（机械制造及其自动化专业论文）电火花精密整形与elid精密磨削试验研究.pdf

中文摘要 随着科技的进步和高新技术产业的快速发展，脆硬材料的应用日益广泛，脆硬 材料的精密、超精密加工技术的研究也越来越受到重视。电火花整形是应用电火花 加工原理，利用工件和工具电极间脉冲性的火花放电，靠局部瞬时高温把金属材料 蚀除下来，从而通过工件和工具电极作相对成形运动达到整形的目的。e l i d ( e l e c t r o l y t i ci n - p r o c e s sd r e s s i n g ) 磨削技术是在电化学加工、电解磨削原理 基础上发展起来的一项磨削新技术，是一种新型的在线连续修整磨削的方法。研究 表明，利用电火花精密整形后的高精度金刚石微粉砂轮作为工具，采用e l i d 磨削， 可以实现脆硬材料的超精密镜面加工。 本文通过对电火花加工技术、脆硬材料的磨削技术、金刚石砂轮的修整技术、 脆硬材料的磨削去除机理和e l i d 磨削机理等相关技术资料的分析，结合最新的e l i d 磨削和电火花整形的研究成果，进行了金属基金刚石微粉砂轮电火花精密整形与氮 化硅陶瓷的e l i d 精密磨削试验研究。试验采用了先进的纳米级微进给工作台和 n u d a q - 2 0 1 0 数据采集卡，引入了基于l a b v i e w 编程的实时监测和数据采集系统。经 过反复调整试验参数，不断优化试验流程，并在对试验现象和试验数据的研究处理 的基础上，本论文总结了金属基金刚石砂轮电火花整形规律和氮化硅陶瓷e l i d 磨削 规律，为今后在电火花精密整型技术和e l i d 精密磨削技术的研究方面，及二者结合 实现超精密加工的应用方面提供了一定的借鉴作用。另外，通过改进试验手段和方 法，在试验结果上，电火花精整后的金刚石砂轮的圆度误差达到了0 8u ， e l i d 磨削的氮化硅工件表面粗糙度值达到了1 0n m ，取彳导了较好的效果。 关键词：超精密加工技术；脆硬材料；电火花精密整形；在线电解修整( e l i d ) a b s t i 认c t w i t ht h ep r o g r e s so fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya n df a s td e v e l o p m e n to ft h en e w h i g h t e c hi n d u s t r y , t h eh a r da n db r i t t l em a t e r i a l sa r ca p p l i e dm o r ee x t e n s i v e l yd a yb yd a y ； m o r ea t t e n t i o ni sb e i n gp a i dt ot h er e s e a r c ho f t h eh a r da n db r i t t l em a t e r i a lu l t r ap r e c i s i o n p r o c e s st e c h n o l o g y t h ep r i n c i p l eo fe d ( e l e c t r od i s c h a r g e ) t r u i n gi s o n ek i n do f e l e c t r i cs p a r kp r o c e s s ，i nw h i c hw o r kp i e c ea n dt o o le l e c t r o d es p a r ko f p u l s ed i s c h a r g ei s u t i l i z e dt os e p a r a t em e t a lm a t e r i a lf r o mw o r kp i e c eb ym e a n so fi n s t a n t a n e o u sh i g h t e m p e r a t u r e e l i d ( e l e c t r o l y t i ci n p r o c e s sd r e s s i n g ) i san e wt e c h n o l o g yi n v o l v e di n e l e c t r i cc h e m i c a lm a c h i n i n ga n de l e c t r o l y t i cm i l l i n g i ti sak i n do fn e w t y p em e t h o do f p r u n i n ga n dg r i n d i n gi ns u c c e s s i o n t h em e t a l - b o n d e df i n eg r a i nd i a m o n dw h e e la f t e r e dt r u i n gi sa d o p t e dt or e a l i z ee l i dg r i n d i n g ，w h i c hc a nb eu t i l i z e dt oa c c o m p l i s hu l t r a p r e c i s i o ns u r f a c eg r i n d i n go f t h eh a r da n d b r i t t l em a