凹小圓弧金剛石砂輪電火花修整試驗研究

陳根余 ，魯恩昊 ?，戴隆州 ，袁尚勇

（1.湖南大學 機械與運載工程學院，湖南 長沙 410082；2.湖南大學 激光研究所，湖南 長沙 410082；3.智能激光制造湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410082）

硬脆材料（如硬質合金、半導體材料、工程陶瓷、光學玻璃、復合材料等）作為光電產業、精密機械、3C 電子產業等工業領域的基礎材料，隨科技的飛速發展有著廣泛的應用前景.這些工業領域往往需要用到各種微結構零部件，常采用精密或超精密磨削的加工方法保證其加工質量.這種微結構零部件的加工需修整出相應輪廓形狀的成形金剛石砂輪，砂輪的形狀誤差和修整質量影響著工件的加工精度.而對于這類帶小圓弧V 形曲面零部件的超精密磨削加工，需要采用帶小圓弧凹V 形槽的金剛石砂輪作為刀具進行磨削.成形砂輪修整的關鍵在于獲得高的形狀精度和好的表面形貌.因此，探索帶有小圓弧凹V 形槽的金剛石砂輪修整技術是亟須解決的關鍵問題之一［1-2］.

當前國內外對于砂輪修整廣泛使用的技術有車削修整法［3］、磨削修整法［4-8］、激光修整法［9-12］、水射流修整法、超聲振動修整法［13］、電火花修整法［14-21］等.其中車削修整法利用低速軸向進給的金剛石筆對高速旋轉的砂輪進行材料去除，方式簡單但很難持續保持金剛石刀具尖端圓角［3］.磨削修整法通過待加工砂輪與金剛石砂輪的機床CAM 軌跡設定實現對磨修整，但對難磨的超硬材料表現低效，很難實現小尺寸、復雜輪廓的砂輪加工［6］.機械修整法在修整過程中存在較大的機械作用力，容易使磨粒脫落，砂輪變形，不能保證修整精度.激光修整法利用聚焦的脈沖激光燒蝕去除材料，能在高效下保持高穩定性，但對不同材料的去除存在差異性，很難均勻去除達到理想表面形貌，而且激光的高斯光束特性在加工復雜成形曲面時易發生難以預料的能量分散，造成形面誤差較大［10］.超聲振動修整法能有效利用修整磨粒擠研砂輪表面的結合劑，使磨粒凸出砂輪表面，修整后的砂輪表面磨粒均勻、方向性好，但不能對砂輪進行整形，且對環境不友好［13］.電解修整法利用電解過程中陽極溶解效應去除金屬結合劑超硬磨料砂輪中的結合劑，達到修銳目的.此外，在電解過程中在砂輪表面會形成一層絕緣氧化膜，需要在隨后與工件的在線磨削中被消耗掉，維持電解修整的持續進行［16］.余劍武等［17］利用不同弧面的銅鎢電極與內沖式電火花液加工，但結構復雜，不便應用.電火花的現有生產較多研究是將其運用于單一的難加工材料中，還未有相關文獻介紹將其運用于成形砂輪修整的研究中.再者，砂輪修整過程中，一個很關鍵的問題是要避免金剛石磨粒的石墨化.由于電火花修整過程中，金剛石磨粒不導電，電火花的直接作用不能在金剛石磨粒與電極之間發生，因而電火花修整法可以帶來較小的磨粒熱損傷，電火花修整砂輪技術適合用于成形金剛石砂輪的修整.

為提高凹小圓弧成形砂輪的修整效率、修整精度及表面質量，本文提出采用逐級減能的電火花修整方式，獲得帶有小圓弧凹V 形槽的金剛石砂輪.首先，分析了該修整方法的加工原理及修整優勢；隨后，利用先進的高精電火花修整設備，制定了較優的修整方案，采取了合理的放電參數應用在砂輪的修平、粗修整、精修整的各個步驟，實現了凹小圓弧成形砂輪的高效率、高精度修整；最后，磨削石墨片來檢驗成形砂輪的輪廓精度和磨削效果，證明該修整方式具有優良的應用價值，可以很好地應用于凹小圓弧成形砂輪的修整中.

