在線電解修整磨削氧化膜研究現狀及展望

伍俏平 鄭維佳 鄧朝暉 趙 恒

1.湖南科技大學智能制造研究院，湘潭，411201 2.難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室，湘潭，411201

0 引言

在線電解修整（electrolytic in-process dressing，ELID）鏡面磨削技術的提出有效解決了金屬結合劑砂輪在磨削過程中存在的砂輪易堵塞、砂輪修銳困難的問題。ELID磨削技術一問世就受到了許多工業國家的高度重視，并取得了一系列的研究成果：研發出了ELID納米級精密磨床［1］，實現了ELID磨削過程的計算機監測與控制［2］，開發了ELID專用電源［3］和系列型專用電解液［4］等。

ELID鏡面磨削過程中，砂輪表面生成的氧化膜會直接影響ELID鏡面磨削的加工性能和加工效率，且在整個磨削過程中始終發揮著至關重要的作用。砂輪表面生成的氧化膜一方面避免了砂輪結合劑與工件直接接觸，減弱了砂輪對工件的振動和沖擊［5］；另一方面，氧化膜可容納、承托大量因電解而脫落的磨粒，使得砂輪的磨削類同游離磨粒的研磨、拋光效果，有利于提高磨削表面質量。國內外學者對ELID磨削氧化膜成膜性能及成膜機理等開展了一系列的研究工作。本文綜述了ELID磨削砂輪表面氧化膜的研究現狀，并對ELID磨削過程中氧化膜的研究重點進行了展望。

1 氧化膜成膜過程及表征方法

1.1 ELID磨削氧化膜成膜過程

在ELID磨削過程中，金屬結合劑砂輪為陽極，工具電極為陰極，電解過程中由于陽極溶解效應，砂輪表層的金屬基體會被電解去除，同時在砂輪表面會形成一層具有絕緣作用的氧化膜。該氧化膜可以減緩和阻止進一步電解，使電解速度降低，避免砂輪損耗過快。隨著砂輪表面磨粒磨損，出刃高度降低后，由于工件材料的刮擦，氧化膜變薄，導電性恢復，又使金屬基體電解過程加快，氧化膜變厚。ELID磨削原理如圖1所示［6］。正是由于這種非線性電解作用，有效保證了加工過程中砂輪始終有突出的磨粒用以維持砂輪的鋒利狀態［7］。

圖1 ELID磨削加工機理Fig.1 Mechanism of ELID grinding

一些學者對不同結合劑砂輪的氧化膜成膜過程進行了研究，如KHOSHAIM等［8］分析了ELID磨削過程中鑄鐵基砂輪的氧化膜形成過程，發現ELID磨削過程中，砂輪表面主要發生了氧化還原的電解反應，其電解化學式如下：

氫氧化鐵在砂輪表面沉淀并氧化形成非導電氧化物層（Fe2O3），在形成氧化膜的反應中，最重要的就是 Fe（OH）2中 Fe2+的氧化以及Fe（OH）3的沉淀氧化形成Fe2O3。氧化和沉淀反應的速度越快，生成的氧化膜就越致密；反之，生成的氧化膜就越疏松。

青銅基砂輪雖然在氧化膜的生成速度和質量上不如鑄鐵基砂輪，但在砂輪制造工藝方面優于鑄鐵基砂輪。QIAN等［9］分析了ELID磨削過程中青銅基砂輪的氧化膜形成過程，青銅基砂輪表面的氧化還原反應如下：

青銅基砂輪陽極在電解作用下溶解，然后Cu2+在砂輪表面生成Cu（OH）2，Cu（OH）2在砂輪表面沉淀并氧化，生成不導電的氧化物層CuO。與鑄鐵基砂輪一樣，氫氧化物的氧化與沉淀反應的速度越快，氧化膜的質量就越好。

