電火花整形金剛石微粉砂輪的工藝試驗研究

關佳亮 戚澤海 孫曉楠 路文文

(北京工業大學機械工程與應用電子技術學院，北京100124)

軸承鋼因具有良好的耐磨性、抗腐蝕性及淬火和回火后具有高而均勻的硬度等優點被廣泛應用于制造各種軸承套圈、滾動體等軸承零部件。但軸承鋼優良的力學性能也使其傳統的內圓磨削存在著剛玉類砂輪磨損堵塞后導致加工工件表面產生燒傷、裂紋及圓度差的問題[1]。采用在線電解修整(ELID)磨削技術可實現將金屬結合劑超硬磨料砂輪的持續修銳與磨削同步進行，繼而克服了軸承鋼內圓傳統磨削加工中存在的上述難題。而金屬結合劑超硬磨料砂輪的整形仍是目前存在的一大難題，且其整形精度將直接影響到后續ELID磨削軸承鋼內圓的圓度及表面質量。目前國內外針對金屬結合劑超硬磨料砂輪的整形進行了大量研究，如劉忠德[2]采用電火花修整技術針對50～63 μm粒度金屬基金剛石砂輪進行單因素試驗探究放電電壓、脈沖電流、脈沖頻率等對砂輪表面形貌的影響規律。黎文[3]采用電火花修整技術對金屬結合劑金剛石微粉砂輪進行試驗探究電源參數對整形效率的影響規律。王凱[4]采用電火花修整技術對金屬基金剛石圓弧砂輪進行試驗研究不同放電參數對砂輪圓弧輪廓誤差的影響規律。

以上文獻主要涉及采用電火花修整技術研究砂輪修整參數對整形效率及砂輪微觀形貌的影響規律，但對于電火花修整參數對金屬結合劑超硬磨料砂輪微觀形貌沒有進行量化表達及對于宏觀形貌的砂輪圓度沒有進行詳細研究。因此本文在電火花整形原理的指導下，將砂輪表面三維粗糙度(表面最大峰值SP、表面均方根偏差SQ、表面偏度SSK和表面峰度SKU這4個參數值)作為砂輪表面形貌量化表達的目標參數來評價砂輪整形的好壞。通過采用正交試驗研究不同電火花修整參數對砂輪微觀形貌表面三維粗糙度的影響規律及最終修整圓度。并用整形后的W40粒度金剛石砂輪對GCr15軸承鋼內圓進行在線電解修銳加工得到表面粗糙度為96 nm的已加工表面。

1 電火花整形原理

電火花整形金屬結合劑超硬磨料砂輪的基本原理如圖1所示。金屬結合劑超硬磨料砂輪與脈沖電源正極相連接作為陽極，工具電極與脈沖電源負極連接作為陰極，在金屬結合劑超硬磨料砂輪與工具電極之間充滿絕緣介質,從而形成一個閉合回路。當砂輪與電極之間的距離達到電火花放電條件時，將在砂輪與電極之間形成放電通道，形成強大的瞬間熱量作用在金屬結合劑超硬磨料砂輪表面，使砂輪金屬結合劑蝕除從而達到整形的目的[5-6]。故脈沖電源單個脈沖作用在砂輪表面的熱能將直接影響到金屬結合劑超硬磨料砂輪的整形效率及精度。而單個脈沖放電能量公式[5]為：

W0=u(t)·i(t)dt

(1)

其中：W0為單個脈沖放電能量；u(t)為間隙瞬時放電電壓；i(t)為間隙瞬時脈沖電流；ti為放電持續時間。由公式(1)可知決定單個脈沖放電能量大小的因素為放電電壓、脈沖電流及放電持續時間即占空比。故放電參數中的放電電壓、脈沖電流及占空比的選擇對于金屬結合劑超硬磨料砂輪整形圓度及砂輪微觀形貌具有重大影響作用，選擇合理的電火花整形工藝參數可以得到較好的砂輪表面形貌，即可磨削得到較好的軸承鋼內圓表面質量。

