（机械制造及其自动化专业论文）elid专用磨削液的研究及改进.pdf

摘要 随着硬质合金、工程陶瓷、光学玻璃、淬火刚及半导体等硬脆材料日益广泛 的应用，磨削加工在整个机械加工领域已日趋重要，但由于材料的高强度、高硬 度和高脆性，采用传统磨削工艺难以满足高精度，高效率的加工要求。在线电解 修整( e l i d ) 磨削技术将砂轮的修整与磨削过程结合在一起，利用非线性电解 作用对砂轮进行修整，避免了砂轮的钝化和堵塞现象，实现对硬脆材料的超精密 磨削。本文在分析原有e l i d 专用磨削液存在不足的基础上，对原有磨削液进行 了改进研究，对提高e l i d 磨削质量具有一定的理论意义和重要的实用价值。 本文对原有磨削液进行了改进。主要是利用静电化学试验、试验台试验和实 际磨削试验，研究影响钝化膜成膜的因素，并改进磨削液的润滑性能、清洗性能 和磨削液的安定性。经磨床试验表明，磨削效率比原有磨削液有了显著的提高。 为了研究钝化膜的成膜机理，利用模拟试验台进行了钝化膜的预修锐实验。 按钝化膜的成膜时间将实验分成几个阶段，并对每个阶段的钝化膜进行了取样。 利用s e m 环境扫描电镜分析出钝化膜的厚度和成分，并以此推断钝化膜的成膜 过程。实验结果表明钝化膜生长随时间是非线性变化的，开始时钝化膜的生长速 度较快，达到一定厚度后生长速度逐渐变慢，最终维持在一个厚度上。 为了检验改进后磨削液的效果，在磨床上进行了氮化硅陶瓷的磨削试验，结 果表明改进的磨削液效果良好，工件表面粗糙度可以达到只。7 r i m 。实验发现利用 徼进给方式可以提高工件表面质量；利用声发射信号可以表征钝化膜状态。 关键词： e l f f ) 专用磨削液钝化膜静电化学试验试验台磨床 a b s t r a c t w i t ht h ew i d e l yu s eo f h a r dc r i s pm a t e r i a l ss u c ha sh a r da l l o y 、p r o j e c tc e r a m i c s 、 o p t i c a lg l a s s 、q u e n c h i n gj u s ta n ds e m i c o n d u c t o r , g r i n d i n gi sm u c hm o r ei m p o r t a n t i nt h ef i e l do fm a c h i n i n gp r o c e s s b u ta sf o rt h eh i g h h a r d n e s s ，h i 曲s t r e n g t h ，h i g h b r i t t l e n e s so fm a t e r i a l ，i ti sh a r dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g h - p r e c i s i o n ， h i g h e f f i c i e n c yb yu s i n gt h et r a d i t i o n a lg r i n d i n gp r o c e s s w h i l et h ee l i dg r i n d i n g t e c h n o l o g yc o m b i n e st h ed r e s s i n g a n dg r i n d i n go fw h e e l ，u s i n gt h en o n l i n e a r e l e c t r o l y s i s t od r e s st h eg r i n d i n gw h e e l ，t h u s ，t h ep h e n o m e n ao fb l u n t n e s sa n d o b s t r u c t i o nc a nb ea v o i d e d , a tt h es a m et i m e ，t h es u p e r - p r e c i s i o ng 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 si sa c h i e v e d t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h er e s e a r c ho fs p e c i a l - p u r p o s e g r i n d i n gl i q u i df o re l i d ，a n dm a k e sa ni m p r o v e m e n tt ot h eo r i g i n a lg r i n d i n gl i q u i d , t h u sl a y st h ef o u n d a t i o no ff u r t h e rr e s e a r c ho ft h ee l i d g r i n d i n gl i q u i d f i r s t l y ，t h ep a p e rm a k e