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在线电解(ELID)磨削电解过程机理的基础研究
H.S. Lim， K。Fathima， A.Senthil Kumarlowast;， M.Rahman
新加坡国立大学机械与生产工程系，新加坡119260
摘要：光学表面对高质量的表面光洁度、尺寸和形状精度都有很高的要求，传统的磨削方法很难达到这些要求。电解加工修整磨削是一种利用金属结合剂金刚石砂轮实现镜面光洁度的新方法。但是，现有的研究并没有很好地解释双刃磨削的基本机理，因此，本文通过实验研究确定最佳磨削参数，以获得在各种工艺修整条件下较好的表面光洁度。研究结果表明，由于砂轮表面形成的绝缘层断裂，磨削过程中切削力不稳定，然而，使用高修整电流占空比，刀具磨损较为严重，才可以获得更光滑的表面。ELID磨削在进给速度小于400mm /min时是有效的，当进给速度超过400mm /min时，会出现表面裂纹。
关键词：在线电解；铸铁基金刚石砂轮；BK7玻璃；表面粗糙度；刀具磨损率
1.介绍
随着计算机、传感器等设备的小型化和高性能的不断提高，要求更好的表面光洁度和高精度对于光学、电子和机械零件的需求正在增长。此外，这些零件的高效加工也是降低成本的关键。一般来说，最后完成这些零件是由松散的磨料研磨和抛光，但这些方法有缺点，如易磨性差，废水问题及机械损害[1]。
BK7玻璃具有抗划伤、无气泡、在可见光范围内具有高线性光学传输、化学稳定性好等特点，是制造光学元件的常用材料。BK7玻璃由于其坚硬易碎的特性，很难研磨。采用新的磨削方法可以用固定的磨粒制备非球面[2-4]。为了在脆性材料上获得更好的表面光洁度和精度，需要具有良好磨粒尺寸的砂轮。在使用细磨料进行磨削时，可能会遇到砂轮载荷和抛光等问题。定期修整是必要的，这使得磨削过程非常繁琐。
1985年，Murata等人在线电解修整砂轮过程中引入了用硬质合金研磨陶瓷磨料粒度小于400号的金刚石砂轮，发现该方法是一种有效的磨削方法脆性材料。在线电解修整砂轮磨削在1990年得到了Ohmori和Nakagawa的进一步的改善，采用优质金属结合剂砂轮，粒度大于1000号，在磨削过程中进行电解修整，表面光洁度好。所开发的硬质合金磨削工艺是一种简单易行的磨削工艺，适用于任何普通磨床[5、6]。
当材料通过塑性变形而不是断裂被去除时，硬脆材料的镜面光洁度是可以保证的。采用超细砂轮与硬质合金磨削相结合，可实现塑性加工。玻璃表面光滑，磨痕少采用粒度在4000号及以上的金属结合剂金刚石砂轮进行表面观察[7 - 9]。
以往的实验表明，在冷态切削过程中切削力是稳定的。但在陶瓷、玻璃等硬脆材料的磨削过程中，没有发现有关力稳定性的详细信息。硬质合金磨削工艺与传统磨削工艺的主要区别在于磨削过程中电流的应用。电流对金属结合剂砂轮在预修整过程中形成的电解绝缘层的厚度有影响。但目前还没有研究过磨削过程中工艺条件对磨削参数的影响。大多数实验都是在持续的过程中的条件下进行的[10-13]。
从以往的研究中可以看出，金属结合剂砂轮表面形成绝缘层的意义及其对磨削过程的影响是无法解释的。因此，本文的主要目的是探讨砂轮表面形成绝缘层的现象，以及磨削参数对磨削过程中修整条件和进给速度的影响。
2.在线电解修整砂轮磨削技术
2.1在线电解修整砂轮磨削原理
该系统由金属结合剂金刚石砂轮、电极、电源和电解液组成，如图1所示。将金属结合剂砂轮通过碳刷与砂轮轴光滑接触制成正极，电极制成负极。在正负极之间约0.1至0.3毫米的小间隙中，电解是通过提供磨削液和电流来实现的。
图1 ELID磨削原理图
2.2在线电解修整砂轮磨削装置
图2为金属结合金刚石砂轮的ELID磨削机理。修整后[图2(a)]，砂轮表面的晶粒和粘结材料被压扁。对修整后的砂轮进行电预修整，在砂轮表面上施加预应力是必要的。当预应力开始[图2(b)]使结合料从砂轮中流出，在砂轮表面形成由氧化结合料组成的氧化膜[图2(c)]。这种绝缘层降低了砂轮表面的电导率，并防止粘结材料从砂轮中过量流出。磨削开始[图2(d)]，磨损金刚石颗粒时，金刚石层也磨损[图2(e)]。结果表明，砂轮表面导电性增大，随着结合剂从砂轮中流出，电解修整重新开始。因此，从砂轮中凸出的金刚石颗粒保持不变。在磨削过程中重复此循环，以达到稳定磨削[5-10]。
图2 ELID磨削机构
3.实验方法
3.1建立实验
