基于砂輪電火花整形的ELID磨削實驗研究

關(guān)佳亮 胡志遠(yuǎn)

(北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124)

金屬結(jié)合劑金剛石砂輪具有硬度高、強度高、砂輪廓形保持性好及良好的耐磨性等優(yōu)點,被廣泛用于硬脆性難加工材料的精密超精密磨削中[1].因其高硬度、耐磨性好等特點,故對金屬結(jié)合劑金剛石砂輪進(jìn)行精密整形十分困難,傳統(tǒng)的整形技術(shù)目前已經(jīng)無法解決這個難題,使得金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的進(jìn)一步發(fā)展受到了局限.針對這個難題,目前提出應(yīng)用特種加工電火花加工技術(shù)對金屬結(jié)合劑砂輪進(jìn)行快速精密整形,可提高整形的精度和效率,但整形后砂輪表面會形成對ELID磨削產(chǎn)生影響的硬質(zhì)層.本文對電火花整形后在砂輪表面形成的硬質(zhì)層進(jìn)行實驗研究,分析硬質(zhì)層對ELID磨削加工的影響,為ELID磨削加工技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù).

1 電火花整形技術(shù)的簡介

電火花整形砂輪是20世紀(jì)80年代提出的,在工具電極與砂輪相對運動過程中產(chǎn)生電火花放電,利用電蝕作用蝕除砂輪,從而使砂輪獲得較高的形狀精度.電火花加工原理如圖1所示.在整形過程中金屬基金剛石砂輪作為正極,工具電極作為陰極,在專用脈沖電源的作用下,當(dāng)砂輪與工具電極之間的間隙小于放電間隙時,產(chǎn)生電火花放電,在砂輪與電極之間形成放電通道,電火花放電放出大量的熱量,形成一個瞬時熱源作用在砂輪與電極表面,使砂輪結(jié)合劑高溫熔化甚至氣化,從而使磨粒突出,達(dá)到整形效果[2].

金屬結(jié)合劑金剛石砂輪進(jìn)行電火花修形時,在電火花局部放電的高溫高壓作用下,工具電極會析出碳微粒滲入砂輪表面,使砂輪表面形成硬質(zhì)層.這種硬質(zhì)層又分為融化層和熱影響層.熔化層位于電火花加工后砂輪表面的最上層,它被電火花脈沖放電產(chǎn)生的瞬間高溫所熔化,又受到周圍工作液介質(zhì)的快速冷卻作用而凝固,它與砂輪基體材料完全不同,與內(nèi)層的結(jié)合也不牢固.熱影響層在熔化層和基體之間,熱影響層的金屬并沒有熔化,但受到了高溫的影響,使材料的金相組織發(fā)生了變化,它和基體材料之間并沒有明顯的界限[3].這些表層組織對砂輪電解修銳的速度和效果產(chǎn)生一定的影響.

2 ELID磨削技術(shù)簡介

2.1 ELID精密鏡面磨削機理

圖2為ELID精密鏡面磨削機理圖.ELID可以實現(xiàn)超精密加工,是因為在光磨階段,由于陽極的電解作用,在砂輪表面會形成一層致密且具有一定強度的彈性氧化膜,氧化膜的厚度比細(xì)粒度砂輪中磨粒的出刃高度要大.氧化膜除了可以防止砂輪過度電解還可以容納一些電解下來的微小磨鈍的磨粒,形成如圖2所示的形貌.氧化膜中擁有磨削、研磨和拋光磨粒,可以對工件進(jìn)行研磨與拋光進(jìn)而實現(xiàn)精密鏡面加工,因此氧化膜的厚度及質(zhì)量的好壞直接關(guān)系著被加工工件的表面質(zhì)量[4-5].

2.2 ELID氧化膜狀態(tài)的表征

砂輪表面氧化膜狀態(tài)對于磨削的效率和質(zhì)量有著重要作用.雖說氧化膜本身不導(dǎo)電,但在電解磨削過程中電解液容易滲透到氧化膜內(nèi),使氧化膜具備一定的導(dǎo)電性,所以ELID磨削系統(tǒng)電解電路基本滿足法拉第定律.