t e r i a l t h i st e s ta n a l y z e dt h ee dt e c h n o l o g y , t h e 鲥n d i n gt e c h n o l o g yo fh a r da n db r i t t l e m a t e r i a l s ，p r u n i n go fd i a m o n de m e r yw h e e l ，t h eg r i n d i n gp r i n c i p l ea n de l i dg r i n d i n g p r i n c i p l eo f h a r da n db r i t t l em a t e r i a l s ，a n ds oo n o nb a s i so f t h er e s e a r c hr e s u l t so f t h e l a t e s te l i dg r i n d i n ga n de dt r u i n g ，e x p e r i m e n t a ls t u d yo fe dp r e c i s i o nt r u i n go n m e t a l b o n d e df i n eg r a i nd i a m o n dw h e e la n de l i dp r e c i s i o ng r i n d i n gw e r ec a r r i e do n a na d v a n c e dn a n o m e t e r sg r a d ew o r k i n gb e n c ha n dn u d a q 一2 0 1 0d a t ac o l l e c t i n gc a r d w e r ea d o p t e di nt e s t ，a n dr e a l t i m em o n i t o r i n ga n dd a t ac o l l e c t i n gs y s t e mb a s e do n l a b v i e wp r o g r a m m i n gw e r e i n 仃o d u c c d t h r o u g ha d j u s t i n gt h ee x p e r i m e n t a l p a r a m e t e rr e p e a t e d l y , o p t i m i z i n gt h ep r o c e d u r eo ft e s t i n gc o n s t a n t l y , a n dd e a l i n gw i t h t e s tp h e n o m e n o na n dt e s td a t a , al a wo fe dt r u i n go nm e t a l b o n d e df i n eg r a i nd i a m o n d w h e e la n ds i 3 n 4e l i dg r i n d i n ga r es u m m a r i z e di nt h ep a p e r t h er e s u l tw i l lo f f e r r e f e r e n c ef u n c t i o ni nr e s e a r c ho fe dp r e c i s i o nt r u i n ga n de l i dp r e c i s i o n 鲥n d i n gi n f u t u r e ，s oi st h ea p p l i c a t i o no ft h et w oc o m b i n i n gi nt h ef u t u r e f u r t h e rm o r e ，ag o o d r e s u l ti sa c q u i r e di nt h et e s t ：r o u n dd e g r e eo fm e t a l b o n d e df i n eg r a i nd i a m o n dw h e e l w i t he dp r e c i s i o nt r u i n gi so 8 p r o a n ds u r f a c er o u g h h e s sd e g r e eo fs i 3 n 4w i t he l l d g r i n d i n gi s1 o h m k e yw o r d s ：t e c h n o l o g yo f u l t r a p r e c i s i o nm a c h i n i n g ；h a r da n db r i t t l em a t e r i a l s ；e d p r e c i s i o nt r u i n g ：e l e c t r o l y t i ci n - p r o c e s sd r e s s i n g ( e l i d ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名砷唬八签字吼御年7 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名爷五订 签字日期：谢年7 月历 导师签名：厶产d 铲 期0 签字日期：力巾年7 月占日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 精密与超精密加工技术 1 1 1 精密与超糟密加工技术概述 生产的发展要求不断提高机器的工作精度和运转精度，为此，在2 0 世纪 6 0 年代提出了精密、超精密加工的概念。