（机械制造及其自动化专业论文）脉冲电源改进及elid磨削技术实验研究.pdf

中文摘要 随着科学技术的进步，硬脆材料的应用也随之日益广泛。为实现硬脆材料的 精密、超精密加工，发展出了各种新型磨削方式。其中e l i d ( e l e c t r o l y t i c i n - p r o c e s sd r e s s i n g ) 磨削技术是最易于实际应用的新技术之一。该技术将砂 轮修整与磨削过程结合在一起，利用金属基砂轮微量磨削作用进行磨削加工的同 时，利用非线性电解作用对砂轮进行修整，从而避免砂轮的钝化和堵塞现象，实 现对硬脆材料的精密磨削。同时，由于金属结合剂砂轮难以使用传统的整形方式， 因此发展出了电火花精密整形技术。本文对超精密磨削用高频脉冲电源进行性能 改进，在此基础上对铸铁结合剂金刚石砂轮在线电解修整( e l i d ) 磨削技术与电 火花精密整形技术进行了研究。 本文首先介绍了e l i d 磨削专用高频脉冲电源，并在原来电源基础上做了一 系列性能改进，结合计算机输出高频宜流脉冲电压，为以后e l i d 磨削的自动化 控制打下基础。然后详细阐述铸铁结合剂金刚石砂轮电火花整形技术。由于砂轮 的形状精度直接影响着工件磨削表面质量，但铸铁结合剂金刚石砂轮具有的高刚 度、高强度使得砂轮难以整形。根据电火花加工原理，通过一系列实验，借助于 数据采集系统采集整形过程中的电压和电流，总结了铸铁结合金刚石砂轮的电火 花整形规律。通过电火花整形，使铸铁结合剂砂轮达到了精密磨削的要求。最后， 介绍了e l i d 超精密磨削技术的磨削原理、步骤及其特点，并在平面磨床m m 7 1 2 0 a 上进行了氮化硅材料的e l i d 磨削实验，最终氮化硅材料表面粗糙度小于5 纳米。 关键词：超精密磨削；硬脆材料；数据采集系统；铸铁结合剂金刚石砂轮；电 火花整形；在线电解修整( e l i d ) a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h eh a r da n db r i t t l em a t e r i a l s ， s u c h 嬲c e r a m i c sa r em e e t i n gaw i d e ra d o p t i o n i no r d e rt or e a l i z et h eu l t r ap r e c i s i o n g r i n d i n go f h a r da n d b r i t t l em a t e r i a l s ，m a n yk i n d so f n e w g r i n d i n gm e t h o d sh a v eb e e n d e v e l o p e d 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 ) g r i n d i n gt e c h n i q u ei so n eo f t h e e a s i e s tp r a c t i c a la p p l i c a t i o ng r i n d i n gt e c h n o l o g y 1 1 l et e c h n i q u ec o m b i n e st h ed r e s s i n g o fg r i n d i n gw h e e l sw i l l lt h eg r i n d i n gp r o c e s s i nt h ec o u r s eo fg r i n d i n gw i mt h e m i n u t ec u t t i n go fg r i n d i n gw h e e l s ，t h ew h e e l sa r ea l s ob e i n gd r e s s e db yt h en o n l i n e a r e l e c t r o l y s i s t h u s ，t h ep h e l o n l e n ao fp a s s i v a t i o na n do b s t r u c t i o na r ea v o i d e da n dt h e p r e c i s i o ng r i n d i n go fh a r da n db r i t t l em a t e r i a l si sa c h i e v e d a tt h es a l n et i m e , i ti s d i 伍c u l tt o t r u i n gm e t a l - b o n d e dw h e e l sb yc o n v e n t i o n a lm e t h o d s e dt r u i n g t e e h i q u eh a sb e e