ELID超精密磨削技術綜述

1、先進制造技術課程大作業(yè) 2014年10月ELID超精密磨削技術綜述蔡智杰天津大學機械工程學院機械工程系2014級碩士生摘要：金屬基超硬磨料砂輪在線電解修整(Electrolytic In-process Dressing, 簡稱ELID)磨削技術作為一種結合傳統(tǒng)磨削、研磨、拋光為一體的復合鏡面加工技術，開辟了超精密加工的新途徑，具有廣發(fā)的應用價值。本文將從工作原理、磨削機理、工藝特點、影響因素及磨削機床的分類等方面系統(tǒng)地介紹ELID超精密磨削技術，并通過分析國內(nèi)外研究應用狀況，闡述該技術在精密加工制造行業(yè)的應用發(fā)展前景。關鍵詞：在線電解修整(ELID) 超精密鏡面加工 金屬基超硬磨料砂輪 硬脆

2、材料 磨削機理2014年10月蔡智杰：ELID超精密磨削技術綜述0 引言隨著制造行業(yè)的飛速發(fā)展，硬質合金、工程陶瓷、光學玻璃、玻璃陶瓷、淬火鋼及半單晶硅等硬脆難加工材料得到廣泛應用，尋求低成本、高效率的超精密加工技術的研究工作正在廣泛開展。超精密鏡面磨削技術是一種借助高性能的機床、良好的工具(砂輪)、完善的輔助技術和穩(wěn)定的環(huán)境條件，控制加工精度在0.1m級以下、表面粗糙度Ra<0.04m甚至Ra<0.01m的磨削方法1。然而，由于傳統(tǒng)磨削工藝效率低、磨削力大、磨削溫度高，且砂輪極易鈍化、堵塞而喪失切削性能，從而造成加工面脆性破壞，加工質量惡化，難以滿足高精度、高效率的加工要求。隨著

3、砂輪精密修整技術的發(fā)展及超微細粒度砂輪的使用，將磨削加工的材料去除工作引入到一個新的領域。ELID磨削技術是應用電化學反應的非傳統(tǒng)材料去除技術來解決金屬基超硬磨料砂輪的修整問題的超精密鏡面加工技術，以其效率高、精度高、表面質量好、加工裝置簡單及適應性廣等特點，已較廣泛用于電子、機械、光學、儀表、汽車等領域。1 ELID磨削的基本原理ELID(Electrolytic In-process Dressing)磨削是在磨削過程中，利用非線性電解修整作用使金屬結合劑超硬磨料砂輪表層氧化層的連續(xù)修整用與鈍化膜抑制電解的作用達到動態(tài)平衡。從而獲得穩(wěn)定厚度的氧化層，使砂輪磨粒獲得恒定的出刃高度和良好的容屑

4、空間，實現(xiàn)穩(wěn)定、可控、最佳的磨削過程，它適用于硬脆材料進行超精密鏡面磨削。1.1 系統(tǒng)做成ELID磨削的必備裝置主要有磨床、電源、電解裝置、電解液和砂輪五個要素。詳述如表1所示：表1 ELID磨削機床的組成組成要素技術要求磨床回轉精度要求高(7m)電源可采用直流、交流、脈沖電源等，以高頻直流脈沖電源效果最好。電解裝置工具電極電極宜用不銹鋼制造，位置和形狀因磨床結構而異。安裝與砂輪的間隙控制在0.11.5mm之間（可調(diào)），且與機床絕緣。電 解 液組成兼做磨削液，一般采用弱堿性電解質水溶液，對機床無腐蝕；成分因結合劑和磨粒粒度而異。輸送采用中心送液法，依靠重力和離心力充滿電極間隙。砂 輪金屬結合劑

5、有良好導電性和電解性能，結合劑元素的氧化物或氫氧化物不導電；對超硬磨料的把持強度大，防止磨料脫落；常用的有鑄鐵纖維結合劑(CIFB)、鑄鐵結合劑(CIB)和鐵粉結合劑(IB) 。磨粒粒度適中；硬度要求高，常采用金剛石、CBN磨粒。氧化膜對砂輪表面電解氧化膜的形成速度，成膜質量有較高要求；電解膜的厚度要厚，質地要堅實不易脫落。1.2 系統(tǒng)工作原理ELID磨削原理如圖1所示。金屬結合劑超硬磨料砂輪的轉軸與電刷的接觸而接通電源正極作為陽極，銅電極（工具電極）與電源負極相接作為陰極。砂輪與負極之間存在100500m的間隙（間距可調(diào)），利用噴嘴噴出具有電解功能的磨削液使之充滿間隙2。在高電壓（60120