sa ni m p r o v e m e n tt ot h eo r i g i n a lg r i n d i n gl i q u i d t h e a u t h o ru s e st h em e t h o do fe l e c t r o s t a t i cc h e m i s t r ye x p e r i m e n t 、t e s tb e n c h e x p e r i m e n t a n dt h ea c t u a lg r i n d i n ge x p e r i m e n tt or e s e a r c ht h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c ep a s s i v e f i l m s ，t h e ni m p r o v e st h el u b r i c a t i o na n dc l e a np e r f o r m a n c ea n dt h es t a b i l i t yo ft h e g r i n d i n gl i q u i d w h e nt h i si m p r o v e dg r i n d i n gl i q u i di su s e di nt h eg r i n d i n g e x p e r i m e n t , i t sg r i n d i n ge f f i c i e n c yi se n h a n c e dr e m a r k a b l y i no r d e rt os t u d yt h e p a s s i v a t i o nm e c h a n i s mo ft h ep a s s i v a t i n gf i l m s ，t h ea u t h o rc a r r i e so nt h ep r e - d r e s s i n g a n ds i m u l a t e - g r i n de x p e r i m e n tu s i n gt h es i m u l a t e dt e s tb e n c h ，a n dd i v i d e st h ep a s s i v e p r o c e s s i n t os e v e r a ls t a g e sb yt h et i m e ，t h e nt a k e ss a m p l e si ne a c hs t a g e ，a tl a s t ， a n a l y z e st h et h i c k n e s sa n di n g r e d i e n to ft h ep a s s i v ef i l l st h r o u g hs e m i ti sf o u n d o u tt h a tt h eg r o w t hp a t ho ft h ep a s s i v ef i l m si sn o n l i n e a r , i tg r o w sq u i c k l ya tf i r s t ，t h e n b e c o m e ss l o w l ya ts o m ep o i n t , f i n a l l ym a i n t a i n si naf i x e dt h i c k n e s s f i n a l l y , i no r d e rt oe x a m i n et h ee f f e c to ft h ei m p r o v e dg r i n d i n gl i q u i d , t h ea n c h o r d o e st h eg r i n d i n gm a c h i n et e s to fs i 3 n 4 t h ef i n a lo u t c o m ei n d i c a t e st h a tt h e i m p r o v e dg r i n d i n gl i q u i dh a s ab e t t e r e f f e c t ，t h ew o r k p i e c es u r f a c er o u g h n e s s a c h i e v e sr a7 n m i nt h em e a n t i m e ，i ti sf o u n dt h a tt h eu s eo fm i c r o - f e e dc a ne n h a n c e t h eq u a l i t yo ft h ew o r k p i e c es u r f a c ea n dt h ea c o u s t i ce m i s s i o nc a nh e l pt os h o wt h e s t a t eo ft h ep a s s i v ef i l m s k e y w o r d s ：s p e c i a lg r i n