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浙江工业大学硕士学位论文 e l i d 磨削模糊控制加工系统的关键技术研究 摘要 随着电子、光学等行业的快速发展，对于单晶硅、硬质合金等硬 脆材料的j u t 表面质量及加工效率提出了越来越高的要求。这些硬脆 材料一般均由研、磨、抛加工完成，其中可实现高效率、超光滑表面 加工的e l i d 超精密磨削方法受到了科研与企业界的广泛重视。 e l i d 具有效率高，精度高，表面质量好，加工装置简单及加工材 料适应性广等优点，尤其对于陶瓷、硬质合金等硬脆材料的高效超精 密加工具有独特的优越性。这种先进的磨削加工技术将成为今后超精 密磨削加工的主要发展方向与手段之一。 本文重点分析了e l i d 磨削过程中砂轮表面氧化膜的作用机理，经 分析得出：e l i d 磨削加工过程中的电压电流值的大小可以表征氧化膜 的状态，并通过一系列的工艺实验研究了磨削电流值的大小与砂轮磨 削效果之间的关系。在实现e l i d 磨削加工状态准确识别的基础上，针 对e l i d 磨削过程的非线性和时变性，通过m a t l a b 仿真制定模糊控 制规则，并采用单片机控制技术开发出了基于模糊控制的e l i d 磨削智 能加工系统。 本文将智能技术和微机技术与e l i d 磨削技术相结合，在积累加工 经验，优选加工参数的基础上，研制了一个能感知加工过程变化，并 实时控制加工过程的e l i d 加工系统。该加工系统以优化加工过程、提 浙江工业大学硕士学位论文 高工艺指标、提高自动化水平为目标。 最后，采用研制的e l i d 磨削智能加工系统进行了对硬质合金的磨 削实验，结果显示相对于原有系统，智能加工系统的动态响应以及稳 定性都有明显提高。 关键词：e l i d 磨削，氧化膜，加工检测，模糊控制 本文获国家自然科学基金项目( 5 0 7 7 5 2 0 7 ) 资助 浙江工业大学硕士学位论文 s t u d yo ne l i dg rn n 叮gi n t e l l i g e n t m a c h d n gs y s t ：巳m a bs t r a c t h i g hs u r f a c eq u a l i t ya n dm a c h i n i n ge f f i c i e n c yo fh a r da n db r i t t l e m a t e r i a l ss u c ha ss i n g l ec r y s t a ls i l i c o n ，t u n g s t e nc a r b i d ea r er e q u i r e db yt h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fe l e c t r o n i ca n d o p t i c a lm a t e r i a l s 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 ( e l i d ) ，w h i c hc o u l da c h i e v eh i 曲e f f i c i e n c ya n d s u p e r - s m o o t hs u r f a c e ，h a sb e e na t t a c h e dm u c hi m p o r t a n c ei n s c i e n c e r e s e a r c ha n di n d u s t r yf i e l d sg r a d u a l l y e l i dh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i 曲e f f i c i e n c ya n da c c u r a c y , s u p e r i o rs u r f a c eq u a l i t y , a n di tc o u l db es i m p l ya p p l i e da n da d a p t i v et o m a n yk i n d so fm a t e r i a l s ，e s p e c i a l l yi t sd i s t i n c t i v es u p e r i o r i t yf o rc e r a m i c ， t u n g s t e nc a r b i d ee t c t h i sa d v a n c e dg r i n d i n gt e c h n i q u ew i l lb et h em a j o r d e v e l o p m e n tt e n d e n c yi ns u p e r - p r e c i s i o nm a c h i n i n g f i e l d t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t l ya i m st oc o m