ELID超精密磨削技術(shù)綜述

1、ELID超精密磨削技術(shù)綜述蔡智木日八、天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)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（ElectrolyticIn-processDressing,簡稱ELID）磨削技術(shù)作為一種結(jié)合傳統(tǒng)磨削、研磨、拋光為一體的復(fù)合鏡面加工技術(shù)，開辟了超精密加工的新途徑，具有廣發(fā)的應(yīng)用價(jià)值。本文將從工作原理、磨削機(jī)理、工藝特點(diǎn)、影響因素及磨削機(jī)床的分類等方面系統(tǒng)地介紹ELID超精密磨削技術(shù)，并通過分析國內(nèi)外研究應(yīng)用狀況，闡述該技術(shù)在精密加工制造行業(yè)的應(yīng)用發(fā)展前景。關(guān)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材料磨削機(jī)理0引言隨著制造行業(yè)的飛速發(fā)展，硬質(zhì)

2、合金、工程陶瓷、光學(xué)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(yīng)用，尋求低成本、高效率的超精密加工技術(shù)的研究工作正在廣泛開展。超精密鏡面磨削技術(shù)是一種借助高性能的機(jī)床、良好的工具（砂輪）、完善的輔助技術(shù)和穩(wěn)定的環(huán)境條件，控制加工精度在0.1級以下、表面粗糙度Ra<0.04甚至Ra<0.012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(zhì)量惡化，難以滿足高精度、高效率的加工要求。隨著砂輪精密修整技術(shù)的發(fā)展及超微細(xì)粒度砂輪的使用，將磨削加工的材料去除工作引入到一個(gè)新的領(lǐng)域。ELID磨削技

3、術(shù)是應(yīng)用電化學(xué)反應(yīng)的非傳統(tǒng)材料去除技術(shù)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(shù)，以其效率高、精度高、表面質(zhì)量好、加工裝置簡單及適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，已較廣泛用于電子、機(jī)械、光學(xué)、儀表、汽車等領(lǐng)域。1ELID磨削的基本原理ELID（Electr01yticIn-processDressing）磨肖ij是在磨削過程中，利用非線性電解修整作用使金屬結(jié)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(dá)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空間，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可控、最佳的磨削過程，它適用于硬脆材料進(jìn)行超精密鏡面磨削。1.1 系統(tǒng)做成ELID磨削的必

4、備裝置主要有磨床、電源、電解裝置、電解液和砂輪五個(gè)要素。詳述如表1所示:表1ELID磨削機(jī)床的組成組成要素技術(shù)要求磨床回轉(zhuǎn)精度要求高（7gm）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(jié)構(gòu)而異。安裝與砂輪的間隙控制在0.11.5mm之間（可調(diào)），且與機(jī)床絕緣。電解液組成兼做磨削液，一般采用弱堿性電解質(zhì)水溶液，對機(jī)床無腐蝕；成分因結(jié)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(jié)合劑有良好導(dǎo)電性和電解性能，結(jié)合劑元素的氧化物或氫氧化物不導(dǎo)電；對超硬磨料的把持強(qiáng)度大，防止磨料脫落；常用的有鑄鐵纖

5、維結(jié)合劑（CIFB）、鑄鐵結(jié)合劑（CIB）和鐵粉結(jié)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(zhì)量有較高要求；電解膜的厚度要厚，質(zhì)地要堅(jiān)實(shí)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(jié)合劑超硬磨料砂輪的轉(zhuǎn)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(fù)極相接作為陰極。砂輪與負(fù)極之間存在100500師的間隙（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（60120v）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(yīng)，將砂輪表層的金屬基體電解去除，與此同時(shí)，在砂輪表面會產(chǎn)

6、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?yàn)檠趸O易磨損，從而容易使新的磨粒露出鋒利的棱角以達(dá)到修銳效果。整個(gè)加工過程中電解作用與鈍化膜的抑制作用達(dá)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(shù)將砂輪的在線修整與磨削過程結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)對工件的連續(xù)超精密鏡面磨削。轉(zhuǎn)輛砂輪c陽極;圖1平面磨削ELID基本原理的裝置示意圖1.3 磨削機(jī)理ELID超精密磨削的過程可分為四個(gè)階段，具體歸納如圖2。圖2ELID磨削過程流程圖ELID磨削的機(jī)理可由圖3形象描述。在電解修整過程中，金屬結(jié)合劑砂輪為陽極，發(fā)生如下電解