d i n gl i q u i df o re l i d ，p a s s i v a t i n gf i l m s ， e l e c t r o s t a t i cc h e m i s t r ye x p e r i m e n t ，t e s tb e n c h ，g r i n d i n gm a c h i n e 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，也不包含为获得墨注盘堂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：专i 春明 签字日期：m - 年6 卢似日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼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：训春碉 签字目期：川年 月6 日 导师签名：z 、声们- p 吃 签字日期：夕叩年l ，月c 1 6 日 第一章绪论 第一章绪论 机械工业是国民经济发展的基础，因为它需要为其它生产部门提供技术装 备，而机械工业提供技术装备的水平和质量，将直接影响国民经济各部门生产技 术水平的高低和经济效益的好坏。因此，加强发展机械制造业是发展国民经济的 一项关键性措施，是加强经济竞争能力的强有力的手段。 精密和超精密加工技术集成了机械科学、材料科学、计算机科学、信息科 学、测量科学及管理科学等诸多领域的最先进成果，是制造业中最重要的部分 之一，它不仅直接影响尖端技术和国防工业的发展，而且还影响机械产品的精 度和表面质量，影响产品的国际竞争力。因此，作为现代制造技术的一个重要 组成部分与发展方向，精密、超精密加工技术已经成为衡量一个国家科学技术 发展水平的重要标志。发达国家都把精密、超精密加工技术作为重点与关键技术 投入大量人力、物力进行研究。 1 1 精密和超精密加工技术 1 1 1 精密和超精密加工技术简介 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。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) 。目 前，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 岫 0 1 m 、表面粗糙度r a 0 1 m 0 0 2 5 0 m 的加工称作精密加工，将加工精度高于 0 1 i m a 、表面粗糙度r a 、 b r - i - f 。 c 1 0 4 。 o h - 。在本试验过程中，活化剂的含量必须严格控制，尤其 是c l 的含量在起着极为关键的作用。 ( 3 ) 氧化剂的影响 溶液中存在氧化剂时，如硝酸银、重铬酸钾、高锰酸钾、铬酸钾等，均能 第三章e l i d 成膜特性研究 促使金属发生钝化。而溶解于溶液中的氧、o h 离子、阳极反应析出的氧等， 也是能明显地促使金属钝化的钝化剂。 ( 4 ) 有机表面活性物质的影响 有些有机表面活性剂对金属的阳极溶解起阻化作用，如酸性溶液中添加的 含氮或含硫的有机化合物，这类表面活性剂称为阳极缓蚀剂。而含有苯环结构 的有机表面活性物质往往能够促进阳极的钝化。 ( 5 ) 溶液p h 值的影响 金属在中性或弱碱性溶液中一般比较容易钝化，而在酸性溶液中则困难得 多。大多数金属在中性溶液中阳极反应均生成溶解度很小的氢氧化物或难溶 盐，引起金属表面钝化。磨削液的p h 值一般在9 一1 0 之间，因此，对金属的钝 化较为有利。 3 阳极电参数的影响 ( 1 ) 电流密度影响 这是工艺因素中对阳极过程影响最显著的一个因素。当阳极电流密度小于 临界钝化电流密度时，提高阳极电流密度，可以加速金属的溶解。当阳极电流 密度大于临界钝化电流密度时，提高阳极电流密度将显著地加速金属的钝化过 程。试验表明，电流密度愈大，钝化时间愈短。即阳极电流密度越大，越容易 建立钝态。 ( 2 ) 电源脉冲的影响 在阳极钝化过程中，电源的脉冲宽度和占空比对阳极生成钝化膜的质量有 着直接的关系。实验表明，直流电源情况下，钝化膜的生成速度快，但生成钝 化膜晶粒较大，致密性较差；脉冲电源情况下，钝化膜生成速度相对较慢，生 成钝化膜晶粒较细，致密性好。并且在脉冲电源的情况下阳极金属的转化率较 高。 3 2 试验台模拟实验 3 2 1 试验台结构介绍 e l i d 磨削试验台是为模拟砂轮电解预修锐和e l i d 磨削过程而专门设计的 实验装置，它为研究钝化膜形成机理，开发专门的e l i d 脉冲电源、e l i d 磨削 液、e l i d 金属结合剂微粉砂轮等提供了专门的试验平台。 根据e l i d 磨削的特点，试验台的电极间隙、电极面积和砂轮切向力都可以 根据要求进行调整，切向力的大小也可以测量。为了方便对钝化膜状态的观测， 设计专门的砂轮取样机构。在设计的整个过程中需要对试验台各部分的电绝缘 第三章e l d 成膜特性研究 性进行充分考虑，从而保证在模拟砂轮电解预修锐和e l i d 磨削过程中所采集的 数据更具有可靠性。