b i n ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n t ( a i ) a n d m i c r o c o n t r o l l e rt e c h n i q u et oe l i dg r i n d i n g o nt h eb a s eo fa c c u m u l a t e d m a c h i n i n ge x p e r i e n c ea n do p t i m i z e dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，a l le l i d m a c h i n i n gs y s t e m ，w h i c hc o u l dd e t e c tt h ec h a n g eo fm a c h i n i n gp r o c e s sa n d r e a l t i m ec o n t r o lt h ep r o c e s s ，w a sd e v e l o p e d t h eo b je c t i v eo ft h ea i 浙江工业大学硕士学位论文 s y s t e mi st oo p t i m i z em a c h i n i n gp r o c e s sa n di m p r o v e a u t o m a t i o nl e v e l t h em e c h a n i s mo fo x i d el a y e ro nt h ew h e e ls u r f a c ed u r i n ge l i d p r o c e s s i n gw a se m p h a s i z e d ，t h eg r i n d i n g s t a t ew a sp r o p o s e dt ob e c h a r a c t e r i z e dw i t he l e c t r i cc u r r e n ti nt h i sd i s s e r t a t i o n a n dt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e ne l e c t r i cc u r r e n ta n dg r o u n ds u r f a c eh a sb e e ns t u d i e d t h ee l i d m a c h i n i n gi s at y p i c a ln o n l i n e a ra n dt i m e v a r i e dp r o c e s s ，b a s e do n i d e n t i f y i n gt h em a c h i n i n gs t a t e ，f u z z yc o n t r o lr u l e sw a se s t a b l i s h e dt h r o u g h s i m u l a t i o no nm a t l a bs o f t w a r e ，a n da ne l i di n t e l l i g e n tg r i n d i n gs y s t e m h a sb e e nd e v e l o p e db ya d o p t i n gm i c r o c o n t r o l l e rt e c h n i q u e 。 f i n a l l y , t h ed e v e l o p e de l i di n t e l l i g e n tg r i n d i n gs y s t e mw a su s e dt o g r i n d t u n g s t e nc a r b i d e ，e x p e r i m e n t r e s u l t si n d i c a t et h a ti t s d y n a m i c r e s p o n s ea n ds t a b i l i t yh a v eb e e ni m p r o v e do b v i o u s l y k e yw o r d s ：e l i dg r i n d i n g ，o x i d el a y e r , m a c h i n i n gd e t e c t i o n ，f u z z y t h i sp a p e ri ss p o n s o r e db yn a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 7 7 5 2 0 7 ) 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江 工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的 法律责任。 