航天用SiCp/Al復合材料ELID專用精密磨床的設計??

關佳亮 張 妤 胡志遠 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)

SiCp/Al具有高的比強度、比模量，熱膨脹系數小，尺寸穩定性好、導熱導電性良好等優異的物理力學性能，在航空、航天、汽車等領域應用前景廣闊[1]。由于SiCp/Al是在相對較軟的Al基體中加入密度相對較低、強度和剛度相對較大的 SiC顆粒增強相，導致其具有較差的機械加工性能，且因為需多次裝卡，加工工序多等問題導致其加工精度低，從而使得該材料的發展與應用受到阻礙[2]。

針對北京衛星制造廠提出的航天用 SiCp/Al復合材料衛星輸出軸的加工要求，北京工業大學精密超精密加工實驗室將ELID(electrolytic inprocess dressing)精密磨削技術與國際先進的立式磨床結構相結合，探究如何在高硬度材料磨削加工中，取得良好的加工效果，從而實現高體積分數SiCp/Al復合材料高完整性表面磨削加工，提高加工表面精度和加工效率。

1 ELID精密超精密磨削機理

ELID精密磨削成型機理如圖1所示。陽極為鑄鐵結合劑超硬磨料砂輪與電源正極相接，專用電極與電源負極相接作為陰極，電解磨削液在砂輪和電極的間隙中通過。預修銳壓段，結合劑去除，磨粒突出，砂輪表面會形成一層絕緣鈍化膜，防止砂輪過度電解。磨削壓段，磨粒和鈍化膜開始損耗，砂輪表面導電率提高，鈍化磨粒脫落，新的磨粒保持在良好的出刃高度，氧化膜厚度也會發生相應變化，使得砂輪達到微小量級的修整量，并起到了微切削作用，進一步提高加工表面質量，如此循環，從而實現對工件的精密穩定磨削[3]。

2 立式轉臺磨床簡介

立式磨床可以在一次裝卡中實現對工件外圓、內孔、端面、溝道的磨削加工，并且克服了臥式磨床重力對磨削加工的阻礙作用[4]。機床整體組合性強，可將各功能模塊緊密結合，例如安裝ATC砂輪庫，APC交換工作臺等，轉變為功能配置更全的加工中心，可以實現自動化系統化生產，滿足大型精密磨削的需要，近年來，立式磨床已被廣泛應用于大中型回轉體等的磨削加工[5]。

3 ELID精密磨削機床設計要求

根據SiCp/Al復合材料機械加工表面缺陷較多，采用ELID磨削技術，對航天用SiCp/Al復合材料衛星輸出軸進行高質量的表面磨削加工，結合立式磨床的優勢，使得工件裝卡力小不易變形，提高效率的同時保證工件的形狀精度和表面精度。

4 ELID精密磨削機床總體結構

ELID精密立式磨削磨床由ELID磨削工藝系統、砂輪電火花在修整系統，立式磨床組成。圖2為機床總體三維結構設計圖。

5 ELID精密磨床主要部件和關鍵技術

5.1 機床框架

床身、立柱和橫梁共同組成龍門式框架結構。床身材料為人造花崗巖，對其進行模態分析，得出其第一階固有頻率為894.32 Hz左右，工作頻帶在180.24 Hz范圍之內，所以加工時振動很小。橫梁的靜、動剛度好，在所允許的最大載荷范圍內，變形量小。橫梁內部合理設置了加強筋，不僅使得質量減輕，而且有利于提高磨床的剛度和強度，并進一步提高磨床抗振性能[6]。

