基于ELID磨削在位電火花精密修形加工液的開發*

關佳亮 郭奎崇 張孝輝 尚海洋 徐真真 王建杰

(①北京工業大學先進制造技術北京市重點實驗室，北京100124；②河南科技大學高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯合工程實驗室，河南 洛陽471023; ③北京空間技術研究院，北京100000)

金屬基砂輪以其高硬度、高強度的特點，被廣泛應用于精密超精密加工中，但其存在自銳性差、易堵塞，修形、修銳困難等缺點，制約著金屬基砂輪的推廣使用。傳統的砂輪修整技術無法實現對金屬基砂輪的修形和修銳。電火花在位修形金屬基砂輪，通過將作為陽極的工具電極與作為陰極的砂輪相擬合，擬合間隙間充有不導電的介質。當兩電極間的間隙達到一定距離時，介質在脈沖電壓作用下被擊穿放電，瞬間產生大量的熱使金屬基砂輪表面熔化和氣化，達到修形砂輪的目的。

傳統的以煤油為介質的加工液存在容易污染ELID磨削液，使磨削液的電解修銳能力下降，影響ELID磨削效果和放電時產生對環境有害的物質。以去離子水為介質的加工液放電時既不污染磨削液也沒有有害物質產生。但其導電率不夠穩定，導致加工后的砂輪輪廓截面精度不高，磨削后的工件精度難以滿足要求。研究以去離子水為介質，通過加入添加劑優化其放電性能，實現既環保，又能滿足電火花加工和ELID磨削加工復合機床要求的新型電火花加工液成為推廣ELID磨削技術亟待解決的問題。

本文開發出了一種適用于ELID磨削在位修形、在線修銳精密加工的以去離子水為基本成分的電火花加工液，解決了ELID磨削中在位修形時電火花修形加工液污染磨削液的難題，確保ELID磨削過程中的在位修形精度和在線修銳效果，達到精密加工要求。

1 電火花加工技術原理

電火花加工技術是一種非接觸式的加工技術，工具電極與被加工件之間沒有機械作用力，對加工材料的物理和化學性能基本沒有要求，可用作金屬基砂輪的修形。電火花加工原理如圖1所示，在修形過程中，金屬基砂輪作為負極，工具電極作為正極，在高壓脈沖電源的作用下，當砂輪與工具電極間的間隙小于或等于放電間隙時，電壓將會擊穿介質[1]，產生放電，在砂輪與電極之間形成放電通道[2](如圖2所示)，電火花放電產生大量的熱，形成一個瞬時的熱源作用在砂輪與電極表面，使其在瞬間高溫作用下熔化、氣化，達到修形的目的。在位電火花修形過程中，通過控制電參數、電極間隙和間隙間加工液介質的流速，達到精準電蝕除加工余量的效果，實現金屬基砂輪的在位精密修形。

2 基于ELID磨削金屬基砂輪電火花在位修形專用加工液的開發

2.1 理論及技術方案分析

針對ELID磨削用金屬基砂輪在位精密修形難加工且難以獲得高精度的問題，采用電火花加工方法對金屬基砂輪進行精密修形比較適宜。但所用電火花加工液須滿足不污染磨削液的要求，否則將會削弱ELID磨削液的在線電解修銳能力，影響磨削效果。具有良好的放電性能，同時滿足制作成本低的要求。

去離子水以其雜質少、成本低，能夠很好地滿足不污染ELID磨削用磨削液的前提，因此選擇去離子水作為開發電火花加工液的基液，但由于其電導率不穩定，通過在基液中添加爆炸劑、分散散劑、潤滑劑和消泡劑等添加劑，并對其成分和含量的配比進行優化使其滿足電火花加工的要求并達到較好加工效果。

2.2 電火花加工液配方

電火花加工液選用水基電火花加工液型，主要成分為去離子水，由于電火花加工被去除材料經瞬時冷卻，容易在工件表面形成積屑瘤，因此潤滑劑的添加可以改善加工表面的加工質量和精度，并延長工具電極的壽命；采取添加爆炸劑的方法可以提高加工的效率；分散劑和消泡劑的添加可以穩定電導率，同時消泡劑的添加還可以保證加工液的冷卻性。電火花加工液的配方開發工作主要是由潤滑劑、分散劑、爆炸劑、消泡劑、防銹劑、表面活性劑和其他輔助添加劑等組成，以及最佳配比的配方實驗等。

(1)爆炸劑的選擇。爆炸劑是為了提高電火花加工的加工效率，增大放電加工過程中的爆炸能量并促進排屑。其中爆炸劑選擇聚乙二醇、蔗糖，兼具防銹功能。

(2)分散劑的選擇。加工液中添加分散劑是為了促使開發液中的各種添加劑顆粒在加工液中能夠均勻分布，并在火花加工過程中保持其在加工液中分布的穩定性，控制放電火花大小，同時跟其他成分協同作用控制爆炸發生的均勻程度。其中分散劑選擇聚羧酸脂或聚羧酸，兼具有防銹和潤滑作用。

(3)消泡劑的選擇。加工液中添加消泡劑是為了抑制電火花加工過程中泡沫的產生并消除已產生的泡沫，增強和保證加工液的冷卻性和穩定性，同時避免產生過多泡沫而導致的污染環境現象。消泡劑選擇聚醚或乳化硅油，兼具潤滑的性能。

(4)潤滑劑的選擇。加工液中添加潤滑劑是為了潤滑和密封在電火花加工過程中摩擦部分的物質，抑制加工過程中積屑瘤的增長，延長工具電極的使用壽命，改善加工表面的加工質量和精度。其中潤滑劑選擇聚醚酯，不僅潤滑性良好，還兼有防銹功能。