精密、超精密加工技术在提高机电产 品的性能、质量和发展高新技术中起着至关重要的作用。因此这一概念的提出， 就迅速在美国、日本和英国等国家得到了重视和发展。 精密与超精密加工属于机械制造的尖端技术，是发展其他高技术的基础和 关键。精密与超精密加工技术涉及多种基础学科( 如物理学、化学、力学、电磁 学、光学、声学) 和多种新兴技术( 如材料科学、计算机技术、自动控制技 术、精密测量技术、现代管理科学) ，其发展有赖于这些学科和技术的发展， 同时又会带动和促进相关科学技术的发展。事实上，精密与超精密加工技术已 构成高新技术的一个重要生长点。精密与超精密加工技术的高低往往是衡量一 个国家制造业水平的重要标志1 1 j 。 精密和超精密加工是一项内容广泛的新技术，涉及超精密机床的设计理论、 超精密加工刀具制造技术、超精密加工机理、超精密测量与误差补偿技术、加 工环境控制技术等许多方面【2 】。在不同的历史时期，由于加工手段和支持技术 的限制，超精密加工曾被赋予不同的内涵。目前，对于精密和超精密加工还没 有确切统一的界限，但是一般将加工精度为1um 0 1 i i m 、表面粗糙度 r a o 1um o 0 2 5um 的加工称作精密加工，将加工精度高于0 1um 、表面粗糙 度r a 。 o 0 2 5pm 的加工就是超精密加工【3 l 【4 】。国内外的文献中还将精密与超精 密加工分为微米级( 形状尺寸误差为3 0 3 um 、表面粗糙度为r a o 3 0 0 3um ) 、和亚微米级( 形状尺寸误差为0 3 0 0 3um 、表面粗糙度为r a o 0 3 0 0 0 5um ) 和纳米级( 形状尺寸误差小丁0 0 3 um 、表面粗糙度小于r a o 0 0 5 i l m ) 精度的加工，并且把微米级精度加工称为精密加工，亚微米级和纳米级精度的 加工称为超精密加工【5 l 。为了实现这些加工所采取的工艺方法和技术措施，则 称为精密、超精密加工技术。 第一章绪论 1 、精密与超精密加工技术的研究领域 1 ) 超精密切削嘲超精密切削又称单点金刚石车削( s p d t ) 金刚石超精 密切削主要用于对有色金属( 包括铜、铝及其合金、银、金、非电解镍等) 等 材料的表面质量要求非常高的超精密零件进行“镜面加工”，如加工计算机磁盘、 光学系统的反射镜( 平面、球面及非球面) 和多面棱镜：也可进行大型零件和 复杂形状零件的超精密加工。对脆性材料进行塑性域的超精密车削加工始于 1 9 8 7 年，美国卡罗莱那州立大学的学者b l a k e 和s c a t t e r g o o d 等人首先对脆性光 学材料单晶锗进行了一系列的车削实验研究，并成功地实现了脆性材料塑性域 超精密车削。另外，结合超声振动或超低温技术等辅助措施的超精密金刚石切 削也取得了一些进展。 2 ) 超精密磨削与研磨作为传统超精密加工工艺的磨削，在超精密加工研 究的初期曾被国内外研究者所忽视。主要原因在于砂轮切削刃高度沿径向分布 的随机性和磨损的不规律性。随着砂轮精密修整技术的解决及超微细粒度砂轮 的使用，超精密镜面磨削逐渐受到了人们的重视1 7 1 8 0 1 。精密和超精密磨削具有 广泛的应用范围，可用于超精密金刚石车削无法实现的黑色金属、硬质合金、 工程陶瓷、光学玻璃、蓝宝石、光学晶体、单晶硅、砷化镓等材料的超精密加 工。现在，超精密磨削可以达到0 11 1m 以下的加工精度和r a o 0 0 3pm 左右的表 面粗糙度。 超精密研磨也取得了巨大的发展，并在实际生产中得到了应用。比如解决 了集成电路基片( 硅、砷化镓) 、高精度磁盘、v c r 磁头、光学平晶及超精密光 学镜面等的加工问题，并且是一种能实现无加工变质层、无表面损伤( 不破坏 晶体的原子排列) 的超精密加工方法。超精密研磨已经形成了一个规模宏大的 技术群，典型的代表有：化学机械研磨、弹性发射加工( e e m ) 、悬浮抛光、磁性 流体研磨和磁性磨料研磨等。 3 ) 超精密特种加工【1o l 超精密特殊加工工艺涉及范围广，包括：电子束 加工、激光束加工、电化学喷射加工、电火花加工、电化学加工、l i g a 技术 ( l i t h o g r a p h i cg a l v a n o f o r n ga b f o r m u n g ) 和扫描隧道显微加工技术等 p o l l 。其中。电子柬和离子束加工实现了集成电路线宽小于0 1um ；电火花加 工得到了尺寸为几十微米的零件；l i g a 技术可批量生产各种金属及其合金、陶 瓷、玻璃等材料制成的高度达数百微米，加工精度为0 1l am 的三维立体微结构； 第一章绪论 扫描隧道显微加工可以用来进行单个原子的去除、添加和移动，是目前最极限 加工技术的代表1 1 1 】。 2 、精密与超精密加工技术的研究内容【1 2 1 1 ) 加工机理当前，传统加工方法主要有金刚石刀具超精密切削，金刚石 微粉砂轮超精密磨削，精密高速切削和精密沙带磨削等。非传统加工方法主要 有电子束、离子束、激光束等高能束加工，电火花、电化学加工，光刻( 刻蚀) 等。并出现了具有复合加工机理的电解研磨，磁流体抛光，超声研磨等复合加 工方法。