试验台结构如下： 图3 - i 试验台结构 1 测力支板2 试件3 、5 摩擦力调整弹簧4 平衡片6 摩擦力调整螺 钉7 电极间隙调整螺钉8 弹簧片9 电极1 0 取样块1 1 传力杆 试验台磨削切向力的调整是通过改变摩擦块与砂轮之间的法向力来实现的； 切向力的测量是通过电阻应变式传感器和d y l 5 型动态电阻应变仪来实现的。通 过改变调整螺钉6 的长度，可以改变弹簧3 和5 的长度，再经由测力支板改变摩 擦块与砂轮之间的摩擦力。摩擦力经过传力杆和传力轴等机构最终将摩擦力传 送至传感器进行测量( 图3 1 ) 。 图3 2 电极间隙调整机构 轮 第三章e l i d 成膜特性研究 在e l i d 磨削过程中，电极阴极和砂轮阳极之间问隙的变化。可能会影响钝 化膜的成膜速度和成膜质量，影响砂轮的电解修锐的能力，同时电极形状和电 极面积的不同也可能对钝化膜的生成性质产生影响。因此，为了找出这些因素 与钝化膜生成质量之间的关系，试验台电极间隙和电极面积都可以根据需要进 行调整。 如图3 - 2 所示，电极通过绝缘层和弹性片固定在箱体上，它们之间通过沉头 螺钉联接，保证了电极与其它部件的绝缘性。电极间隙的调整通过电极间隙调整 螺栓使弹性片发生微量弯曲来实现，问隙太小可以用塞尺测量。 在e l i d 磨削过程中很难对钝化膜状态进行直接观察和精确测量，为了解决 此问题，在试验台的砂轮上设计了专门的取样机构。如图3 - 3 所示，在砂轮圆周 任意位置上通过线切割切下一取样块( 扇形块) ，然后再用夹板和螺栓将其固定 在原来的位置。取样块体积小、质量轻、便于对钝化膜的观察和测量，在实验 过程中当需要对某时刻生成的钝化膜进行观察时，可以方便地将取样块取下。 精哆 + 0 7、_ 图3 0 取样块装置结构 为了方便取样块的观测，如图所示设计了与取下 的扇形块夹角相同的楔形挡块，保证了扇形块侧面能 够保持水平放置，从而方便了用扫描电镜对取样块上 钝化膜的观察和测量。 为了保证砂轮旋转时能够保持良好的平衡，在与 取样块中心对称的位置上安装了与固定取样块夹板 质量相同的两个平衡片，从而保证砂轮的平衡运转。 试验台外形如图3 _ 4 所示。上部圆形旋钮可以无 级调速，转速在0 - 1 2 0 0 转分。e l i ) 磨削试验台体积 小，能耗低各参数调整方便，能够较好的模拟e l i ) 电解修锐和磨削过程。因此e l i d 磨削试验台不仅为 阿 图3 4 试验台 冒 第三章e l i d 成膜特性研究 研究专门的e l i ) 电解磨削液提供了很好的实验装置，而且也为深入研究专门的 e l i d 专用脉冲电源和e l i d 金属结台剂微粉砂轮等关键技术提供了经济实用的 实验装置。 3 2 2 预修锐试验及钝化膜分析 为了分析钝化膜的成膜机理，利用试验台进行砂轮预修锐和模拟磨削试验。 并通过取样装置的设计对钝亿膜进行较为深入地分析，包括钝化膜厚度及成份分 析等。 实验设各是模拟试验台电源采用高频脉冲h d m d i v 型，磨削液用改进后 的e l i d 专用磨削液( p h 97 ) 。 试验参数：电压9 0 v 脉冲间隔5 p s ：5 l l s ，砂轮转速1 1 0 0 r p m 。 试验过程如下：根据钝化膜成膜时间一般为1 7 分钟左右，为了近似的分析 成膜过程，制作了六块取样块，每3 分钟取一次样。每块试验时间分别为：第一 块15 分钟、第二块3 分钟、第三块6 分钟、第四块9 分钟、第五块1 2 分钟、 第六块1 7 分钟。试样块经抛光后用x l 3 0 e s e m 环境扫描电镜扫描，分析钝化 膜的厚度和成分。 每个取样快的钝化膜厚度和表面形貌如下列各图所示。图3 6 a 和b 是预修 锐15 分钟时取样块的钝化膜厚度和表面形貌钝化膜厚度为大约1 0 l m 。 图3 7 、3 8 、3 - 9 、3 - 1 0 和图3 1 1 分别是预修锐3 分钟、6 分钟、9 分钟、 1 2 分钟和1 7 分钟时的取样块的钝化膜厚度和表面形貌。 ( a )( b ) 图3 - 6 预修锐1 5 分钟时取样块的钝化膜厚度和表面形貌 第三章e l l d 成膜特性研究 ( b ) 国3 - 7 预修锐3 分钟时取样块的钝化膜厚度和表面形貌 ( a )( b ) 圈3 - 8 预修锐6 分钟时取样块的钝化膜厚度和表面形貌 ( a )( b ) 圈3 - 9 预佳锐9 分钟时取样块的钝化膜厚度和表面形 第三章e l i d 成膜特性研究 ( a )( b ) 图3 一1 0 预修锐1 2 分钟时取样块的钝化膜厚度和表面形貌 ( a )( b ) 圈3 - 1 i 预修锐1 7 分钟时取样块的钝化膜厚度和表面形貌 由于在抛光时可能碰到了取样块表面的钝化膜，致使钝化膜和铸铁块不在同 一个表面上，所以照出来的厚度可能有误差。但误差还是可以接受的。 钝化膜厚度随时间变化曲线 图3 1 2 钝化膜厚度随时间的变化 第三章e l i d 成膜特性研究 图3 - 1 2 是钝化膜厚度随时问的变化曲线。由曲线可以看出，钝化膜随着时 间在不断的增长。开始时钝化膜生长较快，15 分钟时电流值为40 a ，在6 分钟 后钝化膜生长变缓此时电流变小，最后，电流为12 5 a 。 