nd e v e l o p e d t l l i sp a p e rf i r s tf o c u s e so nr e - d e s i g no ft h eh i g h f r e q u e n c yp u l s ep o w e rf o rd e s i r e dp e r f o r m a n c e , t h e nh a v eas t u d yo f t h et e c h n o l o g y o fe l i dg r i n d i n gw i t hc a s t - i r o nb o n d e dd i a m o n dw h e e la n de dp r e c i s i o nt r u i n go f m e t a l b o n d e dg r i n d i n g 、) l 】1 l e e l f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eh i g hf r e q u e n c yp u l s ep o w e rf o re l i d g r i n d i n g , a n dm a k e sab i gi m p r o v e m e n to fi t sp e r f o r m a n c ew i t ha no u t p u to fh i 曲 f r e q u e n c yp u l s ev o l t a g e , w h i c he s t a b l i s h e d ag o o df o u n d a t i o nf o ra u t o m a t i o n t e c h n i q u eo f e l i dp r e c i s i o ng r i n d i n g t h e n , e de l e c t r o d i s c h a r g et r u i n g ( e dt r u i n g ) t e c h n i q u ei se x p l a i n e di nd e t a i l t h es h a p ep r e c i s i o no fg r i n d i n gw h e e la f f e c t st h e s l l r f a c ef i n i s ho fw o r kp i e c ed i r e c t l y b u tt h ep r e c i s et r u i n go fac a s ti r o nb o n d e d g r i n d i n gw h e e li sc o n s i d e r a b l yd i f f i c u l t s ot h ea u t h o rc f l l r i e s o u tas e r i e so f e x p e r i m e n t sf o rs p a r kt r u i n go nt h eb a s eo fs p a r k l i n gp r o c e s s i n gp r i n c i p l 髑a n da lt h e s a m et i m ead a t ac o l l e c t i n gs y s t e mi su s e dt oc o l l e c tt h ec u r r e n ta n dv o l t a g e w i t ht h e h e l po f i t ，t h es u r f a c eq u a l i t yc a nb ee s t i m a t e dr e a lt i m e b ym p 斑t l so f s p a r kt r u i n g , t h e c a s ti r o nb o n d e dd i a m o n dg r i n d i n gw h e e lc a l lm e e tt h er e q u i r e m e n t so f u l t r ap r e c i s i o n m a c h i n i n g , a tl a s t , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e ，p r o c e s s ，a n di t sc h a r a c t e r i s t i c o fe l i dg r i n d i n g t h ea u t h o rc a k r i e so u te l i dg r i n d i n ge x p e r i m e n t so fs i 2 n 3 m a t e r i a lo nt h em m 7 1 2 0 a g r i n d i n gt o o