日期：此年二月多日 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。本人授权浙江工业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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：川年6 月弓日 日期勿眵年5 月3 e t 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 超精密磨削技术 随着电子、光学等行业的快速发展，对于单晶硅、铌酸锂、水晶等硬脆材料 的加工表面质量及加工效率提出了越来越高的要求，也带来了超精密加工领域新 技术、新装备的广泛研究以及大量新成果涌现。这些硬脆材料一般均由研、磨、 抛加工完成，其中可实现高效率、超光滑表面加工的延性方式超精密磨削方 法受到了科研与企业界的广泛重视【1 4 】。 超精密磨削技术是近年来发展起来的一种新的用于脆性材料超精密加工的方 法，它是在高刚度超精密磨床上，用金刚石砂轮对材料表面进行磨削加工。实现 对脆性材料的超精密磨削，其关键是使材料以塑性变形方式去除【2 】【5 1 。超精密镜面 磨削可以加工超精密切削无法加工的非金属硬脆材料和淬硬黑色金属材料。与超 精密研磨相比，超精密镜面磨削加工效率高，而且可以实现自动化与在线测量。 目前，高硬度高脆性材料的超精密加工主要通过超硬精细磨料的精密磨削及 研磨、抛光来实现。硬脆材料的磨削一般用作粗加工工序来获取工件的基本形状 和尺寸，而要求高的表面质量则通过研磨、抛光获得。研磨、抛光加工是采用游 离磨料对被加工表面材料产生微细去除作用以达到加工效果的一种超精加工方 法。这种加工方法工艺复杂、对机床的要求高，而且生产效率很低。 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，引起了各国专家学者空前的研究热潮。主要研究方向有：适 用于塑性磨削技术的砂轮制造与精密修整技术、支持塑性磨削的超精密磨床设计 理论、各种非金属硬脆材料的l 临界脆塑转化磨削深度、磨削过程的在线精密控制 技术，以及磨削液对超精密镜面磨削过程和磨削效果的影响等【2 】。 超精密磨床是保证精密、超精密磨削精度的关键，工业发达国家首先将重点 放在开发研制高精度的加工设备上。英国c u p e ( c r a n f i e l du n i tp r e c i s i o ne n g i n e e r i n g ) 精密研究中心1 9 9 2 年开发的n a n o c e n t e r 6 0 0 超精密车床带有磨头和可延性磨削装 置，具有控制实际磨削深度达亚微米级的能力，从而可进行光学元件的超精密磨 削，达到最好的形状精度和最小的表面损伤。1 9 9 4 年c u p e 设计制造了o a g m 2 5 0 0 超精密磨床，主要用于大型超精密镜面元件与玻璃、陶瓷及其他硬脆材料光滑表 第1 页共8 2 页 浙江工业大学硕士学位论文 面的磨削加工网。1 9 9 2 年，在美国芝加哥国际制造技术展览会上，日本日立精机公 司展示了所开发的v k c 4 5 型陶瓷磨削中心，不仅磨削精度和磨削效率很高，而且 自动化程度也很高，该项技术的应用是对陶瓷加工的一个突破。美国n o r t h c a r o l i n as t a t eu n i v e r s i t y 的精密工程中心研制的p e g a s u s ( p r e c i s i o ne n g i n e e r i n g g r i n d i n ga p p a r a t u sf o rs u p e r f m i s h i n gu l t r a h a r ds u r f a e e ) d x 型超硬材料力n - r _ 专用磨 床，接触刚度达5 3 x 1 0 6 n m ，具有微进给系统及误差补偿装置，不仅能用于基础试 验研究，也能实现结构陶瓷等硬脆材料磨削表面粗糙度达到纳米级的水平【7 1 。另外， 英国的克兰菲尔德精密工程中心开发了世界上主轴刚度最大的磨床、日本丰田精 机公司开发了主要用于硬脆材料的超精密加工的零膨胀系数主轴的超精密磨床【8 】。 本文主要是在e l i d 磨削硬质合金材料的工艺实验基础上，采用优化的加工工 艺参数，以模糊控制技术为核心，研制出e l i d 磨削智能加工系统，实现e l i d 磨削 的加工自动化。 1 2 在线电解修整( e l i d ) 磨削技术 在超精密表面精密磨削工具的研究方面，美国l l n l 国家实验室、日本宫下 研究室和理化研究所等先后开发了用于纳米级表面精密磨削的陶瓷、树脂、铸铁 基超微粒度砂轮，实现了表面粗糙度r a f e ( o h ) 2 ( 墨绿色絮状物) ( 2 3 ) 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 十2 h 2 0 专4 f e ( o h ) 3 ( 黄褐色沉淀物) f e ( o h ) 2 专凡p + 日2 d 第1 6 页共8 2 页 浙江工业大学硕士学位论文 2 f e ( o h ) 3 一f e 2 d 3 + 3 日2 d ( 2 4 ) 从上述反应式中得知，电解反应的实质是阳极铁不断以凡2 + 的形式溶解，使 铁失去离子被氧化；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 石墨或紫铜电极不被电解，在e l i d 磨肖4 过程中没有消耗。