图3 6 b 是预修锐15 分钟时取样块的钝化膜形貌从圈上可以明显看出在钝 化膜的表面有很多的坑，这些坑被认为是点蚀坑。由于这些点蚀坑的存在电流 比较大( 图3 - 】3 ) 。 ”。 ! 隳畦 蓬n 、iu 。 皿墨豇团积圃皿四面目 图3 - 1 4 预惨锐3 分钟时取样块的电压电流变化曲线 图3 8 b 是预修锐6 分钟时取样块的钝化膜形貌，可以看出，此时钝化膜的 表面点蚀坑已经很少了。此时电流值比较小而且电流下降趋势也减小了( 图 3 - 1 5 ) 。图3 9 b 、3 - 1 0 b 和3 - 1 l b 分别是9 分钟、1 2 分钟、1 7 分钟时的钝化膜， 第三章e l i d 成膜特性研究 可以看出点蚀坑都比较少。图3 - 1 6 、3 - 1 7 、3 - 1 8 分别是试样块的电压电流变化曲 线可以看出电流下降较慢。 图3 1 5 预修锐6 分钟试样块电压电流变化曲 图3 - 1 6 预修锐9 分钟试样块电压电流变化曲 k 疆咚 图3 - 1 7 预修锐】2 分钟试样块电压电流变化 图3 1 9 是膜厚与电流关系曲线。由于铸铁圆盘有漏电现象，所以电流不是 很准确，但误差是可以允许的。由图可以看出钝化膜生长速度随着电流的增大呈 上升趋势。 第三章e l i d 成膜特性研究 囤3 - 1 8 预修锐1 7 分钟时取样块的电压电流变化曲线 膜厚与电流变化关系 篇 喜嚣 警。4 ： o 电流( a ) 为了分析钝化膜的结构和元素含量百分比，用) o e s e m 环境扫描电镜对 预修锐1 7 分钟的取样块的钝化膜进行了线扫描( 图3 - 2 0 ) 。图3 2 i 是各元素沿 扫描线从上到下的分布情况。 镰 国3 - 2 0 预修锐1 7 分钟的取样块的钝化膜线扫描图 1 一 潮 第三章e l i d 成膜特性研究 圈3 - 2 l 预修锐1 7 分钟的取样块钝化膜中菩元素分布图 图3 - 2 1 a 是氧元素的分布情况，由图可以看出氧元素主要分布在靠近铁基体 和钝化膜表面的位置。这可能是因为在钝化膜的表面铁的氢氧化物比较多，在靠 近铁基体的地方铁的氧化物比较多的缘故。把钝化膜从取样块上刮出后会发现一 层较薄的黑色致密的膜。这可能是铁的氧化物形成的。 图3 - 2 i b 是铁元素的分布情况，由图可以看出铁元素的含量较高。在钝化膜 中铁元素的分布是比较均匀的，只是在中问比较少一些。这可能是因为钝化膜的 中间主要是铁的化合物的原因。 图3 - 2 c 是磨目液中成分t 在钝化膜中的分布情况。t 是钝化剂，对钝化膜 的形成起重要作用。这也证实了磨自液中确实有成分参与了钝化膜的形成。t 与 铁反应生成的化合物附着在钝化膜上，不仅阻止了铁离子穿透钝化膜进入溶液 中，而且阻止了阴离子进入钝化膜，从而防止了阳极的过度电解。随着e l i ) 磨 削进行，磨削液中对成膜起重要作用的成分在逐渐减少所以，应该对磨削液成 分的消耗情况作深入的研究，以便及时对磨削液进行补充。 铸铁基金刚石砂轮e l i d 謦锐时，在砂轮表面发生阳极反应，在紫铜表面 发生阴极反应。主要的化学反应方式如下i n 州】： 阳极：f e - + f e 2 + 2 e( 3 1 ) 第三章e l i d 成膜特性研究 阴极：2 h 2 0 - - 争2 h + + 2 0 h 一2 h + + 2 e 寸h 2 ( 3 - 2 ) 再由上式产生的铁离子与氢氧根离子结合在阳极发生下列反应： f e 2 + + 2 0 h 一- ) f e ( o h ) 2 ( 墨绿色絮状物) ( 3 - 4 ) 稳定性差的f e ( o h ) ：会进一步发生下列转化反应： 4 f e ( o h ) 2 + 0 2 + 2 h 2 0 - - ) 4 f e ( o h ) 3 ( 黄褐色沉淀物) f e ( o h ) 2 - ) f e o + h 2 0 2 f e ( o h ) 3 - - ) f e 2 0 3 + 3 h 2 0 ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 从以上反应式中得知，电解反应的实质是阳极铁不断以f e 2 + 的形式溶解，是 铁失去电子被氧化；在阴极是氢离子得到电子被还原。在电解过程中作为阴极的 紫铜电极不被电解，在e l i d 磨削过程中没有消耗。把预修锐的取样块上的钝化 膜刮下来加入氢氧化钠溶液中，生成墨绿色沉淀，过一会变成红褐色沉淀。这说 明钝化膜中含有二价铁离子。 “ 通过观察修锐后的磨削液会发现有黄褐色的沉淀物，向磨削液中加入氢氧化 钠溶液没有生成沉淀，说明溶液中的氢氧化亚铁转化为了氢氧化铁和铁的氧化 物；而在阴极附近则有气泡产生并逐渐逸出。 3 3 本章小结 本章首先介绍了试验台的结构，然后介绍了试验台的预修锐，并对钝化膜的 厚度和形貌还有钝化膜的成分进行了分析。最后介绍了试验台模拟磨削实验。得 出以下主要结论。 通过s e m 扫描可以发现，预修锐时钝化膜厚度可以达到1 0 0 ) a n 左右，比较 厚。 钝化膜的成长过程是开始时比较快，随着膜厚的增加，钝化膜生长变缓。 钝化膜的膜厚随着电流的增大呈上升趋势。 