铸铁砂轮电解氧化膜在ＥＬＩＤ镜面磨削中的作用机理研究７１００４８西安理工大学王平，赵文福 哈尔滨工业大学居冰峰，张飞虎，袁哲俊摘要ＥＬＩＤ镜面磨削所用的铸铁结合剂微细超硬磨料砂 轮采用电解修整磨削技术时，砂轮表面产生的氧化膜的生成速度、厚度、硬度、致密性与砂轮的附 着力等特性，在ＥＬＩＤ精密、超精密镜面磨削中起着极重要的作用。本文对不同的工件材料的镜 面磨削中氧化膜的特性及作用进行了研究。主题词ＥＬＩＤ镜面磨削，铸铁超硬磨料砂轮，氧化膜 特性，氧化膜作用１前言由于采用在线电解修整（ＥＬＩＤ）技术，磨削中可以使铸铁超硬砂轮保 持锐利状态，使砂轮具有良好的磨削能力，可以用超硬微细磨料制成砂轮直接用于磨削，特别是对 硬脆材料的精密、超精密镜面磨削，充分发挥了超硬磨料的硬度高、耐磨性好、效率高的特点。由 于ＥＬＩＤ精密、超精密镜面磨削以上的特点，在国外已被广泛用于模具制造业、电子产品、光学 器件制造等产业，并带来了可观的经济效益。ＥＬＩＤ镜面磨削所适用的材料有硬质合金、工业陶 瓷、光学玻璃、合金钢等硬脆材料及金属、非金属材料，经ＥＬＩＤ超精密镜面磨削后的工件表面 粗糙度可达Ｒａ＜ｓｌｉｍ，而且具有形状精度高、效率高的优点。对部分材料、部分零件工艺要 求而言，完全可以取代研磨、抛光工序，ＥＬＩＤ精密、超精密镜面磨削是硬脆材料的精密、超精 密加工的重要手段。本文作者近年来对ＥＬＩＤ镜面磨削技术进行了试验研究，除以上材料外，还 对金属陶瓷刀具材料、蓝宝石、硬铝、紫铜等硬、软材料进行了ＥＬＩＤ镜面磨削，工件表面粗糙 度完全达到ＲａＭ０．０２０Ｐｍ，并普遍可以达到ＲａＭ０·ｏｆ０Ｐｍ精密、超精密镜面表面 。试验中还对影响工件表面质量的主要同素作了研究。研究证明，砂轮在电解过程中生成的氧化膜 的性质对不同工件材料镜面质量有着极其重要的作用。２全属砂轮的电解反应过程２·１砂轮的电 解反应在金属结合剂超硬磨料砂轮的在线电解修整中，在电解作用下将发生可逆电极反应：还原态 一一氧化态十ｎ电子（ｌ）用能斯特方程表达平衡电位为：式中，Ｅ’—一平衡电极电位（伏）； Ｅ”——一标准电极电位（伏）；Ｒ—一克分子的气体常数（８．３１３））；Ｆ——法拉第常数 （９６５０００库伦）；Ｔ——绝对温度（Ｋ）：ａ——离子的浓度（有效浓度）。试验中由于阳 极砂轮的主要成分是Ｆｅ，电解液中的主要成分为各种Ｎａ盐，电极反应发生的可能性分析如下： 阳极上发生Ｆｅ的溶解，Ｆｅ一般以Ｆｅ’”而不是以Ｆｅ‘”的形式直接溶入液体，即Ｆｅ、Ｆ ｅ’－，进入液体的Ｆｅ’”可能和其他离子结合，也可能迁移到阴极并沉淀在上面，ｙｅ‘“离 子和氢氧根离子结合，则Ｆｅ’“＋ＺＯＨ一、Ｆｅ（ＯＨ）。＋（３）而Ｆｅ（ＯＨ）。＋ＺＨ 。Ｏ－－ｆ－－Ｏ。一一４Ｆｅ（ＯＨ）。＋（４）在阴极上首先将发生溶解氧的阴极还原，由于 氧的溶解度低，中性分子向电极的输送缓慢，故实际反应可以忽略不计，主要的阴极反应还是发生 氢气析出。铸铁结合剂砂轮在表面生成氧化膜的主要成分是Ｆｅ。Ｏ。。２·２砂轮阳极钝化ＥＬ ＩＤ磨削过程中，随着电解的作用，砂轮将发生活化、钝化现象。新的砂轮或已不存在氧化膜的砂 轮（或氧化膜厚度极薄）在电解中，氧化膜的厚度逐渐增厚。