2 金剛石砂輪電火花整形實驗

本實驗采用電火花修整技術對W40粒度鑄鐵結合劑金剛石平行砂輪進行精密整形，本次實驗及檢測設備如表1所示。

表1 實驗及檢測設備

實驗檢測設備型號種類平面磨床MSZ612CNC數控平面磨床砂輪100%濃度W40粒度鑄鐵結合劑金剛石平行砂輪電極紫銅電極電源ELID直流穩壓脈沖電源(電壓范圍:3～380V;電流范圍:≤50A)工作液純凈的蒸餾水測量儀KeyenceVK-X200激光顯微鏡;基恩士二維激光測距儀;S-3400NⅡ型掃描電子顯微鏡

3 加工工藝參數優化試驗

3.1 試驗指標和因素水平的確定

砂輪表面微觀形貌對于軸承鋼內圓ELID磨削過程和工件表面及亞表面質量都有顯著的影響。而評價砂輪是否已得到良好的整形，即磨粒是否充分均勻的突出在砂輪表面而不被結合劑包覆，就必須對砂輪的微觀形貌進行檢測和評價。因此本文采用間接測量法對不同電火花參數整形后的砂輪微觀形貌進行檢測評價，即將整形后砂輪的形貌復印在硅橡膠印模上，而后利用Keyence VK-X200激光顯微鏡對印模表面進行三維粗糙度和微觀形貌檢測分析。且本文選取砂輪表面三維粗糙度[7-8](表面最大峰值SP、表面均方根偏差SQ、表面偏度SSK和表面峰度SKU這4個參數值)作為砂輪表面微觀形貌量化表達的評價指標，表2列出了4個參數值的數學表達式，式中M、N為評定區域內數據點的行列數，z(xi,yj)為點(xi,yj)相對于基準面的高度值。

根據本實驗室前期關于電火花修整金屬基超硬磨料砂輪的經驗[9]及相關文獻[10]可知在粗整形時采用大的電火花參數以高效率去除金屬結合劑，而在精密整形時采用小的電火花參數以得到較好的砂輪微觀表面及砂輪圓度。因此本文在MSZ612CNC數控平面磨床上對W40粒度鑄鐵結合劑金剛石平行砂輪進行精密整形試驗以研究脈沖電流、放電電壓及占空比對砂輪表面微觀形貌的影響規律。各試驗因素均取3個水平，三因素三水平表如表3所示。

表2 砂輪表面三維粗糙度評價參數

數學表達式性質及意義Sp=Max(∑Nj=1∑Mi=1Z(xi,yj))評價磨粒的最大突出高度:SP越大,磨粒的最大突出高度越大。SQ=1MN∑Nj=1∑Mi=1Z2(xi,yj)評價砂輪表面地貌總體情況:SQ值越大,砂輪表面越粗糙。SSK=1S3Q1MN∑Nj=1∑Mi=1Z3(xi,yj)[]評價砂輪表面磨粒密度:SSK<0,砂輪表面以突出磨粒為主,SSK>0,砂輪表面以凹坑為主。SKU=1S4Q1MN∑Nj=1∑Mi=1Z4(xi,yj)[]評價磨粒的等高性:SKU值越大,磨粒高度分布越集中。

