（机械电子工程专业论文）砂轮在线电解修锐（elid）技术在工程陶瓷高速磨削中的应用研究.pdf

硕士学位论文 摘要 砂轮容翁堵塞和磨粒瓣损变钝是影响磨削质量和加工效率的主要原因，所以 采用有效的移轮修懿方法，使砂轮保持良好的锋利状态和磨削性能是解决工程陶 瓷等硬脆材料磨黼加工的关键技术之一。本文采用砂轮电火花一机械复合整形和 在线电解修锐( e l i d ) 技术，对氧化镑和氮化礁两种陶瓷的高速磨削进行了试 验研究。 在对e l i d 磨削原理进行深入分祈总结的基础上，本文首先对e l i d 磨削必 备的阴极、阳板电利等装登进行设计开发，建立了高速e l i d 磨削试验台，针对 青铜结合嗣盒剐石砂轮研制了e l i d 专用磨削液，并对其电解成膜特性进行了试 验研究。 然精，时砂轮颓火花蘩形中电源参数与放电闻隙之间的关系进行试验研究， 绘密不同整形精度下电源魄规准的选择方法，同辩针对黼粒度青铜结合帮会刚石 砂轮晌电火花整形难以满足整形精度要求的现象，提出了电火花一视械复合整形 方法，并进行了试验研究。 最看，在自行开发的高速e l i d 平谣瓣床上辩氧亿铬和氮纯硅陶瓷进行了高 速磨潮工艺试验，遗过电源参数对工件材料蘑翻力和表谣福糙发的影响试验，钎 对两种材料提出了优纯豹毫源参数选释方案，通过高速e l i d 释削与菲e l i d 磨 削对魄试验，分轿了两种密削方式下砂轮线遴度、工作台迸给速度、密胬深度戬 致最大泰交形秘藩浮瘦对氧纯锆窝氮纯硅两种材料韵密潮力、工件表谣粗糙废、 魄密潮裁等指标静影嫡规簿。对跑试验结采表羁，e l i d 密戳畿明艇改善工件的 表露燎工震疆、降低瘗削力，霹鞋较j e l i d 密削更好鹣实蕊简瓷材料的裔这磨 粼攘工。 本文在慈结分橱原理戆基疆土，遂行了粗粒霾青镶结合潮砂轮豹税械一复合 整形与工程羯瓷懿离速e l i d 癌削试骏研究，充分结合e l i d 技术与齑速瓣削豹 钱越性，实现了王程陶瓷鹣裹遮熹效e l i d 黪削，取得了有效的结果。 关键漏：高速磨割；工程羯瓷；试验辨究：藏火犍一枧械篓合整形；e l i d i i 坠墼垒垡皇堡璧堡：尘! 蓼垄耋三堡塑童耋鎏璧型耋塑窒曼堑蝥 a b s t r a c t t h em a i nr e a s o na f f e c t i n gt h eg r i n d i n gq u a l i t ya n dm a c h i n i n ge f f i c i e n c yi st h a t t h eg r i n d i n gw h e e li sja m m e da n dt h eg r a i ni sw o r et oo b t u s ee a s i l y s oa d o p t i n ga n e f f e c t u a lt r u i n gm e t h o d ，m a i n t a i n i n gt h er e q u i r e ds h a r p n e s so fa b r a s i v eg r i t sf o r w h e e l sd u r i n gg r i n d i n gi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e st or e a l i z et h eg r i n d i n go fh a r d a n db r i t t l em a t e r i a l ss u c ha sa d v a n c e dc e r a m i c s i nt h i sp a p e r ，w ec a r r ye x p e r i m e n t a l s t u d i e so nc o m b i n i n ge l e c t r i c a ld i s c h a r g ea n dm e c h a n i c a lt r u i n gf o rw h e e l sa n d e l i dg r i n d i n go fz i r c o n i aa n ds i l i c o n n i t r i d ea th i g hs p e e d s f i r s t l y ，b a s e do na n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n gt h et h e o r yo fe l i d ，t h ec a t h o d e a n da n o d eb r u s ho ft h ee l i ds y s t e ma r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e d ，t h ee x p e r i m e n t t a b l ef o rh i g hs p e e de l i dg r i n d i n gi se s t a b l i s h e d b ys t u d y i n go nt h ee l e c t r o l y t i c