j 通过对钝化膜成分的分析，认为磨削液中有钝化剂t 参与钝化膜的形成。所 以应对磨削液成分消耗情况做进一步的分析，以便对磨削液进行适当的补充。 第四章氮化硅陶瓷e l i d 超精密镜面磨削试验 第四章氮化硅陶瓷e l i d 超精密镜面磨削试验 4 1e l i d 磨削技术原理 4 1 1e l i d 超精密镜面磨削机理 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。以平面磨床为例，典型的e l i d 磨削系统如图禾1 所示包括：金属 结合剂超硬磨料砂轮、电解脉冲电源、电解修整电极，电解磨削液，接电电刷和 机床设掣3 7 1 。 图4 1e l i d 磨削系统原理图 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，在直流脉冲电源作用下，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。 e l l ) 在线电解修锐不仅仅具有常规意义上的修锐功能，即不只是将磨料周 围的部分结合剂去除，使磨粒露出砂轮表面，以形成具有一定出刃高度与容屑 空间的加工切削刃而已，而是将砂轮表层的金属结合剂改变性质，在砂轮表面 生成一层与磨削过程紧密相关的钝化膜，因此将金属结合剂微粉砂轮的在线电 解修锐称作变性修锐。即e l i d 磨削技术的修锐实际上是指通过非线性电解作用 将砂轮表层坚硬的铸铁等金属结合剂通过电化学作用转变为具有一定弹性、一 定厚度、一定强度的能容纳大量微细磨料的钝化膜层。 典型的e l i d 磨削过程可以分为四个阶段，如图4 - 2 所示：精密整形准备阶 段；电解预修锐阶段；在线电解修整动态磨削阶段和光磨阶段。 第四章氮化硅陶瓷e l i d 超精密镜面磨削试验 祭衅面l ，j 砂笼魄佟i 证斗謦i ，一i o a )娥i 鼍i 鼋缩求f 、l a ) 氧亿脏减薄 导电性恢餐 图4 - 2 典型e l i d 磨削过程 1 ) 精密整形准备阶段 金属基结合剂超细粒度超硬磨料砂轮的修整分为整形和修锐两个步骤。准 备阶段主要是对砂轮进行动平衡和精密整形，减小砂轮的径向跳动量和圆柱度 误差。并使砂轮的形状满足加工要求。金属结合剂超硬磨料砂轮的整形方法有 许多，主要分为机械磨削整形法和电加工整形法。 2 ) 电解预修锐阶段 在线电解预修锐必须是在砂轮精密整形之后进行。对于微细砂轮来说，主要 是通过砂轮表面结合剂的非线性电解作用使磨粒获得适当的出刃高度和合理的 容屑空间，并形成一层具有相当厚度与致密性的钝化膜以便抑制砂轮表层金属结 合剂的过度电解。 3 ) 在线电解修整动态磨削阶段 此阶段在线电解修锐作用会保证砂轮结合剂外面始终覆盖一层钝化物，维持 砂轮良好的磨削能力，并形成工件的加工表面。同时在动态磨削阶段，砂轮表层 或钝化膜里包含的磨料在切削力和摩擦力作用下会逐渐钝化。而工件和切屑对砂 轮表面的反刮除作用将会减薄砂轮最外层的氧化膜，使得极间电流会有所上升， 电解作用得到一定的恢复。因此，在动态磨削阶段金属结合剂砂轮的钝化膜处于 动态变化之中，在线修锐作用呈现循环及自适应的特征。 4 ) 光磨阶段 光磨的目的是进一步提高表面质量。e l i d 磨削中，光磨可分为带电光磨和 停电光磨两种方式。带电光磨是指在线电解修整作用下的光磨，停电光磨是指在 光磨阶段停止在线电解修整作用。两种光磨方式对磨削效果具有不同的影响。有 研究认为在相同光磨次数下，停电光磨的效果优于带电光磨；对于不同的工件材 第四章氮化硅陶瓷e l i d 超精密镜面磨削试验 料，停电光磨方式的磨削效果随光磨次数的变化规律也不尽相同。 4 1 2 钝化膜状态的表征 e l i d 磨削加工质量与钝化膜的性质和钝化摸所处的状态紧密相关，钝化膜 的生成质量主要由电解磨削液的配方所决定，同时砂轮金属结合剂成分和电解参 数对钝化膜的生成质量和生成速度有一定影响。砂轮表面钝化膜生成速度的调节 可以通过改变电解磨削液的配方、改变电解参数或改变电解磨削液的流量来实 现，而在磨削过程中钝化膜的状态的改变，除了上述手段外，可以通过改变磨削 参数来实现，即通过改变砂轮的进给速度或改变磨削过程中砂轮的工作时间与空 程时间之间的比例来实现。磨削过程中钝化膜状态可由回路电流进行表征，如图 禾3 所示为e l i d 电解反应回路及等效电路【3 8 1 。 在e l i d 磨削过程中，实现持续稳定磨削的一个重要前提是砂轮表面钝化膜 的绝缘性能与电解作用获得动态平衡。在加工过程中，这种动态平衡体现在砂轮 的钝化膜特征上就是膜层在一定范围内循环变化，体现在砂轮和电极之间的极间 电压与极间电流特征上就是示值在一定范围内波动。 图4 - 3 a ) 为金属结合剂砂轮进行e l m 磨肖i j 加工时的电解反应回路示意图， 电压表测量的是作为阳极的砂轮和作为阴极的弧形电极之间的电压值称之为极 间电压v ，电流表测量的是整个回路中的电流值称之为极间电流i 。在电解反应 r 限流 电极电解液 r 限流 a ) 电解反应回路示意图一b ) 电解反应等效回路示意图 图4 _ 3电解反应回路及其等效电路示意图 ? 