6、v）和高脈沖頻率電源的作用下，使磨削液電解產(chǎn)生陽極溶解效應，將砂輪表層的金屬基體電解去除，與此同時，在砂輪表面會產(chǎn)生一層絕緣的鈍化膜能有效抑制金屬基體的過度電解，以減少砂輪基體的過分電解損耗。因為氧化膜極易磨損，從而容易使新的磨粒露出鋒利的棱角以達到修銳效果。整個加工過程中電解作用與鈍化膜的抑制作用達到動態(tài)平衡，保證了磨粒的恒定的突出量，使砂輪在加工過程中始終保持有磨粒突出的最佳磨削狀態(tài)。該技術將砂輪的在線修整與磨削過程結合在一起，從而實現(xiàn)對工件的連續(xù)超精密鏡面磨削。圖1 平面磨削 E L I D 基本原理的裝置示意圖1.3 磨削機理ELID超精密磨削的過程可分為四個階段，具體歸納如圖2。準備

7、階段 電解預先 修銳階段 在線電解 修整動態(tài) 磨削階段 光磨階段 進行砂輪動平衡精密整形，減小圓度和圓柱度誤差 獲得適當出刃高度和合理的容屑空間，形成鈍化膜 保持砂輪最佳磨削狀態(tài)，形成精加工表面 進一步提高表面質量圖2 ELID磨削過程流程圖ELID磨削的機理可由圖3形象描述。在電解修整過程中，金屬結合劑砂輪為陽極，發(fā)生如下電解反應（以鐵元素為例）：工具電極作為陰極，電極附近電解液中的水分子發(fā)生如下反應：如圖3(a)所示，在砂輪修正前，砂輪由磨粒和金屬結合劑組成，磨粒均勻分布。在進行磨削加工前，需單獨對砂輪進行電解修整工作(圖3b)，在砂輪表面電離溶解一層金屬結合劑，以一定厚度的鈍化膜取而代之

8、。一方面能有效減小砂輪的形狀誤差，另一方面能預先生成具有一定彈性的鈍化膜，防止開始磨削時砂輪切入是造成工件的硬質劃傷。在磨削開始后，由于氧化膜極易磨損，固定在氧化膜中的磨粒路出鋒利的棱角，其可以視為無數(shù)大小型刀具對工件表面進行微切削作用。砂輪在通過與工件的接觸區(qū)域后，由于工件材料的刮擦作用，磨粒磨損鈍化，出刃高度降低，磨削效果變?nèi)?。由于鈍化膜變薄，導電性恢復，當砂輪轉到工具電極位置時，在電解液的作用下，砂輪表面形成新的氧化膜，使磨料出刃高度增加（如圖3c）。當氧化膜達到磨損前的厚度時，電阻足夠大而起到絕緣作用，使電解作用終止。由此可知，由于這種非線性電解作用的結果，使得修整過程對磨削過程有一定

9、的自適應能力，砂輪在每個旋轉周期內(nèi)都保持以相同厚度的氧化層和相同出刃高度的磨粒進行磨削，即砂輪表層氧化膜的電解生成與磨損達到動態(tài)平衡，最終使得砂輪表面結合劑基體不斷被電解，新的磨料不斷地露出，以保證金屬基砂輪在磨削過程中的銳利性。這種磨削方法即不會由于表層磨料的磨損和脫落而失去切削能力造成切屑堵塞現(xiàn)象，又不會造成砂輪的過快消耗，能充分發(fā)揮超硬磨料的磨削能力，非常有利于對硬脆材料實現(xiàn)高精度、高效率的超精密鏡面磨削。圖3 ELID鏡面磨削基本原理過程示意圖2 ELID磨削的工藝特點及影響因素2.1 工藝特點ELID磨削不僅包含了普通磨削的優(yōu)點，而且在許多方面彌補了傳統(tǒng)磨削的缺陷，可在完全取代傳統(tǒng)磨