通过实验观察电解过程 可知，在阳极附近先是有墨绿色的絮状物出现，继而又逐渐转化为黄褐色的沉淀 物，这些氢氧化物又会进一步转化为金属氧化物；而在阴极附近则有气泡产生并 逐渐逸出。由于在电化学反应过程中，阴极不断析出日，所以水将不断消耗，而 电介质仅起导电作用。 2 1 2 铸铁基金刚石砂轮的阳极钝化与径增现象1 2 1 1 2 1 j e l i d 磨削技术主要是通过在线电解作用解决金属结合剂砂轮的修整问题，电 解反应将导致磨粒之间的铸铁结合剂溶解去除，可以保证磨粒较大的出刃高度和 适宜的容屑空间。为了避免在线修整引起砂轮表层金属结合剂的过度电解，还要 求电解液具有在砂轮表面形成非溶性钝化物的能力。较粗粒度的砂轮利用固结在 金属结合剂基体上、并具有一定出刃高度的磨粒进行磨削，所以氧化膜的作用主 要是抑制过度电解。而对于超精密、镜面磨削来说，磨料粒度小于1 0 a n ，磨料的 出刃高度不会高上磨粒的2 3 ，砂轮表面覆盖的氧化膜往往远超过此高度，使砂轮 基体表层上的磨料不可能直接参与磨削。因此，对于微细粒度砂轮来说，不仅要 求氧化膜具有减缓电解活化作用，还对氧化膜的致密性、强度提出更高的要求。 微粉砂轮预修锐完成之后，砂轮表面的氧化膜具有复杂的结构，对于铸铁结 合剂金刚石砂轮来说，最外层主要是松软的高价氧化物死，q ，亚表层是相对致密 的f e ( o h ) 2 、r e ( o h ) ，、f e o 和屁：d 3 等低价氧化物和氢氧化物的混合物。因此， 微细粒度的金属结合剂砂轮的在线电解修锐的实质是在砂轮表面形成一层强度低 于结合剂，富含磨料，并对磨料有相当把持能力的氧化膜，并引起砂轮直径上的 增大现象。 电解液是e l i d 磨削系统电解作用与氧化膜成膜状态最重要的影响因素，有许 多学者专门针对不同材料需要的电解液进行了研究。另外，电源的种类与电解参 数直接决定电解反应是否充分，并影响钝化成膜的速度。有大量分析和实验研究 第1 7 页共8 2 页 浙江工业大学硕士学位论文 了电解参数特别是脉冲占空比对e l i d 磨削过程中的氧化膜状态的影响规律【2 l 】【3 9 1 ， 文献【1 3 】也介绍了氧化膜和电源种类的关系。氧化膜的强度、致密性还与砂轮的结 合剂成分及配比密切相关。有文献介绍在进行砂轮配方设计时，通过调整控锘, j c u 粉和凡粉的配比可以得到不同的电解活化和钝化曲线删。 总之，根据电解电流的大小控制氧化膜厚度的e l i d 磨削要求氧化膜具有相当 的强度和良好的绝缘性能。 2 2 在线电解修整磨削技术( e l i d ) 的典型磨削过程 硬脆材料超精密、镜面磨削使用的超硬磨料粒径大多处于微粉级、超细微粉 级，从而对金属结合剂砂轮的修锐提出了特别的要求。由于微粉砂轮出刃高度小， 容屑空间小，在磨削加- i - 过程中，金属结合剂超硬磨料微粉砂轮很容易发生堵塞 和釉化现象，需要对砂轮表面进行频繁修整。并且，随着对磨削自动化程度的要 求不断提高，修整技术的在线化与实时控制成为一个重要的发展方向【2 】。e l i d 磨 削技术在维持超硬砂轮整个磨削过程中具有良好的磨削性能方面发挥了巨大作 用，即保持磨粒具有适当的出刃高度和容屑空间、不产生堵塞釉化或过度钝化等。 实现了金属结合剂砂轮的高效、稳定、连续的磨削过程，许多精密、超精密磨削 领域的历史性难题，如不锈钢等粘性金属、工程陶瓷等硬脆材料的精密与镜面加 工，都得到了很好的解决。 e l i d 磨削技术是金属结合剂砂轮在线修整和实时控制领域发展最快、使用效 果最好的代表。e l i d 磨削技术的原理和发展现状详见1 2 节。e l i d 和一般的机械磨 削修锐作用不同，e l i d 修锐除了形成出刃高度和容屑空间外，还要求防止砂轮的 过度电解。e l i d 在线修锐和一般的电解修锐作用不一样，一般电解修锐是为了去 除磨料周围的结合剂使磨粒露出来；而e l i d 是在线持续修锐，所以要求砂轮表面应 有一定厚度并具有钝化性能的氧化膜。超精密磨削中的微细砂轮的e l i d 与粗加工、 半精加工粗粒度砂轮的e l i d 要求也有区别，这是因为粗粒度砂轮的出刃高度大， 在线修锐的作用主要是溶解砂轮表层的金属结合剂，而对电解抑制作用不作过高 的要求。 典型的e l i d 磨削过程可以分为四个阶段9 】【l l i 4 5 1 ，如图2 1 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1 8 页共8 2 页 浙江工业大学硕士学位论文 1 修整后的砂轮状态2 电解修整开始时3 电解修整后 i 移 i囝移 f e 离子 磨粒磨损 结合剂后退 图2 - 1e l i d 磨削典型过程 移移 鬯堂堂 加工中磨损 铁) 切屑易脱落 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。 