(5)防銹劑的選擇。防銹性是電火花加工液的關鍵因素之一。由于合成電火花加工液中水的質量分數較高，易使機床和加工工件產生銹蝕，所以對合成電火花加工液的防銹性能要求更加嚴格。將自制合成的水溶性雜環羧酸防銹劑、鉬酸鈉、三乙醇胺和有機防銹劑配合使用，能在金屬表面形成一層三維網絡結構的緩蝕膜，有效阻止金屬離子的擴散通道以及腐蝕介質向內滲透，比單一的鉬酸鹽吸附層防銹效果好，同時證明了多組分緩蝕劑之間的互補性最終能形成性能優異的綜合防銹劑[3-4]。

3 加工液配方的確立及其優化

3.1 修形砂輪評價指標和配方優化實驗因素水平的確定

采用直接和間接測量法對“采用添加劑不同配比組合的加工液進行在位電火花修形”后的砂輪進行輪廓截面精度的檢測分析：選取砂輪輪廓截面精度(峰值與谷值差)作為砂輪修形的評價指標。通過基恩士二維激光測距儀將砂輪的橫截面輪廓數據進行采集，用MATLAB導入數據作砂輪截面輪廓求解峰值包絡線圖，評價砂輪修整前后的輪廓截面精度。

采用四因素三水平編碼表進行正交設計實驗[5]，以探究爆炸劑、潤滑劑、消泡劑和分散劑對輪廓截面精度的影響規律，各實驗因素均取3個水平，四因素三水平表如表1所示。

表1 四因素三水平編碼表

3.2 實驗結果及分析

在自行開發的在位電火花修型ELID精準遞進式成型磨削加工實驗平臺上(如圖3所示)，對W40鐵基結合劑金剛石砂輪進行精密修形加工實驗。依據修形后所得到的輪廓截面精度,探究開發液中爆炸劑、潤滑劑、消泡劑、分散劑等成分的含量對修形砂輪精度的影響規律，正交實驗表和實驗結果如表2所示。

表2 正交實驗設計表和實驗結果

3.2.1 確定實驗的最優水平和最優水平組合

分析A(爆炸劑)因素各水平對修形后的砂輪輪廓截面精度的影響，A1通過實驗序號1、2、3反映出來，A2通過實驗序號4、5、6反映出來，A3通過實驗序號7、8、9反映出來。A1因素所對應的實驗指標—輪廓截面精度之和是KA1=y1+y2+y3=0.083+0.092+0.075=0.250,kA1=KA1/3=0.083;KA2=0.144,kA2=KA2/3=0.048;KA3=0.172,kA3=KA3/3=0.057;由于kA2

3.2.2 確定因素的前后順序

根據正交實驗得出的極差值R反應的是在某因素的一定范圍內變動下，實驗指標所產生的波動大小。因此，可以根據極差Rj的大小，推測出各因素對實驗指標的影響主次。通過計算得出RA=0.037 3，RB=0.005 5，RC=0.021 8,RD=0.017 5，由于RA>RC>RD>RB，因此各因素對輪廓截面精度影響的前后順序是ACDB,即爆炸劑、消泡劑、分散劑、潤滑劑。

3.2.3 確定最優參數組合

根據正交實驗結果，并由Origin繪制不同添加劑參數對加工W40鐵基金剛石砂輪輪廓截面精度的影響曲線圖，如圖4～7所示。

觀察圖4～7可發現，正交實驗中砂輪輪廓截面精度與各因素之間有明顯的影響規律。輪廓截面精度隨著爆炸劑百分比提高先降低后增大，由于輪廓截面精度為峰值與峰谷的差值，因此該值越小越好，故爆炸劑成分為4%時輪廓截面精度最高，同理可分析得出潤滑劑0.6%、消泡劑6%及分散劑3%時，輪廓截面精度最高。因此，電火花加工液修形砂輪的最優添加劑參數為爆炸劑4%、潤滑劑0.6%、消泡劑6%和分散劑3%。

3.2.4 確立電火花加工液的主要技術指標

表3 電火花加工液主要技術指標

4 開發加工液加工性能的實驗驗證

將正交實驗優化后的最佳工藝參數對W40鑄鐵基金剛石砂輪進行電火花修銳加工實驗，由圖8知未修整時的砂輪橫截面輪廓最大值0.044 9 mm，最小值-0.059 79 mm，輪廓截面精度為0.104 69 mm；由圖9知，修整后的A截面輪廓最大值為-0.331 mm，最小值為-0.353 mm，輪廓截面精度為0.022 mm；由圖10知，修整后的B截面輪廓最大值為0.006 1 mm，最小值為-0.022 1 mm，輪廓截面精度為0.028 2 mm，對比未修整時的砂輪橫截面輪廓，可知在電火花整形最佳工藝參數下W40粒度鑄鐵基金剛石砂輪的橫截面輪廓精度較之前下降了近80 μm左右，基本圍繞在25 μm精度左右，且橫截面輪廓包絡線的直線度很高。

5 結語

(1)以去離子水為基體，聚乙二醇、蔗糖為爆炸劑，含量為4%；聚醚酯為潤滑劑，含量為0.6%；醚或乳化硅油為消泡劑，含量為6%；聚羧酸脂或聚羧酸為分散劑，含量為3%配制而成的水基火花加工液，能滿足基于ELID在位電火花精密修形的要求。

(2)經檢測評定，該電火花加工液的各項理化指標均達到了GB/T 6144—2010 的要求。

(3)采用開發的水基火花加工液在“在位電火花修型ELID精準遞進式成型磨削加工實驗平臺”上進行精密修形加工實驗，砂輪橫截面輪廓精度較修形前提高了73.1%(80 μm左右)，誤差可控制在25 μm精度左右，且橫截面輪廓包絡線的直線度很高。