表3 三因素三水平編碼表

因素水平脈沖電流/A放電電壓/V占空比/(%)15502021070403159050

3.2 試驗方案及結果

采用三因素三水平設計9組試驗，經Keyence VK-X200激光顯微鏡對精密整形后砂輪復印在硅橡膠印模表面進行三維粗糙度檢測，結果如表4所示。

3.3 試驗結果分析

分析A(脈沖電流)因素各水平對試驗砂輪表面最大峰值SP指標的影響。根據KA1、KA2、KA3的大小可以判斷A1、A2、A3對實驗SP指標的影響大小。由于KA1

表4 正交試驗設計表及測試結果

實驗序號脈沖電流A/A放電電壓B/V占空比O/(%)Sp/μmSQ/μmSSKSKU15902020.565.16-0.386.4525704015.416.03-0.55.1335505013.735.26-0.273.94410702012.194.87-0.694.79510504016.855.76-0.716.08610905021.626.45-1.037.25715502022.176.1-0.556.18815704016.427.28-0.534.19915905011.804.17-0.194.5K149.752.7554.92K250.6644.0248.68K350.3953.9847.15表面最大峰值Sp/μmK116.4517.1216.13K217.0818.1819.07K317.5515.7815.88表面均方根偏差SQ/μmK1-1.15-1.53-1.62K2-2.43-1.72-1.74K3-1.27-1.6-1.49表面偏度SSKK115.5216.217.42K218.1214.1115.4K314.8718.215.69表面峰度SKU

綜上分析，當脈沖電流10 A時，SP、SSK、SKU均取到最佳值，而SQ值也接近最佳值；根據占空比及放電電壓對砂輪微觀地貌的影響規律，并綜合考慮電火花整形工藝參數對修整圓度的影響[4]，選擇占空比為20%，放電電壓70 V。因此得到砂輪整形的最佳工藝參數為：脈沖電流10 A，放電電壓70 V,占空比20%。

4 最優工藝參數實驗驗證及結果分析

選取優化后的整形參數(脈沖電流10 A，放電電壓70 V,占空比20%)對W40粒度金剛石砂輪進行電火花整形實驗，整形后砂輪表面三維粗糙度的評價參數SP、SQ、SSK及SKU分別為13.05 μm，4.89 μm，-0.35，5.307，砂輪三維地貌檢測如圖2所示。由圖2可知磨粒突出高度較好，且突出高度分布集中。并在此最優工藝參數下進行電火花精密整形后用基恩士二維激光測距儀對砂輪外圓輪廓進行采集及濾波處理后得到如圖3所示的砂輪圓度為4.18 μm的外圓輪廓精度，可知在此最優整形工藝參數下可得到較好的整形圓度。

將電火花精密整形后的W40粒度金剛石砂輪進一步進行ELID在線電解修銳后得到如圖4所示的較好砂輪微觀形貌。由圖4可知ELID電解修銳砂輪形貌相比于圖2電火花精密整形砂輪形貌而言金屬結合劑被完全電解去除后金剛石磨粒全部均勻突出。并用此ELID在線電解修銳后的W40粒度金剛石砂輪磨削軸承鋼內圓,經S-3400NⅡ型掃描電子顯微鏡檢測加工工件得到如圖5所示的表面粗糙度為96 nm的軸承鋼微觀形貌。由圖5可知工件表面不存在燒傷及裂紋等缺陷，而只是在工件表面留有磨粒耕犁去除的微小紋路，表面質量較好。

5 結語

本文在電火花精密整形原理的基礎上,通過對W40粒度鑄鐵基金剛石砂輪進行電火花精密整形正交試驗得到以下結論：

(1)由電火花精密整形原理中單脈沖放電能量可知放電電壓、脈沖電流及占空比是影響電火花整形金剛石砂輪表面三維粗糙度值的主要因素。

(2)通過采用正交試驗對W40粒度鑄鐵基金剛石砂輪進行電火花精密整形得到最優工藝參數為脈沖電流10 A，放電電壓70 V,占空比20%。

(3)在此最優工藝參數的基礎上對砂輪進行電火花精密整形得到表面三維粗糙度的評價參數SP、SQ、SSK及SKU分別為13.05 μm、4.89 μm、-0.35、5.307，得到精度為4.18 μm的砂輪圓度。

(4)將電火花精密整形后的W40粒度金剛石砂輪應用在ELID磨削軸承鋼內圓中得到表面粗糙度值為96 nm的加工表面，且工件表面不存在燒傷及裂紋等缺陷。

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