0引言 随着硬质合金、
工程陶瓷、光学玻璃、淬火钢及半导体等硬脆材料日益广泛的应用,磨削加工在整个 机械加工领域已日趋重要,但由于材料的高强度、高硬度和高脆性,采用传统磨削工艺不仅磨削力 大,磨削温度高,磨削效率低,而且砂轮极易钝化、堵塞而丧失其切削性能,从而造成加工面脆性 破坏及应力集中,加工质量恶化难以满足高精度,高效率的加工要求.日本富士公司采用ELID 磨削技术加工光学镜头,镀膜后直接用在望远镜、幻灯等产品上,真正实现了以磨代研的转变;日 本东京物理化学研究所将ELID磨削技术应用于超精密加工,磨削光学玻璃和碳化硅陶瓷等材料 的高精度非球曲面,获得了满意的效果.ELID(ElectrolytiCInProces sDreSSing)磨削是在磨削过程中,利用非线性电解的修整作用和,金属结合剂的超硬磨 料砂轮表层氧化物绝缘层对电解作用的动态平衡,对砂轮进行连续的修锐修整,使砂轮磨粒获得恒 定的突出量,从而实现稳定可控和最佳的磨削过程,它适合于硬脆材料的超精密镜面磨削.表层的 金属结合剂进行电解去除.在这一过程中,一方面砂轮在工作状态下金属结合剂产生电解作用,以 露出棱角分明的锋利磨粒;另一方面结合剂表层产生的钝化膜对电解又有抑制作用,以减少砂轮的 过分消耗.这种电解作用与表层钝化膜的抑制电解作用处于动平衡状态,从而使砂轮连续的在线修整,以保证磨粒获得恒定的突出量,达到最佳的磨削工作状态.2ELID磨削过程及精密镜面形成机理1 ELm磨削的基本原理 ELID磨削的基本原理如图1所示.金属结合剂超硬磨料砂轮与电源正极相接为阳极,工具电极与 负极相接为阴极;在砂轮和电极的间隙中通以电解磨削液,利用电解过程中的阳极溶解效应,对砂轮ELID镜面磨削过程可分为准备阶段、电解预修锐阶段、在线电解动态磨削阶段和光磨阶段.准备 阶段主要是对砂轮进行动平衡调整和精密整形,减小砂轮的圆度和圆柱度误差;预修锐阶段使砂轮 的磨粒获得适当的出刃高度和合理的容屑空间,保证钝化膜的形成;动态磨削阶段形成加工表面; 光磨阶段进一步提高表面质量.ELID磨削点面积总和均大于被观察表面的so%,最大的达到 70%,而超声琦磨从60一190r/n飞in速度下均可获得延性切削表面,整个表面破碎很少,破碎点数不大于10%,最大破碎凹坑面积小于8脚,延性琦磨磨粒刻划的痕迹十分清楚.ELID磨削去除材料的机理与其他镜面加工有所不同.通常的镜面加工是通过磨削、研磨和抛光是 以柔性的研磨盘把磨料压在材料表面并产生相对运动,磨料借助研磨盘的压力以滚动的方式使材料 破碎,以滑动和滚动的方式去除破碎后的材料.而在湖南工程学院学报2(X)3年ELID磨削 中,一方面由于磨粒固结在结合剂中,对于单颗磨粒而言,有效磨削尺寸为l乃,磨粒主要以微切 削的方式去除材料,所以,造成的破碎区要小的多;另一方面,砂轮结合剂表面形成具有一定厚度 和弹性,且容有脱落磨粒的钝化膜,成为一种具有良好柔性的研磨膜,精磨由于进给t小,
钝化膜 的厚度远大于磨料的出刃高度,使砂轮基体表层磨粒在磨削过程中不能直接与工件进行接触,砂轮 上覆盖的这层钝化膜将代替金属基砂轮参与真正的磨削过程,当电解作用完全抑制时,钝化膜对工 件进行光磨,所以ELID磨削实际上是一种将磨、研、抛合为一体的复合式镜面加工技术,其中磨粒主要是以滑动方式去除工件材料.7+6 十1.磨削液2.防护翠3.砂4.工件5.工作台6.电极7.电源 (a严面磨削1.磨削液2.工件3.电极4.砂轮5.防护军6.电源电极2.砂轮3.工件4.电源(b)外圆磨削(c)内圆磨削图13 ELID磨削技术的新特点: ELID磨削技术是对金属结合剂超硬磨料砂轮在线修锐修整的复合磨削技术,它有别于电解磨削、电火花磨削,在精密加工领域中具有其显著特点:磨削原理图 (1)磨削过程有良好的稳定性和可控性,易于实 现磨削过程的最优化; (2)加工精度高,表面裂纹少,表面质!好; (3)适应性广泛,磨削效率高; (4)装置简单,成本低,推广性强.ll{I{11 ,」气酬~万厮l,并沂凡且上日出} 1.紧固螺栓2.防护笨3.电极4.砂轮1.紧固螺栓2.防护笨3.电极4.砂轮1.电极2.砂轮3.主轴4.工件5.卡盘 (a)磨平面用(b)磨外圈用(c)磨内圆用 图2磨削装里图 ELID外圆磨削:改装的MG1420E高精度外圆 万能磨床4 ELID磨削的装里ELID平面磨削:改装的MM7120型平面磨床 ELID内圆磨削:改装的MG1420E高精度外圆 ELID磨削的主要装置(如图2所示):砂轮、电万能磨床源、电解装置、电解液、磨床等.可分 别加工:硬质合金(YT14)、工程陶瓷(川2几)、轴承钢(GCr15);硬质合金(YT14)、工程陶0.