金属基金刚石砂轮的电火花修锐机理.pdf

第 3 7 卷 增刊 I 2 0 0 8年 1月 稀有 金属材 料与工程 RARE METAL MATERI ALS AND ENG1 NEERI NG Vo 1 37，Su p p 1 1 J a n ua r y 2 00 8 金属基金刚石砂轮的电火花修锐机理 蔡 兰蓉，贾妍，胡德金(上海交通 大学机械与动力工程学 院，上海 2 0 0 0 3 0)接要：对 电火花放 电作用下砂轮表面结合剂材料的去除机理进行 了分析。在 电火花成形机床上进行 电火花修锐青铜 结合剂金刚石砂 轮的试验，在V H 8 0 0 三维数字显微镜观察 电火花修锐前后金刚石砂轮表面的微观形貌，考 察了砂轮修 锐前后表面峰点高度分布的变化，比较 了不同放电参数作用下的修锐效果。实验证 明电火花放 电技术可应用于金 刚石 砂轮 的修锐，电火花放 电对金属结合剂金刚石砂轮进行修锐时存在一个合适 的修锐参数 范围，在 这个 范围内，修锐可 以获得较好的效果。关键词：金刚石砂轮；电火花；修锐：机 理 中图法分类号：T G5 8 0 6 1 文献标识码：A 文章编号：1 0 0 2 1 8 5 X(2 0 0 8)S 1-0 4 8 0 4 随着工业发展的需要以及材料科学的不断突破和 创新，许多新材料特别是难加工材料(如硬质合金、工程陶瓷、光学玻璃和钛合金等)以其高硬度、高强 度、耐磨损、耐腐 蚀 以及质 量轻 等优 良性 能在机 械 电 子、航 空航 天等领 域上 得到 了广 泛 的应用。对这 些难 加工材料尽管存在多种加工方法，但最实用的加工方 法 仍是用 超硬 磨料砂 轮(C B N 和金 刚石砂轮)进 行粗 磨、精 磨、以及 研 磨和抛 光 l l】。金 刚石砂轮 具有优 异 的磨削 性 能，抗磨 损 能力强，在硬 脆 有色金 属和 工程 陶瓷、硬质合 金等 高硬度、高脆性 非金 属材 料 的磨削 加工 中得 到 了广 泛 应用。但 由于金 刚 石磨粒 是迄 今为 止 最硬 的材料，修 整非 常 困难，在 一 定程度 上 限制 了 它 的应用。因此，对超 硬磨料 砂轮 精密 修整 技术 的研 究，是 目前 国 内外 在精密 加工 技术 领域 中重 点研 究课 题 之一。金 刚石工 具修整 法、普通 砂轮 磨削法 和磨 削 软钢法等传统方法存在修锐效率低、修锐成本高、修 锐次数频 繁和 操作 环境 恶劣 等 明显缺 点，各 国学 者竞 相 开展超 硬磨 料砂 轮新 修整 技术 的研究。主 要进展 表 现在：一方面对传统的修整方法进行改进，开发了杯 形砂轮磨削法、游离磨料喷射法和弹性超声修锐法等；另一 一 方面，将特种加工方法引入砂轮修整，开发出了 电加工修整法和激光修整法 2】。电火花修整技术作为 一种非接触修整法，避开修整工具直接作用和接触超 硬磨粒，基于电化学、热的熔化和气化机理去除砂轮 结合剂，无疑是很有发展前途的修整技术，但需进一 步深入开展修整机理研究。本文将着重研究金刚石砂 轮的火花放电修锐机理。1 原 理 电 火 花 砂 轮 修 整 技 术 是 S u z u k i 和Ue ma t s u【3】首 先 提 出的一种 成本 低廉、实 用性 强 的超硬 磨料 砂轮 修整 技 术。在 电火花 修整 金刚 石砂 轮过 程 中，脉 冲 电压 加 到 修整 电极 和金 刚石砂 轮 之 间，在 当时条件 下相对 某 问 隙最 小处或 绝缘 强度 最低 处击 穿介 质，在该局 部 产 生火 花放 电。如 果放 电 点局 部 区域 的功率 密度 足够 高，产生的瞬时高温就可 以同时使砂轮表面的金刚石 磨粒和结合剂材料熔化甚至气化，形成放 电凹坑。在 重复放 电过程中，放 电凹坑相互重叠，逐渐将砂轮修 整 到所 需形 状。由于 金刚 石砂 轮 的金 刚石磨 粒是 非导 电体，火花放 电不会在 工 具 电极和 磨粒之 间发 生，所 以火 花放 电修整 可 以有 选择 地蚀 除金 属 结合剂，使 金 刚石磨粒露 出结合剂表面并形成的突出高度，从而实 现对砂轮的修锐。此外，金刚石和金属结合剂材料在 热物理性能方面 的差别很大。以青铜结合剂金刚石砂 轮为例，金刚石 的热传导率为2 0 W c m K，是青铜结 合剂 的2 0 倍；其热扩散系数为3 1 1 4 c m2 s 一，是青铜结 合剂 的3 倍；而且金刚石的熔点是3 7 0 0 4 0 0 0，远 远 高于 结合 剂材 料。在相 同的热流 密度 作用 下，金 刚 石磨 粒 的温度 大大 低于 青铜 结合 剂 的温度。因此，可 以通 过控 制放 电参 数选 择性 地去 除砂 轮表 面 的结合 剂 材料，而不损伤金刚石磨粒，使砂轮表面具有一定的 磨粒 突 出高度 和容 屑空 间。