铸铁超硬砂轮的超精密镜面磨削哈尔滨工业大学王平，居冰峰，袁哲俊摘要铸铁结合剂具有与磨料结 合强度高、保形能力好的特点。介绍了在线电解修整铸铁粘结超精细金刚石、ＣＢＮ砂轮技术以及 在平面磨床上进行超精密镜面磨削时，机床的改装、电源及电解液的要求，砂轮整形以及加工工艺 问题。关键词在线电解修整，铸铁粘结砂轮，黑色金属，硬脆材料，镜面磨削Ｕｌｔｒａｐｒｅｃ ｉｓｅＭｉｒｒｏｒＧｒｉｎｄｉｎｇｗｉｔｈＣａｓｔＩｒｏｎＢｏｎｄｅｄＳｕｐｅｒｈａｒ ｄＧｒｉｎｄｉｎｇＷｈｅｅｌ￥ＷａｎｇＰｉｎｇ，ｅｔａｌＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃａｓ ｔｉｒｏｎｂｏｎｄｅｄｓｕｐｅｒａｂｒａｓｉｖｅｓｗｈｅｅｌｓａｒｅｆｅａｔｕｒｅｅｄ ｗｉｔｈｈｉｇｈｅｒｂｉｎｄｉｎｇｓｔｒｅｎｔｈｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｂｉｎｄｅｒａｎｄ ｔｈｅａｂｒａｓｉｖｅｓａｎｄｓｈａｐｅｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ．Ａｓｕｒｆａｃｅｇｒｉｎ ｄｅｒｉｓｒｅｔｒｏｆｉｔｔｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅｏｎ－ｌｉｎｅｅｌｅｃｔｒｏｌｙｅｄ ｒｅｓｓｉｎｇｏｆｃａｓｔｉｒｏｎｂｏｎｄｅｄｓｕｐｅｒｆｉｎｅｄｉａｍｏｎｄｗｈｅｅ ｌａｎｄＣＢＮｗｈｅｅｌｆｏｒｍｉｒｒｏｒｇｒｉｎｄｉｎｇｏｆｃａｒｂｉｄｅ，ｃｅｒａ ｍｉｃ，ｅｔｃ．．Ａｎｄｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｎｅｌｅｃｔｒｏｌｙｅａｎｄｄｒｅｓ ｓｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｉｎｔｒ ｏｄｕｃｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｏｎ－ｌｉｎｅＥｌｅｃｔｒｏｌｙｅＤｒｅｓｓｉｎｇ，Ｃ ａｓｔＩｏｒｎＢｏｎｄｅｄＧｒｉｎｄｉｎｇＷｈｅｅｌ，Ｈａｒｄ＆ＢｒａｔｔｌｅＭｅｔｅ ｒｉａｌ，ＭｉｒｒｏｒＧｒｉｎｄｉｎｇ利用在线电解修整铸铁粘结超细金刚石、ＣＢＮ砂轮磨 削技术（ＥＬＩＤ），在平面磨床上可以对陶瓷、硬质合金、钢材及光学玻璃等材料实现高效率超 精密镜面磨削。一、平面磨床的ＥＬＩＤ装置改造ｌ·ＭＭ７１２０Ａ平面磨床电解装置将ＭＭ７ １２０Ａ平面磨床的原砂轮防护罩卸下，装上专门设计制造的防护罩及电解电极装置（图１）。电 解装置在设计中应注意以下几个问题：图１电解装置结构示意图门）电极（负）用紫铜或石墨制造 ，包角ａ＞６０“，以提高砂轮电解效率。（２）电极与砂轮间隙应控制在０．１～Ｚｍｍ范围内 。（３）电解磨削液喷嘴的位置应使电解液充满整个电极间隙，以保证砂轮充分电解。（４）电极 （负）应与机床充分绝缘。（５）电极（正）电刷与砂轮中心接触，以减小其摩擦磨损。另外，为 防止电解磨削液的溅出，电极（负）上还可以安装有机玻璃护板。２．电源电解电源可以采用直流 一脉冲电源，电源输出电压库不低于７５Ｖ，电流５～１０Ａ。实验中采用了ＨＤＭＤ—１型直流 一脉冲电源。此外，还可以采用电火花加工电源、电解磨削用电源及电镀用电源。电源的输出功率 不同对加工质量有不同的影响。３．电解液要求电解液既要有良好的电解功能，还要有良好的防锈 、冷却、润滑作用。