基于砂輪徑向振動主動控制的ELID內圓磨削

李秦峰　任成祖　張　斌　李德成　陳曉峰

1.首都航天機械公司,北京,100076　　2.天津大學,天津,300072

基于砂輪徑向振動主動控制的ELID內圓磨削

李秦峰1任成祖2張斌1李德成1陳曉峰1

1.首都航天機械公司,北京,1000762.天津大學,天津,300072

在線電解修整(ELID)磨削過程中砂輪表面會生成一層具有一定厚度的氧化膜,其剛度遠小于工件及砂輪結合劑的剛度,可以有效衰減磨削過程中的振動。將ELID技術應用到無心內圓磨削中,通過調節電解參數來改變氧化膜的狀態,進而對砂輪徑向振動進行控制。通過試驗研究了電解參數的改變對砂輪徑向振動的影響規律,并基于此規律設計了控制器,對磨削過程中的砂輪徑向振動進行了主動控制磨削試驗。試驗結果表明,該控制器可以將磨削過程中的砂輪徑向振動控制在設定值附近，維持ELID磨削的穩定。在實際的ELID內圓磨削中,可以先將砂輪徑向振動控制在較高值,以實現較大的材料去除率；一段時間后再將砂輪徑向振動控制在較低值，以提高工件表面質量。

在線電解修整(ELID);內圓磨削;砂輪徑向振動;主動控制

0　引言

內圓磨削工序在整個制造工業中占有較大的比重,但它存在磨削線速度低、磨削力大且不易散熱、砂輪軸剛度低等局限性[1]，因而很難直接獲得精密的加工表面，終加工時仍然需要對重要表面進行研磨和拋光處理，這將增加設備投資且延長加工時間。因此，引入一種高效精密的內圓磨削方法顯得尤為重要。

在線電解修整(electrolytic in-process dressing,ELID)磨削技術是一種精密的加工技術，具有高效穩定、磨削力較小等特點，廣泛應用于現代加工領域[2-3],并且被成功應用到內圓磨削加工中[3-4]。ELID磨削能夠實現較高表面質量的關鍵在于砂輪表面形成的氧化膜，這層低剛度且富有彈性的氧化膜將超細磨料顆粒包裹其中，以一種研磨與拋光相結合的復合方式進行材料去除。磨削過程中理想的氧化膜狀態應該是既能使磨粒始終保持一定的出刃高度進行材料去除，同時又能夠在一定程度上對磨削過程中的振動干擾進行衰減[5-8]。Lim等[9]通過改變峰值電流、電壓等對氧化膜進行控制。Yang等[6]通過對修整電流進行控制并使氧化膜維持在設定的狀態,取得了較好的磨削效果。但上述研究都忽略了實際精密磨削過程中,砂輪在徑向的振動是直接影響磨削質量和效率的關鍵因素[10-11],需要對其進行一定的控制。因此，本文充分研究了砂輪徑向振動的控制規律，并據此規律設計了砂輪徑向振動的控制器，采用此控制器進行了基于砂輪徑向振動主動控制的ELID內圓磨削。

1　砂輪徑向振動的控制規律

1.1砂輪徑向振動的控制方法

本文采用的砂輪是粒度為W10的鑄鐵基砂輪，ELID磨削過程中砂輪表面形成的氧化膜厚度為幾十至一百微米[12-13],其彈性模量約在30～50 GPa之間,均遠遠小于砂輪基體材料的彈性模量[12]。當砂輪表面受到交變應力作用時，這層主要由金屬氧化物、微細磨粒以及材料缺陷組成的氧化膜會產生強烈的內摩擦，從而消耗振動干擾能量。氧化膜整體較厚、致密性較高時，這種對砂輪徑向振動能量的消耗作用就較強；當氧化膜厚度較小、致密性較差時，這種對振動能量的消耗作用就較弱[6-7]。因此可以通過調節氧化膜的狀態來對砂輪徑向振動進行控制。

ELID磨削過程中氧化膜的狀態直接由機械加工參數與電解參數決定，可以通過改變這些磨削參數來對氧化膜進行調整，進而控制砂輪徑向振動。在實際的磨削過程中一般盡量避免改變直接決定磨削效率和質量的機械加工參數，同時在本文的試驗中也不能直接改變電解參數，因為這樣會改變磨削過程中電解電流的大小，而電解電流在本文中用來表征氧化膜狀態[6，14]。這樣就會出現不確定情況：電解電流的減小(增大)究竟是由于氧化膜變厚致密性變好(變薄變差)造成的，還是因為電解參數減小(增大)造成的。因此本文采用下述方法對電解參數進行調整。