过程中，限流电阻、阴极、阳极、两极之间的电解液以及砂轮表面的氧化膜都将 消耗一定的电能，据此将图a ) 所示的示意图转化为图b ) 所示的等效电路。 则有： “ r 总= r m + r m + r 液+ r 膜+ r m ( 禾1 ) 第四章氮化硅陶瓷e l i d 超精密镜面磨削试验 i = = _ = _ 二= 一 ( 4 - 2 ) r 限+ r 阴+ r 液+ r 膜+ r 阳 v - i ( r 阴+ r 液+ r 膜+ r 阳) ( 4 - 3 ) 在磨削过程中，限流电阻、阳极、阴极的阻值是恒定的，在电解液供液充分 的情况下，r 液的阻值变化可以忽略不计，所以，可作如下近似简化： r 恒= r m + r 阴+ r 液+ r 阳 i ： 里 r 恒+ r 膜 ( 4 4 ) ( 4 _ 5 ) 因此，钝化膜的阻值r 瞄和极间电流i 之间近似地具有一一对应的关系。在 电极与砂轮间隙调节之后，在已经配置好电解液的情况下，极间电流就是极间电 阻和砂轮表面钝化膜状态的直接反映。因此，在e l l 9 磨削过程中可以通过寻找 在不同电流水平状态下所对应的工件磨削质量，间接的反应钝化膜状态与工件加 工质量之间的关系。从而在磨削过程中可以跳过对难以直接观察和测量的钝化膜 的研究，只需在给定电解磨削液和电参数的情况下，找出电流水平和磨削质量的 一一对应关系，最终通过控制电流水平来达到对加工质量的控制。 4 2 氮化硅e l i d 超精密镜面磨削试验 表乒1 实验装置及设备 机床 砂轮 微进给工作台 磨削液 电源 工件材料 测量仪器 经过专门e l i d 改装后的精密卧轴平面磨床 删7 1 2 0 a 铸铁结合剂金刚石砂轮( w e 5 1 驱动电压2 5 0 v 2 5 0 v 最大位移：1 0 9 m ，尺寸：2 5 x 4 5 改进的e l i d 专用电解磨削液，弱碱性p h 值为9 7 高频脉冲电源h d m d 一型 热压氮化硅! 霍尔电压传感器，霍尔电流传感器，k i s t l e r 三向 测力仪，声发射传感器，电压放大器，电荷放大器， 数据采集卡，计算机显微硬度测试仪，c s p m 2 0 0 0 扫描探针显微镜 第四章氮化硅陶瓷e l i d 超精密镜面磨削试验 表4 _ 2 实验参数 磨削参数 垂直磨削进给量： 其他参数 砂轮转速： 5 0 0 r p m 工作台横向进给速度：i n u r d 纵向行程 2 l x m 、ip m 、0 5 t u n p a s s 电压：9 0 v 脉冲宽度与脉冲间隔：5 1 t s ：5 嶂 电极间隙：0 2 m m： 电极面积：1 2 c m 2 实验中使用的氮化硅材料为矩形块状，工件尺寸为9 5r a m 9 5m m x 4m ；其 物理机械性能如表4 3 所示。 表4 3氮化硅工件的物理机械性能 密度( g c m 3 ) 3 2 硬度( g p a ) 1 8 0 0 抗压强度( p a ) 3 5 0 0 弹性模量( g p a ) 3 2 0 弯曲强度( m p a ) 1 0 4 0 断裂韧性( m p a m - 1 尼) 7 热膨胀系数( 1 0 。6 ) 3 2 4 2 1 实验过程 ( 1 ) 电火花整形 砂轮初始圆度误差为2 3 t i m ，经过5 8 分钟粗整形后电参数达到极限精度， 砂轮圆度误差为9 8 1 a n ；4 6 分钟半精整形后圆度误差为5 3 9 m ；经过5 0 分钟的 精整形后单周放电状态平稳，整形结束，圆度误差达到2 5 9 m 。经过电火花整 形的砂轮已经达到超精密磨削的要求，可以进行超精密磨削了。 ( 2 ) 预修锐 预修锐电极间隙是0 i m m ，电压是9 0 v ，脉冲间隔是5 岬：5 雌。经过4 3 分 钟的电解预修锐后，采集到的电压和电流变化曲线如图“所示。 由预修锐过程可以看出，电流变化曲线是非线性的，开始时下降很快，然后， 电流下降趋势变缓，最终电流达到一个动态平衡值。电解开始钝化膜对砂轮的覆 盖还不均匀致密，钝化膜比较薄，电解作用强，电流较大，钝化膜的生长速度也 比较快。随着电解的进行，钝化膜的厚度增加了，对砂轮的覆盖也更均匀致密， 第四章氮化硅陶瓷e l i d 超精密镜面磨自u 试验 阻止了砂轮的电解反应，电解变缓所以电流的下降速度也变慢。成膜后平衡电 流值约为0 s a ，平衡电压约为7 5 v 。 m m 图4 4 砂轮修锐过程电压电流变化曲线 表4 - l 原有磨u 液与改进磨削液的预修锐对比 ，? 初始电流( a )平衡电流( a )修锐时间( m i n ) 原有磨h 液 改进磨削液 改进的磨削液比原有磨削渡在成膜时间上短，平衡电流小，钝化膜厚，根据 e l i d 磨削特点可知，钝化膜生长速度越快越好。所以改进的磨削液在这些方面 优于原有磨削液。 ( 3 ) 氮化硅陶瓷的磨削 。i 二二一 t l 岍挑m 忡州帆m m 帆黼懈1 磊习 i 一_ _ _ 一 图4 - 5 工件1 的磨削圈 工件1 通过机床最小进给2 l l 珥p a s s ，垂直进给3 0 p r o ，此时微进给工作台不 第四章氮化硅陶瓷e l i d 超精密镜面磨削试验 起作用。