另一 个磨粒 突 出 的效 果来 收稿 日期：2 0 0 7 0 9 2 3 基金项目：教育部博士学科点专项科研基金资助(2 0 0 6 0 2 4 8 0 3 1)作者简介：蔡兰蓉，女，1 9 7 2 年生，博士生，上海交通大学机械与动力工程学院，上海 2 0 0 0 3 0，电话：0 2 1 6 2 9 3 2 3 6 0 维普资讯 http:/ 增刊 1 蔡兰蓉等：金属基金刚石砂轮的电火花修锐机理 4 9 自放 电爆炸形成的冲击波和放 电爆炸后形成的真空负 压使砂轮表面容屑坑 中的磨削产物被排除，从而达到 超硬 磨粒砂 轮 的修 锐作用。在火花 放 电作用 下，金 刚石砂 轮表 面 结合 剂材 料 去除机 理和 模型 如 图1 所示。火花 放 电在修 整 电极与砂 轮金属 结合 剂之 间发 生，瞬 时放 电高温 使 固态 金属 首 先 熔化，继 而 出现气 相。在气 化过 程 中，产 生很 大 的 热 爆炸 力，使被 加热 至熔 化状 态 的金属 结合 剂被 挤 出 或 溅 出。金 属结 合剂 周 围的金 刚石 磨粒 由于 金属 结合 剂的蚀除而露出砂轮表面产生容屑空间。虽然火花放 电因金 刚石 的不 导 电性 不 会直接 发 生于 磨粒 上表 面，但 放 电产 生 的高温 会 经过 结合 剂和放 电介质 的传 递作 用 于磨粒，使磨粒 发 生氧化 反 应损 失磨 削性 能改 变。因此控制砂轮表面修整区域 的放电能量是火花放 电修 整 金刚石砂 轮 的关键 问题。Me ta l b o n d Di a mo n d g lr a l n Me t a l b o n d e d d i a mo n d wh e e l(+)图 1 电火花修整金刚石砂轮金属结合剂去除模型 Fi g 1 Re mo va l mod e l o f me t a l-bo nd ma t e r i a l s on t he s u r f a c e of di a mo nd g r i n di n g wh e e l 修 整 后砂轮 表面 的磨 粒突 出高 度和 容屑 空 问即砂 轮的工作能力取决于脉冲放电能量 的大小。如果放电 点局 部 区域 的功率密 度过 大会 引起 金属 结合 剂熔 化 区 域面 积过 大削弱对 磨 料 的把持 能力，同时还 会 引起金 刚石 或C B N磨 粒发 生氧 化反应 失 去磨削 能力；另 一方 面，若放 电功率密度过小，则不能有效蚀除金属结合 剂使磨粒露 出结合剂表面形成的足够的突出高度。修 整金 刚石 砂轮 时，单个脉 冲放 电所释 放 的能量 为：=【u(t)i(t)d t (1)式 中：一 单个 脉冲放 电时 间(S)；“()一 放 电间隙 中 随 时间而变 化 的 电压(V)；(f)一 放 电间隙 中随时 间而 变 化 的 电流(A)。由于 火花 放 电间 隙阻抗 的 非线性 特性，击 穿后 间 隙上的火花维持电压是一个与电极对材料及工作液种 类 有关 的数 值。当用 纯 铜 电极修 整金 刚石砂 轮 时 的单 个 脉冲 能量 为：=(2 5 3 0)i j e (2)式 中：。一 脉冲 电流 幅值(A)；t e 一 电流脉 宽(p m)对 于给 定 的金 刚石砂 轮，根据 上面 的分 析可 知，单 个 脉 冲放 电 能量 必 须控 制 在 某 个相 应 的范 围 内 取 值，即存在 有上 下 限。电规准 放 电电流(i。)和 电流 脉 宽(t e)最 终通 过上 式对 修锐 效 果产生 综合 影响。合 理确定火花放 电参数对 电火花修整金刚石砂轮的效果 非 常关键。2 试 验 本实验 在新加坡大 量 电子有 限公司生产T R O O P 4 3 4 电火花成形机床上进行，工具 电极为紫铜 电极，采用 的 工作放 电介质是 电火花专用煤 油。利用V H 8 0 0 Z维数字 显微 镜观 察 电火花 修 整前后 金 刚石砂 轮 表面 的微观 形 貌。修整前后金刚石砂轮表面 的表面峰点高度是用 Ve c c o 公司生产 的De k t a k 6 M探针表 面轮廓仪来测量的。被 修 整砂 轮是 苏州 远东 砂轮 有 限公司 生产 的青铜 基金 刚 石砂 轮 MB D1 2 0 M 1 0 0。砂 轮 平均 磨粒 尺 寸 为 1 0 0 p m，浓 度 为1 0 0。砂 轮 直径 为1 0 0 mm，电源极 间放电电压为1 2 0 V。修整时，砂轮接电源正极，工具 电极接 电源 负极。3 修锐后砂轮的表面微观形貌分析 热 压烧 结 的新 金刚 石砂 轮表 面上 大部 分金 刚石磨 粒 被埋 覆在 结合 剂 中，磨钝后 的金刚 石砂轮 表面 上磨 粒突出高度和容屑空间会大大减小，对这些砂轮必须 进 行修 整。图2 为未 整 形过 的MB D砂 轮表 面 形貌，从 图中可看出砂轮表面金刚石磨粒未突出，没有容屑空 问。