ELID超精密磨削技术综述.doc

ELID超精细磨削技术综述蔡智杰**大学机械工程学院机械工程系2014级硕士生摘要：金属基超硬磨料砂轮电解修整(Electrolytic In-process Dressing, 简称ELID)磨削技术作为一种结合传统磨削、研磨、抛光为一体的复合镜面加工技术，开辟了超精细加工的新途径，具有广发的应用价值本文将从工作原理、磨削机理、工艺特点、影响因素及磨削机床的分类等方面系统地介绍ELID超精细磨削技术，并通过分析国内外研究应用状况，阐述该技术在精细加工制造行业的应用开展前景关键词：电解修整(ELID) 超精细镜面加工金属基超硬磨料砂轮硬脆材料磨削机理. z.-0 引言随着制造行业的飞速开展，硬质合金、工程陶瓷、光学玻璃、玻璃陶瓷、淬火钢及半单晶硅等硬脆难加工材料得到广泛应用，寻求低本钱、高效率的超精细加工技术的研究工作正在广泛开展超精细镜面磨削技术是一种借助高性能的机床、良好的工具(砂轮)、完善的辅助技术和稳定的环境条件，控制加工精度在0.1μm级以下、外表粗糙度Ra<0.04μm甚至Ra<0.01μm的磨削方法[1]。

然而，由于传统磨削工艺效率低、磨削力大、磨削温度高，且砂轮极易钝化、堵塞而丧失切削性能，从而造成加工面脆性破坏，加工质量恶化，难以满足高精度、高效率的加工要求随着砂轮精细修整技术的开展及超微细粒度砂轮的使用，将磨削加工的材料去除工作引入到一个新的领域ELID磨削技术是应用电化学反响的非传统材料去除技术来解决金属基超硬磨料砂轮的修整问题的超精细镜面加工技术，以其效率高、精度高、外表质量好、加工装置简单及适应性广等特点，已较广泛用于电子、机械、光学、仪表、汽车等领域1 ELID磨削的根本原理ELID(Electrolytic In-process Dressing)磨削是在磨削过程中，利用非线性电解修整作用使金属结合剂超硬磨料砂轮表层氧化层的连续修整用与钝化膜抑制电解的作用到达动态平衡从而获得稳定厚度的氧化层，使砂轮磨粒获得恒定的出刃高度和良好的容屑空间，实现稳定、可控、最正确的磨削过程，它适用于硬脆材料进展超精细镜面磨削1.1 系统做成ELID磨削的必备装置主要有磨床、电源、电解装置、电解液和砂轮五个要素详述如表1所示：表1 ELID磨削机床的组成组成要素技术要求磨床回转精度要求高(7μm)电源可采用直流、交流、脉冲电源等，以高频直流脉冲电源效果最好。

电解装置工具电极电极宜用不锈钢制造，位置和形状因磨床构造而异安装与砂轮的间隙控制在0.1—1.5mm之间〔可调〕，且与机床绝缘电解液组成兼做磨削液，一般采用弱碱性电解质水溶液，对机床无腐蚀；成分因结合剂和磨粒粒度而异输送采用中心送液法，依靠重力和离心力充满电极间隙砂轮金属结合剂有良好导电性和电解性能，结合剂元素的氧化物或氢氧化物不导电；对超硬磨料的把持强度大，防止磨料脱落；常用的有铸铁纤维结合剂(CIFB)、铸铁结合剂(CIB)和铁粉结合剂(IB) 磨粒粒度适中；硬度要求高，常采用金刚石、CBN磨粒氧化膜对砂轮外表电解氧化膜的形成速度，成膜质量有较高要求；电解膜的厚度要厚，质地要坚实不易脱落1.2 系统工作原理ELID磨削原理如图1所示金属结合剂超硬磨料砂轮的转轴与电刷的接触而接通电源正极作为阳极，铜电极〔工具电极〕与电源负极相接作为阴极砂轮与负极之间存在100~500μm的间隙〔间距可调〕，利用喷嘴喷出具有电解功能的磨削液使之充满间隙[2]在高电压〔60~120v〕和高脉冲频率电源的作用下，使磨削液电解产生阳极溶解效应，将砂轮表层的金属基体电解去除，与此同时，在砂轮外表会产生一层绝缘的钝化膜能有效抑制金属基体的过度电解，以减少砂轮基体的过分电解损耗。