lw i t hs u r f a c ea c c u r a c yl e s st h a n5 r i m k e y w o r d s ：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 ：l a b v i e w , c a s ti r o nb o n d e dd i a m o n dg r i n d i n gw h e e l ；e dt 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，也不包含为获得盘洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的- 丰才料。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： 阪签字吼弘移矽所 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘凄盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘鲎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： 签字日期o 嘭年 锄融 月嘶 导师签名： 、趣浮 签字日期：j 年，月2 参日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 精密与超精密加工技术 第一章绪论 1 1 1 国内外超精密加工技术的发展概况 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7 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。超精密加工领域起步最早的是 美国，日本则是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。 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( 就能达到的极限指标而言) 。因此，对于 超精密加工还没有确切统一的定义，但是一般将加工精度为1 i m a , - o 1 1 u n 、表面 粗糙度r a 0 1 肛m o 0 2 5 1 t i n 的加工称作精密j o t ，将加工精度高于o 1 m 、表面粗 糙度r a 一 0 0 2 5 1 m a 的加工就是超精密加工【8 】【9 】。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 o 3 1 t m 、表面粗糙度为r a 0 3 加0 3 1 , t m ) 、 和亚微米级( 形状尺寸误差为0 3 o 0 3 p , m 、表面粗糙度为r a 0 0 3 o 0 0 5 1 t m ) 和 纳米级( 形状尺寸误差小于0 0 3 1 m a 、表面粗糙度小于r a 0 0 0 5 p , m ) 精度的加s e t 3 1 。 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。 由于其涉及到测量技术、环境保障和材料等问题，因此，人们把这种加工技术总 称为精密工程。 1 1 2 超精密j j o - t - 技术的研究领域 1 ) 超精密切n t 4 超精密切削又称单点金刚石车削( s p d t ) ，金刚石超精 密切削加工技术主要是指用高精度的机床和单晶金刚石刀具，在严格的加工环境 下，选择适当的工艺参数进行切削加工来达到亚微米级以上精度的加工技术。超 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 精密加工是指加工误差小于0 1 0 m ，表面粗糙度小于r a 0 0 2 5 m n 的加工技术，又 称之为亚微米级加工。事实上，目前超精密精加工已进入纳米级并称之为纳米加 工技术，因此，亚微米级和纳米级精度的加工技术被称为当代的超精密加工技术。 国外超精密切削加工技术是2 0 世纪6 0 年代提出，7 0 年代初期开始发展的，主 要集中在美国、英国、日本等发达国家，8 0 年代中期，取得了举世瞩目的成果， 出现了美国加利福尼亚大学l a w r e n c el i v e n m o r e 实验室、英国c r a n f i e l d 大学精密 工程研究所( c u p 西、日本精密工学会等一些著名的研究机构和团体，研制了大、 中、小型多种型号的金刚石超精密切削机床。我国超精密切削加工技术的研究起 步较晚，9 0 年代中期才开始有了较大的发展，北京机床研究所、哈尔滨工业大学、 航空工业总公司3 0 3 所、长春光机所、兵总2 0 5 所等单位在这方面进行了卓有成效 的研究，取得了可喜的成果。 