ＥＬＩＤ超精密镜面磨削在平面磨床上的实现哈尔滨工业大学机械系张春河，王平，张飞虎，袁哲俊 长春光机所韩荣久摘要介绍了ＥＬＩＤ越精密镜面磨削的机理，阐述了实现条件，并在平面磨床上 进行了ＧＣｒ１５和ＹＴ１４的磨削试验，取得了满意的结果。关键词ＥＬＩＤ超精密镜面磨削， 平面磨床Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｉｍｐ ｌｅｍｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆＥＬＩＤｕｌｔｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍｉｒｒｏｒｇ ｒｉｎｄｉｎｇａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｓａｔｉｓｆｙｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｎｇｒｉｎｄｉｎｇｔｈｅＧＣｒ１５ａｎｄＹＴ１４ａｒｅｏｂｔ ａｉｎｅｄｉｎａｓｕｒｆａｃｅｇｒｉｎｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＥＬＩ Ｄｕｌｔｒａｐｒｅｃｉｓｉｏｎｍｉｒｒｏｒｇｒｉｎｄｉｎｇ；ｓｕｒｆａｃｅｇｒｉｎｄｉ ｎｇｍａｃｈｉｎｅ１引育近年来，许多具有独特工程使用性能的难加工材料，诸如工程陶瓷、硬 质合金、光学玻璃、半导体材料、淬硬钢、冷硬铸铁、不锈钢和钛合金等，在航天、核能、光学、 计算机等高新技术领域得到了日益广泛地应用．并且，大多数应用场合对加工精度和加工质量都提 出了甚高的要求。因而，这些难加工材料的超精密加工业已成为急需解决的问题．近期研究资料表 明：采用金属结合剂超硬磨料砂轮磨削是最有效的解决方法之一。然而，由于超硬磨料具有极高的 硬度，其不可能像普通磨料那样，采用粗粒度的砂轮，借助精细修整获得大量等高的微刀来实现精 密和超精密磨削，而必须使用微细粒度的砂轮．这样，又将面临一个十分困难的问题——金属结合 剂微细粒度超硬磨粒（包括金刚石和立方氮化硼）砂轮的修整问题．１９８７年，日本学者大森整 提出了一种在线修整磨削方法——ＥＬＩＤ磨削．它利用非线性电解作用，始终保持砂轮的锋锐， 并成功地解决了许多非金属硬脆材料和模具钢、淬硬钢等金属材料的超精密磨削。据文献１１］、 ［２］、［３］报道，超精密ｏｔ面磨削的表面粗糙度可达几十至几个纳米，可以取代传统的研磨 和抛光工艺，并解决了研磨抛光不能解决的形状精度和低效率的缺陷．１９９３年初，哈尔滨工业 大学以袁哲俊为首的ＥＬＩＤ磨削研究组，开始进行该项技术的机理研究和实用技术开发．它的实 用化，将具有显著的社会效益．ＺＥＩＪＤＭ精密镜面磨削的机理ＥＬＩＤ磨削是一种新型连续修 整磨削方法，它利用非线性电解作用在线修整砂轮，从而获得恒定的磨粒出刃高度，始终使砂轮处 于锋锐状态，其原理如图１所示。（ｂ）电解修整装置图ＩＥＬＩＤ超精密镜面磨削机理在线的电 解修整作用还会使接正极的砂轮表面形成一层钝化膜（如图２所示），其主要成分是结合剂元素的 氢氧化物和氧化物．这层钝化膜限制了图２砂轮表面的纯化股图３＄削不锈钢１５０ｍｉｎ后的砂 轮表面状态过度的电解作用，避免了砂轮摩料的过快脱落，而且可以减轻后用在砂轮表面的粘附． 如图３所示，磨削不锈钢１５０ｍｉｎ后的金刚石砂轮表面没有出现粘附现象．ＥＬＩＤ磨削正是 借助非线性电解修整作用和砂轮表面的氧化物和氢氧化物的绝缘生成层的动态平衡来实现最佳的、 稳定的磨削过程．３ＥＬＩＤ超们密镜面后削试验３．