利用2個脈沖卡生成2個脈沖信號，其中一個脈沖的占空比不變，其周期設為微秒級，此脈沖即為實際電解修整脈沖，本文稱其為小脈沖；另一個脈沖信號的占空比可變，其周期設為毫秒級，此脈沖為電解電源的控制信號，本文稱其為大脈沖。將兩路脈沖進行疊加即產生控制脈沖,如圖1所示。

圖1　控制脈沖示意圖

當控制信號的大脈沖為零時，此時無電解修整作用；當控制信號的大脈沖不為零時，電解電源輸出波形的占空比與控制脈沖中的小脈沖一致,此時處于在線電解修整狀態。增大大脈沖的占空比，則電解強度提高，導致氧化膜的厚度變厚、致密性變好，進而抑制振動的能力增強；減小大脈沖的占空比，則電解強度降低，導致氧化膜厚度變薄、致密性降低，進而抑制振動的能力減弱。在整個電解修整過程中，脈沖電源輸出的電壓幅值以及控制脈沖中的小脈沖是保持不變的，同時磨削過程中僅當大脈沖處于高電平時(電解作用開啟時)才進行電解電流的采集，從而保證了在調整電解參數(大脈沖占空比)時不直接改變電解電流，這樣就解決了上述不確定性問題。因此，在實際ELID磨削過程中，可以通過調整大脈沖占空比來控制砂輪的徑向振動。

1.2砂輪徑向振動控制規律的研究

在ELID磨削過程中可以通過改變大脈沖占空比來對砂輪徑向振動進行控制，因此，有必要研究調節大脈沖占空比對磨削過程中砂輪徑向振動的影響規律。但是，不同狀態(電解電流)下的氧化膜由于其阻尼、厚度等不同，導致相同的脈沖調節量也可能對砂輪徑向振動產生不同的影響,因此,本文為了獲得不同氧化膜狀態下對砂輪徑向振動的主動控制策略，進行以下試驗研究。

本試驗建立在數控改造后進給精度為1μm的磨床上，系統原理如圖2所示。連接ELID脈沖電源正極的鑄鐵基CBN砂輪安裝在機床的水平軸上。工件由電磁無心夾具吸緊，依靠端面支撐及兩個徑向的絕緣支撐定位，其中工件通過端面支撐與脈沖電源的負極相連。磨削過程中的振動信號由固定在絕緣支撐上的振動傳感器拾取，輸出范圍為±5V的電壓信號，修整電流由霍爾電流傳感器測量得到。上述兩個實時信號均通過采集卡采集并實時地在工控機中顯示和記錄。詳細試驗設備及試驗條件見表1。

圖2　試驗系統原理圖

磨床3MZ1410自動軸承外圈溝磨床砂輪W10鑄鐵基CBN砂輪(外徑30mm)工件軸承套圈(內徑40mm)砂輪主軸轉速30000r/min工件轉速120r/min砂輪軸向進給速度100mm/min磨削深度2μm電源TJCP-Ⅱ型高頻直流脈沖電源磨削液TJMX-V型ELID磨削液電解電壓60V測量儀器TaylorHobson輪廓儀LanceLC0108振動傳感器LA-28霍爾電流傳感器

根據氧化膜的主動控制法[6]將ELID磨削過程中的氧化膜狀態(電解電流)分別維持在0.2A、0.4A、0.6A、0.8A、1.0A、1.2A以及1.4A附近,待其穩定在設定值后停止主動控制器，對大脈沖占空比分別進行調節量為10%、8%、6%、4%、2%、-2%、-4%、-6%、-8%、-10%的調節，并記錄調節后的振動信號峰峰值A。為了保證試驗精度，相同的占空比調節量試驗重復三次,取平均值，并且每一次占空比調節試驗后都必須啟動控制器使氧化膜重新達到設定狀態(電解電流)才能進行下次試驗。

圖3所示為不同氧化膜狀態(電解電流)下，對大脈沖占空比進行不同調節量所得到的砂輪徑向振動峰峰值A。由試驗結果可以看出,不論氧化膜處于哪種狀態，砂輪徑向振動總體上均隨著占空比調節量的減小而不斷增大，并且，氧化膜越薄、致密性越差(電解電流越大)時，振動的增大趨勢越來越大。上述規律意味著：ELID磨削是一個氧化膜生成與損耗的動態平衡過程，當氧化膜處于較薄、致密性較差的狀態(電解電流較大)時，改變大脈沖占空比很可能會在較大程度上打破這個動態平衡，從而造成磨削過程中的振動產生較大幅度的改變；當氧化膜處于較厚、致密性較好的狀態(電解電流較小)時，改變大脈沖占空比是不會對振動產生太大的影響的。

圖3　不同占空比調節量下的砂輪徑向振動信號峰峰值(不同氧化膜狀態)