10、削。為研究ELID磨削的特點，與普通鏡面磨削進行對比如表2所示3：表2 ELID磨削與普通磨削對比普通鏡面磨削ELID鏡面磨削過程磨削研磨拋光結合磨、研、拋的復合式加工原理以柔性研磨盤把磨料壓在材料表面并產(chǎn)生相對運動，以滾動方式使材料破碎。磨粒出刃高度只有1/3，進行微量磨削；砂輪表面容納有脫落磨料的鈍化膜作為研磨膜；精磨時，進給量很小，鈍化膜對工件進行光磨。材料去除機理滑動和滾動方式去除破碎后的材料。磨粒以滑動方式對材料進行微切削。磨削力隨著時間的變化增大，直至失去磨削能力。磨削力幾乎不隨時間變化。特點磨削力大、磨削溫度高、效率低；砂輪極易鈍化、堵塞；加工面易脆性破壞，精度和效率相對較低。砂

11、輪始終處于銳利狀態(tài)，穩(wěn)定性和可控性好；加工精度高，表面裂紋少，表面質量好；形狀創(chuàng)成效率高，可實現(xiàn)自動化與在線測量；裝置簡單，成本低。應用范圍不適合加工高強度、高硬度和高脆性材料。適應性廣，可加工非金屬硬脆材料和淬硬黑色金屬。2.2 影響ELID磨削的因素影響ELID的磨削效果的因素眾多，根據(jù)目前的實驗研究和文獻總結，除了與普通磨削所共有的影響因素外，影響ELID磨削效果特有的因素如下： (1)氧化膜的影響ELID鏡面磨削的技術核心是由于氧化膜的彈性效應與隔離效應形成的超微量切削作用，氧化膜在磨削過程中的狀態(tài)對ELID磨削效果的影響如圖4所示：ELID磨削效果氧化膜厚度及彈性 電解過程 磨削過程

12、 金屬結合劑成分與配比 電解液成分與供液速度 脈沖電源的種類與參數(shù) 砂輪與電極之間的間隙 圖4 氧化膜對ELID磨削效果的影響(2) 磨粒的影響如圖3所示，在ELID磨削過程中，由于砂輪表面的氧化膜具有一定的厚度和彈性且能夠容納脫落的磨料，參與磨削的超硬磨粒存在三種狀態(tài)：緊緊固定在金屬結合劑中的磨粒；因電解脫落而固定在氧化膜中的磨粒；容納在氧化膜中的磨損過的磨粒。在磨削加工中，固定在結合劑中的磨粒對金屬進行切削加工；研磨加工時，氧化膜作為一種具有良好柔性的研磨膜，因為進給量小于氧化膜的厚度，固定在結合劑中的磨粒不與工件接觸，而固定在氧化膜中的磨粒對工件進行類似的研磨；而精磨時，由于進給量很小，

13、鈍化膜的厚度遠大于磨料的出刃高度，彈性氧化膜具有良好的隔離效應，使得固定在氧化膜中的磨粒也不可能直接與工件接觸，容納在氧化膜中磨損過的磨粒成為自由的研磨劑對工件的作用類似拋光。因此，ELID磨削實際上是一個合磨削、研磨、拋光為一體的復合式精密加工技術。(3) 砂輪粒度及切削深度的影響砂輪粒度與表面粗糙度的關系可由圖5的示意曲線表示：圖5 砂輪粒度與表面粗糙度關系關系曲線ELID磨削時砂輪粒度不僅與工件的表面粗糙度有關，還與工件表面的力學性能有密切聯(lián)系。由圖5可知，磨粒粒徑的變化，工件材料也發(fā)生不同形式的變形。當磨料粒度較大時，工件表面材料的去除形式主要表現(xiàn)為脆性破壞的形式，工件表面會出現(xiàn)裂紋，