由于氧化膜的电图１砂轮的电解活化 与钝化阻随其厚度变大，此时阳极砂轮与阴极间的工作电压逐渐增高，而工作电流逐渐下降（图１ 中的ＡＢ段），经过一段时间这种变化趋于缓和（ＢＣ段），若在磨削中氧化膜受到损坏或厚度减 薄，将会导致两极间工作电压下降和工作电流上升。砂轮电解强度较大的段（ＡＢ段）为砂轮的活 化区，电解强度缓慢或无电解作用的段为钝化区（ＢＣ段）。根据工作电流、工作电压的这种变化 规律，可以判断砂轮上的氧化膜厚度，磨削中是否与工件接触等形态，还可以此来判断选择磨削深 度。３砂轮表面氧化股的作用一般来说，ＥＬＩＤ磨削中氧化膜的厚度在几十微米到几百微米之间 ，对于较粗磨料（２微米以上）粒度的砂轮，可以利用电解作用后表面露出磨料的砂轮直接磨削（ 一般磨料的出刃高度为粒度尺寸的１／８～ｌ／２），在砂轮所选择的微小的磨削深度范围内是可 以保证其良好的磨削性能的。但对于镜面磨削来说，磨料粒度Ｍ４Ｐｍ，磨粒的出刃高度不会高于 粒度的３／５，以６０００ｔｉ砂轮来计，出刃高度不会高于２Ｖｍｉ机床主轴振动、砂轮的不平 衡、主轴的偏摆等使砂轮在工件垂直方向的位移都会接近或超过这个值。由于砂轮上覆盖的氧化膜 的厚度远大于磨粒的出刃高度，使砂轮表层磨料在磨削中不可能直接与工件接触。在收集的氧化膜 ＳＥＭ照片中可以发现大量的磨料（见图３），为了得到高质量的加工表面，必需保证氧化膜在砂 轮上要有一定的厚度。图２砂轮表面电解氧化膜（松散状态）图３氧化膜粉末的ＳＥＭ照片图４氧 化膜厚度与磨削时间的关系曲线在ＥＬＩＤ磨削中，对砂轮中断电解，可以依靠砂轮氧化膜对工件 作光磨，在光磨中氧化膜的厚度逐渐变薄（图４），可以完成对光学玻璃、单晶硅等材料的镜面磨 削。氧化膜对硬脆材料的ＥＬＩＤ镜面磨削质量有着重要的作用。氧化膜在镜面磨削中有如下的作 用：（１）可以避兔砂轮结合剂直接与工件表面发生接触，避免由于结合剂摩擦工件表面造成工件 表面质量的下降。（２）减缓砂轮对工件的振动冲击，由于氧化膜有一定厚度，而且与砂轮表面的 粘附能力强，它的刚度远远小于工件的刚度，可以吸收、阻尼部分振动，有利于工件表面质量的提 局。（３）由于氧化膜的厚度较厚，可以在一定范围内消除砂轮的圆度误差，有利于工件表面质量 的提高。（４）由于氧化膜的厚度及强度，在氧化膜的厚度范围内可以容纳、承托一定数量的因电 解而脱落的磨料，使砂轮表面“嵌砂”，成为高速旋转的“研磨盘”，微细磨料砂轮的磨削实际上 是对工件的研磨、抛光（图以图５，图６）。其镜面磨削机理如同研磨。（５）在对硬脆材料的Ｅ ＬＩＤ镜面磨削前，为保证砂轮磨料的等高性、砂轮的圆度，需对．砂轮作精密整形，由于氧化膜 有一定的厚度，这一整形可以在氧化膜的厚度范围内进行，使整形工艺变得简单易行。（６）在氧 化膜所容纳、承托的磨粒不易脱落，增加了实际参加磨削的磨粒数量，有利于提高磨削效率。（７ ）在硬脆材料的ＥＬＩＤ镜面磨削中，保持氧化膜的一定厚度，是高质量镜面磨削光学玻璃、玻璃 陶瓷、蓝宝石、单晶硅片等硬脆材料的关键所在，若氧化膜厚度不够，将影响图５砂轮表面氧化膜 层的磨削作用图６砂轮氧化膜层的ＳＥＭ照片工件的表面质量，以至造成废品。（８）一般电解形 成的氧化膜是较松散的，由于ＥＬＩＤ镜面磨削的磨削深度小，在磨削进给量合理时，氧化膜会保 持一定的厚度，而且经过不断生成不断碾压，使氧化膜具有坚实、致密及较高的硬度。图２为砂轮 表面松散的氧化膜，图６为砂轮表面上坚实的氧化膜，由于干燥．已变得类似淤泥干涸开裂。