１实验设备金属结合剂超硬磨料砂轮、精密 磨床、磨削液（同时起电解液的作用）和电解电源是实现ＥＬＩＤ超精密镜面磨制的４个硬件要素 ．表１给出了ＥＬＩＤ超精密镜面磨削所需要的设名表１试验设备３．２试验多数表２给出了ＥＬ ＩＤ超用密镜面磨削试验的磨削参数和电解参数．表２试验多数３．３试验过程ＥＬＩＤ磨削的实 现要历经以下３个过程：①精密整形．精密整形可以减少砂轮的偏心和缺陷，从而获得良好的砂轮 表面的圆柱进．本实验中，访俄结合剂余刚石成立方氯化用砂轮的用密整形由ＰＣＤ弧形修整器来 完成．②预修锐．预修锐可以使砂轮获得适当的突出五（出刃高度），合理的容屑空间和适当厚度 的钝化股．本实验中，预修锐通过２０—４５ｍｉｎ电解修整来实现．预修税后的砂轮表面如图２ 所示．③ＥＬＩＤ动态后削过程．预修锐后开始ＥＬＩＤ＄削．在ＥＬＩＤｂ削过程中，非线性电 解修整作用和砂轮表面的氧化物或氢氧化物的绝缘①电解修整开始时（３Ａ—）田４ＥＬＩＤ动态 磨削循环生成层将处于动态平衡，如图４所示．从而使得修整作用自适应于砂轮的磨耗，实现了最 佳的、稳定的后削过程．④试验结果．采用在线电解修整的铸铁结合剂微细粒度金刚石和立方氯化 硼砂轮进行了ＧＣｒｌｓ和ＴＹ１４的磨削试验．加工工件的表面粗糙度如表３所示．表面纹理如 图５所示．ａｔ７ａｔＭＷｅｏｔｄｅＴｈ。Ｍ、。表中，ＣＩＢ—Ｄ表示铸铁结合剂金刚石砂轮 ，ＣＩＢ—ＣＢＮ表示铸铁结合剂立方氮化硼砂轮．从试验结果可以发现：ＹＴ１４和ＧＣｒｌｓ 均发生塑性流动现象，因为从加工表面可以清楚地看到磨削痕迹和侧向隆起．因而，ＹＴ１４和Ｇ Ｃｒｌｓ的断裂机理均属于塑性断裂．另外，实验结果还表明这样一个现象：同样砂一轮磨削的Ｇ Ｃｒｌｓ和ＹＴ１４具有不同的表面粗田度．这可能是因为ＧＣｒｌｓ较ＹＴ１４延展性好．硬度 低，磨削过程中的破平作用较ＹＴ１４明显，因而导致ＧＣｒｌｓ的表面粗糙度的数值更小．该试 验结果同时证明了超用密镜面目削表面图５加工后表面纹理情况的形成不是单纯的切削作用．而是 滑擦、耕犁、切削综合作用的结果．据上述实验结果还可以得出这样一个结论：更细的磨粒粒度是 获得更高等级的表面粗糙度的重要手段。证据之一就是用６ｏｐ杜ＱＢ一ＣＢＮ砂轮比用ｌｇｎ社 ＣＩＢ—Ｄ砂轮磨削加工同一种材料的表面粗糙度的数值小．除此之外，电解修整作用不像其它机 械修整方法那样造成磨位的碎裂，得到细化的微刃，电解修整只会使埋没在结合剂中的磨粒突露出 来，因而砂轮表面的微刃状态与磨粒粒度密切相关，也就造成了上述现象。最后，实验结果还证明 了文献叨所得的结论，即金刚石磨料可以用于淬硬钢的精密磨削．这是因为：精密磨削进给量小， 且冷却充分，磨削弧区温度很低，不足以造成碳元素与铁元素的化学反应，因而金刚石磨料不会很 快磨损．４结论ＥＭＤ超精密镜面磨削实现了ＹＴ１４和ＧＣｈｌｓ的超精密加工，效率高，应用 范围广，并且表面粗糙度可达十几个纳米，可以取代传统的研磨工艺．除此之外，ＥＬＩＤ磨削需 要的专用设备很少，可以方便的应用在各式磨床上．因而，ＥＭＤ磨削的实用化将具有显著的社会 效益．感谢大森整先生对哈尔滨工业大学ＥｌｌＤ磨削课题组的指导，特别是由共采本课敷出的研 有份以和格杜结合剂ＣＢＮ砂轮．参考文献｜｜ＯｈｍｏｒｉＨ，ｅｔａｌ．ＭｉｒｒｏｎＳｕｒ ｆａｃｅＧｒｉｎｄｉｎｇｏｆＳｉｌｉｃｏｎＷａｆｅｒｓｗｉｔｈＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃ Ｉｎ－ＰｒｏｃｅｓｓＤｒｅｓｓｉｎｇ．ＡｎｎａｌｓｏｆｔｈｅＣＩＲＰ，１９９０，３９（ １）：１３５～１３８２ＯｈｍｏｒｉＨ．ＥｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＧｒｉ ｎｄｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒＧｅｒａｍｉｃｓｗｉｔｈＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃＩｎ －ＰｒｏｏｃｅｓｓＤｒｅｓｓｉｎｇ（ＥＬＩＤ．ＥＬＩＤ研削会报，１９９３，６：１０２～ １２５３Ｋａｔｕｓｏ，Ｓｙｏｊｉ，ｅｔａｌ．ＵｌｔｒａＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭｉｒｒｏｎＧ ｒｉｎｄｉｎｇ．ＥＬＩＤ研削会报，１９９３，６：４８～５１４ＤｙｅｒＨＢ．ＡｎＡｐｐｒ ａｉｓａｉｏｆＤｉａｍｏｎｄａｓａＳｔｅｅｌＧｒｉｎｄｉｎｇＡｂｒａｓｉｖｅ．Ｉｎｄ． ＤｉａｍｏｎｄＲｅｖ，１９７０，（３６０）：４３０～４３９ELID超精密镜面磨削在平面 磨床上的实现@张春河，王平，张飞虎，袁哲俊，韩荣久$哈尔滨工业大学机械系，长春光机所Ｅ ＬＩＤ超精密镜面磨削，平面磨床介绍了ＥＬＩＤ越精密镜面磨削的机理，阐述了实现条件，并在 平面磨床上进行了ＧＣｒ１５和ＹＴ１４的磨削试验，取得了满意的结果。ＯｈｍｏｒｉＨ，ｅｔ ａｌ．ＭｉｒｒｏｎＳｕｒｆａｃｅＧｒｉｎｄｉｎｇｏｆＳｉｌｉｃｏｎＷａｆｅｒｓｗｉｔｈ ＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃＩｎ－ＰｒｏｃｅｓｓＤｒｅｓｓｉｎｇ．ＡｎｎａｌｓｏｆｔｈｅＣ ＩＲＰ，１９９０，３９（１）：１３５～１３８２ＯｈｍｏｒｉＨ．Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄ ＰｒｅｃｉｓｉｏｎＧｒｉｎｄｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒＧｅｒａｍｉｃｓｗｉｔｈＥｌ ｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃＩｎ－ＰｒｏｏｃｅｓｓＤｒｅｓｓｉｎｇ（ＥＬＩＤ．ＥＬＩＤ研削会报 ，１９９３，６：１０２～１２５３Ｋａｔｕｓｏ，Ｓｙｏｊｉ，ｅｔａｌ．ＵｌｔｒａＰｒｅｃ ｉｓｉｏｎＭｉｒｒｏｎＧｒｉｎｄｉｎｇ．ＥＬＩＤ研削会报，１９９３，６：４８～５１４Ｄ ｙｅｒＨＢ．ＡｎＡｐｐｒａｉｓａｉｏｆＤｉａｍｏｎｄａｓａＳｔｅｅｌＧｒｉｎｄｉｎｇＡ ｂｒａｓｉｖｅ．Ｉｎｄ．ＤｉａｍｏｎｄＲｅｖ，１９７０，（３６０）：４３０～４３９验结 果还表明这样一个现象：同样砂一轮磨削的ＧＣｒｌｓ和ＹＴ１４具有不同的表面粗田度．这可能 是因为ＧＣｒｌｓ较ＹＴ１４延展性好．硬度低，磨削过程中的破平作用较ＹＴ１４明显，因而导 致ＧＣｒｌｓ的表面粗糙度的数值更小．该试验结果同时证明了超用密镜面目削表面图５加工后表 面纹理情况的形成不是单纯的切削作用．而是滑擦、耕犁、切削综合作用的结果．据上述实验结果 还可以得出这样一个结论：更细的磨粒粒度是获得更高等级的表面粗糙度的重要手段。证据之一就 是用６ｏｐ杜ＱＢ一ＣＢＮ砂轮比用ｌｇｎ社ＣＩＢ—Ｄ砂轮磨削加工同一种材料的表面粗糙度的 数值小．除此之外，电解修整作用不像其它机械修整方法那样造成磨位的碎裂，得到细化的微刃，电解修整只会使埋没在结合剂中的磨粒突露出来，因而砂轮表面的微刃状态与磨粒粒度密切相关，也就造成了上述现象。最后，实验结果还证明了文献叨所得的结论，即金刚石磨料可以用于淬硬钢的精密磨削．这是因为：精密磨削进给量小，且冷却充分，磨削弧区温度很低，不足以造成碳元素
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