ELID超精密磨削技术综述.doc

8/8ELID超精密磨削技术综述蔡智杰天津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在线电解修整(ElectrolyticIn-processDressing,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，开辟了超精密加工的新途径，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超精密磨削技术，并通过分析国内外研究应用状况，阐述该技术在精密加工制造行业的应用发展前景。关键词：在线电解修整(ELID)超精密镜面加工金属基超硬磨料砂轮硬脆材料磨削机理0引言随着制造行业的飞速发展，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，寻求低成本、高效率的超精密加工技术的研究工作正在广泛开展。超精密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、表面粗糙度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。随着砂轮精密修整技术的发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应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密镜面加工技术，以其效率高、精度高、表面质量好、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。1ELID磨削的基本原理ELID(ElectrolyticIn-processDressing)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达到动态平衡。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、最佳的磨削过程，它适用于硬脆材料进行超精密镜面磨削。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1ELID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，位置和形状因磨床结构而异。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。氧化膜对砂轮表面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，在砂轮表面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达到修锐效果。整个加工过程中电解作用与钝化膜的抑制作用达到动态平衡，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佳磨削状态。该技术将砂轮的在线修整与磨削过程结合在一起，从而实现对工件的连续超精密镜面磨削。图1平面磨削ELID基本原理的装置示意图1.3磨削机理ELID超精密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在线电解修整动态磨削阶段光磨阶段进行砂轮动平衡精密整形，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佳磨削状态，形成精加工表面进一步提高表面质量图2ELID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，发生如下电解反应（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应：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。在进行磨削加工前，需单独对砂轮进行电解修整工作(图3b)，在砂