14、導致工件的力學性能下降。隨著砂輪粒度的減小，工件材料的去除方式逐漸變?yōu)榇嘁凰苄苑绞缴踔潦撬苄苑绞剑陨拜喌牧６仍叫?，同時參與磨削的磨粒數(shù)目增多，工件的表面粗糙度值逐漸減小，工件的表面越光滑（如圖6）。當工件表面材料主要通過塑性變形來去除時，工件表面的力學性能較好。當砂輪粒度減小到一定程度后(如#4000的砂輪)，工件表面粗糙度變化不大4。圖6 磨削表面AFM圖像：(a)#1200砂輪；(b) #4000砂輪磨削力的大小同樣對加工質量有直接影響。由于ELID磨削主要以微切削形式加工，切削深度很小，因為在砂輪表面上形成的氧化膜厚度通常大于5m，所以當切削深度在510m時，得到的加工工件表面粗糙度

15、較好。隨著磨削深度的逐漸增大，法向磨削力和切向磨削力均隨其逐漸增大，在同一磨削深度下，粒度越細的砂輪受到的磨削力越大。(4) 脈沖電源的影響ELID磨削加工過程中，砂輪表面的氧化膜的厚度與砂輪在線電解修銳過程有關，而影響電解效果的主要因素有電源電流大小及占空比。氧化膜的厚度直接影響了砂輪與電極之間的導電性，電解過程中電流的大小與電解時間的關系可用下圖7表示5：圖7 電流與電解時間關系曲線由圖可知，電解過程中電流的大小與電解時間呈負相關關系，即氧化膜越厚，電解電流越?。划斞趸み_到一定厚度時，電解電流趨近于零，可視為電解過程停止。通過電源電流與氧化膜厚度的相互約束關系能有效的控制磨削加工過程。電

16、源的脈沖占空比可定義如下：其中TON為脈沖寬度，TOFF為脈沖間隔。由上式可知，當占空比增大時，電解電流隨之增大，電解速度也隨著增加，砂輪上的氧化膜較厚，反之則較薄。相關試驗表明，當氧化膜較薄時，砂輪上更多地磨粒參與磨削，因此磨削力較大，工件表面上由磨粒產(chǎn)生的劃痕較深，表面粗糙度較大。而當氧化膜較厚時，由于氧化膜彈性較好，ELID磨削與拋光類似，得到的工件表面質量較好。所以，占空比應保持在一個臨界值之上，這樣才能保證足夠的電解電流和氧化膜成膜速度，使得磨削過程中氧化膜的磨損與生成達到動態(tài)平衡。但是，占空比過大，砂輪的損耗速率增加，此外，氧化膜長時間在脈沖作用下，絕緣性變差，從而影響加工過程。3

17、 ELID鏡面磨削分類ELID磨削技術的一大優(yōu)點在于任何普通的機床都可以利用簡單的裝置將其改裝成ELID磨削機床。電極作為在線電解裝置的重要組成部，常被制作成不同的形狀以適應不同的工件材料、加工表面以及工作空間，而且其安裝的位置也不盡相同。所以不同用途的ELID磨削機床其實現(xiàn)在線修整的方案也不相同，典型的機床有如下幾類6： (1) 普通ELID磨削機床普通ELID磨削機床即前文所討論的常規(guī)ELID鏡面磨削機床（如圖1），這也是應用最廣泛、技術最成熟的在線電解修整磨削機床。最常見的有平面、外圓和內(nèi)孔加工的磨削機床。在對單晶硅、SiC、玻璃陶瓷、藍寶石、花崗巖等各種難加工材料進行大量磨削實驗后的表

18、明，這類機床具有加工穩(wěn)定性好、加工精度和效率高、表面質量好等優(yōu)點，且砂輪耐磨耗性能提高，有效地降低了貴重磨料的消耗率。(2) 間隙式ELID磨削機床間隙式ELID磨削機床使用一個固定的電極用于間歇修整，其原理如圖8(a)所示。該機床的工作過程與普通磨床相似，不同之處在于砂輪的修銳方法。間隙式ELID磨削的電解修整和磨削加工工作交替反復進行，最終實現(xiàn)鏡面加工的要求。在加工之前，砂輪軸移到ELID電解修整區(qū)域，使電解砂輪生成一層氧化膜并保持一定的出刃高度。砂輪在磨削加工過程中不同時進行在線電解電解，而當砂輪表層鈍化膜磨損一定量后，磨粒出刃高度下降而變鈍，導致磨削效率下降時，再將砂輪移至ELID電解