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氧化膜以便抑制砂轮表层金属结合 剂的过度电解。这样的非线性电解作用表现在极间电压、极间电流曲线上就是随 着电解修锐的持续进行，极间电压逐渐增高而极间电流逐渐降低。而这种变化与 砂轮表面氧化膜的绝缘阻值密切相关。 在线电解修整动态磨削阶段 在线电解修锐可以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，砂轮表层或氧化膜 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，金属结合剂砂轮的氧化膜处于动态变 第1 9 页共8 2 页 瞧 缪叉 浙江工业大学硕士学位论文 化之中，在线修锐作用呈现循环及自适应的特征。 钔光磨阶段 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。 修锐后的砂轮进入磨削过程时，磨粒切削刃锋利，氧化膜较厚。随着磨削加 工的持续进行，砂轮表层或氧化膜里包含的磨料在切削力和摩擦力作用下会逐渐 钝化磨损。导致工件和砂轮之间的接触压力有所增大，原有的工件和磨屑对覆盖 在砂轮表面氧化膜的机械刮除作用将增强。由于减薄了砂轮最外层的高价氧化物， 极间电流会有所上升，电解作用有所恢复。修整电流作用的结果又造成氧化膜的 增厚，极间电阻的增大，从而再次产生对电解的抑制作用。因此，e l i d 磨削过程 中电解修锐作用呈现一个由弱转强、再由强转弱的动态循环，从而维持砂轮表面 的这层氧化物的动态稳定。在这个循环过程中，电解作用会根据砂轮的钝化状态， 自我调节修整强度，这就是e l i d 磨削过程中的循环特征与自适应规律【2 】。 2 3 砂轮表面氧化膜的作用机理及其表征方法 2 3 1 氧化膜的作用 e l i d 磨削利用非线性电解作用和砂轮表面氧化膜对电解抑制作用的动态平衡 对砂轮进行间断性的连续修整( 氧化膜充分时电解作用被抑制，被刮除时电解作用 恢复) ，在金属结合剂超硬磨料砂轮表面形成并持续保持一层具有一定厚度和弹性 的容纳有磨粒的由金属氧化物和氢氧化物组成的氧化膜。 一般说来，e l i d 磨削中氧化膜的厚度在几十微米到几百微米之间，对于较粗 磨料粒度( 2 , w n 以上) 的砂轮，可以利用电解作用后露出表面的磨料直接进行磨削 ( 一般磨料的出刃高度为粒度尺寸的1 8 - - - 1 2 ) ，在砂轮所选择的微小的磨削深度范 围内是可以保证其良好的磨削性能的。但对于镜面磨削来说，磨料粒度小于2 1 n n ， 磨料的出刃高度不会高于粒度的3 5 。以# 4 0 0 0 砂轮( 磨粒粒度一般为4 5 , u m - 6 m ) 第2 0 页共8 2 页 浙江工业大学硕士学位论文 来计，出刃高度不高于2 o n 。机床主轴的振动，砂轮的不平衡，主轴的偏摆等因 素使砂轮在工件垂直方向的位移都会接近或超过这个值，致使氧化膜的厚度会随 着切深的增大而变薄或被刮除，同时又有新氧化膜生成。因此，随着磨削的进行， 氧化膜变薄或被刮除，同时在线电解砂轮又会有新氧化膜不断生成，使氧化膜在 磨削中始终保持一定的厚度。磨削中脱落下来的磨粒夹杂在氧化膜中，使氧化膜 成为一种含有微细磨料、具有良好柔性的研磨膜。精磨时，由于进给量很小甚至 不进给，砂轮上覆盖的氧化膜的厚度远大于磨料的出刃高度，使砂轮基体表层磨 料在磨削中不可能与工件直接接触。当砂轮中断电解时，可依靠砂轮氧化膜对工 件作光磨，在光磨中氧化膜逐渐变薄。由此可见，为了得到高质量的加工表面， 必须保证氧化膜在砂轮上有一定的厚度，氧化膜特性在e l i d 磨削中起着极其重要 的作用。 氧化膜的作用可以分为三个方面【1 9 1 4 6 4 7 4 8 1 ：1 ) 氧化膜的绝缘性可以抑制金属 结合剂的过度电解蚀除，减少超硬磨料的过量消耗；2 ) f l j 于氧化膜的硬度远低于金 属结合剂，一方面起着辅助固着超硬磨粒的作用，另一方面分布在磨粒之间形成 一定的容屑空间；3 ) 磨削过程中氧化膜存在于金属结合剂母体与被磨削工件之间， 起到一定的弹性缓冲作用。氧化膜的存在不仅降低了磨削的法向力、对已加工表 面有一定的研磨抛光作用，而且对固着在金属结合剂基体和氧化膜中的超硬磨粒 的等高性起到一定的补偿作用，有利于提高磨削的表面质量，降低表面粗糙度， 减少表面、次表面的微裂纹。 e l i d 磨削加工过程中的氧化膜的厚度、硬度等性能对于保证磨削质量、提高 磨削效率，以及保障砂轮寿命都起着至关重要的作用。然而，对于粗粒度超硬磨 料与微细粒度超硬磨料来说，氧化膜的作用又是有区别的【2 1 【1 l 】。图2 2 所示分别为 粗粒度和微细粒度砂轮的e l i d 磨削加工过程示意图【4 9 】。一般认为，在以粗粒度砂 轮进行以材料去除为主要目标的粗加工来说，磨粒出刃高度较大，磨粒固着在金 属结合剂基体上，氧化膜充满在磨粒之间。氧化膜的主要作用是抑制金属结合的 过度电解并保持很好的容屑能力，所以希望氧化膜厚度小于磨粒尺寸，以保证砂 轮具有良好的磨削性能。