圖3為ELID磨削電解電路示意圖,當(dāng)砂輪與整形電極之間的間隙、電源電壓、電解液一定時,那么在ELID磨削系統(tǒng)電路中電解電流I的表達(dá)式為:

式中:RN為整形電極的電阻,Ω；RE為電解液的電阻,Ω；RO為氧化膜的電阻,Ω；RP為砂輪的電阻,Ω.

在ELID磨削過程中,氧化膜的生成主要有以下兩個過程:

電解過程:

氧化過程:

電路中電流的微觀定義式如下:

式中:n為電子的數(shù)量,個；e為電子電荷量,C；s為導(dǎo)線橫截面積,m2；v是電子移動速度,m/s.

將式(4)代入式(1)中,得:

由式(5)可知,當(dāng)磨削參數(shù)、脈沖電源參數(shù)、電極與砂輪之間間隙、電解液和砂輪結(jié)合劑材料一定,氧化膜變得致密且厚度加大時,電解液不易滲透到氧化膜中,則RO值變大,進(jìn)而電荷的個數(shù)n變小,從而導(dǎo)致Fe2+密度降低,最終使氧化膜生成速率降低,逐漸達(dá)到平衡.由式(1)可知,不同氧化膜的狀態(tài)(厚度、致密性)會對應(yīng)不同的電解電流數(shù)值,氧化膜較厚、致密性較好時,氧化膜電阻RO較大,電解電流較小；氧化膜較薄、致密性較差時,氧化膜電阻RO較小,電解電流較大[5].經(jīng)深入研究發(fā)現(xiàn),在ELID磨削過程中,氧化膜的狀態(tài)可以用電解電流來進(jìn)行表征.

3 電火花整形后砂輪表面形成的硬質(zhì)層對砂輪電解修銳的影響

3.1 電解實驗條件

表1 實驗設(shè)備及參數(shù)

經(jīng)電火花精整形和粗整形的砂輪A、B整形參數(shù)及結(jié)果如表2所示.

表2 電火花整形結(jié)果

3.2 實驗結(jié)果及分析

采用上述實驗條件,對3片砂輪進(jìn)行電解成膜對比實驗,實驗中電解電流變化曲線如圖4所示.

分析圖4電解電流的變化曲線,得出下列結(jié)論:

電解開始時,砂輪C的電解電流最大,為18.1 A,砂輪A的電解電流居中,為9.61 A,砂輪B的電解電流最小,為6.21 A.這是因為鑄鐵基金剛石砂輪經(jīng)過電火花整形后,在其表面形成一層阻值較大的硬質(zhì)層,這層硬質(zhì)層硬度高且致密,阻礙了內(nèi)部鑄鐵結(jié)合劑的電解,故去除硬質(zhì)層的砂輪C電解電流最大；電火花粗整形和精整形相比,所采用的放電參數(shù)較大(脈寬比較大),故放電能量大,產(chǎn)生的熱量大,所以電火花粗整形比精整形所產(chǎn)生表面硬質(zhì)層更厚,對砂輪電解效果阻礙更大,故精整形后的砂輪A比粗整形后的砂輪B電解電流更大.

電解開始3 min內(nèi),砂輪A和砂輪C電解電流減小的比較快,很快便趨于穩(wěn)態(tài),而砂輪B電解電流減小相對較為緩慢.這是因為表面硬質(zhì)層是一種經(jīng)高溫?zé)崽幚磉^的金屬物質(zhì),與純鑄鐵結(jié)合劑性質(zhì)不同,硬質(zhì)層不易被電解,生成鐵離子少,由式(3)可知,氧化膜生成速率慢且致密性差.砂輪A和砂輪C表面的硬質(zhì)層與砂輪B的相比較薄,故電解效果較好,所以電流減小較快.