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 8 】【2 9 】【3 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 1 p m 以下的加工精度和r a 0 0 0 3 p r o 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 | 导到了应用。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 c g a l v a n o f o r m u n ga b f o r m u n g ) 和扫描隧道显微n t 技术等f 5 】嘲。其中，电子束和 离子束加工实现了集成电路线宽小于0 1 0 r e ：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 1 岫的三维立体微结构；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，是目前所谓的最极限的加工技术的代表。 1 1 3 超精密加工技术的研究内容 精密和超精密加工的研究内容主要包括1 7 1 ： 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 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砂轮磨削等。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、立方氮化硼刀具、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一定的环境下工作，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。 超精密加工的发展趋势包括以下几个方面【1 0 】： 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 ) 超精密加工与在线测量一体化； 4 ) 采用自动化制造系统避免人工操作引起的随机误差； 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 4 超精密镜面磨削技术 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0 1 p m 级以下、表面粗糙度 r a 0 0 4 岫甚至r a 罾一母r 天津大学硕士学位论文第三章基于纳米进给的铸铁结合荆砂轮电火花精密整形研究 3 3 3 短路 1 0 0 2 0 0 n n 4 0 0 5 0 0 6 0 0 1 f i t i c u 3 图3 5 电火花整形时有效脉冲波形 短路时砂轮跟电极几乎完全接触，形成不了放电空间。如图3 6 所示电压很 低，几乎接近为零，电流为最大值，波形光滑。短路的瞬间会放出很大的火花， 形成局部高温烧毁电极表面，对砂轮的电火花整形极为不利，而且一旦短路，前 功尽弃，因此必须避免短路现象。 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 n m c 埘 图3 6 短路脉冲波形 3 3 4 空载和正常放电 当电极间隙由大变小时，一旦电极上高点跟电极的问隙达到放电间隙，电路 由空载进入正常放电状态，如图3 7 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。 u r 气4 i ，1 n m 们钟钟们o m霉一连r ) 矗二暑u 柏佃0 天津大学硕士学位论文第三章基于纳米进给的铸铁结合剂砂轮电火花精密整形研究 1 0 0 2 0 03 0 0 4 0 05 0 06 0 0 1 - 埘e t 1 8 图3 7 空载和有效放电脉冲波形 3 3 5 正常放电和短路 当砂轮与电极之间间隙进一步减小，如果进给量过大，电路就会发生短路， 如图3 8 所示，电压由2 0 v 左右降到接近于零，电流由6 5 a 升高n s a 左右。 毛”n - 臂1 1 ，s 。o 1 0 0 2 0 0 n n 4 0 0 5 0 06 0 0 图3 8 有效放电和短路脉冲波形 3 4 铸铁结合剂金刚石砂轮电火花整形影响因素 3 4 1 放电参数的选择【5 】 9 0 7 5 r n 4 s 口n i n 在电火花整形过程中，放电参数是影响电火花整形精度和效率的主导因素。 金刚石砂轮与工具电极发生脉冲性电火花放电，在砂轮表面形成放电凹坑，其形 状如图3 - 9 所示。在重复放电的过程中、每个脉冲放电的凹坑相互重叠，如图3 1 0 6 5 4 3 2 1 0 花 “ 佗 o ，听_ 罾一o 8专 天津大学硕士学位论文第二章基于纳米进给的铸铁结合剂砂轮电火花精密整形研究 所示。