对于以降低表面粗糙度、减少次表面微小裂纹为目标的 精密加工、镜面加工来说，趋向于认为膜层较厚为好，这样真正参与加工的将是 富含磨粒的有一定强度和厚度的氧化膜。目的是利用氧化膜对磨粒高度的协同作 第2 1 页共8 2 页 浙江工业大学硬士学位论文 用、氧化膜的研磨垫作用，获得集磨削、研磨及抛光为一体的复合加工能力。显 然，这样的复合加工效率很低。 工件 ( a ) 微细磨粒砂轮 氧化膜 粗磨粒砂轮 结合剂 磨削后的表 | i 一! l 粼i mj j 结合剂 图2 - 2 不同磨粒砂轮的磨削过程示意图 2 3 2 氧化膜状态的影响因素 在e l i d 磨削过程中，实现持续稳定磨削的前提是氧化膜的抑制作用与电解作 用获得动态平衡。而这样的动态平衡状态又是随着砂轮表面状态、电解液性能、 脉冲电源参数、机床运动参数的变化而变化的。因此，在e l i d 磨削过程中，金属 结合剂砂轮表面的氧化膜平衡状态不仅是不稳定的，而且平衡点是不确定的，有 时甚至在氧化膜厚度与致密性上存在很大的差异，这恐怕也是e l i d 技术难以实现 工业化的主要原因。 就砂轮表面氧化膜厚度、致密性、绝缘特性来说，可以从氧化膜成膜速度、 成膜质量和氧化膜的去除两个方面进行分析。在成膜速度、成膜质量方面，影响 因素主要有金属结合剂成分与配比、电解液成分与供液速度、脉冲电源种类与参 第2 2 页共8 2 页 浙江工业大学硕士学位论文 数、砂轮与电极之间的间隙以及氧化膜的绝缘性能。在给定的因素条件下，当电 解作用与氧化膜对电解抑制作用达到动态平衡时，氧化膜的厚度和致密性是确定 的。调整这些因素可以改变动态平衡时的氧化膜厚度和致密性。在氧化膜磨损方 面，影响因素主要有磨削参数( 如磨削速度、进给速度) 以及氧化膜与工件材料组成 的摩擦副的摩擦学性能。摩擦作用愈剧烈，动态平衡时的氧化膜厚度愈薄。摩擦 作用过于剧烈，甚至会造成无法达到动态平衡，砂轮表面的氧化膜无法持续存在。 e l i d 磨削过程中氧化膜的厚度和致密性就是上述诸多因素综合影响的结果。在特 定的e l i d 磨削系统中，一般金属结合剂成分与配比、电解液成分与供液速度、脉 冲电源种类、砂轮与电极之间的间隙、氧化膜的绝缘性能以及氧化膜与工件材料 组成的摩擦副的摩擦学性能是确定的，因此影响氧化膜厚度和致密性的因素将是 电解参数和磨削参数( 进给速度) 。 在e l i d 磨削过程中，脉冲电源参数主要决定砂轮表面氧化膜的成膜速度和成 膜致密性，而磨料在砂轮表面的结合强度和机床运动参数特别是垂直进给量将直 接影响氧化膜的去除速度。 对于粗粒度金属结合剂超硬磨料砂轮来说，磨粒出刃高度大，磨粒主要是固 着在结合强度很高的金属结合剂基体上，磨粒之间充满替代结合剂的氧化膜。对 于粗粒度砂轮来说，磨削作用对磨粒的磨耗和对氧化膜的减薄作用是一致的。磨 粒磨损的同时将会减薄氧化膜，磨粒的磨损基本等同于氧化膜的减薄，或者更确 切地说氧化膜厚度的变化即极间电阻的变化与砂轮磨粒的磨损一致。并且由于超 硬磨料耐磨性能很好，极间间隙变化极其缓慢。因此，只要氧化膜具备一定的绝 缘性能，对于粗粒度砂轮来说，获取电解作用与氧化膜抑制作用之间的动态平衡 是比较容易实现的。 对于动态平衡时膜厚远大于磨料粒径的细粒度金属结合剂超硬磨料砂轮来 说，情况就比较复杂了。氧化膜减薄的原因有两个因素，一个是工件和砂轮之间 的磨削力、摩擦力会导致磨粒钝化磨削，磨粒尺寸减小、出刃高度降低的同时， 砂轮表面的氧化膜层会有所减薄。另一个是加工过程中的进给切深和进给频率将 直接决定砂轮表面氧化膜层的去除强度。这是由于氧化膜的强度远小于金属结合 剂，较大的切深、较快的频率会在不过多增加磨削力的情况下，将包含未曾钝化 磨粒的氧化膜去除。不仅将加大砂轮的消耗，而且直接决定动态平衡时的极间电 流，有时甚至根本无法获取动态平衡。因此，尤其是对于微细粒度砂轮来说，在 第2 3 页共8 2 页 浙江工业大学硕士学位论文 e l i d 动态磨削过程中，氧化膜的状态是和电解液、脉冲参数、机械加工参数等密 切相关的【5 0 1 。 2 - 3 3 氧化膜的状态表征 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氧化膜的绝缘性能 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表面的氧化 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。 鉴于氧化膜在e l i d 磨削过程中的重要性，对氧化膜厚度与致密性进行实时监 测是十分必要的。但由于磨削过程的动态性，对氧化膜厚度与致密性进行实时直 接监测非常困难。事实上氧化膜的组织并非完全致密，在磨削过程中其间渗透有 导电性能良好的电解液而具有一定的导电性，显然氧化膜的导电性是其厚度与致 密性的综合反映。 压表 r 嚷蠢 a 电解反应回路示意图b 电解反应等效电路示意图 图2 3e l i d 电解反应回路及其等效电路示意图 为了保证实验的连续性，可以用e l i d 回路的极间电流来表征氧化膜的状态， 图2 3 ( a ) 所示为金属结合剂砂轮进行e l i d 磨削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问电 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2 3 ( a ) 所示的示意图转化为图2 3 4 ( b ) 所示的等效电路。 