3片砂輪A、B、C的電解電流達(dá)到穩(wěn)定(波動小于5%)的時間分別為 5.7 min、6.0 min、5 min,最終穩(wěn)定電流分別為1.11 A、2.01 A、0.15 A.這是因為金屬結(jié)合劑砂輪在經(jīng)過電火花整形的時候,砂輪表層受到瞬間高溫、瞬間低溫的作用,在表層產(chǎn)生顯微裂紋,顯微裂紋會阻礙氧化膜的生成,且不能完全被電解去除.經(jīng)過精密整形的砂輪A顯微裂紋出現(xiàn)在淺表層,易被電解去除,而經(jīng)過粗整形的砂輪B,由于脈沖能量較大,故顯微裂紋延伸到深表層,需要相對長時間才可以電解去除.所以3片砂輪電解電流達(dá)到穩(wěn)定的時間和電流數(shù)值大小都不同.

砂輪A、B、C電解后進(jìn)行干燥處理,通過3M標(biāo)準(zhǔn)測試膠帶檢測氧化膜的附著力,進(jìn)而得知氧化膜的致密性.具體方法為用3M膠帶粘附干燥處理的氧化膜,通過記錄將氧化膜粘附掉的次數(shù)來判斷氧化膜的附著力,結(jié)果如表3所示.表面氧化膜的附著力(由大到小)排列依次為砂輪C、砂輪A、砂輪B.

表3 氧化膜附著力測試結(jié)果

這主要是因為砂輪C表面去除了硬質(zhì)層,所以電解速度快,生成的鐵離子多,進(jìn)而與電解液中的氧化物反應(yīng)生成附著力強、致密性好的氧化膜；砂輪B硬質(zhì)層最厚,顯微裂紋最深,故電解速度很慢,鐵離子生成速度慢,故生成附著力差、致密性差的氧化膜；砂輪A硬質(zhì)層較淺,顯微裂紋也較淺,鐵離子電解一般,故生成的氧化膜附著力和致密性介于兩者之間.

4 電火花整形砂輪ELID磨削加工實驗

4.1 ELID磨削實驗參數(shù)

采用以上3片電解修銳后的砂輪,在實驗室前期摸索的最優(yōu)工藝參數(shù)的指導(dǎo)下,對GCr15軸承鋼進(jìn)行相同磨削條件下的ELID精密鏡面磨削對比加工實驗,最優(yōu)工藝參數(shù)如表4所示.

表4 磨削實驗參數(shù)

4.2 實驗結(jié)果及分析

用TR300粗糙度形狀檢測儀測量3個樣件的表面粗糙度,檢測結(jié)果如表5和圖5所示.

表5 樣件表面粗糙度檢測結(jié)果

對檢測結(jié)果進(jìn)行分析可知,砂輪的磨削效果從優(yōu)到差依次為砂輪C、砂輪A、砂輪B.這主要是因為電火花整形使砂輪表面的金相組織發(fā)生變化,整形后形成的硬質(zhì)層和顯微裂紋使金屬結(jié)合劑電解速度減慢,電解電流較小,電流密度較小,故生成的鐵離子變少,從而導(dǎo)致所形成的氧化膜的強度和致密性較差,進(jìn)而影響精密磨削和光磨時的磨削狀態(tài),導(dǎo)致最終加工表面質(zhì)量變差.

5 結(jié)語

(1)鑄鐵基金剛石砂輪經(jīng)電火花整形后,砂輪形狀精度變好,表面硬度和強度提高,耐磨性提高,但同時在其表面形成一層硬質(zhì)層,硬質(zhì)層電阻值較大,阻礙砂輪進(jìn)行電解修銳,在進(jìn)行ELID磨削加工前應(yīng)予以去除.

(2)想要獲得理想的電解修銳效果,需保證鑄鐵基金剛石砂輪受電火花加工熱影響最小,形成硬質(zhì)層最薄,所以在進(jìn)行電火花整形時應(yīng)選用較小的放電參數(shù).