19、修整區(qū)域進行修整，帶修整完成后，再移入工件區(qū)域進行磨削加工。這種機床廣泛應用于砂輪體積小，且工作空間很小不利于安裝負極裝置的情況。(3) 無電極ELID磨削機床對于一些導電的難加工材料，為簡化ELID鏡面磨削系統(tǒng)，在相對砂輪的位置不安裝負極，利用導電工件作為負極取代專用的負極結構裝置（工件與機床床身之間絕緣），其原理如圖8(b)所示。在砂輪進行磨削的部位，導電工件與砂輪之間形成導電通路產(chǎn)生電解氧化反應，使得砂輪表面在同一位置上的鈍化膜出現(xiàn)磨損消耗與電解生成兩種情況，從而達到在線電解修整的目的，實現(xiàn)ELID鏡面磨削加工。這種加工方法在切削的作用下容易造成工件不必要的放電腐蝕。其避免的方法是：控制

20、較低的電解電壓和電流，維持較低的占空比值和低磨削進給量以減少切屑的生成量。同時，可采用半導體材料導電或者采用半導體結合劑的砂輪，也能有效的實現(xiàn)穩(wěn)定的ELID磨削，使加工表面達到鏡面要求。(4) 噴嘴式電極ELID磨削機床噴嘴式電極ELID磨削技術是由日本理化學研究所提出并應用于微型工件的制造的。利用這種技術加工微小透鏡和微細透鏡模具等微細硬脆性材料零件時，砂輪的直徑有可能達到35m。在這種情況下，由于尺寸太小，電極正極與電刷不易接觸，同時負極沒有放置的空間，使得安裝普通的電極裝置變得很困難。因此提出了一種特殊的噴嘴結構，如圖8(c)所示，電解液從一個嵌入了兩塊電極的噴嘴中流出，由于分別接電源的

21、正負極，使得電解液在噴嘴的前端進行電解，產(chǎn)生OH-離子。陰極離子噴射在砂輪表面后，與砂輪表面結合劑生成氧化膜，從而實現(xiàn)砂輪的在線修整。值得一提的是該方式加工時，電解液的電離作用可能產(chǎn)生間隔，所以該技術的在線修整效果可能會比普通ELID磨削效果差一些。但試驗表明，其具有更高的磨削效率，通常為無電極ELID磨削的3倍左右，且砂輪和工件之間不會產(chǎn)生電火花放電而損傷工件表面質量，同時砂輪的磨損也大大減小7。(d) 圖8 ELID磨削原理圖：(a)間隙式ELID磨削；(b)無電極ELID磨削；(c)電極噴嘴結構圖；(d)噴嘴式ELID磨削3 研究現(xiàn)狀2.1 國外研究現(xiàn)狀ELID磨削技術由田村在1985年

22、首先提出并用于對陶瓷等硬脆材料的磨削。自1987年日本理化學研究所的Ohmori和東京大學的Takeo Nakagawa將該項技術進一步完善，并開發(fā)出用鑄鐵結合劑超硬磨粒砂輪進行硬脆材料的鏡面磨削以來，得到了全球各國科學工作者的重視8。日、美、德、法、韓等國的專家對該項技術進行了深入的研究，并取得了相當?shù)某晒?，使得ELID磨削技術在多種材料的高效精密和超精密加工領域得到迅速推廣應用。在ELID磨削技術應用方面，Ohmori等通過磨削試驗研究了其加工表面的形成機理，針對難加工硬脆材料的高品質ELID鏡面磨削加工，提出了硬脆材料在延性方式下的磨削理論，系統(tǒng)地討論了各種磨削工藝參數(shù)對加工性能的影響。

