金属结合剂金刚石砂轮的电火花整形清华大学王先逵，应宝阁，刘为刚冯之敬，吴丹［摘要］电火花 加工法是金属结合剂金刚石砂轮的理想整形方法．它具有高效率、高精度等特点．本文讨论了青铜 结合剂金刚石砂轮的电火花整形的基本规律：如脉冲电源电压、脉冲电源限流电阻、电源脉冲频率 、脉冲占空比、
砂轮转速、砂轮初始偏心量等因素对整形速度的影响．关键词：金属结合剂金刚石 砂轮，整形，电火花加工Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｓｐａｒｋｍａｃｈｉｎｉｎ ｇｉｓａｎｉｄｅａｌｒｅｆｏｒｍｉｎｇｍｅｔｈｏｄｏｆｄｉａｍｏｎｄｗｈｅｅｌｗｉｔｈ ｍｅｔａｌｂｏｎｄ，Ｉｔｃｈａｒａｃｔｅｒｓｔｈｅｈｉｇｈｅｒｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎ ｄｔｈｅｈｉｇｈｅｒａｃｃｕｒａｃｙ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｓｏｍｅｂａｓ ｉｃｌａｗｓｔｈａｔｓｏｍｅｆａｃｔｏｒｓ（ｐｕｌｓｅｐｏｗｅｒｖｏｌｔａｇｅ，ｐｕｌ ｓｅｃｕｒｒｅｎｔ－ｌｉｍｉｔｉｎｇｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｐｏｗｅｒｐｕｌｓｅｆｒｅｑ ｕｅｎｃｙ，ｐｕｌｓｅｄｕｔｙｆａｃｔｏｒ，ｗｈｅｅｌｒｏｔａｔｉｏｎｒａｔｅａｎｄｉ ｎｉｔｉａｔｉｏｎｏｆｆ－ｃｅｎｔｅｒｉｎｇｖｏｌｕｍｅ，ｅｔｃ．）ｈａｖｅａｎｉｎｆ ｌｕｅｎｃｅｏｎｄｉａｍｏｎｄｗｈｅｅｌｒｅｆｏｒｍｉｎｇｓｐｅｅｄｗｉｔｈｂｒｏｎｚ ｅｂｏｎｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉａｍｏｎｄｗｈｅｅｌｗｉｔｈｍｅｔａｌｂｏｎｄｒｅｆ ｏｒｍｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｓｐａｒｋｍａｃｈｉｎｉｎｇｌ引它随着各种新型超硬陶瓷材料的 出现及应用，金属结合剂金刚石砂轮得到了越来越广泛的应用．靠烧结方法制造出的金属结合剂金 刚石砂轮结合能力强、耐磨性好、磨损小、使用寿命长，可承受较大的负载．但砂轮不可避免地存 在着收缩及变化，因此在使用前必须对砂轮进行整形，以保证应有的圆度及砂轮表面平整度．常用 的金刚石砂轮的整形方法为唐削法，它主要采用碳化硅、刚玉磨条或砂轮磨削金刚石砂轮．而对于 金属结合剂金刚石砂轮，用常规的磨削法修整则显得很困难．随着ｇ件加工精度及表面质量的提高 ，近年来各国正在研究金刚石微粉砂轮及其应用．通过实验发现，青铜结合剂金刚石微粉砂轮由于 磨粒太细小，不能对普通磨料磨具起到反修整的作用，以致在修整时磨具很快堵塞，普通磨料严重 磨损，产生强烈的振动及大量的磨擦热，在冷却不好的情况下，很容易造成金刚石砂轮表面烧伤， 使整形无法进行下去．由于以上原因，我们研究了青铜结合剂金刚石砂轮的电火花整形方法．实践 证明，青铜结合剂金刚石砂轮的电火花整形方法具有高效、高精度、使用方便等优点．２实验装置 青铜结合剂金刚石砂轮电火花整形的实验条件如下所示：机床：Ｍ７！２０平面磨床电源：矩形波 脉冲电源电压：４（），＆）Ｖ，８０Ｖ，ｌｔｏＶ自然科学基金资助项目频率：ｌ—２００ｋＨ ｚ占空比：１０％，３０％，ｔｏ％，７０％．％％