此外，有學者研發了環境友好型的非金屬結合劑砂輪并已應用于在線電解磨削加工。如NEMOTO等［10］利用米糠、樹脂等為主要原料試制了非金屬導電結合劑砂輪，通過在高溫下燒結使得樹脂碳化產生導電性，從而實現了ELID磨削加工。他們利用掃描電子顯微鏡觀測到磨削過程中在砂輪表面生成了非導電變質層，經分析認為這可能是由于磨削液成分在電解作用下逐漸在非金屬結合劑砂輪表面析出，并經氧化后在砂輪表面形成非導體層，這層非導體層并不是金屬氧化物膜，而是一層絕緣性的鈍化膜。FATHIMA等［11］提出了非金屬結合劑砂輪的ELID反應原理氧化還原反應式：

其中，M為結合劑材料。

非金屬結合劑砂輪的ELID磨削原理與金屬結合劑砂輪大致相同，卻又有所區別，主要表現在其鈍化膜的生成速度、硬度、絕緣性等特性上與金屬氧化膜有所不同。

1.2 ELID磨削氧化膜表征方法

砂輪表面生成的氧化膜主要是通過電解作用改變砂輪表層的化學和物理性質，使堅硬的砂輪結合劑外層具有一定彈性、厚度和強度，且可容納大量微細磨料的氧化膜層［12］。在ELID磨削過程中，通過電解作用在砂輪表面生成的氧化膜的動態平衡是實現鏡面磨削的關鍵。由于ELID磨削過程中砂輪表面生成的氧化膜厚度及均勻性受許多因素的影響，故對氧化膜的狀態進行表征分析是對氧化膜進行有效控制的前提。針對此，一些學者開展了ELID磨削氧化膜表征方法的研究。KARPUSCHEWSKI等［13］利用聲發射技術分析了ELID磨削過程中砂輪與工件的接觸狀態，研究結果表明，對于不同的鈍化膜厚度及致密性，聲發射信號會呈現不同的頻域和時域特征，信號幅值也會發生變化。當磨削加工處于穩定狀態時，砂輪氧化膜的聲發射信號是在小范圍內周期波動，且信號的幅值較小；當磨削加工的狀態改變時，氧化膜的電解平衡被打破，此時砂輪與工件之間的磨削力會產生變化，聲發射信號也會隨之發生明顯的變化。SALEH等［14］根據ELID磨削過程中砂輪表面氧化膜周期生成和破損導致磨削力周期變動的規律，提出通過檢測磨削力的變化來表征ELID磨削過程中的氧化膜狀態。王海營［15］認為盡管鈍化膜自身不導電，但是由于其組織不致密，在磨削過程中氧化膜的空隙處滲透有導電性能良好的電解液，因而具有一定的導電性。導電性的強弱則受到鈍化膜厚度及其致密性的影響，鈍化膜厚、致密性好，則導電性能差；反之，則導電性能好，因此可以通過檢測導電性能間接地表征氧化膜的狀態。KERSSCHOT等［16］研究發現，在電壓穩定的情況下，修整期間電解回路電阻增大，電流減小，電壓保持恒定。氧化膜可以看作一個電容器和一個電阻器并聯后再與一個電阻器串聯的電路結構。若把整個電解回路看作一個電路，則氧化膜厚度大、致密性好時，氧化膜的總電阻值較高，整個回路總電阻較高，回路的電流較小；反之，若回路電流較大，則說明氧化膜的性能較差。可以通過檢測ELID回路極間電流大小及變化來表征氧化膜狀態。

2 EILD磨削氧化膜物理/化學特性

2.1 ELID磨削氧化膜的物理特性

氧化膜吸附在砂輪表面，直接與工件接觸并參與磨削，氧化膜的物理性質直接影響ELID磨削的磨削效果［17-18］。國內外學者對ELID磨削氧化膜物理特性的研究主要集中于氧化膜黏附強度、硬度、厚度、致密性、導電性和生成速度等參數。DAI等［19］通過試驗研究發現，ELID磨削過程中砂輪表面氧化膜最適宜的厚度為4～9μm，該厚度的氧化膜增大了砂輪的電阻，抑制了砂輪的電解速度，避免了砂輪的過度電解，同時避免了砂輪的結合劑與工件直接接觸，減弱了砂輪對工件的振動沖擊，增加了實際參與磨削的磨粒數量，從而可提高磨削效率，延長砂輪的使用壽命。關佳亮等［20］通過試驗得出，回路電流的下降速度反映了氧化膜的生成速度，氧化膜生成達到穩定狀態所需的時間為5～10 min，氧化膜的生成速度受到電解參數和磨削液的共同影響。鄶吉才等［21］通過實驗發現，氧化膜的硬度會隨著氧化膜中α-Fe2O3含量的增加而有增大趨勢，但基本在210 MPa左右，變化范圍很小。楊黎健等［22］在實驗中采用膠帶黏附氧化膜，計算將氧化膜全部黏附掉所需的次數來表征氧化膜的黏附強度。在1～5 A的不同電流值下，其黏附次數在5～11之間，隨著電流的增大，黏附次數下降；氧化膜的厚度較大，致密性好，則黏附強度高。