23、開發(fā)了納米級ELID磨削機床，并成功應用于平面反射鏡、球面、非球面透鏡高質量光學表面的加工9。在醫(yī)學材料的加工領域，Ohmori利用其利用#8000砂輪進行ELID磨削鈷鉻合金得到了表面粗糙度為7nm的人體關節(jié)光滑的表面（如圖9a），由于磨削液成分中各類分子的電解擴散作用，使得被加工表面具有較傳統(tǒng)拋光更高的表面硬度和生物相容性10。Stephenson等利用聲發(fā)射檢測研究了BK7光學玻璃和微晶玻璃的ELID超精密磨削加工（如圖9b），并提出在磨削過程中，砂輪與工件的接觸面積是影響細粒度砂輪載荷的關鍵因素。當砂輪與工件接觸面積足夠大時，ELID磨削能作為一種非常有效的材料去除方法。該項研究提供了

24、利用AE傳感技術作為監(jiān)控器去探索ELID磨削最優(yōu)條件和磨削機理有效途徑11。在ELID磨削技術不斷完善的同時，富士公司采用該技術加工光學鏡頭，將其鍍膜后直接用在光學透鏡、幻燈產(chǎn)品上，真正實現(xiàn)了光學鏡頭加工以磨代研、以磨代拋的工藝革命12。圖9 ELID磨削表面：(a)鈷鉻合金人造關節(jié)；(b) BK7樣品在ELID磨削過程的控制方面，國內(nèi)外學者也做了大量的研究。德國Fathima等人提出了基于反饋控制系統(tǒng)的ELID磨削理論，通過實驗對比分析該系統(tǒng)應用于光學難加工材料的加工效果。結果表明晶片試件在有反饋控制系統(tǒng)條件下ELID磨削加工后的平面度誤差為2.13m，是無反饋系統(tǒng)的一半（如圖10）。反饋控

25、制系統(tǒng)的應用有效地降低了石英等難加工材料精加工過程中的校正周期13。圖10 表面誤差/(632.8nm)：(a)無反饋； (b) 有反饋在ELID磨削技術的拓展方面，日本理化學研究所結合ELID磨削和磁流變精加工工藝，提出了一種快速減小形狀誤差，并得到平整、光滑加工表面的方法14：分三步對玻璃碳進行金屬基砂輪、金屬-樹脂基砂輪、導電橡膠基砂輪的ELID磨削，有效的減小了形狀誤差、表面波紋度和微觀粗糙度等表面不規(guī)則度（如圖11a,b）。而殘余的微小表面不規(guī)則度通過短時間的磁流變加工得以減小。通過這種途徑可以在幾個小時內(nèi)得到平整光滑的表面，并將玻璃碳的鏡面加工提升到了表面粗糙度峰谷值為10nm、均

26、方根值為1nm的納米級精度（如圖11c,d）。圖11 玻璃碳試件表面形貌：(a)磨削前形貌誤差；(b)三種砂輪磨削之后形貌誤差；(c)金屬-樹脂基砂輪磨削后表面粗糙度；(d)磁流變拋光后表面粗糙度2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)從事ELID磨削方面的研究也比較早，哈爾濱工業(yè)大學在上世紀九十年代初最早引進了該項技術，該校學者在ELID精密及超精密鏡面磨削、電解氧化膜的形成機理以及氧化鋁陶瓷等材料的ELID磨削等方面進行了理論與試驗研究，成功研制了ELID磨削專用的脈沖電源、磨削液和砂輪15-17。關佳亮等采用自行研發(fā)的ELID磨削工藝系統(tǒng)對硬質合金、工程陶瓷、高速鋼進行精密鏡面平面、內(nèi)圓和外圓磨削，得到

27、了表面粗糙度Ra=0.0020.035m的加工表面18-21。湖南大學尹韶輝等結合ELID和磁流變拋光技術(MRF)加工工藝的優(yōu)點，對BK7玻璃、微晶玻璃、碳化硅等光學材料進行了超精密加工試驗，可以在短時間內(nèi)使工件表面得到亞納米級別的表面粗糙度和峰谷值為/20(為單位波長，=632.8nm)的形狀精度22；同時，他們還擴展了ELID技術的應用范圍，把ELID鏡面磨削技術引入微細加工領域，如微型溝槽、微細結構、光學透鏡及相應的透鏡模具等微細零件。可利用#4000金屬結合劑金剛石砂輪對透鏡進行微修整和微磨削試驗，獲得最小半徑為8.2m的微型溝槽23。大連理工大學也很早就從事了對普通磨床改裝的研究，