其相应 的表面峰点高度分布如图3 所示 由图可见，图2 青铜 结合剂金刚石砂轮修 整前表面形貌 Fi g 2 Br o nz e-b on d di a mon d wh e el s u r f a c e t o po gr a p hi e s be f o r e d r e s s i n g 捌 维普资讯 http:/ 5 O 稀有金属材料与工程 第 3 7 卷 曲线波 峰、波谷 高度 差较 小，表 明金 刚石颗 粒 磨损较 大或砂 轮 堵塞，以至 磨粒裸 露 高度减 少。另外，曲线 很少有 尖锐 独立 的峰 点，表 明磨粒 问填充着 大 _革=结合 剂，没有足够的容屑空间，所以这时砂轮不具备磨削 性能，必须进行修锐。磨粒裸露高度是评价砂轮修锐 效果 的一个重 要参数。吕 i m m 图 3 青铜结合剂金刚石砂轮修整前表面峰点高度分布 Fi g 3 Wor n br o n ze bo nd d i a mo nd whe e l pr of i l e b e f or e d r e s s i n g 采 用 4组 不 同放 电参 数对 青铜 结合剂 金 刚石砂轮 修 锐后 的表 面微观 形貌 如 图 4所 示。由图可见，图 4 a 和 4 b 两组 放 电参数 可 以使熔化 结合 剂形 成 定 的容 屑 空 间，大 量 的金 刚石 磨 粒裸露 出来 并且 保持 良好 的 形状特 征。这说 明这 两组 实验 修整 区域 的单个 脉冲 放 电能量 适 当，既熔化 了青 铜结合 剂 又有 效控制 了金 刚 石磨粒发生氧化反应失去磨削能力。而采用 图 4 c和 4 d两组放 电参数进行修整实验时，青铜结合剂均出现 了重熔 的现 象，金 刚石磨 粒烧焦 发 生氧化 反应 丧 失原 来 的形 状特 征，砂轮表 面 工 作磨 粒 明显减 少。这说 明 这两组实验修整区域的单个脉冲放 电能量过高，虽然 熔化了青铜结合剂但金刚石磨粒也大部分石墨化并失 去 了应 有 的磨 削工 作能力。图 4 b对应的修锐后黄铜结合剂金刚石砂轮表面峰 点高度分布如图 5 所示。与图 3对比，其 曲线波峰、波 谷 高度 差增 大且 出现 了人 量独 立 的峰 点。这 说 明火 花 图4青铜 结合剂金刚行砂轮 电火化修锐后表面形貌 F i g 4 B r o n z e b o n d d i a mo n d wh e e l s u r f a c e t o p o g r a p h i e s a f t e r e l e c t r i c a l c h a r g e d r e s s i n g：(a)f e=4 A；f e i =8 A；f =2 0 0 s，a n d(d)i。=l 6 A；f。=l 0 0 s m m 图 5 修锐后青铜结合剂金刚石砂轮表面峰点高度分布 Fi g 5 W o r n di amon d wh e el p r ofil e a f t e r d r e s s i n g a t i e-二l 2 A；t e 25 us 放 电修 锐后 的砂 轮表面 有大 量 的裸 露磨粒 且单颗 金 刚 石磨粒形状完整未产生损伤，具有较大的磨粒突出高 度 和容 屑空 间。4 结 论 电火 花修 整金 属基 金刚石 砂 轮 时，利 用金 刚石磨 粒与 金属 结合 剂材 料热 物理、导 电性 能 的差异，通过 调整放电参数，可 以选择性地去除砂轮表面结合剂材 料。电火花修锐机理研究和修锐实验均证明，通过合 理选 择 电火花 放 电参数 范 围可 以获得较 大 的磨粒 突 出 高度 和容 屑空 间，保 证 金刚石 砂轮 具备 应有 的磨 削工 作能 力。参考文献 Re f e r e n c e s 1】T e n g Y a n(滕 燕)，Ga i Y u x i a n(盖玉先)，D o n g S h e n(董 申)A v i a t i o n P r e c i s i o n Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y(航空精密制造 技术)J 1，2 0 0 0，3 6(1)：1 7 2】K a n R e n k e(康仁科)，Y u a n J i n g t i n g(原京庭)，S h i X i n g k u a n(史 兴宽)e t a 1 C h i n a Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g(国机械工程)J】，2 0 0 0，(1 1)：4 9 3 3】Mu r a t a R，O k a n o K，T s u t s u mi C G r i n d i n g S y m p o s i u m P E D J ，1 9 85，1 6：261 维普资讯 http:/ 增刊 l 蔡兰蓉等：金属基金刚石砂轮的电火花修锐机理 5 1 M e c ha ni s m o f El e c t r i c a l Di s c h a r g e Dr e s s i n g a n d Tr u i ng o f Di a m o