7、反應(yīng)（以鐵元素為例）：L電離L2+cFeFe2e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(yīng)：H2O-典:H+OH-如圖3（a）所示，在砂輪修正前，砂輪由磨粒和金屬結(jié)合劑組成，磨粒均勻分布。在進(jìn)行磨削加工前，需單獨(dú)對砂輪進(jìn)行電解修整工作（圖3b）,在砂輪表面電離溶解一層金屬結(jié)合劑，以一定厚度的鈍化膜取而代之。一方面能有效減小砂輪的形狀誤差，另一方面能預(yù)先生成具有一定彈性的鈍化膜，防止開始磨削時(shí)砂輪切入是造成工件的硬質(zhì)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(jìn)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

8、刮擦作用，磨粒磨損鈍化，出刃高度降低，磨削效果變?nèi)酢Ｓ捎阝g化膜變薄，導(dǎo)電性恢復(fù)，當(dāng)砂輪轉(zhuǎn)到工具電極位置時(shí)，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(dāng)氧化膜達(dá)到磨損前的厚度時(shí)，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(jié)果，使得修整過程對磨削過程有一定的自適應(yīng)能力，砂輪在每個(gè)旋轉(zhuǎn)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(jìn)行磨削，即砂輪表層氧化膜的電解生成與磨損達(dá)到動態(tài)平衡，最終使得砂輪表面結(jié)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

9、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(shí)現(xiàn)高精度、高效率的超精密鏡面磨削。砂輪修整前圖3ELID鏡面磨削基本原理過程示意圖2ELID磨削的工藝特點(diǎn)及影響因素2.1 工藝特點(diǎn)ELID磨削不僅包含了普通磨削的優(yōu)點(diǎn)，而且在許多方面彌補(bǔ)了傳統(tǒng)磨削的缺陷，可在完全取代傳統(tǒng)磨削。為研究ELID磨削的特點(diǎn)，與普通鏡面磨削進(jìn)行對比如表2所示3:表2ELID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(jié)合磨、研、拋的復(fù)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(yùn)動，以滾動方式使材料破碎。磨粒出刃高度只有1/3,進(jìn)行微量磨

10、削；砂輪表面容納有脫落磨料的鈍化膜作為研磨膜；精磨時(shí)，進(jìn)給量很小，鈍化膜對工件進(jìn)行光磨。材料去除機(jī)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(jìn)行微切削。磨削力隨著時(shí)間的變化增大，直至失去磨削能力。磨削力幾乎不隨時(shí)間變化。特點(diǎn)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(zhì)量好；形狀創(chuàng)成效率高，可實(shí)現(xiàn)自動化與在線測量；裝置簡單，成本低。應(yīng)用范圍不適合加工高強(qiáng)度、高硬度和高脆性材料。適應(yīng)性廣，可加工非金屬硬脆材料和淬硬黑色金屬。在磨削加工中，固定在結(jié)合劑中的磨粒對金屬進(jìn)行切削加

11、工；研磨加工時(shí)，氧化膜作為一種具有良好柔性的研磨膜，因?yàn)檫M(jìn)給量小于氧化膜的厚度，固定在結(jié)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(jìn)行類似的研磨；而精磨時(shí)，由于進(jìn)給量很小，鈍化膜的厚度遠(yuǎn)大于磨料的出刃高度，彈性氧化膜具有良好的隔離效應(yīng)，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(shí)際上是一個(gè)合磨削、研磨、拋光為一體的復(fù)合式精密加工技術(shù)。（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(guān)系可由圖5的示意曲線表示：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(shí)驗(yàn)研究和文

12、獻(xiàn)總結(jié)，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(shù)核心是由于氧化膜的彈性效應(yīng)與隔離效應(yīng)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：之片訪芬金屬結(jié)合劑成分與配比砂輪與電極之間的間隙電解過程電解液成分與供液速度脈沖電源的種類與參數(shù)氧化膜厚度及彈性ELID磨削效果磨削過程irtWO-粒陳圖5砂輪粒度與表面粗糙度關(guān)系關(guān)系曲線ELID磨削時(shí)砂輪粒度不僅與工件的表面粗糙度有關(guān)，還與工件表面的力學(xué)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(dāng)磨料粒度較大時(shí)，工件表面材料的去

13、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，導(dǎo)致工件的力學(xué)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?，所以砂輪的粒度越小，同時(shí)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(dāng)工件表面材料主要通過塑性變形來去除時(shí)，工件表面的力學(xué)性能較好。當(dāng)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(jié)合劑中的磨粒