1 電火花修整砂輪機理

1.1 修整機理

電火花修整砂輪是基于待修砂輪與工具電極之間脈沖式放電產生的局部高溫去除結合劑材料來實現砂輪修整.如圖1 所示，其微觀修整過程為：將待修砂輪與純銅工具電極分別連接放電正極與負極，在兩者之間加載足夠高的開路電壓，當兩者之間的距離達到放電間隙時擊穿放電介質而形成放電通道，形成場強下帶電粒子的加速沖擊作用，由此產生電火花放電的高溫熱燒蝕熱，使得金屬結合劑變形、融化甚至氣化而逐步去除，以致金剛石磨粒逐漸凸出甚至因得不到結合劑的足夠把持力而掉落［13］.如圖2 所示，因受電火花放電極性效應的影響［18-19］，放電能量除去散失部分，正極砂輪中的金屬結合劑材料吸收較多，可去除較多材料；負極的工具電極吸收較少，保持其輪廓精度，減少返修.

圖1 電火花修整砂輪原理圖Fig.1 Schematic of EDM dressing grinding wheel

圖2 電火花極性能量分配圖Fig.2 Energy distribution diagram of the polarity of the EDM

砂輪修整中材料去除量主要取決于單脈沖放電能量高低.單脈沖放電能量可通過控制放電參數來調控能量以改變修整效率.其中峰值電流、開路電壓、脈寬等參數對修整效率的提升影響較大，而峰值電流對表面粗糙度的影響最顯著.但大電流帶來的不均勻性會使得表面質量下降，帶來更多缺陷.由于受到電火花放電的熱影響，金剛石磨粒表面會出現一定的石墨化［20］，金屬結合劑材料表面會出現重凝層，導致磨削性能大幅下降，如圖3 所示.因而，本文提出逐級減能的純電火花修整砂輪方法，利用電火花對導電材料的高效去除能力，使得砂輪達到所需的形狀輪廓.逐級減能的修整，可使得石墨層與重凝層越來越薄，進而提高待修砂輪表面質量.總之，在逐級減能的過程中，利用大放電能量整形，小放電能量修銳，兼顧提高了修整效率與修整精度.

圖3 電火花變質層生成原理圖Fig.3 Schematic of EDM denatured layer generation

1.2 修整方案

本文擬在金屬結合劑金剛石砂輪上修整出8 個凹小圓弧的R 形槽輪廓，其輪廓設計尺寸如圖4 所示.該金剛石砂輪兩側分別包含粒度號為1 000#（磨粒大小13～16 μm）和2 500#（磨粒大小5～6 μm）的兩種磨粒，微小R 形槽均包括兩斜線與凹圓弧，V形槽夾角均為22°，凹圓弧半徑分別為0.254 mm、0.28 mm，槽深均為1.4 mm.

圖4 砂輪目標輪廓圖Fig.4 Target profile of the grinding wheel

整個修整過程分為3 步：1）砂輪的修平，為消除砂輪的制造和安裝誤差，需制備平行紫銅電極將待修砂輪修平［圖5（a）］.2）粗修整，采用較大的放電能量，修整出與標準輪廓相差50 μm 的成形輪廓.制備成形電極，成形電極輪廓尺寸與標準砂輪輪廓尺寸之間相差一個放電間隙值.為提高修整效率，利用圓角半徑0.2 mm 的質合金車刀和CAM 程序將純銅電極車出與待修整砂輪互補的輪廓［圖5（b）］.3）精修整，利用逐級減能的修整方式將制備好的成形紫銅電極輪廓復刻到待修砂輪上［圖5（c）］.

圖5 方案圖Fig.5 Scenario diagram

2 試驗參數優化

合適的試驗參數保證電火花修整的高效率、高質量修整.考慮到試驗效率、銅電極的損耗以及銅電極與砂輪對磨的相對位置，需要探究不同電參數的組合和相應放電參數下的最佳放電間隙.

將機床設備設定為70 V電壓、120 μs脈間，并以600 r/min 的砂輪轉速、4 r/min 的純銅電極輪轉速為基礎，根據示波器檢測的電壓狀況等波形變化手動進給，在不斷噴射電火花液的環境下來探究合適的電流與脈寬參數，以及不同參數組合下的放電間隙.