此外，一些學者對氧化膜的檢測方法進行了研究。如孫斌［23］通過試驗對比了橡皮擦刮擦法和膠帶黏附法，認為膠帶黏附法檢測過程中恒定的膠帶黏附力消除了人為因素的影響，黏附次數能綜合反映氧化膜的厚度和致密性。FATHIMA等［24］通過納米壓印法測量了氧化膜的彈性模量和接觸剛度，其實驗結果表明氧化膜的彈性模量一般在20～50 GPa之間，接觸剛度為16.34 N/mm，認為氧化膜相比于基體（彈性模量為170～180 GPa）具有較低的剛度和彈性模量，使彈性變形易于發生，磨削時磨粒的等高性和協同性增強，有利于表面質量的改善。REN等［25］通過測量ELID磨削過程中的電流來判斷氧化膜的導電性，導電性側面反映了氧化膜的致密程度，并通過ELID磨削過程中的電流變化來確定氧化膜的生成速度。MA等［26］利用激光傳感器和電渦流傳感器對ELID磨削過程中的氧化膜厚度進行了動態檢測，其檢測結果表明，在預修銳前期，氧化膜的生成速度可達到12μm/min，6 min后氧化膜的厚度達到了70μm，之后氧化膜的生成速度逐漸變慢，通過調整電解電壓、脈沖頻率等電解參數可實現氧化膜厚度的有效控制。YANG等［27］發明了一種新型高頻脈沖電源用于氧化膜實時狀態的監測和控制，該高頻脈沖電源可通過大小脈沖的不斷疊合來實現周期性的電解進而調節氧化膜的狀態，并設計了一種模糊控制程序以控制生成的氧化膜厚度可在一定的范圍內變化，從而實現了穩定的ELID磨削加工。

2.2 ELID磨削氧化膜的化學特性

ELID磨削過程中氧化膜是由砂輪結合劑中各種金屬的氧化物和氫氧化物組成的混合物薄膜，其化學特性主要由砂輪結合劑、磨削液成分和電解參數所決定。ZHANG等［28］通過研究發現，鑄鐵基砂輪ELID磨削氧化膜是由多種鐵的氧化物和氫氧化物共同組成的，并在砂輪磨粒周圍形成一個梯度分布，在磨削高溫下氧化膜中Fe2O3和結晶水分解成為γ-Fe2O3和α-Fe2O3，并隨著磨削溫度的進一步上升，氧化鐵成分從γ-Fe2O3完全轉變為α-Fe2O3。KUAI等［29］結合X射線衍射、紅外光譜分析和掃描電子顯微鏡觀測等手段，詳細分析了氧化膜表面的微觀結構和成分，也認為EILD磨削砂輪表面氧化膜的成分是α-Fe2O3以及不等含量的結晶水，其中α-Fe2O3是一種僅次于鈰基拋光粉的優良研磨劑，ELID研磨過程中氧化膜的拋光作用正是α-Fe2O3帶來的。此外，由于砂輪結合劑中不僅有鐵還有銅等其他金屬成分，故氧化膜中還應該有CuO、Cu2O等氧化物成分，而在電解修整過程中，電解液中的化學物質中有部分會在砂輪表面沉積，成為氧化膜成分的一部分。