限流电阻：２一ＺｔｅＺ砂轮：青铜结合剂金 刚石微粉砂轮ＩＡ人。ＡｎＸ１０Ｘ７５ＸｔｏＷＸＭｉｔｏ电极：石合工作液：普通乳化液其它 ：千分表，变频器整个实验是在Ｍ７１２０平面磨床上进行的，采用了自制的电火花脉冲电源，具 有电压、限流电阻、脉冲频率、占空比等多项选择．电火花工作液选用了普通乳化液．利用以上实 验条件，设计了图１所示的实验装置，并取得了满意的效果．图１实验装置原理图３胃铜结合剂全 刚石砂轮的电火在塑形速度及莫影响因素影响青铜结合剂生刚石砂轮的电火花整形速度的因素很多 ，如电源电压、限流电阻、脉冲频率、脉冲占空比、金刚石砂轮整形过程中的转速以及金刚石砂轮 的偏心量等．在实验中分别研究了这些因素对青铜结合剂金刚石砂轮的电火花整形速度的影响．１ １脉冲电源电压对盗形速度的影响在固定其它因素的条件下，分析了脉冲电源电压对整形速度的影 响，实验结果如图２所示．日２脉冲电源电压对整形速度的影响由于磨削乳化液的电阻率较低，金 刚石砂轮的厚度及直径又较大，所以在电火花修整过程中金刚石砂轮和工具电极间的电阻较小，其 电解作用不可忽视．电火花修整过程中的放电回路如图３（幼所示．Ｅ电源电压Ｒ限流电用１电解 间隙２电火花间隙四３放电回路示意图根据电加工原理，电火花放电通道很窄，放电过程中极间电 压一般为对一月Ｖ且这一数值与极间距离关系不大．由于电极上的放电点面积很小，所以电火花放 电过程中电极间的电解作用仍然存在．电解间隙中的压降包括阳极压降、阴极压降及工作液的欧姆 压降．一般来讲，阳极及阴极压降为２—３Ｖ，且因电极间隙及电流等条件变化不大．工作液的欧 姆压降是电解电流通过具有一定阻值的极间工作液造成的．设极间电阻力Ｒ；，则：。＿ＡＩＭ（ ｌ）ＡＲ：为Ｘｉ作液电阻值；Ａ为极间平均间隙；ｐ为工作液的电阻车；Ａ为电极面板．假设在 实验中极间距离基本不变，则工作液电阻凡即为定值．这样可以将图３（ａ简化为图３＠所示电路 ，其中Ｅ：为２—３Ｖ，Ｅ。为２０—３（）．对于矩形波脉冲电源，电火花放电的单脉冲能见为 ：Ｗｂ＝Ｅ。·［．·ｔ．（２２．为脉冲电流幅值；ｔ。为脉冲电流持续时间．作为阴极的金刚 石砂轮的体积蚀除速度为：Ｖｃ—Ｋｃ·Ｗｂ·ｆ·Ａ（）大Ｃ为与电极材料、工作液、脉冲参数 有关的系数；／为脉冲频率；又为有效脉冲利用率．根据图３＠可知：将式（２），（４）代人（ ３）则有：忽略式（５）中各参数及系数的变化，则蚀除速度Ｋ同电源电压成线性关系，直线同电 压轴的交点，即截止电压为：由式（ｏ可知，当田流电阻Ｒ值较小时，电解作用的影响将不明显． 在金刚石砂轮的电火花主形过程中，去们心速度同式（５）中的体积蚀除速度成正比．从图２的实 验曲线可以看出，实验结果的去们心速度并不同电源电压成线住关系，而是随电源电压的升高，曲 线斜率变小．在图２中将ＡＢ线延长，同电压轴交于３５Ｖ左右，这同用式（６）得出的理论值较 接近，反映出电解作用的影响．将ＢＣ线延长，同电压轴的交点已为负值．可见随电源电压的升高 ，实际蚀除速度已偏离了理论值．这是由于普通乳化液绝缘性较低．放电过程中对放电通道的压缩 作用差，消电局能力也很低，当单脉冲能量提高到一定数值后，火花放电后极间工作浪的介电性能 不能得到很快的恢复，形成热窝化，使后续放电转变为过渡电弧放电，使通过中的电流密度降低， 这时不仅使火花蚀除速度达不到理想的水平，而且还影响表面加工质量．工２脉冲电淑阳流电阻对 鳖田邀应的影响当仅改变脉冲电源限流电阻的阻值时，得到如图叱句所示的整形速度随脉冲电源限 流电阻的变化曲线．