随着电压的增加，整形后的砂轮表面质量会变差，布满较大的凹坑，而且 发现有烧伤的痕迹。其原因是在于工作液的电阻率较小，放电过程中对放电通道 的压缩作用差，消电离能力也很低，当脉冲能量提高到一定数值之后，电极间工 作液的介电性能也得不到恢复，造成电弧放电，把砂轮表面烧伤或电蚀出较大凹 坑。因此要得到较高的整形精度，宜采用低电压、窄脉冲、高功率密度的放电参 数。 图3 - 9 电火花放电凹坑断面几何形状图3 1 0 重叠的脉冲放电凹坑 电压与整形效率也有密切的关系。研究结果表明，无论正极或负极都存在着 单个脉冲的蚀除量q 与单个脉冲能量w m 在一定范围内成正比的关系。在某一段 时间内的蚀除总量q 等于这段时间内单个有效脉冲蚀除量的总和。故正、负极 的蚀除速度，与单个有效脉冲蚀除量成正比。用公式表示为： q 4 = k 拶u 叭 q = k 。w u f tj 屹= 孚= k w u f 妒 k = 孚= k 。w u f 矿 ( 3 - 1 ) ( 3 2 ) 式中级，q 正极，负极的总蚀除量；( 角标a 表示正极，c 表示负极) v 。，k 正极，负极的蚀除速度，亦即工件生产率或工件的损耗速度； 阡0 单个脉冲能量； 厂脉冲频率； t 加工时间： j 已，e 与正，负电极材料、脉冲参数及工作液有关的工艺参数； 毋有效脉冲利用率； 单个脉冲放电所释放的能量取决于电极问的放电电压、放电电流和放电持续 时间，所以单个脉冲放电能量为 = 【u ( t ) i ( t ) d t ( 3 - - 3 ) 式中f 单个脉冲实际放电时间； “( f ) 放电间隙随时问而变化的电压( v ) ； f ( f ) 放电间隙中随时间变化的电流( a ) ； 天津大学硕士学位论文第三章基于纳米进给的铸铁结合荆砂轮电火花精密挚形研究 形。单个脉冲放电能量( j ) ； 由于电火花放电间隙的电阻的非线性特性，击穿后间隙上的火花维持电压是 一个与电极材料及工作液种类有关的数值。火花维持电压与脉冲电压幅值、极间 距离及放电电流大小等的关系不大，因而可以说，正负极的电蚀量正比于平均放 电电流的大小和电流脉宽；对于矩形波脉冲电流，实际正比于放电电流的幅值。 在通常的晶体管脉冲电源中，脉冲电流近似地为一矩形波，故电极加工钢时的单 个脉冲能量为 = ( 2 0 2 5 ) i , t , ( 3 4 ) 式中t 脉冲电流幅值( a ) 由此可见，提高电蚀量和生产率的途径在于：提高脉冲频率，增加单个脉冲 能量w m ；减小脉间t o ；设法提高系数k ，k 。当然，实际生产时要考虑到这些 因素之间的相互制约关系和对其他指标的影响，例如脉冲间隔时间过短，将产生 电弧放电；随着单个脉冲能量的增加，加工表面粗糙度也随之增加等等。 综合整形质量与效率的影响因素，经过对多种条件进行实验测试后，粗整以 加工效率为主，采用大的电压和脉冲参数；半精整在兼顾一定效率的基础上，逐 步提高砂轮的精度，采用中等的电压和脉冲参数；精整是在保证一定加工能力前 提下，应该尽可能降低单个脉冲能量，以达到所要求的精度。 3 4 2 实验流程对整形精度的影响 在实验中，当采用纵向进给时，由于工作台每一个往复行程中砂轮要经过工 具电极左右两个边缘各一次，此时电火花放电较之工具电极中部要强烈。经过分 析，我们得出这样的解释：因为电荷较易集中在尖端及边缘部位，所以上述现象 可以认为是“尖端放电”现象。因为工具电极边缘放电能力强，所以凡是经过电 极边缘的砂轮上的点，不论是高点、次高点还是低点，都有可能被蚀除。这就造 成了一种随机性很大的因素参与到加工中，致使电火花整形无法按照预期的效果 进行下去，反而会产生圆度误差越来越大的现象。 为了解决此问题，我们提出了一种较易实现的改进方案，即只单独采用横向 的自动进给( 如图3 1 1 ) ，并且保证在往复的行程中，工具电极的加工表面不 能完全脱离砂轮，也就是说单个行程的末尾，工具电极加工表面与砂轮的厚度表 面之间仍然要有一个较小的重叠区。为了电火花整形更好的进行，我们把砂轮置 于电极的左方，这样做是结合砂轮的转向，正好把电火花产生的杂质顺势带出， 不容易产生短路现象。 天津大学硕士学位论文第三章基于纳米进给的铸铁结合剂砂轮电火花精密整形研究 砂轮豹 砂轮豹厚度 方囱( 横向) 图3 一1 1横向进给方案示意图 在租整阶段，由于电参数的能量比较大，单个凹坑较大也较深，致使整形后 砂轮表面比较粗糙，砂轮表面呈“蜂窝”状。由于表面是由很多凹坑重叠而形成 的，凹坑又较深，这样就使得凹坑的边缘比较薄。在精整形阶段，此时电参数能 量较小，目的是首先蚀除大凹坑的薄边。这样在采用小电参数的初期，砂轮的圆 度误差相对来说减小的速度较快，但是随着加工时间的推移，薄边被蚀除，砂轮 表面越来越密实，宏观来看就是砂轮表面越来越趋于平滑。如果此时再采用小参 数初期的进给速率和进给幅度的话，极容易造成短路。所以在采用小参数的整个 过程中，都要以实时监控系统为依据，逐渐减小进给速率和进给幅度。