對于青銅基砂輪，其表面的主要氧化物質是Cu（OH）2及由其脫水生成的 CuO［30］，但是，純青銅砂輪會產生較快的陽極溶解，影響ELID磨削的效果，所以青銅基砂輪一般會采用添加了鈷或鐵的青銅基砂輪［31］。KLOCKE 等［32］在使用專用磨削液進行砂輪氧化膜化學成分的試驗中發現，在結合劑中添加鈷和鐵后，其氧化膜除了銅氧化物和其他結合劑氧化物之外，還有一部分的Mo氧化物，來自冷卻劑的鉬酸鹽MoO2-4中的Mo在砂輪表面上形成了具有較強鈍化作用的混合氧化物Fe-Mo-O和Co-Mo-O層，正是這層混合氧化物層增大了電解回路的電阻，彌補了單純的青銅結合劑砂輪作為電解陽極時溶解過快的缺陷。

NEMOTO等［10］分析了非金屬結合劑砂輪在電解過程中生成的鈍化膜，這層鈍化膜是一層厚度約為130μm的變質層，該變質層的氧濃度很高，另外還觀測到Mo等物質，可能是磨削液成分在電解作用下析出并經氧化后形成該非導體層，但該鈍化膜具體成分和膜層結構仍有待深入分析。綜上所述，ELID磨削砂輪表面氧化膜（鈍化膜）是一層受各方面因素影響、化學成分復雜、既有化學物質的沉積也有結合劑電解氧化物的混合膜層。

3 氧化膜成膜影響因素研究

3.1 電解參數對氧化膜的影響

3.1.1 電解電壓

電解電壓主要影響電解反應氧化膜的生成速度。電解電壓越高，電解反應進行的速度越快，在砂輪表面生成氧化膜的速度也就越快。但文獻［33］指出，電解電壓并不是越高越好。這是因為當電解電壓值過高時，生成氧化膜的速度過快，電解反應生成的氧化物不能很好地沉淀在砂輪表面，氧化膜的致密性較差。ITOH等［34］通過實驗提出電解電壓的典型值為60～90 V，且不同磨粒粒度的砂輪對電解電壓有著不同的要求。KERSSCHOT等［35］通過研究發現，對于大粒度砂輪，電壓的提升對氧化膜的形成速度和厚度的影響不大，采用較低電壓即可；而對于細磨粒顆粒的砂輪，電解電壓對氧化膜的成膜速度和厚度的影響較大，因此需要較高的電壓來保證氧化膜的厚度和致密性。其他學者也得出了類似結論，如BAFAKEEH等［36］采用粒度為400號的砂輪對藍寶石進行了ELID高效磨削實驗，采用了較低的修整電壓70 V，以降低砂輪的損耗速度，獲得了Ra=0.2μm的表面粗糙度。ZHANG等［37］在使用粒度為4000號的砂輪對SiC涂層進行超精密磨削時，因為磨粒的粒度較小，磨鈍的速度較快，因此采用了較高的修整電壓90 V以保證磨粒的鋒利，并最終得到了Ra=7.2 nm的表面粗糙度。

3.1.2 占空比

除了電解電壓以外，占空比也會對氧化膜的性能產生較大的影響［38］。一般而言，隨著占空比的增大，成膜速度加快，氧化膜的致密性增大。如LIM等［6］通過研究發現，隨著占空比的增大，磨削力減小，氧化膜的成膜速度加快，致密性提高，工件加工表面質量更好。FATHIMA等［38］指出：對于粗磨粒砂輪而言，為了降低損耗，應采用較低的占空比；而對于細粒度砂輪，應采用較高的占空比以獲得較高的表面質量。SHANAWAZ等［39］也研究了不同占空比條件下的ELID磨削力和表面粗糙度，發現磨削力隨著占空比的增大而減小，表面粗糙度隨占空比的增大而降低，當占比空為60%時達到理想的加工效果。但SALEH等［40］在隨后的研究中指出，過高的占空比會大大提高砂輪的損耗速度，故ELID采用的占空比應該在25%～75%之間，這也是ELID磨削一般不采用直流持續電源的原因。ISLAM等［41］開展了鑄鐵基砂輪的ELID磨削實驗，實驗結果也表明，當占空比為50%時，可獲得理想的磨削效果，表面粗糙度可達到Ra=4 nm。

