合金球面電火花機械磨削復合加工機理與實驗研究

劉源添，郭鐘寧，何建文

LIU Yuan-tian, GUO Zhong-ning, HE Jian-wen

（廣東工業大學 機電工程學院，廣州 510006）

0 引言

在石油化工、天然氣輸送、煤化工、水力發電等國民經濟支柱產業中，超硬超精密合金球閥作為流體控制的關鍵部件得到廣泛運用。為了適應復雜惡劣的工作環境并延長球閥工作壽命，閥芯球體表面通常必須進行合金化處理（表面噴涂0.6mm～0.8mm厚的WC、Ni60、硬鉻等粉末合金），表面硬度大（HRC≧62及以上），因此采用傳統的機械磨削方法加工困難，加工效率低[1,2]，目前，大口徑超硬合金回轉球面先進的精密加工技術僅美國、德國、芬蘭等少數西方國家掌握，因此研究并掌握高硬高精度合金球面的精密磨削技術就顯得十分重要，這里提出采用電火花與精密磨削復合加工技術，充分利用傳統和非傳統加工的優勢，實現大口徑超硬合金球閥內芯表面的高效、精密、清潔加工。

1 電火花機械復合磨削加工原理

電火花機械復合磨削加工是綜合利用EDM放電加工和機械磨削兩種加工方法的優點，他們在宏觀上是復合的，在時間序列上是獨立的，而兩種方法互相在補充。金屬基金剛石砂輪作為復合工具電極，被鑲嵌在磨頭上。當金屬結合劑砂輪與球體表面合金材料之間的間隙足夠小，利用脈沖電壓，使間隙間產生脈沖電場，兩極間的液態介質就會被電離擊穿即產生火花放電，通過放電通道上瞬時產生的高溫、高密度能量來蝕除球面合金材料，同時金剛石砂輪中的結合劑也同樣會被蝕除掉，即電極磨耗[3]。經電火花加工后的電蝕坑趨于剛基體凹陷，硬質相凸起，這樣可以減輕砂輪胡塞程度，有利于發揮金剛石磨料的切削能力，從而提高機械磨削效率，電火花放電對砂輪還具有修整作用，使電極表面的金剛石磨粒始終保持鋒利，并不斷地對球面合金材料產生機械刮削作用。這樣，通過金屬結合劑與球面合金材料間的電火花放電、金剛石砂輪與聚晶金剛石材料之間的火花放電的雙重作用，電火花加工與機械磨削相互創造有利條件，使得兩種方法相輔相成從而實現球體表面高硬合金材料的高效精密加工[4]。加工原理示意圖如圖1所示。

圖1 復合加工原理圖

2 復合加工機理與分析

綜合考慮兩種加工方法的工藝要求，復合加工方法理論上被劃分為三個加工工藝階段：

1）粗加工階段：以電火花磨削為主，材料去除主要依賴放電去除，在材料表面隨機形成放電電蝕坑如圖2所示。隨著放電加工過程的推進，球面因電火花放電產生的電蝕坑由疏變密并逐漸相互融合或重疊，由于每次放電點不同并沒有一定的規律，因此粗加工階段球體表面會形成由疏到密的，不均勻到均勻，直至基本覆蓋整個球面。這一階段是用電火花磨削方法高效去除球面不均勻的高硬度合金材料噴涂層，并在粗加工末期在線調整（低）電參數向中精加工工藝過程過渡。

圖2 電火花磨削放電電蝕坑

2）中精加工階段：仍以放電磨削為主并輔以機械磨削；由于調低放電能量（主要是峰值電壓），使得電極與球面之間的放電間隙gf減小，當減小到某一值時，極間間隙g又不足以產生火花放電，而這時電極表面的金剛石磨粒露出的高度hm又大于這個間隙距離，從而對球面起到了機械刮削作用去除材料，在這里可以稱這個間隙距離為“臨界間隙”，記為gL。電火花放電產生的條件可由下式表示[5]：