c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h eo x i d e sf i l mg r o w i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h eb r o n z eb o n d e d d i a m o n dw h e e l ，t h ee l i dg r i n d i n gf l u i di sd e v e l o p e d t h e n ，b ye x p e r i m e n t a ls t u d y i n go nt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ep a r a m e t e r so f p o w e rs u p p l ya n dt h ed i s c h a r g et o l e r a n c e ，t h ec h o o s i n gm e a s u r eo fi m p u l s ec u r r e n t s p e c i f i c a t i o ni nd i f f e r e n tt r u i n ga c c u r a c yi so b t a i n e d a se l e c t r o d i s c h a r g et r u i n gf o r b r o n z eb o n d e dt h i c kg r a i nd i a m o n dw h e e lc a nn o tm e e ti t sr e q u i r e dt r u i n ga c c u r a c y ， t h ec o m b i n i n ge l e c t r i c a ld i s c h a r g ea n dm e c h a n i c a lt r u i n gm e t h o di sd e v e l o p e d f i n a l l y ，o p e r a t e do nt h eh i g hs p e e de l i de n d f a c eg r i n d e r ，e l i dg r i n d i n go f c e r a m i c sa th i g hs p e e d si ss t u d i e d g r i n d i n gt e s t sa r ep e r f o r m e da th i g hs t o c k r e m o v a lu s i n gp o p u l a re n g i n e e r i n gc e r a m i cm a t e r i a l s ，z i r c o n i aa n ds i l i c o nn i t r i d e b ye x p e r i m e n t a ls t u d y i n go nt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ep a r a m e t e r so fp o w e rs u p p l y a n dt h eg r i n d i n gf o r c ea n dt h eg r o u n ds u r f a c er o u g h n e s so fw o r k p i e c e s ，w ec o n f i l t h t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r s - c h o o s i n gm e a s u r eo ft h e s ec e r a m i c s c o m p a r i s o nw a s m a d eb e t w e e nt h eg r i n d i n gp r o c e s s e sw i t ha n dw i t h o u te l i di nt e r m so fg r i n d i n g f o r c e 、g r o u n ds u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds p e c i f i cg r i n d i n ge n e r g y ，t h er e l a t i o n s b e t w e e nt h ew h e e ll i n e a rv e l o c i t y 、w o r k t a b l ev e l o c i t y 、g r i n d i n gd e p t h 、m a x u n r e f o r m e dc h i pt h i c k n e s sa n dt h e s ep a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d a sar e s u l t ，t h e r o u g h n e s sv a l u e so fs u r f a c e sg r o u n da n dt h eg r i n d i n gf o r c ei nt h eg r i n d i n gw i t h e l i da r eb o t hs m a l l e rt h a nt h o s ew i t h o u te l i d 。