3.1.3 電極間距

RAHMAN等［42］通過實驗發現電極間距影響氧化膜的成膜速度和成膜質量，一般原則是在保證電極不與砂輪接觸的情況下，取較小的電極間距，尤其在精磨、采用較小的電解電壓時盡量使電極間距減小。肖強等［43］通過研究發現，隨著電極間距的逐漸減小，電流密度增大，氧化膜生成速度增大，電極間距較小的情況下，能有效提高電極間的電壓梯度和密度，減少雜散腐蝕，從而提高生成氧化膜的均勻性。一般電極間距控制在0.1～0.3 mm左右［44］。

3.2 電解液對氧化膜的影響

ELID磨削電解液的成分、流速及其pH值也是影響砂輪表面氧化膜特性的主要因素，它們對砂輪表面氧化膜的致密性，抗刮擦能力以及絕緣性等均有著非常重要的影響。

3.2.1 電解液成分

ELID磨削電解液中的電解質濃度決定了氧化膜的成膜速度，在一定的范圍內，如果電解液中電解質濃度增大，電解反應速度也會提高，對生成氧化膜的速度和質量有促進作用；但如果電解質濃度過高，電解液就會失去成膜特性，無法生成氧化膜。這是因為電解反應速度過高，雖然在砂輪表面形成了較厚的氧化膜層，但氧化膜自身的黏附強度太低，很容易在電解液的沖擊以及磨削力作用下從砂輪表面脫落［45］。一般來說，ELID磨削電解液通常采用弱電解質，與強電解質相比，采用弱電解質不但所形成的氧化膜的致密性更加良好，還能大大降低電解質對機床的腐蝕［20］。除此之外，還可通過向電解液添加不同的添加劑，如防銹劑、消泡劑、極壓添加劑等，達到相應的電解效果［46］。

3.2.2 電解液流速

ELID電解液流入電極與砂輪間隙處的流速也會影響氧化膜的相關性能。IRANI等［47］指出砂輪結合劑及電解液的成分不同，對電解液的注入流速有著不同的需求。對于氧化膜厚度較厚、成膜速度較快的ELID磨削加工，應該采用較小電解液注入速度，這是因為電解液注入速度越快，它對砂輪表面的沖擊作用就越大，這種沖擊力可能會使砂輪氧化膜被電解液沖擊帶走，降低氧化膜的黏附性；而在氧化膜較薄、成膜速度較慢的ELID磨削加工過程中，應選擇較高的流速以增大電解液的穿透力，使陽極生成的金屬陽離子與ELID磨削液中的陰離子結合生成沉積于砂輪表面的氧化物增多，以提高成膜速度和成膜厚度。如ISLAM等［48］應用CG7型磨削液對硅片進行ELID磨削加工時，采用的流速較低，僅為31.4 L/h。該流速與其他相對較高的流速相比，生成的氧化膜更致密，在磨削時產生的磨削力也更小。而OHMORI等［49］在采用AFG-M型磨削液對陶瓷進行ELID磨削時，選擇的電解液流速達到了20～30 L/min，實際結果也證明在該流速下砂輪表面氧化膜的致密性好、厚度適中，最終實現了納米級精度的表面粗糙度加工。

3.2.3 電解液的pH值

電解液的pH值也會對氧化膜性質產生影響。研究表明大部分金屬在中性和弱堿性環境中的氧化速度比在酸性環境中的氧化速度快，而且大部分金屬與酸生成的鹽的溶解性大于在堿性環境反應生成的氫氧化物。最適宜ELID磨削氧化膜生長的電解液pH值在9～10之間［50-51］。

