ELID超精密内圆磨削试验研究

李远辰

天津大学机械学院机械制造及其自动化专业2011级硕士生

摘要：在线电解修整(ELID)磨削技术是一种高效率的超精密镜面磨削加工技术，而且其成本较低，因此被广泛地应用在现代超精密加工领域中。结合我们课题组的研究方向，本文主要阐述将ELID镜面磨削技术应用到轴承钢的内圆磨削的实验研究。并简述此项技术的加工机理和研究现状，讨论了砂轮的修整和在线电解修锐，以及内圆磨削表面参数等的研究结果。

关键词：在线电解修整(ELID) ELID原理 精密内圆磨削

1 前言

随着微电子、光学、计算机等技术的发展，对于玻璃陶瓷、工程陶瓷、硬质合金、单晶硅等高脆性、高硬度材料低成本高效率的超精密加工技术的研究工作正在全面展开。特别是随着超微细粒度砂轮的使用及砂轮精密修整技术的发展，镜面超精密磨削逐渐受到人们的重视。超精密镜面磨削技术是一种借助高性能的机床、良好的砂轮、完善的辅助技术和稳定的实验环境条件，控制加工精度在0.1um级以下、表面粗糙度Ra<0.04um甚至Ra<0.01um的磨削方法[1]。在线电解修整(Electrolytic In- process Dressing,ELID)镜面磨削技术作为一种高效率低成本的超精密镜面加工技术，能够在线电解修整金属基超硬磨料砂轮，始终保持磨粒在磨削过程中的锋利状态，防止砂轮钝化和堵塞，特别适合硬脆材料的加工，所以其广泛应用在现代超精密加工领域中。

1 ELID磨削的基本原理

ELID磨削是一种在线连续的修整磨削技术，它的磨削系统主要包括：金属结合剂砂轮，直流脉冲电源，修整电极，磨削液（兼做电解液），以及机床等设备组成[2]。磨削过程中，砂轮与电源正极相接做阳极，工具电极做阴极，砂轮与阴极的间隙在0.1word/media/image1.gif0.3mm范围内调整。在砂轮和电极的间隙中注入磨削液，在直流脉冲电源的作用下，使整个系统保持电解的状态，由于砂轮是阳极，根据电化学反应，结合剂中的铁离子电离，使电解砂轮表面的金属结合剂溶解，露出掩埋的磨粒，这种修整持续进行，保证在加工过程中砂轮始终有突出的磨粒用以维持砂轮的锋利状态；同时电解出的铁离子氧化在砂轮表面形成氧化膜，抑制砂轮过度电解，从而使砂轮始终以最佳磨削状态连续进行磨削加工。所以该技术将砂轮修整与磨削过程结合在一起，从而实现对硬脆材料的连续超精密镜面磨削，如图1-1。

电解时，在砂轮上发生阳极反应：

阳极：word/media/image2.gif

阴极：word/media/image3.gif

电离出的铁离子与氢氧根离子结合形成铁的氢氧化物：

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图1-1 ELID平面磨削基本原理示意图

其中氢氧化铁和氢氧化亚铁反应生成铁的氧化物。

ELID镜面磨削过程可分为准备阶段、电解预修锐阶段、在线电解修整动态磨削阶段和光磨阶段。准备阶段主要是对砂轮进行精密整形，减小砂轮的圆度和圆柱度误差；预修锐阶段使砂轮获得适当的出刃高度和合理的容屑空间并形成一层氧化膜；动态磨削阶段是形成加工表面；光磨阶段则进一步提高表面质量。

在ELID磨削中，砂轮始终被连续进行整形和修锐，对工件进行连续磨削，和普通磨削相比，具有以下特点：

1．砂轮表面始终处于锐利状态，磨削力较小而且在磨削过程中保持稳定；

2．在精密磨削阶段，砂轮上生成的氧化膜将代替金属基砂轮真正参与磨削，实现了镜面磨削加工；

3．砂轮的修整和磨削可以通过电源参数等来控制，可以实现磨削修整过程的最优化。

2 CBN砂轮电火花整形和修锐

2.1 CBN砂轮电火花整形

电火花整形砂轮参数的选择主要是根据加工需要的放电电压、峰值电流和脉冲参数。主要有两个指标来评价电火花整形效果：一个是放电效率，另一个是砂轮的整形精度。放电效率主要由单位时间内砂轮总蚀除量决定；砂轮整形的精度由放电凹坑的大小和放电凹坑相互重叠的情况决定[3]。如表2-1