28、應用ELID磨削技術分別對硬質合金、工程陶瓷、光學玻璃、高速鋼和軸承鋼等難加工材料進行平面、外圓和內(nèi)圓鏡面磨削加工。通過控制磨削條件，能實現(xiàn)高精度、高效率和低成本的精密鏡面加工，并提出ELID磨削技術可可取代傳統(tǒng)的研磨拋光工藝得到高質量的加工表面24。天津大學任成祖等長期從事ELID磨削和軸承的研究，在深入分析ELID磨削機理的基礎上，探討了對球軸承套圈溝道進行ELID超精密磨削的可能性。用分子動力學仿真和有限元分析相結合的方法對ELID磨削中的氧化膜進行了分析，研究了磨粒在氧化膜中的位移及出刃高度對ELID磨削的影響，提出了通過對氧化膜的厚度等狀態(tài)進行控制以獲得良好的表面質量的方法，設計出了

29、一臺基于計算機控制的高頻直流脈沖電源（TJCP-II電源），研制了一套ELID磨削電解電流的控制裝置和方法，實現(xiàn)了對金屬基砂輪的高精度在線修整及氧化膜厚度的有效控制（如圖12）25-30。圖12 W40粒度砂輪形貌圖：(a) 初始狀態(tài)；(b)整形后；(c)修銳后；(d)表面氧化膜去掉后目前除大學以外，國內(nèi)已有十幾家單位應用該技術，如230廠動壓馬達零件的加工，23所相陣雷達互易移相單元陶瓷、微晶玻璃、鐵氧體等航天材料零件的加工，8358廠光學玻璃非球曲面的加工，205光學玻璃的加工，福建南安宏偉陶瓷廠陶瓷的加工等31。4 總結與展望ELID超精密磨削工藝系統(tǒng)具有裝備結構簡單、維護方便、經(jīng)濟效益

30、高、成本低、實用性好等特點。其利用在線電解作用，不僅成功解決了金屬結合劑砂輪整形、修銳的難題，而且有效消除了磨削過程中砂輪堵塞的現(xiàn)象，保持一定的容屑空間，使得鑲嵌在結合劑中的磨粒保持穩(wěn)定的突出量，從而保證砂輪長時間保持鋒銳性，為實現(xiàn)穩(wěn)定的超精密磨削創(chuàng)造了有利條件。此外，通過控制不同的磨削用量可以達到磨削、研磨、拋光的復合加工效果，使得ELID磨削可以適應高效磨削、粗磨、精磨乃至超精密鏡面磨削的要求。這不僅可以保持超精密磨削良好的形位精度、尺寸精度和表面質量，而且可以從根本上提高超精密磨削的加工效率，不斷改善超精密加工中效率與精度的對立關系，為超精密磨削開辟更為廣闊的發(fā)展空間。盡管ELID磨削技

31、術在我國的發(fā)展落后于一些工業(yè)發(fā)達國家，但是在國內(nèi)的研究和應用已具備一定的基礎，已經(jīng)引起了越來越多的專家學者及企業(yè)的關注，有利于該項技術在我國得到進一步的推廣和應用，從而促進我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和高新技術的發(fā)展。ELID磨削技術作為一種高效的超精密加工技術，將取代傳統(tǒng)的研磨拋光工藝，具有廣闊的應用前景和很大的實用價值。目前，該技術的理論研究日趨成熟，關鍵技術也取得了突破性的進展，其發(fā)展趨勢可概括如下：(1) 進一步建立ELID磨削相關的理論體系，總結工藝參數(shù)對加工表面質量的影響規(guī)律。探索磨削力的分布及減少磨削熱和磨削溫度的措施；分析表面殘余應力和表面及亞表面損傷等。(2) 在分析氧化膜的狀態(tài)及其影