实验装置示意图如图3所示。实验通过电脑数值控制(CNC)，加工精度为1micro;m。用一个铜电极，覆盖了砂轮周长的1/6。将直型金属结合剂金刚石砂轮安装在垂直主轴上，砂轮与电极间隙调整为0.2mm。碳刷是为了与砂轮轴有一个光滑的接触。将测力器固定在夹板与工件之间，将总成夹在固定在机床工作台的虎钳中。利用该电源向正极和负极供电，得到了方形脉冲波形式的电流。将标准冷却剂CG7[14]与普通自来水稀释至1:50，作为实验电解质和冷却剂。在砂轮和电极之间提供电解液，开始电解。实验系统的规格和条件如表1所示。利用光学传感器测量了磨削轮形传感器输出的砂轮旋转电压对砂轮轮廓的影响。
图3实验装置示意图
表1：实验系统规格及条件
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砂轮 |
CIB - D4000(直径：75mm，宽度：3mm) |
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电解质 |
CG-7 (1:50) |
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时间周期 |
开(5 micro;s)；关(5 micro;s) |
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电极 |
铜电极 |
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工件材质 |
BK7(直径80毫米，厚度10毫米) |
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测力器 |
Kistler三分量测力计，型号9256A1 |
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测量仪表 |
泰勒霍普森表面光度仪 |
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ELID 磨削力 |
V=90V，IP=10A |
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脉冲宽度 |
10 micro;s |
3.2实验过程
利用预加工铸铁结合金刚石砂轮，对硬质合金磨削工艺的性能特点进行了研究
- 传统的磨削；
- ELID磨削过程和不同电流占空比(Rc)，它被定义为当前的时间周期之间的比例和总时间的周期t是一个循环的时间，是时间周期；
- 不同进给速度的磨削工艺。
上述实验均采用主轴3000转/分钟的速度和磨削深度为1micro;m的磨削。在实验(a)和(b)中进给速度保持恒定在200mm /min，在实验中(b)电流占空比在30%到60%之间变化。脉冲宽度用于不同的电流占空比如表2所示。实验(c)由将进给速度由200mm /min改为600mm /min，恒流占空比为50%。
图4为加工实验方法在BK7玻璃工件上有一个垂直的凹槽，其中方法简化了材料从工件去除量的计算。研究每个垂直槽表面开始直到总深度削减250micro;m的情况下，隔热层，表面粗糙度和刀具磨损率的变化，并记录法向力、切向力和修整电流，通过数据采集系统将实验数据用数据记录器记录并存储在个人计算机上。在每次实验前后，用轮廓传感器记录砂轮的转动情况和轮廓数据。
图4BK7玻璃上垂直凹槽的加工
表2：不同占空比的方形脉冲
4.结果与讨论
4.1绝缘层现象
在线电解修整砂轮磨削与传统磨削区别主要是电流在磨削中的应用为金属结合剂金刚石砂轮，这为加工修整提供了方便。绝缘层(氧化层)在砂轮表面形成影响了磨削参数的正常进行和磨削时切向的切削力。采用常规磨削法和有限元法进行了对硬质合金(50%电流占空比)磨削工艺下的受力对比。
图5常规磨削过程中的法向力和切向力
常规磨削过程中得到的法向力和切向力分别如图5(a)和(b)所示。从这些图中可以看出，即使随着切深的增加，法向力和切向力几乎保持不变。法向力过程的开始和结束分别为60.13N和分别为62.44 N。
图6 电解磨削过程中的法向力、切向力和修整电流
如图6所示为ELID磨削的正切力与修整电流的关系。在这里，法向力逐渐增大，达到峰值后逐渐减小。从图6(a)可以看出观察到法向力逐渐增大到50.75 N，逐渐减小为19.73 N，达到最小力后，法向力开始再一次增大，形成一个周期模式。