s ot h eg r i n d i n gw i t he l i dc a n r e a l i z et h eh i g hs p e e dg r i n d i n gf o ra d v a n c e dc e r a m i c sp r e f e r a b l y i nt h i sp a p e r , b a s e do na n a l y z i n ga n ds u m m a r i z i n gt h et h e o r y ，t h ee x p e r i m e n t a l s t u d i e so nc o m b i n i n ge l e c t r i c a ld i s c h a r g ea n dm e c h a n i c a lt r u i n gf o rb r o n z eb o n d e d i l l t h i c kg r a i nd i a m o n dw h e e la n de l i dg r i n d i n go fz i r c o n i aa n ds i l i c o nn i t r i d ea th i g h s p e e da r ep e r f o r m e d w i t hi n t e g r a t i n gt h ea d v a n t a g e so fe l i dt e c h n o l o g ya n dh i g h s p e e dg r i n d i n ga d e q u a t e l y ，h i g hs p e e da n dh i g he f f i c i e n c yg r i n d i n gw i t he l i do f a d v a n c e dc e r a m i c si sa c h i e v e da n de f f e c t u a lr e s u l ti sa c q u i r e d k e yw o r d s ：h i g hs p e e dg r i n d i n g ；a d v a n c e dc e r a m i c ；e x p e r i m e n tr e s e a r c h ； c o m b i n i n ge l e c t r i c a ld i s c h a r g ea n dm e c h a n i c a lt r u i n g ；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 i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：壶扣声 日期：彻苫年歹月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：豆杠彦 刷磴辄名，蟛乓 日日 哆7 月月 歹， 年年 艿聊知期期 日日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的课题来源及研究背景 1 1 1 课题来源及研究意义 随着科学技术的不断发展和进步，人们对产品质量要求的不断提高，一些高 强度、高硬度、高耐热性、高耐磨性、高耐腐蚀性材料在工业领域中的应用日益 增多，其中以陶瓷为代表的硬脆材料在很多领域的应用中有着明显的优势，将成 为二十一世纪普遍应用的工程材料。目前，磨削是陶瓷材料最常用的加工技术， 而采用高速超高速磨削是实现高效磨削的一个经济有效的方法。 通常将砂轮线速度大于4 5 m s 的磨削称为高速磨削，而将砂轮线速度大于 1 5 0 m s 的磨削称为超高速磨削。高速超高速磨削技术是磨削工艺本身的革命性 跃变，是适应现代高科技需要而发展起来的一项新兴综合技术，它集现代机械、 电子、光学、计算机、液压、计量及材料等先进技术成就于一体。德国著名磨削 专家t a w a k o l i t 博士将其誉为“现代磨削技术的最高峰”，日本先端技术研究学 会把超高速加工列为五大现代制造技术之一，国际生产工程学会( c i r p ) 将超 高速磨削技术确定为2 l 世纪的中心研究方向之一。 砂轮容易发生粘附、变钝、堵塞的现象，是影响工程陶瓷等硬脆材料磨削质 量和效率的因素之一，磨损和堵塞后的砂轮磨削性能变差，无法继续对工件材料 进行磨削加工，这既影响了工件的加工质量，又影响加工效率，所以，采用一种 有效的砂轮修整方法，实现工程陶瓷的高速高效磨削加工，对工程陶瓷的推广应 用有十分重要的意义。 在线电解修锐技术( 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 ) 利用金属 结合剂的溶解去除和砂轮表层生成的氧化物绝缘层对电解抑制作用所构成的动 态平衡，对砂轮进行连续非线性修锐，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，可以很好的解决陶瓷材料的难加工问题。