5.2 砂輪主軸

砂輪軸采用高精度靜壓主軸，工作狀態時，壓力油膜隔開了主軸與軸承，所以系統阻力僅為潤滑膜本身，摩擦力小，不易變形，具有很高的使用壽命，更加節能。采用德國Rexroth Star高精度直線導軌副，可減少摩擦損失，連同德國西門子交流伺服電機驅動，可以穩定、可靠地實現數字化、速度化控制。雙螺母預緊滾珠絲杠副主軸的徑向跳動和軸向竄動≤1μm，砂輪架相對機床的振幅≤1μm，低摩擦系數和較好的抗振性，使得在機械設計時，只需要考慮磨削力、作用力，有利于提高機床的幾何精度和加工精度，延長磨床的主軸壽命與砂輪壽命[7]。

5.3 回轉工作臺

工作轉臺采用液體動靜壓主軸，抗振特性好、小摩擦、旋轉精度高。大功率力矩電動機徑向跳動和軸向竄動≤1μm。配備精密圓光柵，能實現對零件內外輪廓的曲線加工，復位精度可達到一角秒[8]。為保證工件的精確定位，設計了一款新型的 ELID磨削專用夾具(如圖3)，該夾具具有高定位精度、強度、夾持尺寸大、適用范圍廣、質量輕、操作簡單等優點，值得在工業生產中進行推廣。為了隔絕轉臺電動機振動傳遞，在電動機底座和工作臺下加彈性防振墊，隔絕轉臺電動機的振動傳遞，使得機床與振源分離。最右端為電氣柜，配備ELID專用直流脈沖電源。工件通過夾具安裝在回轉工作臺上，專用電極通過電刷與電源負極相接，電源正極與鑄鐵結合劑金剛石砂輪相連，ELID專用電解磨削液噴灑在砂輪與工件的間隙中，并流入過濾循環箱循環。ELID磨削既使得砂輪保持在最佳的出刃高度，同時生成的氧化膜也可以對工件表面進行研磨拋光，從而獲得精密的SiCp/Al零件加工表面。

5.4 砂輪電火花在位粗整形系統

該系統主要由石墨輪、成形車刀、煤油過濾循環箱構成。石墨輪安裝在機床左前方，且與機床立柱絕緣，成形車刀固定安裝在石墨輪前方的橫梁上，根據零件的磨削加工形狀要求，可以對石墨輪表面進行精密車削。石墨輪由直流電動機驅動，可以在X、Y方向移動，和砂輪形成電火花放電加工系統，煤油過濾循環箱不斷輸送煤油作為放電介質，從而實現對鑄鐵基金剛石砂輪的電火花精密整形[9]。

5.5 金剛石滾輪在位精密整形系統

金剛石滾輪可以高精度、高效率的實現對成形砂輪的修整，并且易于實現自動化。在精修整階段，金剛石滾輪采用直流電動機驅動，通過X、Y方向的進給運動，靠近砂輪進行進一步的修形，使得被加工工件具有更高的精度和耐用度。

5.6 ELID精密磨削系統

ELID精密磨削通過專用電極自銳過程與加工過程同步，在位電流檢測系統，可以檢測出砂輪和電極之間的電流大小，自動控制可調電極的曲率半徑進而均勻地改變電極與砂輪之間的間距，磨削液噴灑在電極和砂輪之間，使得砂輪結合劑溶解，磨粒突出，砂輪一直保持在最佳磨削狀態。同時砂輪電解產生的金屬陽離子和磨削液中的氫氧根離子反應生成氧化膜，從而可以抑制砂輪過度電解，部分固著磨粒與研磨磨粒附著在氧化膜中，可以不斷地對工件表面進行微量切削，從而進一步提高工件的精度和質量，如圖4所示。

5.7 冷卻及過濾系統

機床搭載控溫大流量兩級過濾冷卻系統，采用磁輥紙袋過濾機，加工后的磨削液和切屑流入排屑器至集屑斗，與此同時可以對其進行初級過濾，粘附在滾筒外側的切屑會被直接排出，濾網本身可以實現自清理過程。在二級過濾箱中加入一定量的 NH3.H2O和低濃度NaOH的混合液(弱堿性)，當磨削液進入二級過濾箱時，磨削液中的電解離子和弱堿性混合溶液會發生化學反應，從而去掉磨削液中殘留的電解離子。除塵系統為意大利 CO-AL公司生產的 OILSTOPHP1型油霧凈化器，主風管吸氣罩吸入油霧和粉塵，隨后通入到除塵凈化器，在不斷的過濾循環中，油霧和粉塵直接落在濾紙的表面，被過濾后的干凈空氣最終排放到空氣中[10]。