图4 _ 5 是工件1 磨削过程中的一段数据采集图，法向力波动范围为4 - - - 8 n ， 平衡电流为0 5 a 。由于此时钝化膜很厚，进给量相对钝化膜厚度来讲还很小， 所以此时磨削力相对较小。 1 枞蝴蝴一 li i 电流i 一1l i ，獭蕊 l lh l k “悯一妇；i _ - - 1 法向力 l 镕一l 黼，、w ，”? ”q v ，一，、， ， 嘲 卜砷叫州k ”啼 i - - 1 切向力 _ 图4 _ 6 工件2 磨削图 图4 - 6 是工件2 在磨削过程中采集的一段数据图，此时电流在0 7 1 3 a 左右，法向力在7 5 - 3 0 n 之间。切向力由于太小，看不出明显变化。图中切向 力突出的地方是由于机床换向造成的碰撞引起的，不是切向力的真实值。工件2 图禾7 工件3 磨削图 工件3 是以0 5 1 m a p a s s 进给的， 采集的一段数据图，由图可以看出， 2 7 n 之间。 进给1 0 1 t i n 。图4 7 是工件3 在磨削过程中 磨削时电流在3 - 4 a 之间，法向力在4 7 法向力是磨削过程中一个重要的测量值，通过测量法向力可以知道砂轮是 否在有效的进行磨酣。在砂轮和工件接触瞬间法向力增大，然后在磨削过程中法 向力成抛物线性质，先增大到最高点再减小。图4 8 是在一次进给过程中法向力 4 1 第四章氮化硅陶瓷e l i d 超精密镜面磨削试验 的变化曲线。 嘲 一，蕾蟹墨 图4 _ 8 在二次进给过程中法向力随时间变化曲线 4 2 2 声发射信号的分析 声发射技术，是一种动态非破坏检测技术，涉及声发射源、波的传播、声 电转换、信号处理、数据显示与纪录、解释与评定等基本概念。其基本原理是 利用耦合在材料表面上的压电陶瓷探头将材料内声发射源产生的弹性波转变为 电信号，然后用电子设备将电信号进行放大和处理，使之特性化，予以显示和 记录，从而获得材料内声发射源的特性参数。通过分析检验过程中声发射仪器 所得的各种参数，即可知道材料内部的缺陷情况。如果用多通道声发射检测系 统，还可以确定声发射源即缺陷的具体部位【2 3 1 。 图4 _ 9 是工件磨削时采集的声发射、电流和法向力信号。由图可以看出，在 一次进给过程中，开始时法向力增大，切向力相应增大，陶瓷被磨除的效率高， 钝化膜变薄，电流增大，声发射信号增强。随着磨削的进行，陶瓷被磨平，钝化 膜增厚，法向力减小，声发射信号也减小。声发射信号与法向力变化曲线趋势 是相同的，所以声发射信号可以表征钝化膜法向力的状态。而且声发射信号与 磨削过程中电流的变化趋势相似，也可以表征磨削过程中钝化膜的状态。信号 值上升代表钝化膜变薄，信号下降代表钝化膜变厚。 图4 9 工件3 磨削时采集的声发射信号 第四章氢化硅陶瓷e l l d 超精密镜面磨削试验 4 2 3 实验结果 工件1 的表面形貌： 图像尺寸：3 0 0 0 0n m 3 0 0 0 0 n m 幅值参数： 轮廓算数平均偏差s 2 15 a m 轮廓峰态轧21 2 轮廓均方根偏差品2 54 n m 】轮廓最大高度s y l 4 3 a m 】 轮廓偏斜度鼠01 8 8 微观不平度十点高度最0 n m 图4 - 1 0 工件1 袁面形貌 工件2 的表面形貌： 图像尺寸：3 0 0 0 00 0 a m x 3 0 0 0 00 0 a r a 幅值参数： 轮廓算术平均偏差墨1 47 a m 轮廓峰态38 3 轮廓均方根偏差品1 87 n 叫 轮廓最大高度s y1 7 2 【衄 轮廓偏斜度鼠- o5 6 7微观不平度十点高度品0 衄 第四章氮化硅陶瓷e l i d 超精密镜面磨削试验 i 圈4 - 1 1 工件2 表面形貌 工件3 表面形貌： 图像尺寸：2 9 7 69 2 a m x2 9 7 69 2 r i m 幅值参数： 轮廓算术平均偏差墨1 07i r m a 轮廓均方根偏差品1 33 【】 轮廓偏斜度鼠一00 6 5 9 轮廓峰态s h33 5 轮廓最大高度s 2 0 1 衄 。 微观不平度十点高度岛o n m 】 图4 - 1 2 工件3 表面形貌 工件i 在2 9 r n p a s s t 惭粗糙度是r 。2 i5 r i m ，工件2 在1 0 m p a s s t 的表 面粗糙度助。1 42 a m 工件3 在0 5 r u n p a s s 下的表面粗糙度是见1 07 a m 。由此 第四章氮化硅陶瓷e l i d 超精密镜面磨削试验 可以看出利用微进给，可以显著提高工件表面粗糙度。 4 3 本章小结 本章叙述了e l i d 超精密镜面磨削的机理和钝化膜状态的表征，并对热压陶 瓷进行了e l i d 超精密磨削，并且通过原子力显微镜对氮化硅试件表面进行了检 测，得到其表面形貌。 ”： 在本实验中，通过磨削前的前期准备及对2 9 n g p a s s ，l n p a s s 和0 5 1 9 r g p a s s 进给量级下得到三个工件的比较得出以下结论： ( 1 ) 在微进给条件下，利用e l i d 超精密磨削，工件表面粗糙度可以达到 1 0 r i m 左右。 ( 2 ) 经磨床磨削实验，认为改进后的磨削液润滑性能得到提高，成膜能力 比原有磨削液增强。 ( 3 ) 在磨削过程中利用声发射传感器测量磨