當能滿足式（1）時，即產生如圖3（a）所示的情況；但當無法滿足式（1）時，即極間間隙出現一個臨界值gL，滿足上述的情況并由下式表示：

當滿足式（2）條件時，即產生如圖3（b）所示的情況，球面加工紋理會出現電蝕坑與機械磨紋的雜合現象如圖4所示[6]。

3）精加工階段：機械磨削為主并輔以電火花磨削或純精密機械磨削。精加工階段以機械磨削為主，并伴以火花放電為輔來對砂輪電極進行修銳，電極表面的金剛石磨粒對球體表面進行機械切削作用，并逐漸將放電加工產生的電蝕坑軌跡去除掉，取而代之的是形成的軌跡線反復重疊并加工完成新的成形表面[7,8]。圖5為球面新加工成形面實物圖。

圖3 中精加工階段的放電磨削

圖4 球面加工紋理出現電蝕坑與磨粒磨紋雜合現象

表1

圖5 球面磨紋變化及新成形面形成過程示意圖

3 實驗研究

3.1 磨削實驗條件

1）金屬基（青銅）金剛石砂輪：JC80176BW100-20×41。

2）電源參數：脈沖頻率1KHz，工作電壓0～150V連續可調，工作電流0～50A連續可調，占空比為0.5。

3）工作液：DX-1&DX-4乳化液分別按1:20稀釋后混合使用。

4）復合工具電極：杯形砂輪磨盤。

5）試驗球體試件材料特性參數：WC為90%；Co為10%；粉末粒度15μm～54μm；質量密度14.3g/cm3；粘結強度＞69MPa；彈性模量-70GPa；涂層厚度-300μm；硬度＞HRC62。

3.2 復合磨削加工實驗結果

表2中的實驗數據是在杯型砂輪磨頭轉速2250r/min，球體主軸轉速8.5r/min，工作電壓為30V～90V，工作電流5.8A～20A的情況下，加工去除掉表1中球體試件徑向磨除半徑57μm的加工結果。

表2 電火花機械復合磨削加工效果

3.3 純機械加工實驗結果

表3中的實驗數據是在杯型砂輪磨頭轉速2250r/min，球體主軸轉速8.5r/min，使用符合加工中相同復合磨削工具加工去除點表1中球體試件徑向磨除半徑57μm的加工結果。

表3 純機械磨削加工效果

由上述表2和表3的實驗結果可以看出，電火花機械復合磨削的加工效率比純機械磨削的加工效率綜合來看提高了3倍左右，極大提高了磨削效率[9]。金剛石砂輪的磨耗程度有所減輕，相對于價格昂貴的金屬基金剛石砂輪來說，大幅降低了加工成本。復合磨削加工之后球體的表面粗糙度接近于純機械磨削的水平，基本滿足加工工藝的要求，復合加工方法取得了又快又好的效果[10]。

4 結論

本文通過研究電火花機械復合磨削加工機理的基礎上，確定了粗、中、精三個階段加工工藝流程，經過初步試驗研究表明復合加工相比純機械磨削加工球面合金材料在加工效率上有了極大的提高，可達3倍，在保證較低的砂輪磨耗的前提下能獲得較高的表面粗糙度[11]。因此，電火花機械復合磨削加工可充分發揮電火花加工和機械磨削加工各自的優點，并且，這兩種加工方法能夠為對方創造良好的加工條件，相信通過優化各工藝參數組合能夠取得更快更好的加工效果。

[1]任敬心.難加工材料磨削技術（Grinding of Difficult -to-Materials).北京:國防工業出版社,1999,2.

[2]趙萬生.先進電火花加工技術[M].北京:國防工業出版社,2003.

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[6]鄒峰,于愛兵,等.金屬基金剛石砂輪修整技術的研究進展[J].精密制造與自動化,2003,154(2):12-14.

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[8]許開州.高硬度球面磨削機理及磨削質量控制研究:[博士學位論文].上海:上海交通大學,2011.6.

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[10]L.M.Xu,D.J.Hu,Analysis of Chatter Marks in Accurate Grinding on Optical-Curve Grinder,Key Engeering Materials Vols.304-305(2006) pp.497-501.

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