第2 4 页共8 2 页 浙江工业大学硕士学位论文 如图2 3 ( b ) 所示，当电极与砂轮间隙、电解液、电源电压给定之后，回路电 流就与氧化膜的电阻值i h 之间形成特定的函数关系： ，：生一一 ( 2 5 ) + r 阴+ r 液+ r 膜+ r 阳 v = i x ( r 限+ r 阴+ r 液+ r 膜+ r 阳) ( 2 6 ) 在本文中，以# 4 0 0 0 金刚石砂轮作为阳极，以中间带喷液槽的弧形紫铜作为 阴极，专用磨削液作为电解液。在磨削过程中，限流电阻、阳极、阴极的阻值是 恒定的，极问电解液的电阻会随着极间间隙的变化而变化。但是由于电解液富含 电解质，其导电性非常好，即r 穗很小，由于膜层厚度变化导致的r 液变化可以忽略 不计。所以，可作如下近似简化： r 恒曩限+ r 阴+ r 液+ r 阳 ( 2 7 ) 则有：i = r 恒+ 二r j ( 2 8 ) 因此，氧化膜的阻值r 萁和极间电眦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，在己经配置好电解液的情况下，极间电流就是极间电阻和 砂轮表面氧化膜状态( 膜厚及其致密性) 的直接反映。在本文的研究中就是用砂轮阳 极和紫铜阴极之间的极间电流i 间接表征砂轮表面的氧化膜状态的【5 1 1 。 2 4 本章小结 本章分析了e l i d 自适应动态平衡磨削的磨削过程、磨削机理和磨削特性，着 重分析了砂轮表面氧化膜的形成机理及其在磨削过程中的作用，提出应该根据工 件材料及其对加工质量的要求对e l i d 磨削砂轮表层的氧化膜状态进行主动控制。 对于实验的磨削对象硬质合金，本章分析了其材料去除及表面创成机理。在 对e l i d 磨削机理简化的基础上，建立e l i d 磨削系统的电路模型，表明可以用砂轮 阳极和阴极之间的极间电流表征氧化膜的厚度与致密性( 氧化膜状态) 。 第2 5 页共8 2 页 浙江工业大学硕士学位论文 第三章e l i d 磨削硬质合金的工艺实验研究 3 1 硬质合金的材料特性 自上个世纪四十年代末问世以来，伴随着工业的迅速发展，硬质合金已逐渐形 成一套完备的产业体系。就材料性能而言，硬质合金是一种介于陶瓷和高速钢之 间的高性能结构材料；就工业应用而言，它主要应用于切削工具、模具、地质矿 山工具以及耐磨零件等。近几年来，随着科学技术的发展，对硬质合金零件表面 粗糙度的要求不断降低，但其硬度高、脆性大、韧性大、1 j n - v 性能差，采用传统 的方法难以满足精密及超精密加工技术的要求，而且工序多、效率低、成本高【5 2 1 。 为此我们采用e l i d 磨削方法磨削硬质合金，分析了其磨削机理，并通过实验得到 优化的加工工艺参数。表3 1 所示为本文中实验采用的硬质合金的性能参数。 表3 1 实验用硬质合金的性能 成分比例( 质量) 硬度 ( h v 0 0 1 ) w cc oc 其他 7 81 0841 9 5 8 3 2 硬质合金的材料去除与表面创成机理 磨削加工表面的形成是在特定的机床刚度与运行环境下，具有一定的切削刃 形态和分布特性的砂轮磨削刃，在机床设定轨迹的约束下( 包括由于机床刚度、振 动、热变形等因素导致的相对轨迹动态变化) 与工件发生动态干涉的结果。磨削加 工磨粒切肖! j 刃不规则的几何形状，磨粒在砂轮表面的随机分布，将引起各个磨粒 的切削工件角度和切入深度存在很大差别，导致磨粒对工件的作用呈现塑性变形、 切削、滑擦和刻划四种不同的方式i 3 8 j 。 图3 1 所示的单个磨粒切入模型【3 8 i t l 6 1 ，可以帮助理解e l i d 磨削过程中的磨粒对 工件的作用方式与加工机理。滑擦，磨粒在工件上滑动摩擦对工件造成挤压，接 触全程为“弹性区域”；塑性变形和犁沟，磨粒对工件的作用造成的剪切应力达到了 第2 6 页共8 2 页 浙江工业大学硕士学位论文 材料的剪切强度，在工件表面形成压痕即产生塑性变形，塑性变形严重时在工件 表面形成犁沟，一部分工件材料沿磨粒前方剪切面滑移、一部分工件材料在磨粒 运动轨迹两侧流动隆起，接触全程为“弹性区域一塑性区域一弹性区域”；切削，剪 切应力达到了材料的剪切强度且磨粒的切入深度超过某一临界值，在磨粒前方形 成磨屑，并沿磨粒前刀面流出，接触全程为“弹性区域一塑性区域一切削区域一塑 性区域一弹性区域”。 图3 - 1 单个磨粒切入模型 精密、超精密磨削形成低粗糙度表面的机理有： 1 ) 磨粒的微刃性【3 8 】【4 1 】砂轮表面的有效微刃通过工件表面时将在工件表面产生不 同的作用方式，工件表面的微观轮廓就是砂轮表面微观轮廓某种程度的复印。磨 削加工工件的表面形貌是由大量磨粒微刃对工件表面作用痕迹残留部分的廓形所 决定的。一方面，磨粒尺寸越小，微切削刃钝圆半径越小，越容易切入工件并形 成磨屑；另一方面，磨粒尺寸越小，砂轮表面的微切削刃数量越多，众多微切削 刃综合作用的结果使得工件表面粗糙度就越小。 