图6(b)所示为切向力的突然增大，这可能是由于绝缘层的破坏造成的。如图6(c)所示，修整过程中，由于砂轮表面形成绝缘层，电流增加到最大值1.617 A，然后减小到1.242 A。通过比较磨削力之间的相位关系，表征了绝缘层的性能和电流之间的关系。当电流增大时切向力增大，法向力减小如图6(c)、(b)、(a)所示。很明显，氧化层没有完全磨损，但达到一定条件后突然断裂。绝缘层破损情况尚不清楚，但影响绝缘层破损的因素有绝缘层厚度、工件与砂轮接触面积、进给速度等[6，7，12]。
4.2加工中修整条件对切削力的影响
切削力的稳定性是磨削过程中的一个重要因素，如前面所述，由于修整电流条件对绝缘层的破坏和形成，导致切削力在磨削过程中不稳定。图7(c)和(d)为不同电流占空比下法向力和切向力的对比图。从图7(c)可以看出，在大电流占空比下，正常切削力最小，最稳定。
图7 在不同工作因素下的法向力和切向力
正常切削力分别为28.7 N、26.4 N和20.43 N，而目前的占空比分别为30、40和60%。建议选择电流占空比为40%或以上的电解液作为最小切削力。图7(d)表明，切向力是不稳定的，与电流占空比无关。切向力的不稳定性是由于砂轮绝缘层在修整过程中不可避免的断裂和再形成造成的。高电流占空比的过程中修整，即使切向力不稳定，也能使切向力最小化。砂轮表面形成的层厚受加工修整条件的影响，从以上实验结果可以看出。
结果表明，在高电流占空比的磨削过程中，砂轮表面形成较厚的绝缘层；在低占空比的磨削过程中，砂轮表面形成较薄的绝缘层。较薄的层比较厚的层能较长时间地保持磨损的金刚石颗粒层[15]。当绝缘层被较薄的平面磨削时，使用磨损的金刚石颗粒进行磨削的可能性较大，因此法向力增大。在极低的电流占空比下，绝缘层的断裂和形成需要较长的时间，使受力不稳定。
4.3加工中修整条件对表面粗糙度和刀具磨损的影响
本节讨论了加工中修整条件对表面粗糙度和刀具磨损的影响。不同电流占空比下的表面粗糙度和刀具磨损之比如图8所示。刀具磨损比定义为磨削比的倒数，。平均表面粗糙度(Ra)和刀具磨损率(Wt)，分别为0.154micro;m和0.093micro;m。
图8占空比对刀具表面粗糙度和刀具磨损比的影响
Ra和Wt在ELID磨削过程中50%的当前负载比分别为0.0122micro;m和0.207micro;m。采用硬质合金磨削技术，平均表面粗糙度提高了12倍以上，刀具磨损比提高了2.23倍以上。在电流占空比为50%和60%的过程中进行电解修整作为对比，结果显示，平均表面粗糙度提高了1.5倍，刀具磨损率提高了13%。
在加工过程中所记录的电流50%和60%的电流占空比如图9(a)和(b)所示。从比较中发现在60%占空比时，与50%的占空比相比修整频率较大。
图9电流占空比在50% ~ 60%之间的频率比较
实验表明，加工过程中的修整条件对加工表面粗糙度有一定的影响。表面被认为是由三种类型的磨粒磨成的。第一种类型的磨粒由粘结材料紧紧地把持，并由氧化层部分保持。第二种类型的砂粒由氧化层完全把持，第三种类型的金刚石磨粒由氧化层把持。如果切割压力超过金刚石粒度的把持压力，磨损的金刚石颗粒就会从结合基体中出来，变成疏松的磨料，从而进行抛光处理(如果粒度大于切削深度)，并执行抛光工艺(如磨砂)尺寸大于切削深度的加工。磨粒氧化层松散地保持在粘结剂和工艺中与研磨过程相同。氧化层保持金刚石砂是一种研磨垫和粘结剂材料就像一个支撑垫。因此，在双曲面加工过程中，可以得到较为光滑的表面。当氧化物的厚度随着层数的增加，磨料粘结松散研磨过程几乎变成了抛光过程。实验结果表明，电流占空比越高，表面粗糙度越好增加。在砂轮上形成氧化层表面作为一个阻尼器，并尽量减少磨削颤振。
机床的刚性也是获得条件很好的表面光洁度的重要因素。但由于氧化层的形成，可将机床的稳定性问题降到最低；砂轮的表面改善了凸出的磨粒切削刃高度从而改善磨削质量，可达到镜面磨削的表面光洁度，即使采用的机床为低刚性机床[16]。如果砂轮修整得更频繁，则工作面修整得更频繁，此时加工过程为磨粒不断破碎新的磨粒不断凸出，可以产生更光滑的表面。使用高电流占空比的缺点是刀具磨损过大，砂轮修整次数较多。
4.4进给速度对ELID的影响
硬质合金砂轮的加工效率取决于金刚石砂轮在加工过程中的修整情况。如果砂轮在磨削过程中不修整，砂轮表面将含有粘结材料和磨损的金刚石磨粒。有人对不同进给
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