因此，在 应用小参数时，我们采用了双行程垂直进给，进给量根据实验具体情况依次递减。 3 4 3 极限精度的理论解释 每个电参数都应有其极限精度，这一极限可以这样解释，即每个电参数都有 一个加工区间，当经过较长一段时间，加工进行到砂轮高点刚好处于加工区间下 边界，而砂轮低点恰处在加工区间上边界时，砂轮的高点和低点会一同被加工蚀 除，如图3 1 2 所示。那么此时，无论再进行多么长时间的电火花修整，只是砂 轮的半径会慢慢减小，但是砂轮的圆度误差不会有丝毫的减小。此时必须寻找其 它电参数来进行加工，进而获得更小的砂轮圆度误差。待用实验的方法找到决定 极限精度的因素，从而可以有意识的采用极限圆度误差最小的那组最优电参数进 行砂轮的电火花整形。 天津大学硕士学位论文第三章基于纳米进给的铸铁结合剂砂轮电火花精密整形研究 图3 1 2 加工区间示意图 3 5 电火花整形实验系统 表3 1 与表3 2 分别列出了电火花整形的实验装置及实验参数。整形过程 分为三个阶段：粗整、半精整和精密整形。由于在各个加工阶段电极的材料和冷 却液都相同，所以修正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l o o 后，说明砂轮的圆度误 差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。表2 是各修整过程所采用的加工参数。 表3 - 1 实验装置及设备 机床 砂轮 微进给工作台 工具电极 工作液 电源 测量仪器 精密卧轴矩台平面磨床m m 7 1 2 0 a 铸铁结合剂金刚石砂轮( w 2 5 ) 驱动电压；0 v 一2 5 0 v 最大位移：1 0 p r o 尺寸：m 2 5 4 5 紫铜( 1 5 1 5 ) 精整形用去离子水 高频脉冲电源h d m d - - 1 v 改进型 霍尔电压传感器，霍尔电流传感器，数据采 集卡，计算机，非接触电容传感器，非接触 式测微测振仪，微位移器驱动电源 天津大学硕士学位论文第三章基于纳米进给的铸铁结合剂砂轮电火花精密整形研究 表3 - 2 实验参数 磨削参数 粗整形 半精整形 精密整形 砂轮转速：1 5 0 0 r p m 电参数：1 2 0 v 、8 0 i t s ：2 0 1 a s 垂直进给速度：2 9 m 1 个横向行程 电参数：9 0 v 、4 0 i t s ：4 0 p s 垂直进给速度：l t t m 、o 5 t t m 2 个横向行程 电参数：6 0 v 、2 0 i t s ：4 0 9 s 垂直进给速度： o 2 1 t i n 、o 1 l a i n 2 个横向行 程 通过图3 1 3 所示的采集系统，用l a bv i e w 软件可以实时采集整形过程中 电压和电流的信号。 elid k 电压) 霍i 滤波1 采计 镜面i 尔传感器l1 电路i 集算 磨削 【电流) 霍】同f 硼 卡机 电源 i 尔传感器jl 电路广 图3 1 3 电火花整形过程中电压和电流采集系统原理 3 6 电火花整形实验过程及分析 3 6 1 砂轮的粗修整 粗修整时，由于采用较大的电参数，此时机床的微进给的进给量2 9 m 就可 以维持最佳间隙，在此间隙范围内，产生的有效电火花最多，可以保证电火花修 整的效率最高。整形过程截取如下四个放电图，图中电压降低电流升高处就是放 电过程。在砂轮整形初期，如图3 1 4 a ，砂轮旋转一周放电脉冲约占1 0 ，此 时应该只有高点放电，有利于砂轮修整；等到火花放电不明显，机床进一步垂直 进给，脉冲图如图3 - 1 4 - b ，放电脉冲增多，砂轮旋转一周放电脉冲约占2 5 ， 此时高点经过刚才电火花蚀除进一步放电。图3 1 4 c 显示砂轮进一步被修整， 此时砂轮旋转一周放电脉冲约占6 0 ，此时砂轮高低点应该同时有放电，以高点 放电居多，因此还是有利于砂轮修整，必须继续垂直进给以进一步修整砂轮。图 天津大学硕士学位论文 第三章基于纳米进给的铸铁结合剂砂轮电火花精密整形研究 3 - 1 4 - d 所示，砂轮旋转一周放电脉冲约占8 5 ，此时高低点同时放电，达到如 3 4 3 所述的极限精度，再往下进给也不能减小砂轮圆度，砂轮粗整形到此结束， 换小参数进行半精整。经静平衡后的砂轮的初始圆度误差为5 8 p r o ，粗整3 9 分钟 后，粗修结束，测得砂轮的圆度误差为9 s p i n ，如图3 - - 1 5 所示。粗修的整形效 率如图3 一1 6 所示。 