加工机理的研究是精密加工的理论基础和新技术的生长点。 2 ) 被加工材料精密和超精密加工的被加工材料在化学成分、物理力学性 能和可加工性上均有严格的要求，它们应该质地均匀、性能稳定、外部和内部 均无宏观和微观缺陷。 3 ) 加工设备和工艺装备精密和超精密加工应有高精度、高刚度、高稳定 性和自动化的机床，相应的金刚石刀具、立方氧化硼刀具、金刚石砂轮、立方 氮化硼砂轮，以及相应的高精度、高刚度夹具等工艺装备，才能保证加工质量 4 ) 检测技术精密和超精密加工必须具备相应的检测技术，形成加工和检 测一体化。检测有三种方法：离线检测、在位检测、在线检测。目前，高精度 的尺寸、形状、位置精度可采用电感测微仪、电容测微仪、自准直仪、激光干 涉仪来测量。表面粗糙度可用电感式、压电晶体式表面形貌仪进行接触测量， 可用光纤法、电容法、超声微波法、隧道显镜法进行接触测量；表面应力、表 面微裂纹、表面变质层深度缺陷可用x 射线衍射法、激光干涉法、超声波法来 测量。 5 ) 工作环境精密和超精密加工要求在定的环境下工作，才能达到在精 度和表面质量上的技术参数。工作环境的条件主要有温度、湿度、净化、防震 等方面的要求，有时还有噪声、光、静电、电磁、放射线等方面的特殊要求。 3 、超精密) j u r a 的发展趋势 超精密加工的发展趋势包括以下几个方面1 1 3 1 ： 1 ) 向更高精度、更高效率和大型化方向发展； 2 ) 采用计算机补偿技术提高加工精度； 3 ) 超精密加t 与在线测量一体化； 4 ) 采用自动化制造系统； 3 第一章绪论 5 ) 发展模块化超精密机床： 6 ) 提高工件材料的组织均匀性 1 1 2 超精密镜面磨削技术概述 超精密镜面磨削技术是指借助于高性能的机床、良好的工具技术( 砂轮) 、 完善的辅助技术和稳定的环境条件，控制加工精度在o 1 l m 级以下、表面粗糙 度r a 。暑_【o 芒-莹u 6 5 4 3 2 ， o 住 ； m 镗 。 之d 镕= o 第二章铸铁基金刚石砂轮电火花精密整形试验研究 当电极间隙由大变小时，一旦电极上高点跟电极的间隙达到放电间隙值， 电路由空载进入正常放电状态，如图2 1 1 所示，电压由6 0 v 降为2 0 v 左右，电流 由零变为5 2 a 左右。 6 ) 空载和拉弧 进给时，如果砂轮与电极之间间隙微量超出放电间隙范围，就产生拉弧现 象。如图2 一1 2 所示，这时峰值电压由6 0 v 降至1 6 v 左右，电流由零升到5 5 a 。如 果拉弧轻微，另外拉弧不长时间连续，对砂轮整形影响不大；如果长时间连续 拉弧，应当立即采取措施。正常放电有时也伴随有个别的拉弧现象。 i o o 2 0 03 0 0 4 0 0 5 0 06 0 0 t i r e u s 图2 - 1 2 空载和拉弧脉冲波形 7 ) 正常放电和短路 证常放电时，如果增加进给，就会在极间发生短路。如图2 一1 3 所示，电眶 由正常放电的3 6 v 左右降到接近于零，电流由6 5 a 升高到8 a 左右。 v苫。ju 6 5 4 3 2 1 o 花 ：5 ； m 佗 。 之。等= o 第二章铸铁基金刚石砂轮电火花精密整形试验研究 1 0 0 2 0 03 0 0 4 0 05 0 06 0 0 图2 一1 3 有效放电和短路脉冲波形 8 ) 拉弧和短路 如果产生连续拉弧而没有采取措施，或者在拉弧时进给，就会产生短路。 如图2 - - 1 4 所示，电流由5 5 a 上升到6 5 a ，电压由1 6 v 降至零。 之 蛊 墨 墨 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 t i m e u s 图2 - 1 4 拉弧和短路脉冲波形 善m b 8 6 5 4 3 2 1 o 花 i ；m 住。 之暑日=o v 芒o o 鲁u 的幻0 第二章铸铁基金刚石砂轮电火花精密整形试验研究 2 2 4 电火花整形实验过程及分析 首先，通过l a b v i e w 软件编程，采用设定放电电流值触发的形式进行数 据采集存储，并对整个实验的电火花放电状态进行监控。其次，通过微进给工 作台有效调节放电间隙，减小开路和电弧放电及短路的机率，充分利用正常火 花放电。当砂轮几个转动周期的周圈放电的电压和电流曲线接近平滑时，利用 非接触式电容传感器进行圆度测试，并通过l a b v i e w 采集圆度信号进行分析。 实验中，为了保证采集数据的准确性和实验的通用性，电火花采样频率设定为 2 m h z ，圆度采样频率为2 5 z 。为了减小震动对实验的影响，砂轮在整形前 做静平衡。整个实验分成粗整、半精整、精整三个阶段。由于在各个加工阶段 电极的材料和冷却液都相同，所以修整效率和精度直接决定于放电电压和脉冲 参数。在本实验中，以砂轮旋转一周放电脉冲数占一周总脉冲数的百分比，作 为是否达到某种电参数最高加工效率的判据。当各修整阶段的百分数接近1 0 0 后，说明砂轮的圆度基本达到了本阶段的要求，再继续加工，精度也不再有大 的提高，应换小参数修整。 1 、粗整阶段 粗整阶段是以火花蚀除效率为主。由于待修砂轮初始圆度误差较大，达几 十个微米，高点多而且比较集中，应选择大电压、占空比大的电规准，这样可 以保证单个火花放电的能量大，材料蚀除量大。在加工过程中，工作台带动工 具电极作横向往复运动，这样在电极形状误差对砂轮修整精度影响较小的前提 下，可以保证电极和砂轮在有效面积的接触时间长，修整效率