| 摘要：介绍了ELID磨削中采用电火花整形装置对金属结合剂超硬磨料砂轮进行整形修整的技术。修整后的砂轮径向跳动量小于1µm，砂轮表面光滑，形状精度高，磨粒等高性好，适于精密镜面磨削用，具有修整时间短、成本低、砂轮损耗小的优点。 |
金属结合剂超硬磨料砂轮硬度高、强度大、保形能力强、耐磨性好，适合在难加工材料的高效精密磨削中应用。但其坚硬的金属结合剂给砂轮成形修整带来了极大困难。成形修整的方法通常有机械、电化学、电火花等。电火花成形修整是近几年发展起来的一种成形修整新技术，与前两种方法相比，具有成形修整精度高、效率高、成本低等优点，具有广泛的应用前景。 1 电火花整形装置的研制
- 脉冲电源的研制
- 性能指标
- 脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工精度、加工过程的稳定性和工具电极损耗等技术指标有很大影响。为了得到很好的加工效果，对电火花加工脉冲电源的具体要求是：
- 所产生的脉冲，没有负半波或负半波很小，这样才能最大限度利用极性效应，提高生产率、减少工具电极损耗：
- 脉冲的主要参数在很宽的范围内可以调节：
- 体积小、工作稳定可靠、成本低、寿命长、操作维修方便，同时还要考虑节能。
图1 脉冲电源电路图 |
- 电路设计
- 根据上述要求，按图1所示电路图设计脉冲电源。从图1中可以看出影响脉冲电源工艺参数的关键在于电阻R和电容C，其它元件只须根据功率考虑便可。根据电路要求，电压在0～220V之间连续可调，电流在0～5A之间连续可调，这样最大功率为1000W，各电器元件必须满足功率要求。参考以往的研究成果，选定电阻为10、20、30、40W：电容为8、16、24、32µF：滤波电容需取大容量电容，根据条件取为220V，320µF：整流元件选用整流块。
- 电极材料的选择及其设计
- 为了保证修整砂轮的形状精度，必须选择电蚀量小的材料作为工具电极。因此要求电极材料具有高的熔点、熔解热和汽化热，同时还要考虑到成本造价。我们选择硬质合金作为工具电极材料。
1、7.绝缘套 2.轴 3.硬质合金 4.螺母 5.铜顶尖 6.接电源负极
图2 砂轮电火花整形的工具电极 |
- 在砂轮修整过程中，电极是在旋转状态下工作的，砂轮与电极又必须是通电的，为了同时满足通电和旋转的双向要求，我们设计出如图2 所示的工具电极。
2 金属结合剂金刚石砂轮电火花整形的实验
- 实验系统
- 机床：MG1420E高精度万能外圆磨床
- 电源：脉冲电源
- 砂轮：铁基金刚石砂轮，粒度W7，原始偏心量57µm
- 电极：硬质合金
- 实验时，床头三爪卡盘直接带动电极旋转，靠铜顶尖通电，可以通过对三爪卡盘的无级调速来改变电极的转速，电极的旋转与砂轮同电极的间隙无关，这样可以任意改变电极与砂轮之间的间隙，以调整加工速度，提高表面质量。
- 实验结果与分析
- 影响电火花整形速度的因素很多：电源电压、电容、限流电阻、频率、脉冲、占空比、砂轮转速和偏心量等。实验中主要研究极性效应、限流电阻、电容和电压对整形速度的影响。
- 极性效应 实验条件：工作电压220V，限流电阻20W，工作电容16µF。实验结果见表1、2。
| 表1 砂轮接正极时的损耗效应 |
| 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 平均值 |
|---|
| 砂轮损耗(mm3/min) | 22.57 | 13.62 | 18.68 | 18.04 | 18.23 |
| 电极损耗(mm3/min) | 2.12 | 1.38 | 1.49 | 1.78 | 1.06 |
| 相对损耗(%) | 9.4 | 10.1 | 8.0 | 9.87 | 5.8 |
表2 砂轮接负极时的损耗效应 | | 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 平均值 |
|---|
| 砂轮损耗(mm3/min) | 11.72 | 8.24 | 9.62 | 9.05 | 9.66 |
| 电极损耗(mm3/min) | 2.69 | 2.24 | 2.32 | 2.60 | 2.46 |
| 相对损耗(%) | 23.0 | 27.2 | 24.1 | 28.7 | 25.5 |