图４Ｎ形速度ｎ限流电阻及短路电流的变化曲线由式（Ｏ可知，当忽略其它系 数的变化并固定电源电压时，工件蚀除速度随限流电阻的变化为同电阻轴有一交点的双曲线，这一 交点即为依除速度为本的点．图们基本上反映出了这种双曲线的趋势．为了更准确地分析限流电阻 对整形速度的影响，将Ｅ／Ｒ定义为短路电流，即ＩＤ—Ｅ／Ｒ，并据此将图叱的转换为田４脚， 式（司转换为式（７），得出：由式（７）可知，蚀除速度随短路电流的变化为在电流轴上出距为 正值的具有正斜率的直线，而图ｏｐ所示为一条曲线．连接ＡＢ线并延长交于电流轴，其交点为正 值，这与理论值较接近；连接ＢＣ线并延长交于电流轴后，得到的截距为负值，可见此点已们离理 论值．仔细分析不难理解，当短路电流增加时，单脉冲放电能量增加，同样，由于放电能量的增加 ．使火花放电转变为过渡电弧放电的比例增加，这样就影响了依除速度的增长．另外，从脉冲电源 的安全保护及避免引起过渡电弧放电而影响整形表面质量考虑，限流电阻取值不能过小．３３电源 脉冲频事对鳖形速度的影响通过实验，得出如图５所示整形速度随脉冲频率变化的曲线．山图５可 以看出，当脉冲频率低于田ＳＮ形速度同脉冲频率变化曲线ｓｋＨｚ时，脉冲频率的变化对整形速 度的影响不大，当脉冲频率达到ｓｋＨｚ以上时，整形速度开始随脉冲频率的增高而下降，并最终 出现截止．值得注意的是，图５是在固定限流电阻及电源电压的条件下作出的曲线．通过实验还发 现，当提高电源电压或减小限流电阻时，放电截止频率将提高，但图５所示的变化频率不变．１４ 脉冲占空比对鳖形在度的影响按一般的电火花加工规律，在煤油等电火花工作浪中进行电火花成形 或穿孔加工时，当脉冲频率不是很高时，在大部分的占空比范围内，电火花蚀除速度都陆占空比的 增加而呈线性增加，但当脉冲占空比太大时则出现稳定电弧放电，使电火花加工无法进行下去，出 现结碳、烧伤等现象．由于普通乳化液的绝缘强度较低，当脉冲占空比升高后，工作波很难消电离 ，这样虽不会像在煤油中那样形成稳定电弧放电，但过渡电弧放电却不可避免．这时虽然放电电流 很大，单脉冲能量很高，但能量密度较低，同时对用化的金属的抛出作用也很差，因此效率较低． 由６为采用普通乳化液的电火花整形速度随电源脉冲占空比变化曲线．由于采用固定的限流电阻及 脉冲频率．此时ｔｏ％的占空比修整速度优于刀％的占空比，ｈａ采用ｆｏ％的占空比加工出的砂 轮表面质量也好一些．随着砂轮转速的降低，最佳占空比将降低，电源电压升高或限流电阻降低时 ，最佳占空比也将降低．图６＄形速度随占空比变化曲线１５砂轮转速对电火在塑形速度的影响为 了通过整形使砂轮获得必要的国度，在整形过程中要使砂轮连续均匀地旋转．在实验中，将金刚石 砂轮直接安装在平面磨床的主轴上，而将工具电极安放在磨床工作台上，在类似于磨削工作的状态 下对砂轮进行电火花整形，从而可以获得较高整形精度．此时，由于金刚石砂轮的转动及工作台的 往复运动，作为工件的金刚石砂轮同工具电极间存在一定的相对运动速度，实验证明，这一相对运动速度对电火花整形速度有较大的影响．在主轴性能允许的条件下，采用变频器对磨床主轴进行变速，并获得如图７所示的整形速度随砂轮转速的变化曲线。从图７中可以看出，当砂轮转速较低时（＜ａ川加山，砂轮转速的变化对整形速度影响不大，此时整形速度高而且曲线比较平直．当砂轮
More abstracts about the 金属结合剂金刚石砂轮的电火花整形