（９ ）由于氧化膜在砂轮上保持一定的厚度，可以减缓砂轮的电解活化，有利于提高砂轮的使用寿命， 有利于保证工件的尺寸精度，降低加工成本。（１０）由于氧化膜形成的容屑槽的深度及强度低于 陶瓷砂轮，一旦金属材料形成的切屑堵塞容屑槽，在电解作用下，切屑边缘溶解后，使得切屑在电 解液的冲击及离心力的作用下脱离砂轮表面，因此砂轮不易产生堵塞，而保持良好的切削性能。但 在镜面磨削光学玻璃、蓝宝石一类非金属材料时，部分微切屑会堵塞在氧化膜孔隙中，长时间磨削 这类材料有必要增加修整砂轮的工序（见上述（５））。氧化膜的存在除了具有上述优点外，也存 在由于氧化膜的覆盖，在电解作用下，氧化膜底层的砂轮表面会产生侵蚀、斑点腐蚀，使砂轮表面 电解不均匀，在电解液的浸渍作用下使砂轮表面的缺陷得不到及时的纠正，但这种现象对镜面磨削 影响不大。此外，氧化膜的色泽会影响某些工件表面美观（如白色氧化铝陶瓷）。４结论砂轮电解 氧化膜的粘附强度、硬度、致密性及生成速度与金属结合剂成分、电解参数和电解液成分有关。对 于光学玻璃一类硬脆材料的ＥＬＩＤ镜面磨削，必须合理地利用砂轮氧化膜上述的特点、作用，否 则将得不到镜面的光学表面，相反还会破坏工件已加工表面。因此，对砂轮电解氧化膜作用的认识 和合理利用，在硬脆材料的ＥＬＩＤ精密、超精密镜面磨削中将会起着积极的作用。参考文献｜｜ １王平、袁哲俊等．ＥＬＩＤ镜面磨削用铸铁超硬砂轮修锐质量评价，金属切削理论与技术的新进 展．华中理工大学出版社，１９９５．１１２王平、袁哲俊等．在线电解修整砂轮的精密镜面磨削 技术的新发展及应用．磨料磨具与磨削，１９９４（４）３王平、袁哲俊等．ＥＬＩＤ镜面磨削用 铸铁超硬砂轮的精密整形与电解修锐的质量评估．金刚石与磨料磨具工程．１９９５（２）４Ｈｉ ｔｏｓｈｉＯｈｍｏｒｉ：ＥＬＩＤ－ＧｒｉｎｄｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＩｔｓＦａｃ ｔｏｒｓｆｏｒＵｌｔｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎＭｉｒｒｏｒＳｕｒｆａｃｅＭａｃｈｉｎｉｎｇ ，Ｔｈｅ５ｔｈＳｉｎｏ－ＪａｐａｎＪｏｉｎｔＳｅｍｉｎａｒｏｎＵｌｔｒａｐｒｅｃｉｓｉ ｏｎＭａｃｈｉｎｉｎｇ．Ｈａｒｂｉｎ，Ｊｕｌｙｇ１９９４：１２５～１４９（收稿日期：１ ９９６—０８—３０）（编辑：王琴）铸铁砂轮电解氧化膜在ELID镜面磨削中的作用机理研究 @王平，赵文福，居冰峰，张飞虎，袁哲俊$西安理工大学，哈尔滨工业大学ＥＬＩＤ镜面磨削， 铸铁超硬磨料砂轮，氧化膜特性，氧化膜作用ＥＬＩＤ镜面磨削所用的铸铁结合剂微细超硬磨料砂 轮采用电解修整磨削技术时，砂轮表面产生的氧化膜的生成速度、厚度、硬度、致密性与砂轮的附 着力等特性，在ＥＬＩＤ精密、超精密镜面磨削中起着极重要的作用。本文对不同的工件材料的镜面磨削中氧化膜的特性及作用进行了研究。１王平、袁哲俊等．ＥＬＩＤ镜面磨削用铸铁超硬砂轮修锐质量评价，金属切削理论与技术的新进展．华中理工大学出版社，１９９５．１１２王平、袁哲俊等．在线电解修整砂轮的精密镜面磨削技术的新发展及应用．磨料磨具与磨削，１９９４（４
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