- 从表1、2可以看出，电极接正极时的相对损耗率比接负极时的高1倍多。这是因为RC脉冲发生器产生的脉冲是属于短脉冲，电子的轰击作用大于正离子的轰击作用，造成正极的蚀除速度高负极很多。因此在修整砂轮时应将砂轮接正极。
表3 电阻不同时砂轮和电极的损耗| 阻值(W) | 10 | 20 | 30 | 40 |
|---|
| 砂轮损耗(mm3/min) | 34.71 | 19.50 | 16.16 | 5.70 |
| 电极损耗(mm3/min) | 2.29 | 1.65 | 1.52 | 0.44 |
| 相对损耗率(%) | 6.6 | 8.5 | 9.4 | 7.7 |
- 电阻对实验结果的影响 实验条件：砂轮接正极，电极接负极，工作电压220V，工作电阻10、20、30、40W，工作电容16µF。实验结果见表3。
- 从表3可以看出，砂轮去除速度随电阻的增大而减小，但并不是反比关系。这是因为，根据式Vw=LWfff可知，蚀除速度Vw与单脉冲能量Wf、频率f成正比，工艺参数L 和脉冲利用率f随电阻变化较小，可忽略不计。又f=[RCln(1-k)-1]-1，f随电阻R的增加而降低，单脉冲能量W却随着频率的提高而提高。
表4 电容不同时砂轮和电极的损耗| 电容(µF) | 8 | 16 | 24 | 32 |
|---|
| 砂轮损耗(mm3/min) | 18.54 | 37.12 | 55.53 | 73.97 |
| 电极损耗(mm3/min) | 1.86 | 3.24 | 4.30 | 6.11 |
| 相对损耗(%) | 10.0 | 8.7 | 7.7 | 8.3 |
- 电容对实验结果的影响 实验条件：砂轮接正极，电极接负极：工作电压220V，工作电阻20W：工作电容8、16、24、32µF。实验结果见表4。
- 从表4中可以看出，砂轮去除速度与电容成正比关系。这是因为，蚀除速度Vw与频率f和单脉冲能量Wf之积成正比。又据式f=[RCln(1-k)-1]-1可知，频率与电容成反比关系。频率减小导致电流脉宽增大，使得电流脉宽与电容成正比关系。电容的增加又会导致放电电流增加。由于脉宽和电流都随着电容的增大而增大，单脉冲能量与脉宽和电流之积成正比，使得单脉冲能量随电容平方的增大而增大，频率随着电容增大而减小，这样频率与单脉冲能量之积与电容刚好形成正比关系，从而使得砂轮去除速度与电容形成正比关系。
表5 电压不同时砂轮和电极的损耗| 电压(V) | 130 | 160 | 190 | 220 |
|---|
| 砂轮损耗(mm3/min) | 14.27 | 17.52 | 20.83 | 24.20 |
| 电极损耗(mm3/min) | 1.78 | 4.53 | 6.71 | 11.14 |
| 相对损耗(%) | 12.5 | 25.9 | 32.2 | 46.0 |
- 电压对实验结果的影响 实验条件：砂轮接正极，电极接负极，工作电阻20W，工作电容16µF：工作电压：130、160、190、220V。实验结果见表5。
- 从表5可以看出，砂轮去除速度与电压成正比关系。这是因为Vw=LWfff，随着电压的增大，L、f几乎没有变化，f与电压无关，因此f、f可以看成常数。脉冲峰值电流与电压成正比关系，由于频率不变，脉宽也不变，使得单脉冲能量Wf与电压成正比关系，从而得到砂轮蚀除速度与电压成正比关系。但电压不能过高，否则将产生电弧，损坏砂轮表面。
图3 砂轮径向跳动量与修整时间的关系 |
- 采用上述所开发的电火花修整装置对外圆磨床上所用的铸铁基金刚石砂轮进行整形实验，结果如图3所示。由图3可以看出，在整形过程中，砂轮的径向跳动变化率在开始时变化较大，以后逐渐变小。这是因为，砂轮在开始整形时，圆度误差较大，表面粗糙，整形面积较小，因此径向跳动变化率较大。随着修整的不断进行，砂轮圆度误差逐渐减小，整形面积逐渐增大，砂轮的径向跳动变小。
从以上实验结果可以看出，采用电火花对铸铁基金刚石砂轮进行整形具有效率高、表面粗糙度值小、使用方便等特点，能较好地达到预期目标。
3 结论
- 金属结合剂超硬磨料砂轮的电火花整形，采用RC脉冲电源，其结构简单可靠，效果好，能够满足整形要求。
- 电火花修整金属结合剂砂轮过程中，开始采用高电压、小限流电阻、大电容，以获得高峰值电流，提高表面去除速度。当电火花放电均匀时，应采用低电压、大限流电阻、小电容，以获得低峰值电流，实现对砂轮表面的光整加工。