ＥＬＩＤ所用的电解磨削液是有弱电解作用的中性（ＰＨ值７～９）无机盐的 水溶液，实验中所用ＨＤＭＹ—１１０电解磨削液，ＰＨ值为７．９左右，具有良好的电解及防锈 润滑作用。也可以采用电解磨削用的电解液，或按表１配方配制。电解后使砂轮表面短时间内形成 较厚的氧化膜，膜的厚度要均匀坚实，电解液要洁净。表１电解液配方（重量％）二、铸铁砂轮的 整形与电解预修整铸铁超细砂轮安装在砂轮法兰盘上需动（静）平衡，对砂轮进行精密整形，以保 证镜面磨削时砂轮的圆跳动（径向）＜ｌｕｍ。可采用单颗粒金刚石修整笔或滚轮对铸铁粘结超硬 砂轮进行整形。在整形中摩擦力较大，砂轮表面温度高；同时注意整形时径向修整力不要过大，以 免砂轮表层疏松，砂轮边缘塌落。另外还可以利用电解装置将砂轮边电解边整形，整形后的砂轮表 面粗糙度较好，圆柱度要求在ｌｐｍ以内（粒度小于４ｐｍ的砂轮），以保证磨料等高性好，实际 参加磨削的磨料数量多。整形后的砂轮，磨料埋没在砂轮基体内，砂轮没有磨削能力，必须经过电 解修锐，使磨料露出砂轮表面，具有良好的磨削性能。三、在线电解修整（ＥＬＩＤ）镜面磨削具 备以上基本条件后，就可以对工件进行ＥＬＩＤ镜面磨削了。首先对整形后的砂轮进行预电解修锐 。电解时，砂轮与工件间隙控制在０．５士０．Ｚｍｍ，间隙太小，砂轮上形成的氧化膜易被刮除 ；间隙太大，电解时间长。由于氧化膜具有良好的绝缘性，随着电解时间的延长，所生的氧化膜厚 度变厚，两极间电阻增大，使得两极间工作电压Ｕ。增高，工作电流Ｉｗ下降。氧化膜增长到一定 厚度后，不再增长，Ｕ。、Ｉｗ稳定在一定的值域，由此可以判定砂轮预修锐阶段结束。一般新开 刃的砂轮，间隙在０．ｓｍｍ左右，输出电压７５Ｖ，电流ＳＡ，须经２５～３０ｍｉｎ电解，使 Ｕ。、Ｉｗ稳定在６０Ｖ、ＺＡ左右（见图２曲线１）。砂轮的预修锐时间随间隙的大小、输出电 压、电解液的成分、浓度及磨料的粒度等因素改变（Ｕ。、Ｉ。也与此有关），砂轮的修锐质量主 要应从砂轮上形成氧化膜的厚度、质量来判定。图２预电解修锐及ＥＬＩＤ磨削电解参数变化图磨 削时，氧化膜被破坏。为使砂轮保持良好的切削性能，需在磨削中继续对砂轮电解（即ＥＩ。ＩＤ ），使砂轮表面始终保持一定厚度的氧化膜。从图２中可以看到磨削后，Ｕｗ、ＩＷ与稳定状态不 同，说明氧化膜的厚度变薄。Ｕｗ、Ｉ。的下降与回升的速度过快时，应减缓磨削深度的进给率或 加大电解电源的输出电压，以免砂轮结合剂直接与工件表面摩擦接触，影响磨削表面质量。在影响 镜面磨削质量的主要因素中，除了电解参数外，还有磨削深度ａ。、ａ。的进给频率Ｎ、砂轮的速 度Ｖｓ及砂轮的平衡质量。由于镜面磨削所用的磨料粒度小（＜４ｕｒｎ），修锐后露出砂轮的高 度小（＜ｌ．ｓｕｍ），为了使磨料发挥良好的切削作用，镜面磨削时所使用的磨削深度ａ。应＜ １卜ｍ。ａ。过大，将导致砂轮结合剂与工件表面接触，使砂轮表面的未电解物质被砂轮辗压入工 件表面，影响工件的表面粗糙度。另外，对不同的工件材料，应采用不同的ａ。进给频率。由于超 微细磨料的切削作用不同于通常所用的磨料的切削机理，对强度高、塑性好的材料（未淬火钢、铝 合金等），ａ。的进给频率Ｎ不应过高，应根据工作电压Ｕｗ、工作电流Ｉｗ的变化适当选择。对 强度高、硬度高的材料（如硬质合金、陶瓷），ａ。的进给频率Ｎ可以选高些。这是因为这些材料 对ａ。的敏感性较差，磨削参数选择的宽些，仍然可以得到较高的表面质量。砂轮速度认对加工表 面质量的影响，也随工件材料的机械性能有所不同。强度高、塑性好的材料对。桥敏感，硬脆材料 对。敏感程度稍差，特别是在砂轮平衡不好的情况下，Ｖ。的变化对工件表面质量影响极大。