電火花的產生，不宜使用太大的電解參數，在本試驗中，脈沖電源的開路電壓為60V，占空比為5μs∶5μs。

3.2.1 砂輪的電火花整形

對于鑄鐵基CBN砂輪，由于砂輪結合劑和磨粒的硬度較高，很難用傳統的整形方法對砂輪進行整形。電火花整形利用砂輪與工具電極之間產生脈沖火花放電的熱量來蝕除砂輪，整形過程不受被加工材料硬度的影響，沒有機械力的作用，廣泛用于金屬結合劑砂輪以及導電性樹脂結合劑砂輪的整形[6]。因此，筆者利用該方法對鑄鐵基CBN砂輪進行整形，整形裝置如圖4所示。圖4中，圓盤形的紫銅工具電極接電源負極并通過電木與機床頭架絕緣，鑄鐵基CBN砂輪接電源正極，同樣采取絕緣措施與砂輪架絕緣。整形過程中將去離子水作為放電介質。

圖4 電火花整形裝置

以W40鑄鐵基CBN砂輪為例，在開始整形前，砂輪的圓度為56.3μm，此時應采用較大的整形參數（電壓120V、占空比80μs∶20μs）。整形過程中通過監測砂輪的圓度來逐步減小整形參數。最終使用的整形參數為電壓60V、占空比20μs：20μs，砂輪整形后的圓度為5.78μm，可以滿足磨削需求，如圖5所示。從圖5可以看出，在整形初期由于砂輪圓度較大，材料去除量也較少，因此圓度下降很快。而到了整形后期，由于圓度較小，材料的去除量增多，因此圓度下降減緩。

圖5 電火花整形過程中砂輪圓度變化

3.2.2 砂輪的預修銳

在開始磨削前，砂輪的基體是導電的，如果直接進行磨削就會造成短路，燒傷砂輪和工件，因此在磨削開始前要進行預修銳。調整砂輪與工件間的間隙，間隙一般約為0.2mm，電解預修銳30min，使砂輪通過對金屬基體結合劑的電解去除獲得適當的磨粒突出量和合理的容屑空間，同時在砂輪表面生成一層不導電的氧化膜。

3.2.3 內圓磨削

在預修銳后開始ELID磨削，工件采用的是使用普通內圓磨削后的軸承套圈（表面粗糙度Ra為0.56μm）。由于直接采用導電的金屬工件作為電解陰極，為了避免短路和電火花的產生，故不宜采用太大的磨削參數和電解參數。圖6為利用表1所示的磨削設備和條件下ELID磨削過程中采集的電流和電壓的變化曲線圖。隨著磨削的進行，砂輪表面的氧化膜和磨粒被不斷地刮除，使電流升高、電壓降低。但由于電解作用，新的氧化膜又不斷地生成，使磨削去除和電解生成最終達到一個相對穩定的狀態。圖6中電流和電壓小范圍內上下波動的原因是，工作臺的往復運動使砂輪與工件之間的磨削寬度發生變化。最后電流穩定在1.0～1.5A之間，電壓穩定在27～32V之間。由此可見，直接采用導電的金屬工件作為電解陰極的方案是可行的，可以達到和維持穩定的磨削過程。

圖6 ELID磨削過程中電壓電流變化曲線

4 磨削結果及分析

采用上述ELID內圓磨削裝置，分別用W40和W10鑄鐵基CBN砂輪對軸承套圈內圓進行磨削，磨削后測量材料的去除率并用泰勒輪廓儀測量其表面粗糙度，結果如表2所示。圖7為ELID磨削后的工件照片。由表2可以看出，隨著砂輪粒度的減小，工件材料的去除率降低，而其表面質量獲得了提高。采用ELID磨削技術，砂輪始終保持良好的出刃高度和容屑空間，使斷屑較容易，與普通內圓磨削方式相比能夠得到較好的表面質量。

表2 工件的粗糙度及去除率

圖7 ELID磨削后的工件照片

5 結束語

本文采用導電工件作為電解陰極的ELID內圓磨削方式，在對鑄鐵基CBN砂輪進行電火花整形后，對軸承套圈內圓表面進行ELID磨削試驗。在使用W10砂輪時其表面粗糙度Ra可以達到30nm左右。這種磨削方法與帶有專門修整電極ELID內圓磨削方式相比，不但省去了復雜的電解陰極裝置，而且加工后工件表面粗糙度低，可以取代傳統研磨、拋光工藝，一次加工成形，具有廣闊的應用前景。

[1]周曙光，關佳亮，郭東明，等.ELID鏡面磨削技術綜述[J].制造技術與機床，2001（2）：38-40.

[2]Ohmori H，Takahashi I，Bandyopadhyay B P.Ultraprecision Grinding of Structural Ceramics by Electrolytic In－process Dressing（ELID）Grinding[J].Journal of Materials Processing Technology，1996，57（3／4）：272－277.

[3]Lim H S，Fathima K，Senthil K A，et al.A Fundamental Study on the Mechanism of Electrolytic Inprocess Dressing（ELID）Grinding[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2002，42（8）：935－936.

[4]關佳亮，袁哲俊，張飛虎.ELID精密鏡面內孔磨削技術的應用[J].制造技術與機床，1998（1）：25－26.

[5]Qian J，Li W，Ohmori H.Precision Internal Grinding with a Metal－bonded Diamond Grinding Wheel[J].Journal of Materials Processing Technology，2000，105（1／2）：80－86.

[6]高大曉，任成祖，王志強，等.鑄鐵基金剛石微粉砂輪的電火花整形試驗[J].天津大學學報，2007，40（5）：584－588.