2.1 放電參數對砂輪修整量和銅電極損耗量影響

為了分析研究放電參數對砂輪修整量和銅電極損耗量的關系，需要檢測每組試驗加工參數下砂輪去除量及銅電極損耗量.如公式（1）所示，砂輪材料去除量以修整前后砂輪重量的減少量來衡量，銅電極損耗量以修整前后工具電極重量的減少量來衡量.

式中：ΔR為砂輪半徑變化；Δm為砂輪質量變化；R為砂輪初始半徑；d為砂輪厚度；ρ為砂輪密度.

首先，以40 μs 為脈寬參數設置了電流分別為0.5 A、1 A、2 A、4 A、8 A、16 A 的6 次試驗，每次修整1.5 h，分別記錄砂輪去除量和Cu 電極損耗量.如圖6（a）所示，在0.5 A 時砂輪去除量和Cu 電極損耗量分別為12 μm、3 μm，效率太低；在16 A 時砂輪去除量和Cu 電極損耗量分別為325 μm、52 μm，對Cu 電極損耗過大.

圖6 電參數試驗圖Fig.6 Electrical parameter test diagram

隨后，以4 A為電流參數設置了脈寬分別為10 μs、20 μs、40 μs、80 μs、160 μs的5次試驗（40 μs組數據同上），每次修整1.5 h，分別記錄砂輪去除量和Cu電極損耗量.如圖6（b）所示，在10 μs 時，砂輪去除量和Cu 電極損耗量分別為12 μm、3 μm，效率太低；在160 μs 時，砂輪去除量和Cu 電極損耗量分別為229 μm、37 μm，相較于80 μs 時有過大比例的Cu 電極損耗.故在后續探究排除0.5 A、16 A 和10 μs、160 μs脈寬作為試驗參數.

2.2 探究放電間隙

根據上述試驗，設定4 組電流與脈寬參數組合：1 A 與20 μs、2 A 與20 μs、4 A 與40 μs、8 A 與80 μs.各參數組合依次測定放電間隙.先將跳動降至最小，在不放電情況下使純銅電極靠近砂輪，當兩者正好接觸時記錄相應坐標L1，隨后將其分開，打開電源與噴嘴后使兩軸每次靠近1 μm，如圖7（a）所示，等到其間示波器波形變化即電火花產生，立即記錄相應坐標L2，而放電間隙則是ΔL=L1-L2.如圖7（b）所示，各組參數組合經3 次試驗測得平均放電間隙分別為15.33 μm、30.33 μm、39 μm、47.67 μm，并將其作為銅電極相對砂輪理想輪廓的縮減量進行后續試驗.

圖7 放電間隙試驗圖Fig.7 Test plot of discharge gap

3 試驗

本文的試驗為在平行的金屬結合劑細粒度金剛石砂輪上分別修整出兩種帶圓角的V 形槽成形砂輪輪廓.如圖8 所示，該砂輪外徑為206 mm，寬度為20 mm，含有1 000#和2 500#兩區域，其中粒度1 000#的寬度為7.2 mm，金剛石磨粒大小為13～16 μm，粒度2 500#的寬度為13.4 mm，金剛石磨粒大小為5～6 μm.

圖8 砂輪修整前后對比圖Fig.8 Comparison before and after dressing of the grinding wheel

如圖9 所示，電火花機床內包含有車刀座、純銅車刀、砂輪、噴嘴等.放電能量由日本電源ED911 高頻直流脈沖電源提供，多個噴嘴可在兩電極輪之間噴射摩潤克（MOROKE）高精度電火花液，達到兩極絕緣、冷卻與沖屑等作用［21］.

圖9 裝置結構圖Fig.9 Structure diagram of the device

3.1 砂輪的修平

將待修砂輪安裝在修整機床的主軸上，由于受到砂輪加工和安裝的誤差，安裝在機床上的砂輪外圓柱面母線不平，需利用平行的紫銅電極將砂輪圓柱面母線修平.通過R0.4 mm 圓角車刀對紫銅電極（圖10）走平行往返程序以保證紫銅電極母線的直線度，然后進行砂輪修平實驗.