因为氧化膜极易磨损，从而容易使新的磨粒露出锋利的棱角以到达修锐效果整个加工过程中电解作用与钝化膜的抑制作用到达动态平衡，保证了磨粒的恒定的突出量，使砂轮在加工过程中始终保持有磨粒突出的最正确磨削状态该技术将砂轮的修整与磨削过程结合在一起，从而实现对工件的连续超精细镜面磨削图1 平面磨削 E L I D 根本原理的装置示意图1.3 磨削机理ELID超精细磨削的过程可分为四个阶段，具体归纳如图2准备阶段 电解预先 修锐阶段 电解 修整动态 磨削阶段 光磨阶段 进展砂轮动平衡精细整形，减小圆度和圆柱度误差 获得适当出刃高度和合理的容屑空间，形成钝化膜 保持砂轮最正确磨削状态，形成精加工外表 进一步提高外表质量图2 ELID磨削过程流程图ELID磨削的机理可由图3形象描述在电解修整过程中，金属结合剂砂轮为阳极，发生如下电解反响〔以铁元素为例〕：工具电极作为阴极，电极附近电解液中的水分子发生如下反响：如图3(a)所示，在砂轮修正前，砂轮由磨粒和金属结合剂组成，磨粒均匀分布在进展磨削加工前，需单独对砂轮进展电解修整工作(图3b)，在砂轮外表电离溶解一层金属结合剂，以一定厚度的钝化膜取而代之。

一方面能有效减小砂轮的形状误差，另一方面能预先生成具有一定弹性的钝化膜，防止开场磨削时砂轮切入是造成工件的硬质划伤在磨削开场后，由于氧化膜极易磨损，固定在氧化膜中的磨粒路出锋利的棱角，其可以视为无数大小型刀具对工件外表进展微切削作用砂轮在通过与工件的接触区域后，由于工件材料的刮擦作用，磨粒磨损钝化，出刃高度降低，磨削效果变弱由于钝化膜变薄，导电性恢复，当砂轮转到工具电极位置时，在电解液的作用下，砂轮外表形成新的氧化膜，使磨料出刃高度增加〔如图3c〕当氧化膜到达磨损前的厚度时，电阻足够大而起到绝缘作用，使电解作用终止由此可知，由于这种非线性电解作用的结果，使得修整过程对磨削过程有一定的自适应能力，砂轮在每个旋转周期内都保持以一样厚度的氧化层和一样出刃高度的磨粒进展磨削，即砂轮表层氧化膜的电解生成与磨损到达动态平衡，最终使得砂轮外表结合剂基体不断被电解，新的磨料不断地露出，以保证金属基砂轮在磨削过程中的锐利性这种磨削方法即不会由于表层磨料的磨损和脱落而失去切削能力造成切屑堵塞现象，又不会造成砂轮的过快消耗，能充分发挥超硬磨料的磨削能力，非常有利于对硬脆材料实现高精度、高效率的超精细镜面磨削。

图3 ELID镜面磨削根本原理过程示意图2 ELID磨削的工艺特点及影响因素2.1 工艺特点ELID磨削不仅包含了普通磨削的优点，而且在许多方面弥补了传统磨削的缺陷，可在完全取代传统磨削为研究ELID磨削的特点，与普通镜面磨削进展比照方表2所示[3]：表2 ELID磨削与普通磨削比照普通镜面磨削ELID镜面磨削过程磨削→研磨→抛光结合磨、研、抛的复合式加工原理以柔性研磨盘把磨料压在材料外表并产生相对运动，以滚动方式使材料破碎磨粒出刃高度只有1/3，进展微量磨削；砂轮外表容纳有脱落磨料的钝化膜作为研磨膜；精磨时，进给量很小，钝化膜对工件进展光磨材料去除机理滑动和滚动方式去除破碎后的材料磨粒以滑动方式对材料进展微切削磨削力随着时间的变化增大，直至失去磨削能力磨削力几乎不随时间变化特点磨削力大、磨削温度高、效率低；砂轮极易钝化、堵塞；加工面易脆性破坏，精度和效率相对较低砂轮始终处于锐利状态，稳定性和可控性好；加工精度高，外表裂纹少，外表质量好；形状创成效率高，可实现自动化与测量；装置简单，本钱低应用*围不适合加工高强度、高硬度和高脆性材料适应性广，可加工非金属硬脆材料和淬硬黑色金属2.2 影响ELID磨削的因素影响ELID的磨削效果的因素众多，根据目前的实验研究和文献总结，除了与普通磨削所共有的影响因素外，影响ELID磨削效果特有的因素如下： (1)氧化膜的影响ELID镜面磨削的技术核心是由于氧化膜的弹性效应与隔离效应形成的超微量切削作用，氧化膜在磨削过程中的状态对ELID磨削效果的影响如图4所示：ELID磨削效果氧化膜厚度及弹性 电解过程 磨削过程 金属结合剂成分与配比 电解液成分与供液速度 脉冲电源的种类与参数 砂轮与电极之间的间隙 图4 氧化膜对ELID磨削效果的影响(2) 磨粒的影响如图3所示，在ELID磨削过程中，由于砂轮外表的氧化膜具有一定的厚度和弹性且能够容纳脱落的磨料，参与磨削的超硬磨粒存在三种状态：紧紧固定在金属结合剂中的磨粒；因电解脱落而固定在氧化膜中的磨粒；容纳在氧化膜中的磨损过的磨粒。