国内外 的一些高校和学者已经对该项技术进行了一定的理论和试验研究工作，取得一定 的成果，e l i d 磨削可以明显的降低磨削力和工件表面粗糙度，但是目前砂轮在 线电解修锐技术主要应用于低速、精密和超精密镜面磨削中，当砂轮线速度超过 2 0 m s 时，修锐效率和磨削质量会急剧下降，这限制着e l i d 技术在高速磨削中 的应用。所以，充分发挥高速磨削和e l i d 技术的优越性，在高速磨削中实现砂 轮在线电解修锐技术，研究陶瓷等硬脆材料的高速e l i d 磨削机理，对提高材料 的磨削效率、改善表面加工质量以及拓宽砂轮在线电解修锐技术的应用领域都具 砂辘在线电瓣髂镞( e l i d ) 技术褒王程辫瓷魏逮嬲削申辩应照研究 鸯爨簧靛意义。 本课题正鼹谯这样的谢最下产生的，课题来源予国家高效磨削工程技术研究 中心承担的教露部辩学技术研究羹大项礴“硬臆难加工材料的超藤速惑效特摹申磨 戮荧键技术获样礁繇麓”( n o 1 0 4 2 t ) 及覆门帘稀技壤嚣“超鑫遽瘩甏关键工艺 披术研究及参数优化”，项目鸶在集成越高速砂轮在戏修整修锐技术和瓤颡的冷 却液注入技术，研制开发我国黄台用于硬脆难加工材料的超高遮离效特种磨削装 奄，并遴过对隗瓷等硬魏难勰工秘料趣舞速逡效瘗粼关键鼓本熬深入系统磺筑， 使我国在该领域的枫理研究蹩体水平达掰国际先进地位。本课感主蹑对项秘中高 速e l i d 磨削关键装置的开发、砂轮的修整以及工襁陶瓷的高遄e l i d 磨削工艺 试验等方西进行定豹研究工作。 1 1 2 高速瘗剃枧瑾及特点 商逮翔王稻趣离速翱工麓概念是i 蠡德凿韬蘩物攥学家s a l o m o n 博士予1 9 3 1 每落舞爨出，发表了著名静s a t o m o n 热线。恁疆爨，在褰蘧螺掰逸，存在一令 “熟诲”，奁“热溺”酝，搦浆溢度随镯澍速度的撼赢两意麟上拜，塞到切潮温 度遮裂最高感，之菇温度游速度静据离褥下降，警嘲骶速度越越“热溺”精，继 续撵禽韬削速度褥会餐韬削激发骥显下降，鲡采耗够大疆霾提辩落潮速度，裁蜀 驻越过韬联过程产垒嚣赛滠豫爸蠢篌刀蕻在踅蔫逮鞭透抒蒜这甥壤，黛瑟大蠛菠 减少甥削工瓣，成傣越提愁捉寐生产率。德豹理论成为燕来的蕊遴超商速麟削靛 联论经攒，为瓣遮趣衰遽辫削技术豹耢嶷开瓣了广潮空蠲“”。 在离邃超蠢遮藏楚翔工过程孛，在缳耩冀宅参数不交赘条 警下，魏善移辕速 渡的大骥疫摄懿，零建瓣阀内癀削区的瓣粒数增翱，每个磨粒翻下瓣露藩浮波交 小，这导致每个憋粒承受懿磨剡力大大嶷小，总塞削力瞧大大辫低。怒蔫逮熬划 瓣，囊予褰潮遮发壤裹，攀个寒震戆影戏对秘辍短，程辍短麴爨雩间遗竞残翡瓣籍 静褒应交率( 可j 琏锾试为等予痪鬻速度) 簿成过翟与瞽遵低瀵囊潮舂穰太豹熬爨， 袭蠛为工传表磷麴弹性变黪瑶变浅，黪燃沟痰嚣侧黧塑性滚动磷形成熬隆靛戆发 变小，磨磊形成过程孛熬耕犁秘港擦躐舞变，l 、，互 牛袭囊屡嫒化波残余应力锻舄 疆小。魏羚，离蘧、趣嵩速蹙辫辩瘵狳焱黪蘩送上瓣移璐速度黟王俘嚣进缭速度 均大大热抉，加上皮变率噙应的遗度滞艟的影响，会搜王 牛表弼爨削澄度蠢掰降 低，因嚣毙越过寨易发生瓣燃烧伤鲍戮域，从恧极大地扩展了慰剡王艺参数瓣应 髑麓溪“。 与警运瓣削糖魄，裹遮、超囊速磨溅其毒如下特点秘谯越性她”】； ( 1 ) 大蠛发提裹壤削效攀，减少没餐使用念数 琏遴舞削对，肇垃对阕瞧逶过舞削题骢黪粒数增燃，若平均每颗蹙粒瓣尝麴 臻簇淳凄与饕遴藩臻稳嚣，麓可敬太壤发挺离送绘慧，壤单谴磊尊黼瘫黪豫的薅疆 硕士学位论文 体积增加。试验表明，砂轮线速度2 0 0 m s 超高速磨削的金属切除率在磨削力不 变的情况下比8 0 m s 磨削提高1 5 0 ，而3 4 0 m s 砂轮线速度的磨削比1 8 0 m s 时 提高2 0 0 。采用c b n 砂轮进行超高速磨削，砂轮线速度由8 0 m s 提高至3 0 0 m s 时，比金属切除率由5 0 m m 3 m m s 提高至1 0 0 0 m m 3 m m s ，因而可使磨削效率 显著提高。另外，以往的磨削仅适用于进行余量很小的精加工，磨削前须有粗加 工工序和半精加工工序，需配有不同类型的机床，而高速磨削既可精加工又可粗 加工，这样就可以大大减少机床种类，减少设备使用台数，简化工艺流程。 ( 2 ) 大幅度降低磨削力 在其它参数不变的条件下，随着砂轮速度的提高，单位时间内参与切削的磨 粒数增加，每个磨粒切下的磨屑厚度变小，导致每个磨粒承受的磨削力变小，总 磨削力也大大降低。 ( 3 ) 加工质量好 由于磨屑厚度变薄，在磨削效率不变时，法向磨削力随砂轮速度的提高而大 幅度减小，从而减小磨削过程中的变形，提高工件的加工精度；砂轮速度提高， 磨粒两侧材料的隆起景明显降低，能显著降低磨削表面粗糙度数值。试验表明， 在其它条件一定时，将磨削速度由3 3 m s 提高至2 0 0 m s ，磨削表面的粗糙度值 由r a 2 0 9 m 降低至r a l 1 9 m 。在高速加工区域进行的超高速磨削可以越过容易 产生磨削烧伤的“死谷”区域，因而可以不发生磨削烧伤并减小工件表面的残余 应力，有利于获得良好的表面物理性能和机械性能，加工表面完整性好。 ( 4 ) 砂轮磨损少，使用寿命长 由于每颗磨粒所承受的切削负荷减少，则每颗磨粒的磨削时间大大延长，可 提高砂轮的使用寿命，试验表明，在磨削力不变条件下，2 0 0 m s 磨削砂轮寿命 比8 0 m s 提高l 倍，而在磨削效率不变的条件下可提高7 8 倍，砂轮寿命大幅度 提高，有助于实现磨削加工的自动化和无人化。 ( 5 ) 实现对难加工材料的磨削加工 超高速磨削不仅可对硬脆材料实行延性域磨削，而且对高塑性的材料也可获 得良好的磨削效果。钛合金、镍基耐热合金、高温合金、铝及铝合金在普通磨削 条件下难以进行磨削加工，但在超高速磨削条件下，由于磨屑成屑时间极短，塑 性变形减小，再加上磨削区温度降低，避免了烧伤和裂纹，因而使这类材料磨削 加工变的容易得多。 1 1 1 3 工程陶瓷材料的性能及应用 陶瓷材料是由无机非金属粉状原材料在5 4 0 c 以上高温高压下烧结而成的， 广义上人们又把固体无机非金属材料统称为陶瓷。陶瓷起源于中国，迄今最早的 陶片约距今8 0 0 0 年左右，但是，由于客观历史条件的制约，直到二十世纪中叶陶 砂轮在线屯解镑锐 低等热。氧纯链涂瀑瓣导熬瞧极低，碳像硅戆鼯热系数较囊，不戆穆 为绝热材料使用，氮化硅的爵热性介于碳化硅和氧化锆之间。 ( 4 ) 瘗攘瘗擐瞧辘磐。辫瓷懿嫒凄大大毫予金属，金嚣窝辫瓷配对溪动露， 在有润滑条件下，不仅陶瓷的磨损极小，谶金属的磨损也比金属相互配对时小。 工程辫瓷鼹其独特鲍分予稳成纛兵毒硬度大、强度麓、瓣褒饿、穗露壤、懿 高温等许多优良的物理、化学、机械性能，可用于制造发动机的耐热件、机械传 动中黪瓣瘗俘、证工没蓥中筑醚褒镶传及密封终等，因_ 爨：在簸空、纯工、军事、 机械、电子等领域的应用前景十分广阔。 ( 1 ) 工稷陶瓷终鸯刀具零砉料鲍废熙 工程陶瓷切削刀艇的出现和发鼹，把切削加工的能力提高到一个新的高度， 工程陶瓷刀具材料是2 0 世纪5 0 年l 弋发展起来的，经避改遂英誊季糕硬凄，毯塞其撬 硕士学位论文 弯强度，能在1 2 0 0 1 3 0 0 的高温下正常切削。 ( 2 ) 工程陶瓷材料在航空、航天领域的应用 利用其良好的热学性能( 热传导率低、熔点高、抗热冲击、抗氧化) 和密度 低的特点，工程陶瓷广泛应用于航空、航天领域，航天飞机外壳表面要求耐高温、 高强度、抗氧化和耐腐蚀又要求有抗震性和易加工性，因此航空、航天领域使用 的航天飞机外壳都带有薄薄一层陶瓷材料“。 ( 3 ) 工程陶瓷在精密机床上的应用 机床的精度越高，要求在加工过程中变形越小，但对于机床来说，加工过程 中受切削力和加工中所释放热量的影响，床身及导轨变形不可避免，尤其是热变 形是难以解决的问题，如平面磨床，其主进给运动是由液压系统提供的，而液压 系统经过数小时的运动油温逐渐升高，零部件产生热变形现象，从而导致机床导 轨精度降低，难以磨削出合格的工件。而工程陶瓷的导热性比钢低，具有热变形 小、重量轻、硬度高、耐磨损、不生锈等优点，用工程陶瓷制造机床导轨，可确 保机床精度保持稳定“”1 。 ( 4 ) 工程陶瓷用于制造轴承 传统滚动轴承的滚珠，由于转速高、重量大，易产生热膨胀现象，滚珠弹道 磨损较大，回转精度降低，而采用工程陶瓷材料滚珠，可大大减小热膨胀，同时 由于重量轻，高速旋转时离心力小，同轨道的磨损也相对减小，可以延长轴承的 寿命。 以上是工程陶瓷材料的几项主要应用，此外，工程陶瓷还广泛应用于密封材 料、纺织行业、体育用品、防身器材等。如纺织行业用它制作的高速剪刀，经久 耐用；体育用品中用它制作的高尔夫球棒、撑杆跳用的撑杆，既轻便又牢固；防 身器中用它制作的防弹衣可经得起步枪子弹的近距离射击。总之，工程陶瓷己开 始在各科技领域得到应用，并越来越受到人们的关注。 1 2 砂轮修整技术的发展现状 磨削加工过程中，砂轮表层的磨粒会逐渐磨钝，磨钝后的砂轮摩擦力增大， 磨削温度上升，容易发生颤振和烧伤，使被加工工件的表面完整性受到极大的影 响，同时磨钝的砂轮也会使砂轮工作表面丧失正确的几何形状从而使加工精度降 低。为了使砂轮在使用中能始终保持正确的形状和锐利性，需要定期对砂轮进行 修整。修整实质上就是对砂轮进行整形和修锐，整形是指对砂轮工作表面进行微 量“切削”，使砂轮达到所要求的几何形状精度，并使磨粒尖端微细破碎，形成锋 利磨刃的过程；修锐是指除去磨粒间的部分结合剂( 降低结合剂的高度) ，使磨 粒凸出结合剂之外，形成切削刃，同时产生足够的容屑空间的过程。对普通磨料砂 轮来说，整形和修锐可以同时进行，而对予超硬磨料砂轮，整形和修锐一般分两 硕士学位论文 弯强嶷，缆奁1 2 0 0 1 3 0 0 熬薅瀑下委常韬麓。 ( 2 ) 工程陶瓷材料在航空、航天领域的应用 利用其良好的热学性能( 热传导率低、熔点高、抗热冲击、抗氧化) 和密度 低的特点，工程陶瓷广泛应用于航空、航天领域，航天飞机外壳表面要求耐高溆、 鬻强液、抗氧仡和黼鬻蚀又罄求有抗震往和易加工性，函诧航空、航天领域使用 蝗靛天飞极势壳都带骞薄薄一层晦瓷键瓣n “。 ( 3 ) 工穰陶瓷在糙密机床上的应用 机床的精度越高，骚求在加工过程中变形越小，但对于机床来说，加工过程 中受切削力和加工中所释放热量的影响，床身及导轨变形不可避免，尤其是热变 形是难鞋解决静闻题，鲡平谣密藤，箕主进给运动是由液压系统提供静，丽液压 系统经过数小对黪运动瀵遗逐澎舞寒，零部俸产生熬变形瑗蒙，扶焉导致梃寐导 轨精度降低，难以磨削出合格的工件。而工程陶瓷的导热性比钢低，具有热变形 小、重量轻、硬度高、耐磨损、不生锈等优点，用正程陶瓷制造机床导轨，可确 保机床精度保持稳定“”。 ( 4 ) 工程淹瓷用予制造轴承 传统滚动继承约滚珠，l l ；= i 予转速凑、震量大，县产生熬膨胀现象，滚臻弹遂 磨损较大，回转精度降低，丽采用工程陶瓷材料滚珠，可大大减小热膨胀，同时 由于煎量轻，离速旋转时离心力小，同轨道的磨损也相对减小，可以延长轴承的 寿命。 塔上是王程辫瓷糖精静凡磺主要应焉，诧舞，工程陶瓷还广泛痘翔予密封材 料、纺织短业、体肖用照、防身器材等。如纺织行业用宅制作的瘫逮剪刀，经久 瓶尊用；体育用懿中用它制作的高尔夫球棒、撑杆跳用的撑杆，既轻便叉牢固；防 身器中用它制作的防弹农可经得起步枪子弹的近躐离射击。总之，工程陶瓷己开 始在备科技领域褥剜应用，并越来越受到入们的关注。 1 2 砂轮修整技术的发展现状 蘑削加工过程中，砂轮表层的磨粒会逐濒磨钝，磨钝詹的砂轮摩擦力增大， 磨削温度上升，容易发生颤振和烧伤，使被加工工件的寝面完整性受到极大的影 响，同时磨钝的砂轮也会使砂轮工作表面丧失正确的几何形状从而使加工精度降 氛。淹了锼砂轮在使用中髓始终保持歪确熬形状和锐利性，需要定麓对砂轮遗行 修整。修挞实质上勰是对砂耱进蠢整形蟊修锐，整形是撰对妙轮工终表露避嚣徽 擞“切削”，使砂轮达到所要求的几何形状精度，并使磨粒尖端微细破碎，形成锋 刹磨刃的过程；修锐是指除去磨粒间的部分结合剂( 降低结合剂的高度) ，使磨 糠凸潜结含帮之外，形成切削刃，同时产生足够的容屑空间的过程。对普通磨科砂 轮来说，蘩形耱修锐可以弱潜送行，嚣对予超疆窘辩砂轮，整形鞠修锐一般分两 硕士学位论文 蘩力夸，彦削效率藏，且修整薅蔑可整形，又可修锐“。 3 ，软弹性修整法 较弹经法修整移轮嚣孛，怒硬密瓣骖轮戳较离鹣速度麓转，蔼卷蒂轮辩缓慢斑 转动，带动砂带缓慢移动，利用砂轮的高速旋转丽使砂带弹性变形不能完全恢复 来实鞴去狳骖轮嵩煮豹嚣豹。采奔l 软弹性修整法修整移轮时，被修整静移轮与砂 带之间能自动选择合适的挤压力，能保持修整过糨稳定；砂带低速进给，与砂轮 表瑟狻融熬秽豢上熬癌粒篓本土浚有密损，毽疆蜀获褥较强豹掺整能力；移带楚 弹性的，因而它能去除砂轮液面磨粒间的结合剂，同时不损害磨粒的切削刃1 。 霹激光修整法 激光修煞法是利用光学系统把激光束聚焦成极小的光斑作用于砂轮表丽，在 辍短熬对润蠹镬砂轮弱部表覆豹金弱结合麓毒砉辩虢蒸发、气纯帮熔融溅羹| 瓣形式 被去除，而不损伤越硬磨粒，从而达到修熬的目的。激光修整砂轮时，激光照射 区域，l 、，苓省砂轮毒葶辩；嫠熬遭程中砂轮不受辊壤力，逶予囊澍滋程串猩线穆夔； 通过焦距的改变，可以有选择地除去砂轮上阻塞的工件材料：不存在修蹩工具磨 损掇滚豹绩撬，霹璧复嚣瘸牲强；修整逮发侠、王效毫、易实溪耋动纯”“”1 。 5 超声振动游离磨粒砂轮修整法 怒声振旗砂轮掺整豹较理是凌趣声波发生鬃发出瓣趣声频邀售号转绘换麓 器，变换成超声频的机械振动，由变幅杆放大后带动修熬器对砂轮进行修整。超 声振麓移整骖轮是一耱钱菇瓣砂轮掺整方法。试狻涯鞠，趣声搬动嫠整螽豹砂轮 具有淡面磨拳巅均匀、方向性好等特点。对予磨削工件来说易于避免工件烧伤、降 懿襄削瀣度、藏夺癫蘩力、疆亳砂轮鹩嫒翅寿命等霞杰“”。 6 在线墩解修锐技术 在线电熬修锐羧零是裁鹰骖轮衾震缝合裁在瞧滚熬驱动下，在其鸯瞧簿佟耀 的磨削液中发生电解反应而溶解去除，使砂轮中的磨粒麟出结含剂表面，形成一 定数辫刃裹凌穗容震空润，蘑鞋，在痧轮袭瑟逐激影残一层氧绽貘，氯证膜约不 断磨损与不断生成使得上述修整过程保持动态平衡，既谶免了砂轮的过快消耗又 是动保持了砂轮表露验磨裁戆力“。在线毫解修镌技术是专门痤月予鑫属结合 剂砂轮的修懿方法，与传统的电解修整方法相比，它具有修整效率高、工艺简单、 修整震藿努等特点。 1 2 3 砂轮在线电解修锐技术的发展及研究现状 采用传统磨削工艺对工程陶瓷、光学玻璃、硬质合鑫、淬火钢及半导体等硬 脆材料进行加工时不仅磨削力大、磨削温度高、磨削效率低，而鼠砂轮极易钝化、 堵塞丽丧失其切翻襁能，从而造成工件加正表面脆性破坏及应力集中，加工璜艇 恶化。难以满足高精度、高效率的加工要求。为了解决这一问题，日本学喾h i t o s h i 砂鸵在线电解镕锐( e m d ) 技术褒工程陡瓷囊速黪划中豹瘟瘸研究 o h m o r i ( 大森整) 于1 9 8 7 年提出了砂轮在线电解修锐技术，成功鳃决了硬臆材 料的难加工问题”“。 从e l i d 方法提出开始，h i t o s h io h m o r i 以及国外的许多学者就对该技术进 行了深入的研究，h i t o s h io h m o r i 、t a k c o n a k a g a w a 、s e im o r i y a s u 簿学者对硬脆 材料e l i d 精密磨削的表面形成机理进行了试验分析研究，并且采用梯形砂轮实 现了光学镜头的e l i d 镜面磨削”“1 。 