圖10 車平純銅電極Fig.10 Turning the copper electrode flat

為保證在一定效率內高質量地將砂輪修平，選用的放電參數為放電電壓70 V、放電電流4 A、脈沖寬度40 μs進行試驗，修整后的砂輪表面形貌如圖11所示，表面平整，磨粒均勻，沒有明顯缺陷.

圖11 砂輪表面形貌Fig.11 Surface topography of the grinding wheel

3.2 成形工具電極制備

在待修砂輪修平后，需制備與凹小圓弧砂輪對應的成形電極來進行砂輪修整.成形工具電極的制備應考慮相應放電參數下的放電間隙大小.為加工出微小結構的成形電極，使用R0.2 mm 小圓角18°特質車刀，結合CAM 程序設計出刀路軌跡（圖12）.在紫銅電極上加工出兩組相同的成形輪廓，在第一組成形輪廓損耗后可用第二組成形輪廓繼續進行加工，這種方式減少銅電極自身損耗的返修次數來提高砂輪的修整效率.

圖12 車削純銅電極Fig.12 Turning pure copper electrodes

成形工具電極的制備采用的車削參數為：紫銅電極的轉速為600 r/min，進給速度為4 mm/min.每組放電參數下使用的成形電極輪廓為設計的標準輪廓減去該參數下放電間隙值后的輪廓尺寸.成形電極加工中，硬質合金車刀單次進給量最大50 μm，直至車削出整體成形輪廓（與標準輪廓間隔相應的放電間隙值）.如在組合加工參數下，檢測的放電間隙值為15.33 μm，以15 μm 作為成形電極與編制輪廓的偏差量，使用R0.2 mm 小圓角18°特質車刀經過每次進刀50 μm，進刀20次后，修整后的純銅電極表面輪廓通過光學投影儀（萬濠CPJ-4025W）放大后如圖13 所示.圖13 中可見成形電極的尖端與V 形齒與理想輪廓之間相差約一個事先設計的放電間隙15 μm.

圖13 投影儀下的純銅電極表面輪廓Fig.13 Surface profile of pure copper electrode under the projector

3.3 逐級減能的電火花修整

待修砂輪分四階段進行逐級減能放電修整，選取修平圓柱面的參數如表1所示.

表1 逐級減能的電火花修整加工參數表Tab.1 Table of processing parameters for EDM dressing with step-by-step energy reduction

在表1 的條件下，四階段分別以8 A、4 A、2 A、1 A的峰值電流，80 μs、40 μs、20 μs、20 μs的放電脈寬進行修整，根據制定的逐級減能修整方案進行試驗，監測每組修整參數下的放電狀態，當監測的放電狀態無正常放電時，此時成形電極損耗較大，需用車刀返修成形電極.修整好的成形砂輪表面輪廓尺寸與微觀形貌采用超景深三維光學顯微鏡（VHX-6000）進行檢測及數據提取，合成輪廓、測量輪廓精度PV值.

每個槽每45°采樣一次直線夾角和圓弧半徑，表2 和表3 所示為8 次結果的平均值，顯示砂輪各槽輪廓均符合要求.

表2 修整后砂輪檢測數據表Tab.2 Inspection data sheet for dressed grinding wheels

表3 磨削試驗的參數和條件Tab.3 Parameters and conditions of grinding tests

圖14 為最終修整出的成形輪廓和檢測結果.從圖中可看出砂輪表面質量很好，顏色均勻一致，無裂紋、雜質、碰傷、明顯毛刺［圖14（a）］.圖14（d）和14（e）所示為在2 500#粒度區域對槽5的一次抽樣檢測（擬合方法為截取一定區域后自動識別圖形輪廓擬合），圖14（f）和14（g）所示為在1 000#粒度區域對槽6的一次抽樣檢測.由表2和表3可得，在2 500#粒度區域，平均圓弧半徑257.362 μm，平均兩直線夾角21.687°，與目標圓弧半徑254 μm、目標夾角22°的誤差分別為1.32%、0.313°.在1 000#粒度區域，平均圓弧半徑277.559 μm，平均兩直線夾角21.823°，與目標圓弧半徑280 μm、目標夾角22°的誤差分別為0.87%、0.177°.如圖14（h）和14（i）所示，導出輪廓數據使用 Matlab編程，采用最小二乘法處理數據，通過此法最小化誤差平方和，測得2 500#粒度區域直線段與圓弧段輪廓精度PV值分別為10.11 μm、7.49 μm，1 000#粒度區域直線段與圓弧段輪廓精度PV值分別為11.03 μm、7.38 μm.由此可見，整體效果很好，在高效率去除的同時達到了較高的輪廓精度，且由于最后的小電流修整，砂輪表面沒有存在較厚重凝層，達到了較好的表面質量.