1.3砂輪徑向振動的主動控制策略

ELID磨削過程中氧化膜的阻尼以及砂輪徑向振動均是復雜的、非線性的控制對象，很難通過精確的數學模型進行建模。因此，本文根據前文試驗得到的不同氧化膜狀態(電解電流)下砂輪徑向振動隨占空比變化的規律，采用模糊控制算法設計出相應的控制器，其輸入參數包括砂輪徑向振動峰峰值的設定值與實際值的誤差e以及誤差的變化率ec，輸出參數為大脈沖占空比的調節量。因此，在磨削過程中需要根據氧化膜所處的狀態(電解電流)，實時選擇對應不同控制規律的控制器。圖4所示為砂輪徑向振動的主動控制策略原理。同時，為了加快控制器的響應時間，根據誤差e和誤差變化率ec的大小實時調整控制器輸出整定參數K，e和ec均不斷增大時模糊控制器采用一個較大的K值使得誤差盡快減小，反之則減小K值使磨削過程處于穩定狀態。

圖4　主動控制策略原理圖

2　砂輪徑向振動的主動控制試驗

為了驗證主動控制方案的可行性，本文在無心內圓磨床上進行了有主動控制與無主動控制的ELID內圓磨削試驗。試驗系統如圖2所示，詳細試驗設備和條件如表1所示。本試驗進行了無主動控制和兩種有主動控制的ELID內圓磨削，并且有主動控制的ELID內圓磨削的砂輪徑向振動峰峰值A分別設為2.6g和2.4g。上述三組ELID磨削均持續10 min。

圖5所示分別為無主動控制以及兩種有主動控制下砂輪徑向振動峰峰值A的變化曲線,可以看出，無主動控制下砂輪徑向振動略微有所增大但不明顯，總體穩定在一定的范圍內；而在有主動控制下設定值為2.6g的ELID磨削中，砂輪徑向振動在剛開始磨削的2 min內有所增大，隨后穩定在設定值附近；有主動控制下設定值為2.4g的ELID磨削中,砂輪徑向振動逐漸減小并最終穩定在設定值附近。表2顯示了三種不同磨削方式下得到的粗糙度、波紋度以及材料去除量，可以看出，試驗1和試驗3的粗糙度接近且均優于試驗2；試驗3的波紋度最小，試驗2的波紋度最大;試驗2的材料去除量最大,試驗3的材料去除量最小。

在ELID磨削過程中通過對砂輪徑向振動進行主動控制將其維持在設定值附近，可以保證磨削的穩定進行。當砂輪徑向振動設定值較高時，氧化膜較薄、阻尼較小,此時砂輪的主要材料去除方式是以超硬磨料的微量磨削進行的，因此最終得到較差的表面質量和較高的材料去除率；當砂輪徑向振動設定值較低時，氧化膜較厚、阻尼較大,參與磨削的磨粒大部分甚至完全處于氧化膜的包裹之中，此時ELID磨削的材料去除主要是以微細超硬的磨粒對工件表面研磨拋光的方式進行的，從而獲得較高的表面質量和較低的材料去除率。因此,在實際的ELID磨削過程中可以先將砂輪徑向振動維持在較高值,實現較大的材料去除率，以消除上道工序中的加工痕跡和變質層，再將砂輪徑向振動維持在較低值，以提高工件的表面質量。

(a)無主動控制下

(b)設定值為2.6 g的主動控制下

(c)設定值為2.4 g的主動控制下圖5　不同控制方式下的振動信號峰峰值

試驗編號砂輪徑向振動設定值(g)粗糙度Ra(μm)波紋度Wa(μm)材料去除量(μm)1無0.03820.0510422.60.04250.0667832.40.03980.04163

3　結論

(1)砂輪徑向振動可以通過調節氧化膜狀態來進行控制。

(2)在相同的氧化膜狀態下，增加大脈沖的占空比可以減小磨削過程中的砂輪徑向振動；在相同的大脈沖占空比調節量下,氧化膜越薄致密性越差(電解電流越大)，則砂輪徑向振動的改變量越大。

(3)可以根據磨削過程的實際需要,將砂輪徑向振動維持在不同的設定值附近,設定值較高時可以實現較大的材料去除率,設定值較低時可以提高加工表面質量。

[1]夏新濤,馬偉.滾動軸承制造工藝學[M].北京:機械工業出版社,2007.

[2]Ohmori H,Nakagawa T.Mirror Surface Grinding of Silicon Wafers with Electrolytic In-process Dressing[J].Annals of the CIRP,1990,39(1):329-332．

[3]Qian Jun, Li Wei, Ohmori H. Precision Internal Grinding with a Metal-bonded Diamond Grinding Wheel[J]. Journal of Materials Processing Technology,2000,105(1/2):80-86．[4]楊黎健,任成祖,靳新民.軸承套圈內圓ELID磨削試驗[J].中國機械工程,2011,22(2):212-214.