图3 1 4 - a 砂轮粗整形周圈放电图 图3 1 4 b 砂轮粗整形周圈放电图 天津大学硕士学位论文第三章基于纳米进给的铸铁结合剂砂轮电火花精密整形研究 图3 1 4 c 砂轮粗整形周圈放电图 图3 1 4 d 砂轮粗整形周圈放电图 天津大学硕士学位论文第三章基于纳米进给的铸铁结合剂砂轮电火花精密整形研究 罐 h 、 一 一“，二 f i ，- 、u二 丁、 、n 二 ，一、t 7t t ；一| 一fo 二 jhl ； 15 ii 1 一蹩爹 、 一j ，7 锄 口 曹1 专o 8 20 6 o 营o 4 墓o 2 山 o j一 一 p _ ， r ， ， 01 02 03 04 0 w o r k i n gt i m e r a i n 图3 一1 5 粗修后砂轮圆度误差( 岬) 图3 1 6 砂轮整形效率图 3 6 2 砂轮的半精修整 对砂轮进行半精修整时，电极已相对平整，砂轮高点去除量很大，此时机床 的最小微迸给量2 岬已经满足不了进给要求，开始启用微进给工作台，开始每次 进给1 1 t m ，按照粗整的方法继续电火花实验，等到1 t t m 进给量达到极限精度，再 用0 5 t t m 进给。修整2 7 分钟后，测得电压和电流波形如图3 1 7 所示，一周放电的 脉冲个数占总脉冲个数约9 0 以上，说明应进入精整阶段。停机测得砂轮的圆度 误差为3 6 1 1 a m ，如图3 1 8 所示。 图3 1 7 砂轮半精整形周圈放电图 天津大学硕士学位论文第三章基于纳米进给的铸铁结合剂砂轮电火花精密整形研究 图3 1 8 半精修后砂轮圆度误差( r u n )图3 1 9 最终砂轮圆度误差( p m ) 3 6 3 砂轮的精修整 精修整时，由于砂轮跟电极之间间隙已经非常小，修形时极易发生短路。因 此一定要控制好进给量，本实验中根据火花大小调整每次的进给量，在精整前期 用0 2 1 t i n 进给，精整后期用o 1 p r n 的进给量。由于精整过程中电火花要求非常 小，才能达到很高的修整精度，因此不能用粗整所采用的脉冲周圈放电法来判定 砂轮整形结果。由于在精密整形固定的电参数条件下，可以认为火花蚀除电极量 跟蚀除砂轮量是接近相等的，因此，可以用电极进给量与砂轮圆度误差之间的关 系来评定砂轮精密整形效率。根据火花蚀除电极量跟蚀除砂轮量相等原理，推算 出砂轮圆度误差跟电极进给量之间的关系，如下式： 2 r , r l x a r ( 1 一墨) k 2 = s h ( 3 5 ) 式中：r 是金刚石砂轮半径； 是金刚石砂轮厚度； a r 是金刚石砂轮不圆度误差： 墨是金刚石砂轮中金刚石占体积数； x ，是砂轮圆度误差中高点占砂轮的比例； s 是整形中有效电极面积； h 是电极进给量； 其中q = 2 5 ，k ，= 5 0 r = 1 0 0 m m , l = l l m m , a r = 3 6 1 r t m , s = 1 1 2 5 m m 2 ，计算出h ：8 2 9 1 a n 。 考虑到实验的安全系数，实际操作取安全系数为2 ，进给了约1 5 0 p r o ，最终 4 0 天津大学硕士学位论文第三章基于纳米进给的铸铁结合剂砂轮电火花精密整形研究 圆度误差达到o 8 2 4 1 a n ，如图3 1 9 所示。实验结果基本符合理论计算结果。由于 火花蚀除电极量跟蚀除砂轮量随脉冲参数变化而变化，因此还需做进一步的研究 才能更好的完善这一经验公式。 3 6 4 实验总结 ( 1 ) 砂轮的电火花修整过程其实就是维持一最佳间隙的过程，微进给工作台 的纳米进给使间隙的变化控制在纳米级范围，对提高砂轮的整形精度发生了质的 变化。 ( 2 ) 通过对电火花放电过程的脉冲波形的监测和分析，提取出了各种放电波 形的信号特征，并得出了控制间隙大小的依据。 ( 3 ) 借助于微进给工作台适时进行修整电极的纳米进给，制定了间隙的控制 策略。粗修时，在避免短路的基础上维持一最佳间隙，在此间隙范围内产生的有 效电火花最多，以保证电火花修整的效率最高。精修时，在保证不短路和一定修 整效率的基础上，控制有效电火花的数目，尽量保证高点多放电而次高点少放电 或不放电，以提高修整精度。根据火花蚀除电极量跟蚀除砂轮量相等原理得出的 砂轮圆度误差跟电极进给量之间关系，按计算结果进行进给，取得很好效果。 ( 4 ) 在严格控制间隙的基础上，粗修整时采用电压1 2 0 伏、占空比 8 0 1 1 s 2 0 1 x s 、冷却液为去离子水的加工条件，得到的砂轮的径向跳动为9 8 1 t m ； 在此基础上，经过半精修整过渡，精整形时采用电压6 0 伏、占空比为2 0 1 a s 4 0 1 a s 、 冷却液为去离子水的加工条件，得到砂轮的径向跳动为o 8 2 4 恤m 。 3 7 本章小结 分析比较了金属结合剂超硬磨料砂轮常用的各种修整方法，对金属结合剂金 刚石砂轮微粉砂轮进行电火花精密整形实验研究，得出如下结论： 1 1 基于l a bv i e w 建立的数据采集系统，可以方便、实时地监测放电加工过 程中的电压电流信号，对于提高金属结合剂金刚石微粉砂轮的精密整形效率与精 度具有重要意义。该数采系统与电容测微仪相结合可以非常精确地测量砂轮旋转 过程中的径向跳动。 2 1 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。很大程度上提高了电火花整形的效率。 3 ) 对于精密整形来说，放电间隙非常小，很容易发生空载、短路甚至拉弧 现象。