5.8 X、Z、C 軸向運動

砂輪電火花在位整形系統和金剛石滾輪、工件系統通過滾珠絲杠副可以實現機械旋轉運動與直線運動的相對轉化，都可以實現X、Y方向的運動，有利于實現機床的快速高效驅動。采用滾動直線導軌副，減小了摩擦系數，滾珠約束導軌和滑塊，從而使得導軌副可以約束四個方向的載荷，最小進給量可以達到μm級別，很大程度上提高了定位精度和重復性，液壓阻尼油缸減小了磨削的振動，使得Y方向磨削精度提高。

Z軸向運動在交流伺服電動機驅動下，聯軸器帶動雙螺母預緊滾珠絲杠副主軸上下運動，其徑向跳動和軸向竄動≤1μm，砂輪架相對機床的振幅≤1μm，具有摩擦小，抗振性好的特點，采用滾動直線導軌副和FAGER光柵尺，以實現傳動的反饋閉環控制；橫梁上安裝了平衡機構，振動幅值較小，橫梁不會發生共振，確保砂輪軸向運動的幾何精度。

C軸交流伺服電動機(7 kW)經過同步齒形帶(HTD-8 M)實現減速傳動，轉臺主軸采用靜壓主軸，靜壓導軌支撐回轉工作臺，由編碼器實現旋轉的閉環控制，機床主要技術參數如表1所示[11-12]。

6 機床磨削加工過程

6.1 整形

砂輪整形分為精密整形和超精密整形。首先成形車刀對石墨輪進行車削，使得石墨輪與成形砂輪輪廓相反。修整時，石墨輪與砂輪相對轉動，兩者間隙噴入煤油，當砂輪與石墨輪之間的間隙小于放電間隙時，兩者之間會形成放電通道，產生電火花放出大量的熱量，形成一個瞬時熱源作用在砂輪與電極表面，使電極和砂輪結合劑高溫熔化甚至氣化，而金剛石超硬磨粒不導電，它們與工具電極之間不發生火花放電，從而對砂輪起到整形作用。其次，通過高精度電鍍金剛石成形滾輪與砂輪以一定壓力對滾的方式，完成對砂輪的精密整形，如圖5所示。

表1 機床主要技術參數

6.2 預修銳

金屬結合劑金剛石砂輪在ELID磨削過程中可以實現在位電解修銳，避免因為磨屑堵塞而使得工件表面出現滑擦，燒傷等缺陷。根據陽極溶解的原理，熔化的金屬結合劑使得砂輪表面具備一定的容屑空間，新的磨粒突出，同時砂輪表面生成一層致密的彈性粘附氧化膜，抑制砂輪過度電解，并參與到工件的研拋過程，使砂輪保持在最佳的磨削狀態[12]。

6.3 ELID精密磨削加工

采用專用ELID精密磨削系統，電極作為陰極與電源負極相接，砂輪作為電解陽極與電源正極相連，噴灑專用磨削液對砂輪進行在位電解修銳，利用修銳好的砂輪對零件內孔、外圓等關鍵部位進行精密超精密加工。

7 結語

(1)選取了立式龍門磨床，并對關鍵支承部件進行了整體設計，使得機床能夠實現對工件內孔、外圓、端面等表面的精密磨削加工，整機動、靜剛度好，工藝性和抗振性能好。

(2)能夠對砂輪進行在位電火花整形，金剛石滾輪精密整形以及在線電解修銳，從而實現航天用高體積分數SiCp/Al復合材料的精密超精密磨削加工。