Yang Lijian,Ren Chengzu,Jin Xinmin.Internal Cylindrical ELID Grinding Experiment of Bearing Rings[J].China Mechanical Engineering,2011,22(2):212-214．

[5]關佳亮,郭東明,袁哲俊.ELID鏡面磨削中砂輪生成氧化膜特性及其作用的研究[J].機械工程學報,2000,36(5):89-92.

Guan Jialiang,Guo Dongming,Yuan Zhejun.Research on the Characteristics and Roles of Oxide Film on Grinding Wheel of ELID Mirror Surface Grinding[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2000,36(5):89-92.

[6]Yang Lijian,Ren Chengzu,Jin Xinmin.Experimental Study of ELID Grinding Based on the Active Control of Oxide Layer[J].Journal of Materials Processing Technology,2010,210:1748-1753.

[7]李秦峰,任成祖,張開飛.磨削參數對ELID內圓磨削軸承外圈的影響[J].中國機械工程,2013,24(9):1177-1180.

Li Qinfeng,Ren Chengzu,Zhang Kaifei.The Effect of Grinding Parameters on Internal ELID Grinding of Bearing Rings[J].China Mechanical Engineering,2013,24(9):1177-1180.

[8]Zhang C,Ohmori H,Marinescu I,et al.Grinding of Ceramic Coatings with Cast Iron Bond Diamond Wheels[J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2001,18(8):545-552.

[9]Lim H S,Fathima K, Kumar A S,et al.Rahman.A Fundamental Study on the Mechanism of Electrolytic In-process Dressing(ELID) Grinding[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2002,42:935-943．

[10]Albizuria J,Fernandes M H,Garitaonandia I,et al.An Active System of Reduction of Vibrations in a Centerless Grinding Machine Using Piezoelectric Actuators[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,2007,47:1607-1614．[11]Inasaki I,Karpuschewski B,Lee H S.Grinding Chatter-Origin and Suppression[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2001,50(2):515-534．[12]鄶吉才,張飛虎.ELID磨削砂輪表面氧化膜力學性能[J].納米技術與精密工程,2010,8(5):447-451.

Kuai Jicai,Zhang Feihu.Mechanical Properties of Oxide Film on ELID Grinding Wheel Surface[J].Nanotechnology and Precision Engineering,2010,8(5):447-451．

[13]Fathima K,Rahman M,Senthil Kumar A,et al.Modeling of Ultra-precision ELID Grinding[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering,2007,129:296-302．

[14]楊黎健,任成祖,靳新民.ELID磨削砂輪表面氧化膜狀態的表征[J].工具技術,2011(6):40-43.

Yang Lijian,Ren Chengzu,Jin Xinmin.State Characterizing of Oxide Layer on Surface of ELID Grinding Wheel[J].Tool Engineering,2011(6):40-43.

(編輯蘇衛國)

Internal ELID Grinding Based on Active Control of Wheel Radial Chatter

Li Qinfeng1Ren Chengzu2Zhang Bin1Li Decheng1Chen Xiaofeng1

1.Capital Aerospace Machinery Company,Beijing,100076 2.Tianjin University,Tianjin,300072

The stiffness of oxide layer formed on wheel surface was much lower than that of workpiece and wheel bond in ELID grinding,so that the oxide layer can absorb and damp the wheel radial chatter.In order to avoid negative effects of the chatter on grinding efficiency and quality,the ELID was applied in centerless internal grinding.The wheel radial chatter was controlled by adjusting electrical parameters,and the law of this control was studied by experiments.Based on the above analyses,a series of fuzzy controllers were designed to stabilize the chatter within a certain range in ELID internal ceterless grinding.The grinding performance was studied under the active control experiments used different chatter set-points.The results show that,comparison with the ELID grinding without control,good surface quality and low material removal rate can be obtained with smaller chatter set-point;poor surface quality and high material removal rate can be obtained with larger chatter set-point.

electrolytic in-process dressing(ELID);internal grinding;wheel radial chatter;active control

2013-11-14

TG662;TG580.613DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.09.009

李秦峰,男,1987年生。首都航天機械公司總裝事業部工程師。研究方向為精密制造與裝配。任成祖,男,1962年生。天津大學天津市先進制造技術與裝備重點實驗室教授、博士研究生導師。張斌,男，1984年生。首都航天機械公司總裝事業部工程師。李德成,男,1973年生。首都航天機械公司總裝事業部高級工程師。陳曉峰,男,1977年生。首都航天機械公司總裝事業部高級工程師。