在我们进行实验的过程中的W40铸铁基CBN砂轮，在装上刀杆后所测的圆度为64μm，圆度偏差较大，此时应用较大的电参数进行修整，即90V、40μs、40μs， 经过90分钟的整形之后，砂轮的圆度降低到9.8μm。此时可以降低电参数，在进行精修整，即使用60V、20μs、20μs，经过30分钟的精整之后，砂轮的圆度降低到1.2μm。由于W40砂轮的磨粒粒径较大，约为0.04mm，因此此时砂轮的圆度可以满足精密镜面磨削的要求。

2.2 CBN砂轮修锐

对金属结合剂CBN砂轮来说，在精密整形后必须进行砂轮的预修锐。预修锐的目的就是去除超硬磨料周围的部分金属结合剂，使磨料在结合剂表面上突出一定的高度。经过砂轮预修锐，砂轮就具备了一定的磨削能力，即让砂轮形成细小切削刃并且要产生一定的容穴空间[4]。我们采用电解在线修锐法(ELID)对CBN砂轮进行电解预修锐。

砂轮预修锐的实验参数和条件：电解电压90V、占空比5μs：5μs、砂轮与电解阴极间隙0.2mm、砂轮转速720rpm。图2-1为预修锐时的照片，图2-2为预修锐时的电解电流、电压变化曲线。

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图2-1预修锐照片

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图2-2预修锐时的电解电流、电压变化曲线

在预修锐过程中电解电压和电流会出现小幅的波动，这是由于磨削液的冲刷作用使在砂轮表面刚生成的氧化膜保持的并不稳定，发生了少量的破损。而随着修锐时间的延长，氧化物增多，生成的氧化膜变得致密，电解电压升高、电解电流降低，并最终分别稳定在70V和1A左右。

3 轴承套圈ELID内圆磨削实验

3.1 ELID内圆磨削方法

对于内圆的ELID磨削主要有两种方法，如图3-1和3-2所示。内圆磨削方式Ⅰ采用的是外置电极的方式，在磨削的过程中砂轮要不时地移出工件进行电解修锐，它不但需要一套专门的电解修整阴极装置，而且磨削效率较低；而对于内圆磨削方式Ⅱ直接采用导电的工件作为电解修整阴极，可以有效地提高磨削效率，但工件与机床的绝缘问题很难解决，而且仅限于磨削导电的工件。

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图3-1 ELID内圆磨削方式Ⅰ

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图3-2 ELID内圆磨削方式Ⅱ

3.2 外置电极内圆磨削试验

通过实验分别得出砂轮转速、磨削深度、进给量、工作台进给速度等参数对轴承套圈ELID内圆磨削表面质量和表面精度的影响规律，从而找到磨削轴承钢材料的最优化的磨削参数。在ELID内圆磨削过程中，由于采用的是外置电极磨削的方式，砂轮要间隔性的移出工件进行电解修锐，而且砂轮修锐主要是在预修锐的过程中进行，但在磨削过程中电解修锐时间所占的比重比较小。由此可见电解参数对外置电极内圆磨削来说影响较小，而磨削深度和砂轮转速对磨削质量的影响较大，所以本实验通过选取不同的磨削深度1μm～3μm，和不同的砂轮转速10000rpm～30000rpm，来进行研究分析。并测出工件表面粗糙度和波纹度曲线。

图3-3是在不同砂轮转速、相同磨削深度（1μm）下工件表面粗糙度和波纹度的变化曲线（试验中选择三个工件，每个工件分别进行三次加工及测量，得到最大值、最小值和平均值）。从图中我们可以清晰的看出，随着砂轮转速的提高，波纹度会减小，表面粗糙度先是减小然后略有增大。其原因可能是随着砂轮转速的提高，单位时间内参与磨削的磨粒数增多，磨削效率变高。磨削效率的提高使工件表面粗糙度和波纹度降低。而当转速提高到30000rpm时，表面粗糙度略有上升，这可能是由于砂轮转速提高后产生了高频的振动，而且砂轮要间歇性地移出工件进行在线电解修锐，修锐后再进入工件时都会产生一定的冲击，并且当转速提高后电解液不能完全充分进入电解阴极与砂轮间的间隙，砂轮的修锐效率会降低，这些都有可能造成工件表面粗糙度的上升。而波纹度恰恰是介于微观和宏观间的几何误差，受到高频振动的影响会很有限，因此波纹度在转速提高到30000rpm后降低。

图3-4是在相同的砂轮转速30000rpm下、不同的磨削深度时，工件表面粗糙度和波纹度的变化曲线图。从图中我们可以看出，随着磨削深度的加大，工件表面的粗糙度和波纹度都随之上升。这可能是由于随着磨削深度的加大，使磨削更加剧烈，使工件的塑性变形增大，从而造成粗糙度和波纹度的增大。