2 1 磨粒的等高性【4 2 】要得到很低的表面粗糙度，不仅要求砂轮表面有大量的微小 磨粒，而且要保证这些磨粒在砂轮表面分布的等高性。超精密加工时采用微粉砂 轮，单个磨粒去除的材料体积非常有限，磨粒对切削厚度的变化更加敏感，加工 表面的形成尤其需要大量等高微刃的协同作用。磨粒的等高性除了与砂轮的修整 精度有关外，还和机床精度、砂轮偏心、机床振动等有关。 第2 7 页共8 2 页 浙江工业大学硕士学位论文 3 ) 超微量切削【1 6 1 磨料粒径越小，要求的磨粒切入深度将越小。否则，砂轮表面 结合剂直接与工件表面接触，将会增加接触应力和摩擦，从而影响磨削性能、降 低工件的表面质量。 4 ) 微刃的滑擦挤压与抛光作用【4 1 1 1 4 3 1 在超精密磨削时，除了砂轮表面要密布大量 等高的微刃以保证单颗磨粒的切入深度很小外，砂轮表面未能切入工件的磨粒对 工件；自n - r 表面的摩擦抛光作用也很重要。新修微刃锋利，切削作用强。随着磨削 过程的进行，部分磨粒表面磨损钝化而变得平坦，切削作用将减弱，摩擦抛光作 用将加强，有利于降低工件表面粗糙度。 5 ) 弹性变形的作用1 4 1 4 4 1 磨削加工过程中的各种干扰会造成砂轮与工件之间相对 位置的变动，其中最重要的因素就是机床与工件的弹性变形。超精密磨削时法向 力与切向力比值很大，由此产生的弹性变形引起的磨削深度变化量，相对于原本 就微小的磨削深度来说是不可以忽略的。对于精密与超精密磨削，最后阶段进行 的无火花光磨磨除的就是弹性变形恢复的那部分材料。 在一定的加工条件下，任何脆性材料均能够以塑性流动的方式被去除。压痕 断裂力学模型预测了产生横向裂纹临界载荷，在低于这一临界载荷加工条件时， 材料将以塑性变形去除为主。目前国内外许多专家学者在研究对硬质合金实现延 展性磨削和半延展性磨削技术，以减少工件表面的微裂纹、裂缝，提高工件的使 用性能。 实际磨削过程的影响因素很多，如机床刚度、磨削深度、砂轮速度、磨粒尺 寸、形状、几何角度及温度等。要实现延展性磨削( d u c t i l eg r i n d i n g ) ，其条件相当 苛刻。目前大多数采用半延展性磨削，这时加工表面是由微破碎面和塑性变形完 成切削的大平面交互混合形成的，能使表面缺陷减少到最低限度，获得良好的加 工表面完整性，提高工件的强度等使用性能。半延展性磨削过程中，硬质合金通 过磨粒作用处大量的微破碎和塑性变形被去除。当磨粒的切削刃切入工件引起的 应力场比缺陷小时，材料将以塑性变形的方式被去除：相反当应力场大于缺陷时， 裂纹扩展引起的局部集中的脆性破坏将起主要作用。由于砂轮上磨粒的钝锐、高 度分布之别，各个磨粒的磨削深度不同，使得材料通过脆性破坏和塑性变形的共 同作用而被去除，从而实现了半延展性磨削【5 3 1 。 因此，要得到良好的硬质合金加工表面质量，本实验采用微细磨粒# 4 0 0 0 铸 铁结合剂金刚石砂轮，加工过程中保持微量切深，而且砂轮在磨削前，要经过整 第2 8 页共8 2 页 浙江工业大学硕士学位论文 形修整，以保证砂轮磨粒的等高性并且砂轮表面含有一定厚度的氧化膜。 3 3 实验设计 3 。3 1 实验设计 本实验分别对于进给量、电极间隙、占空比等e l d 磨削加工硬质合金过程中 的参数进行实验研究。了解这些参数对所磨削的加工工件表面质量的影响规律。 从而找到磨削硬质合金的优化的磨削参数。在e l i d 磨削中，尤其在硬质合金的磨 削中，进给量对磨削的质量影响最大，直接决定着磨削过程中是否是通过塑性变 形进行磨削。通过进给量的改变来考察其对加工硬质合金表面质量的影响规律。 根据机床精度，本实验的进给量取l a n - - 5 a n 。此外，由于e l i d 磨削是在线电解 修整砂轮，在加工过程中时时通过电解保持砂轮的锋利性，因而电解参数的改变 对修整过程的状态起着很大的作用。在本实验中分别采用在其它电解参数不变的 情况下来改变所考察的参数的方法，找到磨削玻璃的最优电解参数。通过电解电 压、电极间隙、占空比等因素考察了电解参数对于硬质合金加工表面的影响规律。 根据实验条件电压分别取6 0 v ，9 0 v ，1 2 0 v ；电极间隙分别取0 1 m m ，0 3 r a m ，0 5 r a m ， 0 7 5 r a m ：占空比分别取1 ，4 ，l ，2 ，3 4 。 3 3 2 实验设备及实验参数 在每考察一组参数而进行e l i d 磨削前，首先对砂轮进行预电解修锐，使砂轮 通过对基体结合剂铸铁的电解去除，获得适当的突出量，即出刃高度和合理的容 屑空间。同时电解下铁离子又与磨削液中的化学成分起反应生成适当的氧化膜， 抑制电解的继续进行，保护砂轮不会由于电解作用而过分损耗。特别注意的是， 在每考察完一组参数后应停电磨削，使该组实验的氧化膜去除( 通过加电观察电流 变化来保证氧化膜的去除情况) ，然后用所要考察的参数进行预修锐，预修锐一般 为1 5 r a i n 3 0 m i n 。同时因为在实验过程中，电解电流、电解电压是随着加工过程不 断变化的，以下试验表中的数据是在刚开始磨削时记录的数据，一般情况是随着 加工的进行，电解电流不断减小，最后在某