圖14 砂輪檢測結果Fig.14 Grinding wheel test results

如圖15 所示，本文完成在平行的金屬結合劑細粒度金剛石砂輪上分別修整出兩種帶圓角的V 形槽成形砂輪輪廓的試驗.

圖15 砂輪輪廓圖Fig.15 Contour drawing of the grinding wheel

4 磨削驗證

最后，使用可以精準反映磨削效果和輪廓精度誤差，并且被業內廣泛認可的石墨片磨削驗證法，檢測最終修整出的凹小圓弧成形砂輪的輪廓精度.以表4 中的條件將修整好的砂輪往正方形石墨片工件上緩慢進給，磨削試驗結束后，使用超景深三維光學顯微鏡（KEYENCE VHX-6000）觀測石墨片上輪廓，檢測結果如圖13 所示.由圖16（a）可知，磨削后的石墨片劃痕細微均勻，具備反映砂輪磨削性能的能力.表3 和表4 所示的工件檢驗報告均符合要求.2 500#粒度區域里，槽5 出現最大角度偏差0.28°，槽3 出現最大圓弧半徑偏差2.36%，槽2 出現最大槽高度偏差0.64%，輪廓精度PV值為8.43 μm.1 000#粒度區域里，槽8 出現最大角度偏差0.27°，槽7 出現最大圓弧半徑偏差1.07%，槽7出現最大槽高度偏差0.79%，輪廓精度PV值為8.75 μm.圖16（d）和16（e）分別是槽5和槽6 的數據采樣記錄.由此可見，本文的修整方法能修整出質量較高的凹小圓弧金剛石砂輪，砂輪的輪廓精度較高，且具有較優的磨削性能.此外，這種修整方式具有很強的實際應用指導價值，可推廣至其他金屬結合劑成形砂輪的修整中.

表4 磨削后工件檢測數據表Tab.4 Inspection data sheet of the workpiece after grinding

5 結論

1）紫銅電極的逐級減能的電火花修整方法可以很好地加工1 000#和2 500#粒度砂輪的小圓弧和直線.

2）經探究，在脈寬40 μs，電流0.5 A 時效率太低，16A 時Cu 電極損耗過大；電流4 A 時，脈寬10 μs時效率太低，160 μs 時Cu 電極損耗過大.在70 V 電壓、120 μs 放電間隙下，四階段分別以8 A、4 A、2 A、1 A 的峰值電流，80 μs、40 μs、20 μs、20 μs 的放電脈寬進行修整，可以在高效率的同時保證高質量.

3）砂輪加工后輪廓形貌理想.對于2 500#粒度區域，平均圓弧半徑257.362 μm，平均兩直線夾角21.687°，與目標圓弧半徑254 μm、目標夾角22°的誤差分別為1.32%、0.313°，直線段與圓弧段輪廓精度PV值分別為10.11 μm、7.49 μm.對于1 000#粒度區域，平均圓弧半徑277.559 μm，平均兩直線夾角21.823°，與目標圓弧半徑280 μm、目標夾角22°的誤差分別為0.87%、0.177°，直線段與圓弧段輪廓精度PV值分別為11.03 μm、7.38 μm.

4）砂輪磨削石墨片輪廓理想.對于2 500#粒度區域，石墨工件最大圓弧半徑偏差2.36%，最大角度偏差0.28°，最大槽高度偏差0.64%，輪廓精度PV值為8.43 μm；對于1 000#粒度區域，石墨工件最大圓弧半徑偏差1.07%，最大角度偏差0.27°，最大槽高度偏差0.79%，輪廓精度PV值為8.75 μm.該修整方法修整出的高精度細粒度成形砂輪可磨削得到質量較好的工件，具有良好的實用價值和應用前景.