32、響規(guī)律的理論研究基礎上，研究氧化膜狀態(tài)的檢測與控制方法以適應磨削需求，以提高磨削的質量和效率。(3) 對ELID磨削過程及磨削液流動狀態(tài)進行仿真分析，優(yōu)化控制磨削參數(shù)和工藝過程，提高磨削效率和質量。(4) 導電微粉砂輪的制造，提高砂輪磨粒粒徑的均勻性和分布的均勻性；超精密磨床以及微納磨床的開發(fā)，提高磨床的進給精度。(5) 擴展ELID技術的應用范圍，應用于微細加工，如微型溝槽、結構及微小非球面等微細零件的加工。(6) ELID磨削與其他精加工工藝組合，形成新的組合工藝，以便能高效地加工各種復雜形狀及高精度表面的工件，如ELID磨削與磁流變拋光工藝的組合。(7) 相對傳統(tǒng)的單一修整技術，ELID

33、磨削的砂輪修整技術可與其他砂輪修整技術相結合，整合各種修整技術的優(yōu)點，形成一種切實可行的、整形效率高的復合修整技術，如ELID和電火花修整相結合、ELID和激光修整相結合、ELID和超聲振動游離磨粒砂輪修整相結合。參考文獻1 張春河. 在線電解修整砂輪鏡面磨削理論及應用技術的研究M. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，1996.2 RAHMAN M, SENTHIL KUMAR A, BISWAS I. A Review of Electrolytic In-Process Dressing(ELID) GrindingJ. Key Engineering Materials, 2009, 404：45

34、-49.3 龔慶壽，寧立偉，等. ELID精密鏡面磨削技術及其應用研究J. 湖南工程學院學報，2003，13(3)：45-47.4 戴玨，周旭光，等. ELID磨削技術在回轉曲面加工中的應用J. 工具技術，2008，2：35-38.5 張春河，張飛虎，等. 一種新的納米級磨削加工技術及應用J. 儀器儀表學報，1995，16(1)：157-161.6 尹韶輝，曾憲良，等. ELID鏡面磨削加工技術研究進展J. 中國機械工程，2010，21(6)：750-755.7 OHMORI H, UEHARA Y, WEIMIN L. New ELID Grinding Technique for Desk

35、-top Grinding System Based on VCAD ConceptC. Proceedings of International Conference on Leading Edge Manufacturing in 21st Century, 2005：703-708.8 楊黎健，基于氧化膜狀態(tài)主動控制的ELID磨削及其應用研究D. 天津：天津大學，2011.9 SALEH T, RAHMAN M S, Lim H S. Development and Performance Evaluation of an Ultra-precision ELID Grinding Ma

36、chineJ. Journal of Materials Processing Technology, 2007, 192：287-291.10 OHMORI H, KATAHIRA K, AKINOU Y. Investigation on Grinding Characteristics and Surface-Modifying Effects of Biocompatible Co-Cr AlloyJ. CIRP Annals-Manufacturing Technology. 2006, 1:597-600.11 STEPHENSON D J, SUN X, ZERVOS C. A

37、study on ELID ultra precision grinding of optical glass with acoustic emissionJ. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2006, 46：1053-1063.12 張飛虎，朱波，等. ELID磨削硬脆材料精密和超精密加工的新技術J. 宇航材料工藝，1999,1:51-55.13 FATHIMA K, SCHINHAERL M, GEISS A. A knowledge based feed-back control system for

38、precision ELID grindingJ. Precision Engineering, 2010, 34：124-132.14 KUNIMURA S, OHMORI H. Reduction of Surface Errors over a Wide Range of Spatial Frequencies Using a Combination of Electrolytic In-Process Dressing Grinding and Magnetorheological FinishingJ. Systems, and Manufacturing, 2012, 6(2)：198-205.15 周曙光，關佳亮，等. ELID鏡面磨削技術綜述J. 制造技術與機床, 2001，2：38-40.16 張春河，袁哲俊，等. 在線電解修整(ELID)超精密鏡面磨削的影響因素初探J. 金剛石與磨料磨具工程，1996，93(3)：21-23.17 關佳亮，郭東明，等. ELID鏡面磨削砂輪氧化膜生成機理J. 中國機械工程，1999，10(6)：630-632.18 關佳亮，范晉偉，等. ELID精密鏡面磨削技術的開發(fā)應用J. 航空精密制造技術，2002，38(2)：5-7.19 關佳亮，范晉偉，等. ELID精密鏡面磨削技術的應用J. 北京工業(yè)大學學報，