3.3 砂輪結合劑成分對氧化膜的影響

除了ELID電解液外，砂輪結合劑成分也會對氧化膜造成一定的影響。ELID磨削使用的砂輪主要為金屬結合劑砂輪。關佳亮等［52］提出金屬結合劑砂輪胎體成分主要是鑄鐵粉、鐵粉和銅粉。結合劑中鐵、銅的比例決定著結合劑的強度指標和電解成膜的速度及質量。其中，銅粉含量影響著結合劑電解速度，其含量越高，電解速度越快；鐵粉和鑄鐵粉的含量決定著結合劑的強度、硬度以及生成氧化膜的質量。鐵的含量過高，結合劑難以電解，生成的氧化膜質量差。除此之外，在金屬結合劑中添加適量的銀、鎳、錫、鋅、鉛等金屬添加劑，可以提高結合劑的強度指標，改善熱學性能及電解速度和成膜質量。金衛東［53］通過實驗發現，鑄鐵、鐵和銅三種成分的氧化物和氫氧化物，都屬于難溶化合物，這些氧化物和氫氧化物在金屬基砂輪上沉積覆蓋形成致密氧化膜。此外，OHMORI等［54］對鑄鐵結合劑砂輪和青銅結合劑砂輪進行了ELID磨削對比研究，其結果表明鑄鐵結合劑砂輪成膜速度快、膜層較厚且均勻，在ELID鏡面磨削中的加工精度穩定性好；青銅結合劑砂輪在電解時，表面不易生成氧化膜。這是因為鑄鐵中含有大量的石墨，石墨能促進鑄鐵的鈍化，有利于在鑄鐵表面形成致密且附著牢固的氧化膜。申澤驥等［55］對鑄鐵基砂輪的ELID磨削研究的結果也顯示，鑄鐵中石墨、磷、硅等元素化合物的存在，會對形成的氧化膜起到釘扎作用，阻礙氧化膜的剝落，因此，在ELID磨削中大多采用鑄鐵結合劑砂輪。

此外，研究人員也開展了非金屬結合劑砂輪的ELID磨削研究。非金屬結合劑砂輪在磨削液的電解作用下并不是產生氧化膜，而是產生一層具絕緣性的鈍化膜，但這層鈍化膜的作用與金屬基砂輪ELID磨削產生的氧化膜的作用是一樣的。如耿寶功［56］以竹炭粉、酚醛樹脂、陶瓷為原料在高溫下進行碳化處理，制備了新型的竹炭陶瓷砂輪，竹炭陶瓷砂輪的有機化合物在高溫下熱分解為碳和其他產物，增加了砂輪的導電性，而電解液中的物質被竹陶瓷所吸附并生成相應的氧化物進而形成一層變質層（鈍化膜），磨削實驗表明這種竹炭陶瓷砂輪電解速度快，修銳時間短，取得了較好的磨削效果。ITOH等［57］研發出了一種環境友好型的非金屬結合劑砂輪，砂輪材料成分主要有樹脂、碳粉和磨粒等，并利用8000號該結合劑金剛石砂輪開展了單晶硅的ELID磨削實驗，實驗結果表明磨削過程中砂輪表面生成了一層鈍化膜，磨削表面粗糙度達到了30 nm。目前國內外針對非金屬結合劑砂輪鈍化膜的成分分析以及成膜機理方面的研究還比較少，但非金屬結合劑砂輪制備工藝簡單，環境友好，勢必成為未來ELID磨削發展的一大主題。

4 研究展望

ELID氧化膜是影響ELID磨削加工性能和加工效率的重要因素。目前，國內外學者已在ELID磨削氧化膜特性以及影響因素等方面取得了一系列的研究進展，但ELID氧化膜的生成是一個復雜的過程，氧化膜的成膜機理及其有效控制方面仍有待進一步深入研究。對此，筆者認為有以下幾方面值得重點關注：

（1）進一步開展ELID磨削氧化膜成分以及物理/化學等特性研究，深入分析氧化膜的影響因素及其變化規律，建立不同結合劑砂輪的氧化膜特性數據庫。

（2）系統分析ELID氧化膜特性指標與影響因素之間的對應關系，并建立氧化膜與電解工藝參數之間的數學模型，實現電解工藝參數的優化選取。

（3）采用新型傳感器技術和檢測方法，設計ELID磨削氧化膜物理/化學性能實時監測平臺，深入分析氧化膜成膜過程及成膜機理。

（4）開展非金屬結合劑砂輪及綠色環保新型砂輪的ELID磨削氧化膜研究，對其成膜成分、成膜特性及成膜質量等進行深入研究，實現綠色化的ELID鏡面磨削加工。