空载影响整形效率，而一旦短路将会使砂轮径向跳动急剧增大，在精整形 4 l 天津大学硕士学位论文第三章基于纳米进给的铸铁结合剂砂轮电火花精密整形研究 时用微进给工作台进给，可进可退，方便地避免短路或者拉弧现象，从而既提高 加工效率又获得高的整形精度。 4 ) 单个电火花放电能量适当时，放电频率越高，砂轮整形质量越好。金属 结合剂超硬磨料微粉砂轮的电火化整形分为粗整、半精整、精整三个阶段，在粗 整阶段效率优先；半精整综合考虑效率跟精度要求，作为一个过渡阶段；精整阶 段重点考虑精度，同时机床的横向进给方案很好的解决了小电极效率低的问题， 圆满的达到实验既定目标。 天津大学硕士学位论文第四章基于纳米进给的氮化硅e l i d 磨削实验研究 第四章基于纳米进给的氮化硅e l i d 磨削实验研究 4 1e l i d 超精密磨削概况 4 1 1e l i d 超精密磨削的研究现状 在线电解修整( 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 ，简称e l i d ) 磨削技术是由 日本物理化学研究所大森整先生和东京大学中川威雄先生于1 9 8 7 年研制成功的。 e l i d 磨削是在磨削过程中，利用非线性电解修整作用和金属结合形超硬磨科砂 轮表层氧化物绝缘层对电解抑制作用的动态平衡，对砂轮进行连续修锐修整，使 砂轮磨粒获得恒定的突出量，从而实现稳定、可控、最佳的磨削过程。 美国从该技术诞生之日就极为重视，不仅投巨资进行该技术的开发，还与日 本进行该技术的交流与合作。据资料表明，美国在应用e l i d 磨削技术加工电子计 算机半导体微处理器方面已取得突破性进展，在国防、航空航天及核工业等领域 的应用研究也在进行。德国是最早研究e l i d 磨削技术的几个国家之一，在1 9 9 1 年就有德国的机床厂家进行系歹o e l i d 专用机床的设计。此外，英、法等国对e l i d 磨削技术研究也达到相当的高度【5 2 】。在亚洲，韩国很早就同日本开展卓有成效的 技术交流与合作。此外，我国台湾等地区目前也在进行e l i d 磨削技术的研究工作。 在我国，e l i d 磨削技术尚处于研究阶段，主要集中在高校，如哈尔滨工业大学、 西安交通大学、天津大学、大连理工大学、西北工业大学等。哈尔滨工业大学经 过几年的努力，研制成功了e l i d 磨削专用的脉冲电源、磨削液和砂轮。在国产机 床上开发出平面、外圆和内圆e l i d 磨削装置，并对多种硬脆材料进行了e l i d 镜面 磨削的实验研究。目前正积极推广普及该技术，实现产品化。国内已有十儿家单 位应用该技术，如2 3 0 厂用于加工动压马达零件，2 3 所用于相阵雷达互易移相单 元陶瓷、微晶玻璃、铁氧体等航天材料零件加工，8 3 5 8 厂用于光学玻璃非球曲面 加工，2 0 5 所用于光学玻璃加工，华侨大学用于加工大理石，福建南安宏伟陶瓷 厂用于加工陶瓷等l 叫。 尽管e l i d 磨削技术在我国的发展落后于一些工业发达国家，但是e l i d 磨削 技术在国内的研究和应用基础已经具备。特别是该技术显著的特点，尤其适合我 国国情。随着该技术的进一步普及推广，相信有越来越多的专家和学者认识到这 项技术的重要性和它潜在的经济价值，越来越多的企业重视并采用该技术，从而 天津大学硕士学位论文第四章基于纳米进给的氮化硅e l i d 磨削实验研究 促进我国传统产业的改造和高新技术的发展。e l i d 磨削技术作为一种新型的镜 面加工方法，具有广阔的应用l ； 景和很大的实用价值。 4 1 2e l i d 磨削技术原理 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 ) 磨削技术是一种新型的在线连 续修整磨削的方法8 】【矧【5 扪。以平面磨床为例，典型的e l i d 磨削系统如图4 - 1 所 示包括：金属结合剂超硬磨料砂轮、电解修整电源、电解修整电极，电解液( 兼 作磨削液) ，接电电刷和机床设备【矧。 磨削过程中铸铁基砂轮作为阳极，工具电极作阴极。在砂轮外圆表面和电极 的间隙中通过有电解能力的磨削液，在电源作用下，利用电解过程中的阳极溶解 效应，对砂轮表层的金属基体进行电解去除，由于磨粒不会被电解，逐渐露出砂 轮表面，从而形成对砂轮的修整作用。图4 2 为e l i d 磨削原理图。 在电解修整过程中，由于砂轮为阳极，根据阳极反应砂轮表面的铁离子电 离，磨料凸出，同时在砂轮表面形成一层有绝缘作用的钝化膜，该膜的厚度对导 电率有直接影响可以减缓和阻止进一步的电解，使电解速度降低，以免使砂轮 损耗过快。当砂轮表面的磨料磨损后，出刃高度降低，由于工件材料的滑擦作用， 使钝化膜变薄，导电性恢复，金属基体电解过程加快，使磨料出刃高度增加，钝 化膜变厚。 图4 - 1 平面磨床e l i d 磨削系统原理图 天津大学硕士学位论文 第四章基于纳米迸给的氮化硅e l i d 磨削实验