对于外置电极的ELID内圆磨削，我们可以根据加工所需的表面精度等要求选择相应的加工参数和条件，得到所需的工件。

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图3-3 粗糙度波纹度与砂轮转速间关系（磨削深度1μm）

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图3-4 粗糙度波纹度与进给量间的关系（砂轮转速30000rpm）

3.3 工件电极内圆磨削试验

对外置电极的ELID内圆磨削时，砂轮要不时地、间隔性地移出工件进行电解修锐，导致磨削效率很低，而且砂轮进入工件时还可能会造成冲击影响磨削精度。因此在实验中提出利用导电工件作为电解电极的磨削方式。对数控磨床进行绝缘改造，并设计了一套绝缘卡具，在此基础上进行ELID内圆磨削试验。

工件电极试验参数的选择：砂轮主轴转速为15000rpm，工件转速为250rpm，工作台速度15 mm/s，磨削深度5μm。采用脉冲直流高频电源，电解电压60V，占空比为5μs:5μs。

首先调整砂轮和工件间的间隙到0.2mm左右，加电解液和脉冲电源，预修锐30分钟左右。在预修锐后开始ELID磨削，使用普通内圆磨削加工后的轴承套圈（表面粗糙度Ra为0.56μm）作为ELID磨削工件。由于直接采用导电的金属工件作为电解阴极，所以为了避免短路和电火花的产生，不宜采用太大的电解参数和磨削参数。随着磨削的连续进行，由于砂轮表面的氧化膜和磨粒被不断的去除，使电解电流升高，电压降低。但由于电解作用，砂轮表面新的氧化膜又不断的生成，使磨削去除和电解生成最终达到一个相对稳定的状态，即电流和电压趋于稳定（最终电流稳定在1.0～1.5A之间，电压稳定在27～32V之间）。

采用工件电极的ELID内圆磨削装置分别用W40和W10铸铁结合剂CBN砂轮对轴承套圈内圆进行磨削，并进行了3个行程的光磨，磨削后，测量材料的去除率并用泰勒粗糙度仪测量其表面的粗糙度和波纹度，如表3-1。由此可以看出，随着砂轮磨粒粒度的减小，工件材料的去除率降低，而其表面质量获得了提升。由此可得，采用ELID磨削技术进行加工时，砂轮始终保持良好的出刃高度和容屑空间，与普通内圆磨削方式相比能够得到较好的表面质量和几何精度。

与外置电极的ELID内圆磨削方式相比，直接采用工件作为电解电极的ELID内圆磨削方式可以获得较好的表面质量，因为它可以避免在外置电极ELID内圆磨削时砂轮在进行修锐后进入工件内圆磨削时造成的冲击振动，而且可以实时在线电解修锐砂轮，磨削与修锐同步进行，氧化膜厚度保持动态平衡，保持砂轮的修锐状态。所以它特别是在磨削导电工件时的一种较好的ELID内圆磨削方法。

4 结论

超精密内圆表面正越来越多地应用于各个领域，目的是获得高质量和高性能的产品。ELID超精密磨削技术以其巧妙的将砂轮修整与磨削过程相结合，实现在线电解修整的优点，并且能够实现稳定、可控、最佳的磨削而被重视，应用到实际生产中。将ELID技术用于轴承内圆磨削中，揭示磨削内圆时，砂轮转速、进给量和进给速度等磨削参数对内圆表面质量和精度的影响规律。

虽然ELID技术在我国起步比较晚，但这项技术被越来越多的研究人员认识到它的优越性和潜在的经济价值。ELID磨削技术作为一种高效的镜面加工技术，必将取代传统的研磨抛光工艺进行精密镜面加工[5]。目前，该技术在原理、加工等方面都相对成熟，被广泛应用于镜面加工等高精密加工中，具有很好的应用前景和实用价值。

参 考 文 献

[] 袁哲俊.精密和超精密加工技术[M].北京:机械工业出版社，1999

[2] Ohmori H. Electrolytic In-process Dressing (ELID) grinding Method for Ultra-precision Mirror Surface Grinding[J]. Journal of Japan Society for Precision Engineering,1993,59(9):1451.

[3] 袁哲俊，张飞虎，赵清亮.ELID超精密磨削钢结硬质合金及其表面质量分析.中国机械工程， 2000(8):866~868

[4] 周曙光，关佳亮，郭东，等.ELID镜面磨削技术综述[J].制造技术与机床，2001(2):38-40.

[5] 林彬，张春河.ELID超精密镜面磨削砂轮磨损规律的研究[J].天津大学学报，1999,32(1):74~76.