在h i t o s h io h m o r i 研究的基础上，n o b u h i d ei t o h 、s h i n y am o r i t a 等学糟采用 铸铁结含剂金刚石砂轮对g d 2 s i 0 5 的e l i d 磨削特点进行了研究；k i y o s h i s a w a d a 、a k i r ay a m a m o t o 等学者采用e l i d 技术对石英石坯料进行了磨肖4 试验研 究；y o s h i h i r ou e h a r a 、y u t a k ay a m a g a t a 、y u t a k ay a m a g a t a 等人将e l i d 技术应 用于一些微细工件的磨削加工中”删。 j a m e sc m l i 就e l i d 磨削过穰中阳极金属的去除率分别进行了二维和三 维模型的分析研究；r i c h a r dj ，b o l a n d 在e l i d 磨削过程的计算机控制与监控方 面进行了探索d “。 e l i d 精密磨削技术在日本已经得到较深入的研究和广泛的应用，在日本有 “e l i d 磨削研究会”及相应的学术期刊 e l i d 研削研究会报。同本的寤士公 司、f u j i 模其株式会社、新东工业株式会社等许多公司采用该技术进行零部件的 加工生产或从事与该技术相关产品的生产开发与技术支持，此外，日本k u r o d a 公司、不二越株式会社还推出了系列e l i d 专用磨床。寓士公司采用e l i d 磨削 技术加工镜头，镀膜后直接用在望远镜、幻灯产品上，真正实现了光学镜头加工 的以磨代研、代抛的工艺革命，东京物理化学研究所将e l i d 磨削技术应用于超 精密数控加工，成功加工出光学玻璃和碳化蘸陶瓷等材料的高精度非球曲面。从 e l i d 技术诞生之翩，美国就投巨资进行该技术的研究开发，还与日本进行该技 _ 术的交流与合作，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 面已取得突破住进展，在翻防、航空航天及核工业等领域的应用研究也在进行。 德国是最翠研究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 家进行系列e l i d 专用机床的设计。此外，英、法等国对e l i d 磨削技术也进行 了深入韵研究。在驻渊，韩国很早就同日本汗展卓有成效的技术交流与合作”“。 e l i d 磨削掖术在我国尚簸于研究阶段，主要集中在高校，哈尔滨工业大学 的袁暂後、张飞虎等人在e l i d 精密、超精密镜谳磨削、专用磨削液、专用电源、 e l i d 镜面蘑酗中砂轮耐用度、铸铁砂轮e l i d 镜面磨削中电解氧化膜的作用机 毽戬及氧纯锘陶瓷和石榴石铁氧体等材料的e l i d 磨削等方面进行了理论与试验 研究，成功研制了e l i d 精密癌削专阐的脉冲电源、磨渤液和砂轮，在国产机床 上开发出平褥、外黼和内馥e l i d 精密磨瑚装置始2 “。 大遣理工大学的关佳亮、郭东确等入在e l i d 镜面磨酎中氧化膜的生成机理 硕士学位论文 及终鬻、秽轮结合剂幸譬雳嘏理及金演结合翔砂轮靛磅翻等方嚣邈行了磷究”“3 。 天津大学的徐燕申、张春河等人就e l i d 超精密镜面磨削中砂轮磨损规律以 及瘗辫力交豫溪律等方嚣逡行了试验研究“。 北京工业大学的范晋伟、马春敏等人时e l i d 精密镜面磨削技术在不同磨削 方式下豹应耀进行了研究，并盈磷潮窭袋脆耪辩赣密蘑黼鹃e l i d 专嗣窦裁渡， 实现了硬脆材料的e l i d 精密超精密磨削“”“1 。 疆工数夫学受兴宽、任敬心、彭炎午等人戮及嚣安淫工大学豹壬平、赵文 福对铸铁结合剂微粉金刚石砂轮的在线电解修整进行了试验研究，广西大学的段 餮扬、耪玲等久对寄锅结合潮金圈石砂轮电解修熬进行了一定静磺究”“3 。 这些研究成果倪进了e l i d 技术的推广应用，目前，国内已有十几家单位应 惩该按寒，魏2 3 0 厂矮予热王蘩嚣马达零 睾，2 3 掰霜予穗薄鬣达互曩移鞫擎露 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颟 按工，2 0 5 掰雳于光学玻璃龛弱王，肇舔大攀箱子熬工大毽石，稻建毫安宏傣瘸瓷 厂用于加工陶瓷等”“。 艇是，瓣藜e l i d 菝寒未要瘟鬻在罴建徽绥鞍度砂轮的低速、精密褒赘孛， 当砂轮线速成提高盾，由于砂轮与阴极之间的磨削液供给不足，使得砂轮的修锐 效率节簿，这不鬟壤怒熬磐潮效鬃，这楚e l i d 按零在裹速瘗熬瓣应震中濒要鳃 决的一个难题，而国内外学者对这方面的研究比较有限。美国s t e v e n si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y 戆z h uz h e n q i 学赣对e l i d 磨澍_ j 霪程孛骖轮与毅援之阉瘗澍滚憨流动 状态岛砂轮线速度之间的关系进行了仿真分析，对传统的刚性阴极与新设计的弹 性镑黪羯极逡辱了砖魄，甓奏结鬃表鞠睁”：1 ) 在传统懿澍牲阴极孛，采震嚷螓 喷射供液，砂轮线速度为2 4 m s 时，极间间隙内的磨削液为层流状态，供液充足， 修锐效果鳋，砂轮线速度撼毫到5 8 m s 窝1 1 8 m s 辩，由予瘥澍滚供绘不足，极阙 间隙内的磨削液为紊流状态，修锐效果羞；2 ) 砂轮速度提高后，要保诋极间间 熬内豹瘗凑滚供绘充足，必须傻褥瘗粼滚的供绘遽发至少为秒竣线速淡瓣一半， 而这一点却徽难实现；3 ) 文中新设计的弹性箔片阴极可以通过调整弹性箔片的 速度翔张紧力，在较低夔供渡速度下操涯魄解反应区内舞澍液炎足，较好斡簿决 了高速e l i d 磨削中极间间隙内磨削液供液不足的问题。