此外 ，还应对电解液作精密过滤，避免粗大杂质混入电解液，产生拉毛现象。对不同的材料、不同的表 面粗糙度要求，在镜面磨削时应选择不同粒度的砂轮。图３、图４为不同粒度的砂轮对金属陶瓷、 光学玻璃表面粗糙度的影响。要得到表面粗糙度值极低的镜面表面，需经几次不同粒度砂轮的磨削 。另外，实验结果还表明，对ＧＣｒｌｓ轴承钢、４５调质钢采用粒度１５００”（粒度１０ｐｍ ）的金刚石或ＣＢＮ砂轮，可磨出小于Ｒａｏ．０１７ｐｍ的镜面；若采用６００”（Ｗ２８）的 砂轮，可得到小于Ｒａｏ．０４ｐｍ的光滑表面。采用１５０００”（粒度１．５卜ｍ）、２００ ０”（粒度０．５ｐｍ）的金刚石砂轮，对硬质合金、金属陶瓷、单晶硅及碳化硅陶瓷的磨削，可 容易得到小于Ｒａｏ．０１０ｐｍ的镜面表面。图３不同粒度砂轮对金属陶瓷的粗糙度影响ｌ·１ ５０００”金刚石砂轮２．１５００”金刚石砂轮３．６０００”ＣＢＮ砂轮４．６００”ＣＢＮ 砂轮图４不同粒度砂轮对光学玻璃粗糙度影响１．６０００“ＣＢＮ砂轮２．１５００“金刚石砂 轮３．１５０００“金刚石砂轮４．６００”ＣＢＮ砂轮四、ＥＬＩＤ磨削技术的其他应用ＥＬＩ Ｄ磨削不仅用于镜面磨削，还可以用于精磨、超精密磨削（见表２），在部分材料、零件的加工中 ，可以完全取代传统的研磨、抛光工艺。ＥＬＩＤ普通精度的磨削具有以下特点：（１）对表面粗 糙度值在Ｒａｏ．３２～０．０４Ｐｍ麦２ＥＬＩＤｔ削的适用范围以内的磨削，对机床精度、磨 削进给量参数要求不高，一般磨床均可应用。并且对机床操作者来说也并非难事。（２）铸铁金刚 石、ＣＢＮ砂轮寿命长，工件单件成本低，国产铸铁超微细金刚石、ＣＢＮ砂轮只是国外同类产品 价格的１／８～１／５，而且效果好、寿命长。特别是电解电源可以用电火花、线切割、电镀的电 源代替；电解磨削液对机床、工件、操作者及环境均无危害；适合普通机加工车间环境；而且具有 上马快、改造周期短、节省资金的特点，已是成熟的工艺技术。ＥＬＩＤ磨削技术的推广，一定会 提高我国机电产品的质量水平，并带来巨大的经济效益。参考文献｜｜１ＨｉｔｏｓｈｉＯＨＭＯ ＲＩ．ＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃＩｎ—ｐｒｏｃｅｓｓＤｒｅｓｓｉｎｇ（ＥＬＩＤ）Ｇｒｉｎ ｄｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒＵｌｔｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎＭｉｒｒｏｒＳｕｒｆａｃｅ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ．Ｉｎｔ．Ｊ．ＪａｐａｎＳｏｃ．Ｐｒｅｃ．Ｅｎｇ，１９９２，２６（４ ）２王平袁哲俊等．在线电解修整砂轮的超精密镜面磨削新技术的发展与应用．磨料磨具与磨削， １９９４（４）３王平袁哲俊等．ＥＬＩＤ镜面磨削用铸铁超硬砂轮精密整形与电解预修锐的质量 评价．磨料磨具与磨削，１９９５（２）４王平袁哲俊等．１Ｃｒ１８ＮｉｇＴｉ不锈钢的镜面磨 削．磨削技术．第八届全国磨削技术学术会议论文集．西安：西北工业大学出版社，１９９４（９）第一作者：王平，哈尔滨工业大学机电学院４２２信箱，邮编：１５０００１铸铁超硬砂轮的超精密镜面磨削@王平，居冰峰，袁哲俊$哈尔滨工业大学在线电解修整，铸铁粘结砂轮，黑色金属，硬脆材料，镜面磨削铸铁结合剂具有与磨料结合强度高、保形能力好的特点。介绍了在线电解修
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