在磨削加工中，固定在结合剂中的磨粒对金属进展切削加工；研磨加工时，氧化膜作为一种具有良好柔性的研磨膜，因为进给量小于氧化膜的厚度，固定在结合剂中的磨粒不与工件接触，而固定在氧化膜中的磨粒对工件进展类似的研磨；而精磨时，由于进给量很小，钝化膜的厚度远大于磨料的出刃高度，弹性氧化膜具有良好的隔离效应，使得固定在氧化膜中的磨粒也不可能直接与工件接触，容纳在氧化膜中磨损过的磨粒成为自由的研磨剂对工件的作用类似抛光因此，ELID磨削实际上是一个合磨削、研磨、抛光为一体的复合式精细加工技术3) 砂轮粒度及切削深度的影响砂轮粒度与外表粗糙度的关系可由图5的示意曲线表示：图5 砂轮粒度与外表粗糙度关系关系曲线ELID磨削时砂轮粒度不仅与工件的外表粗糙度有关，还与工件外表的力学性能有密切联系由图5可知，磨粒粒径的变化，工件材料也发生不同形式的变形当磨料粒度较大时，工件外表材料的去除形式主要表现为脆性破坏的形式，工件外表会出现裂纹，导致工件的力学性能下降随着砂轮粒度的减小，工件材料的去除方式逐渐变为脆一塑性方式甚至是塑性方式，所以砂轮的粒度越小，同时参与磨削的磨粒数目增多，工件的外表粗糙度值逐渐减小，工件的外表越光滑〔如图6〕。

当工件外表材料主要通过塑性变形来去除时，工件外表的力学性能较好当砂轮粒度减小到一定程度后(如#4000的砂轮)，工件外表粗糙度变化不大[4]图6 磨削外表AFM图像：(a)#1200砂轮；(b) #4000砂轮磨削力的大小同样对加工质量有直接影响由于ELID磨削主要以微切削形式加工，切削深度很小，因为在砂轮外表上形成的氧化膜厚度通常大于5μm，所以当切削深度在5～10μm时，得到的加工工件外表粗糙度较好随着磨削深度的逐渐增大，法向磨削力和切向磨削力均随其逐渐增大，在同一磨削深度下，粒度越细的砂轮受到的磨削力越大4) 脉冲电源的影响ELID磨削加工过程中，砂轮外表的氧化膜的厚度与砂轮电解修锐过程有关，而影响电解效果的主要因素有电源电流大小及占空比氧化膜的厚度直接影响了砂轮与电极之间的导电性，电解过程中电流的大小与电解时间的关系可用下列图7表示[5]：图7 电流与电解时间关系曲线由图可知，电解过程中电流的大小与电解时间呈负相关关系，即氧化膜越厚，电解电流越小；当氧化膜到达一定厚度时，电解电流趋近于零，可视为电解过程停顿通过电源电流与氧化膜厚度的相互约束关系能有效的控制磨削加工过程电源的脉冲占空比可定义如下：其中TON为脉冲宽度，TOFF为脉冲间隔。

由上式可知，当占空比增大时，电解电流随之增大，电解速度也随着增加，砂轮上的氧化膜较厚，反之则较薄相关试验说明，当氧化膜较薄时，砂轮上更多地磨粒参与磨削，因此磨削力较大，工件外表上由磨粒产生的划痕较深，外表粗糙度较大而当氧化膜较厚时，由于氧化膜弹性较好，ELID磨。