nd Gr i n di n g W he e l C a i L a n r o n g，J i a Y a n，Hu De j i n (S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d P o w e r E n g i n e e r i n g，S h a n g h a i J i a o t o n g U n i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0，C h i n a)Abs t r a c t：El ec t r i c a l d i s c ha r g e d r e s s i n g a nd t r ui n g of di a mo nd g r i n di ng whe e l a r e a n o n c on t a c t a nd no n t r a di t i o n a l t e c h no l o g yA s ys t e ma t i c s t u dy o n t he me c h a ni s m of s e l e c t i v e r e mov a l of me t a l b as e d ma t e r i al s of di a mo nd gr i nd i n g whe el b y me a ns of e l e c t r i c al d i s c h a r g e d r e s s i n g wa s c o n d u c t e d Dr e s s i n g b r o n z e b o n d d i a mo n d g r i n d wh e e l s wa s c a r r i e d o u t o n a Di e S i n k i n g E l e c t r i c a l Di s c h a r g e M a c h i n e T h e d i a mo n d wh e e l t o p o g r a p h i e s b e f o r e a n d a f t e r e l e c t r i c a l d i s c h a r g e d r e s s i n g we r e o b s e r v e d b y VH-8 0 0 t h r e e。d i me n s i o n di gi t a l mi c r os c op e，The whe e l p r ofil e s b e f or e a nd a f t e r d r e s s i n g we r e a l s o o bs e rv e dThe r e s ul t s o f e l e c t r i c a l di s c ha r ge dr e s s i ng u n de r d i f f e r e n t p r o c e s s i n g p a r a me t e r s we r e c o mp a r e d F a v o r a b l e s u r f a c e t o p o g r a p h y c o u l d b e o b t a i n e d u n d e r s u i t a b l e p r o c e s s i n g p a r a me t e r s a n d el e c t r i c a l d i s c ha r ge dr e s s i ng f o r t h e me t a l bo nd e d di a mo nd g r i n di n g wh e e 1 Ke y wor d s：di a mo nd g r i n di ng wh e e l；el e c t r i c a l di s c h a r g e；dr e s s i ng；me c h an i s m Bi o g r a p h y：Ca i La n r o n g，Ca n d i d a t e fo r P h D，S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d P o we r E n g i n e e r i n g，S h a n g h a i J i a o t o n g Un i v e r s i t y,S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0，P R C h i n a，T e l：0 0 8 6 2 l 一 6 2 9 3 2 3 6 0，E ma i l：c a i l r s j t u e d u c n 维普资讯 http:/