巧一1.5~范围内,而且应与机床充分绝缘,工瓷(513从)、光学玻璃(K8)、高速钢(W18C r4v);工具电极固定在绝缘板上,再用调节栓将绝缘板固定程陶瓷(从伪)、高速钢(W18Cr4v).在砂轮防护罩上,电极上开有蓄水槽,电解磨削液采ELID对磨床的要求主要是主轴的回转精度高用中心送液法,依靠重力和离心力充满电极间隙.(7拼m).ELID磨削使用的磨削液主要采用弱碱性电解 电解所用的电源可以是直流、脉冲、交流电源,质的水溶液,该液体既要具有电解性能又要作为磨但以高频直流脉冲电源效果最好.削液使用,还要对机床没有腐蚀作用.因此,磨削液 ELID磨削砂轮的结合剂应具有良好的导电性的性能对ELID磨削有重要的影响,是ELID磨 削和电解性能,且结合剂元素的氧化物或氢氧化物不关键技术之一电解时,在砂轮表面发生阳极反 应,导电.ELID磨削所用的金属结合剂砂轮主要有铸金属结合剂逐渐被去除,但作为阴极的工 具电极基铁纤维结合剂(CIFB)、铸铁结合剂(CIB)、铁基结合本上不被电解,因此,电 极无损失一般采用电解质剂(IB)、钻基结合剂(CB)、镍基结合剂(NB)及青铜水溶液, 但结合剂的磨粒粒度不同,磨削液的主要成结合剂(BB).电解装置的重要部分是工具电极.由 分也不同,磨削液对电解过程中形成的钝化膜的厚磨床的结构不同,工具电极的形状和安装位置也 不度、性质及最主要的磨削效果都存在重要影响.同,电极宜用不锈钢制造,与砂轮之间的间隙控制在ELID平面磨削条件及参数如表1所示.表1 ELID平面磨削条件及参数磨削设备磨削参数电解参数工件材料改装的MM7120型平面磨床主 轴转速10(X)一2200r石的in电压90一140V硬质合金丫1,14自制CIFB砂 轮W10,WS,Wl.5横向进给速度0.1一0.3~/行程电流2.5一12A工程陶瓷S 3N4自制HDMD一n型ELID磨削专用高撅直流脉冲电源工作台速度0.05一0.08m /s电极间隙0.1一o.75nun光学玻璃KS自制HDMY一201型磨削液磨削深度0. 001一0.005~脉冲宽度涧隔=2左娜高速钢W18Cr4V5结论参考文献︸..J︸..J,esJl..J,上2内O月峥r‘L﹄es‘J rIL尸..L 应用ELID磨削技术分别对硬质合金、工程陶瓷、光学玻璃、高速钢等难加工材料进行平面、外圆 、和内圆镜面磨削加工结果表明应用ELID磨削技术可得到高质量的加工表面,通过控制磨削条 件(磨削设备、磨削用途、电解参数、电解液参数等),能实现高精度、高效率和低成本的高精度 镜面加工.该方法能取代传统的研磨、抛光工艺在硬脆材料的精密镜面加工领域有很大的优越性. 张飞虎,朱波等.ELID磨削一硬脆材料精密和超精密加工的新技术【J>.宇航材料工艺,1 999,(1).李伯民,赵波.实用磨削技术
.陶瓷的特性和研究【J>.磨具材料与磨削,1993.关 佳亮,袁哲俊,张飞虎.ELID精密镜面内空磨削技术的应用.制造技术与机床【J>.1998.ELID精密镜面磨削技术及其应用研究@龚庆寿$湖南工程学院机械电子工程系!湖南湘潭 411101
@宁立伟$湖南工程学院机械电子工程系!湖南 湘潭 411101
@黄菊生$湖南工程学院机械电子工程系!湖南 湘潭 411101
@吴安如$湖南工程学院机械电子工程系!湖南 湘潭 411101
@黎小辉$湖南工程学院机械电子工程系!湖南 湘潭 411101 ELID磨削;; 硬脆材料;;精密镜面加工主要讨论应用ELID磨削技术,分别在 平面、内圆和外圆磨床上对多种典型硬脆材料实现精密镜面磨削。实验结果表明,该技术加工精度高,成本低,工艺简单可靠,具有广阔的应用前景。<1>张飞虎,朱波等.ELID磨削-硬脆材料精密和超精密加工的新技术.字航材料工艺,1999,(1) .
<2> 李伯民,赵波.实用磨削技术.北京工业出版社,1996．
<3> 赵波等.结合剂金刚石砂轮内圆磨削工程.陶瓷的特性和研究.磨具材料与磨削,1993．
<4> 关佳亮,袁哲俊,张飞虎.ELID精密镜面内空磨削技术的应用.制造技术与机床.199 8．湖南省教育厅资助项目(02C170)劣哂辛己玫牡嫉缧缘男阅芏訣LID磨削有重要的 影响,是ELID磨削和电解性能,且结合剂元素的氧化物或氢氧化物不关键技术之一电解时,在 砂轮表面发生阳极反应,导电.ELID磨削所用的金属结合剂砂轮主要有铸金属结合剂逐渐被去 除,但作为阴极的工具电极基铁纤维结合剂(CIFB)、铸铁结合剂(CIB)、铁基结合本上 不被电解,因此,电极无损失一般采用电解质剂(IB)、钻基结合剂(CB)、镍基结合剂(NB)及青铜水溶液,但结合剂的磨粒粒度不同,磨削液的主要成结合剂(BB).电
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