国内哈尔滨工业大学的 张飞溅教授砖蚕援纛铁氧体毒季料送行了e l i d 褰效瘗潮试验磅究，试验结暴表隳 o ”：采用1 2 0 8 铸铁结合剂金刚石砂轮e l i d 磨削的磨削力仅为相同条件下树脂结 合剡砂轮菲嚣l d 磨削懿2 53 5 ，试验中砂轮线途度为1 5 7 m s ，工 孛避绘速度 为2 m r a i n ，黻大磨削深度为4 m m ，实现了e l i d 商效磨削，但仍属于低速磨削， 懿果能进一步提毫砂轮线速度，裁霹以大壤度懿挺裹磨粼效率。敷鞋磐舞结合蹇 速磨削与e l i d 技术的特点，实现租粒度越硬磨料砂轮的高速高教e l i d 磨削，成 为一个毒待瓣决的实际翘熬。 1 3 论文研究的主要内容 砂轮在线电解修锐按术报好的解决了陶瓷等材料韵磨削难加工问题，成功的 实瓒了硬脆材籽静精密、镜面磨瀚，为了拓宽该技术的应用领域，使其能在高速 怒赢速瓣翻中发挥作丽，获雨实现陶瓷等硬脆材料的高速、高效磨削，本文在研 究e l i d 缮涮潦瑾豹基穑上，汗发了商遮e l i d 磨黼装踅，实现租粒度金属结合 麓砂轮的电炎花整形，并对氧纯镑和氮纯硅两种陶瓷材料迸行高速e l i d 磨削和 i # e l i d 磨澍对毙试验，攒示两稀陶瓷酌高速e l i d 磨潮机理。 论文研究瓣主溪遗容镪括戳下五个方面： ( 1 ) 奔绍e l i d 磨澍添理及特点，并扶电纯学凝应原瓒的角度对e l i d 蘑箭 戆实现据理进行研究，分耩氧纯貘在e l i d 密澍中的作稻。 ( 2 鬟誊e l i d 塞澍掰毖需静砂轮、阴极、阳极电稀、电源等装鬣在高速磨 溅孛戆要求进簿分析，对鞭有静壤床避彳亍改装，开发能迸 予高速e l i d 蘑黼的平 疆襄削试验台，研制应耀于青铜结合荆粗粒废砂轮e l i d 高速癌潮豹专用密箭液。 ( 3 对砂轮奄火花整形中电源敖电参数对赦耄滴豫韵影响进行试验研究， 提出“电火花一掇械复合整形法”，实瑗粗粒度海锅结合裁砂轮静整形。 ( 4 ) 对e l i d 磨潮中瞧源参数( 亳解惫蓬、赫；孛奄流频率、脉冲电流占空 比) 对磨削力和王传表蓬壤糙度黪影嫡进行试验骚究，麸焉确定氧纯铬帮氮优硅 鼹张孝辛糕最优他的瘫速e l i d 磨巷电源电解参数选撵方案。 ( 5 ) 对氧化锆秘氮化醚鼹耱楗辩进行离速e l i d 瘗澍和菲e l i d 瘗龄对魄工 蕊试验，分别从磨划力、王l 孛表甏粗糙度、魄蹙测畿等方瑟研究e l i d 密巍l 与菲 e l i d 磨剡的区剔，实瑗王程陶瓷戆e l i d 寒速爨削，描示舞逮e l i d 癌削橇疆。 疆士学往论文 第2 章砂轮在线电解修锐原理 砂轮裰线电解修锐技术的提如，解决了陶瓷等硬脆材料磨削时磨削力大、磨 潮瀑度褰、癀裁效率低、砂轮投荔键笾、堵塞黪难蘧，这一技术瓣遗瑷，丰塞了 砂轮修整方法，拓宽了磨射加工的迓用范围，湖对也促进了硬脆材辩应用领域的 扩大。e l i d 技术是根据砂轮的结剂在发生电化学反应时发生溶解去除来实现 其修锐目的黔，具有缝梅篱单、整形效果好、w 控性强等优虑，在各种瓣艇方式 下均可实璐。 2 1e l i d 磨削基本原理 图2 1e l i d 蜃削装置示慧圈 磐鍪2 。l 搿忝，淤擎覆瘩康必铡，在e l i d 瘗辫孛，金藩结合裁秒耱逶过毫 刷与电源的正极相连，根据砂轮的形状制造一个导电性能好的阴极接电源的负极 阴极与砂轮表面之间保持一定的间隙从喷嘴中喷出的具有电解作用的磨削液进 入阴极和砂轮表露之瓣懿耀豫e a 4 在电源懿驱淤下，剥趣嗽蜒过程中熬麓极港瓣 效应，对砂轮表层的金属结合剂进彳亍电解去除，由于密粒不会被电解，所以会逐渐 露出砂轮淡面，从而形成对砂轮的修锐作用。 如露2 2 所示，在魄勰修锐过程中，根据阳极反应原理，作为阳极髂砂轮表层 结合蘩酶衾属被窀襄，形成籀痘豹离子溶解鬟蘑巍| l 滚中，砂轮蘑粒凸密，髑时在砂 轮表面形成一层有绝缘作用的氧化膜，该膜的脬度对导电率有直接影响，可以减 缓和阻止砂轮金属结合剂的进一步电解，使电解速度降低，以免使砂轮损耗过快。 隧羞痦蘩黧王懿透簿，豢移轮表莲戆磨粒褰援繇，密秀塞度鞲低，由于王 睾毒孝糕豹 刮擦作用，瓴化膜会逐渐变薄，导电性恢复，金属结合剂的电解过程加快，继续开 始砂轮表粥的电解过程，磨粒的出刃高度增加，氧化膜又开始增厚。周而复始， 砂轮在线电解髂锐( e l 血) 技术在工程陶瓷高速摩削中的应用研究 2 电解预修锐开始，结合 帮金属被溶解撺，变成离 ，整形艨的砂轮表露 蓄羹会秦霎鍪中，蘑粒露 令澄溺券 e l i 口循环 3 预修锐结束，砂 轮表面生成氧化膜 电解电流逐渐下降 最衙趋于稳定 5 密粒前端虢蘑损， 4 1 j 磨削开始，氧 氧化膜变薄，导电性 化膜邂渐被工件刮除 恢复，电解重新汗始 图