14、；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。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(zhì)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?yàn)樵谏拜啽砻嫔闲纬傻难趸ず穸韧ǔ４笥?pm,所以當(dāng)切削深度在510dm時(shí)，得到的加工工件表面粗糙度較好。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(xì)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(guān)，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

15、影響了砂輪與電極之間的導(dǎo)電性，電解過程中電流的大小與電解時(shí)間的關(guān)系可用下圖7表示5:圖7電流與電解時(shí)間關(guān)系曲線由圖可知，電解過程中電流的大小與電解時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即氧化膜越厚，電解電流越?。划?dāng)氧化膜達(dá)到一定厚度時(shí)，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(guān)系能有效的控制磨削加工過程。電源的脈沖占空比可定義如下：r=TON100%TonToff其中Ton為脈沖寬度，Toff為脈沖間隔。由上式可知，當(dāng)占空比增大時(shí)，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(guān)試驗(yàn)表明，當(dāng)氧化膜較薄時(shí)，砂輪上更多地磨粒參與磨削，因此磨削力較大，工件表面上

16、由磨粒產(chǎn)生的劃痕較深，表面粗糙度較大。而當(dāng)氧化膜較厚時(shí)，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(zhì)量較好。所以，占空比應(yīng)保持在一個(gè)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(dá)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(shí)間在脈沖作用下，絕緣性變差，從而影響加工過程。3ELID鏡面磨削分類ELID磨削技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)在于任何普通的機(jī)床都可以利用簡單的裝置將其改裝成ELID磨削機(jī)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(yīng)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

17、途的ELID磨削機(jī)床其實(shí)現(xiàn)在線修整的方案也不相同，典型的機(jī)床有如下幾類6:(1)普通ELID磨削機(jī)床普通ELID磨削機(jī)床即前文所討論的常規(guī)ELID鏡面磨削機(jī)床(如圖1),這也是應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的在線電解修整磨削機(jī)床。最常見的有平面、外圓和內(nèi)孔加工的磨削機(jī)床。在對單晶硅、SiC、玻璃陶瓷、藍(lán)寶石、花崗巖等各種難加工材料進(jìn)行大量磨削實(shí)驗(yàn)后的表明，這類機(jī)床具有加工穩(wěn)定性好、加工精度和效率高、表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，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(jī)床間隙式ELID磨削機(jī)床使用一個(gè)固定的電極用于間歇修整，其原理如圖8(a)所示。該機(jī)床的工作過程與普通磨床相似

18、，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(fù)進(jìn)行，最終實(shí)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(shí)進(jìn)行在線電解電解，而當(dāng)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(dǎo)致磨削效率下降時(shí)，再將砂輪移至ELID電解修整區(qū)域進(jìn)行修整，帶修整完成后，再移入工件區(qū)域進(jìn)行磨削加工。這種機(jī)床廣泛應(yīng)用于砂輪體積小，且工作空間很小不利于安裝負(fù)極裝置的情況。(3)無電極ELID磨削機(jī)床對于一些導(dǎo)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(fù)極，利用導(dǎo)電工件作為

19、負(fù)極取代專用的負(fù)極結(jié)構(gòu)裝置(工件與機(jī)床床身之間絕緣)，其原理如圖8(b)所示。在砂輪進(jìn)行磨削的部位，導(dǎo)電工件與砂輪之間形成導(dǎo)電通路產(chǎn)生電解氧化反應(yīng)，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(dá)到在線電解修整的目的，實(shí)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：控制較低的電解電壓和電流，維持較低的占空比值和低磨削進(jìn)給量以減少切屑的生成量。同時(shí)，可采用半導(dǎo)體材料導(dǎo)電或者采用半導(dǎo)體結(jié)合劑的砂輪，也能有效的高效精密和超精密加工領(lǐng)域得到迅速推廣應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的ELID磨削，使加工表面達(dá)到鏡面要求。（4）噴嘴式電極ELID磨削機(jī)

20、床噴嘴式電極ELID磨削技術(shù)是由日本理化學(xué)研究所提出并應(yīng)用于微型工件的制造的。利用這種技術(shù)加工微小透鏡和微細(xì)透鏡模具等微細(xì)硬脆性材料零件時(shí)，砂輪的直徑有可能達(dá)到35dm。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(shí)負(fù)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(jié)構(gòu)，如圖8（c）所示，電解液從一個(gè)嵌入了兩塊電極的噴嘴中流出，由于分別接電源的正負(fù)極，使得電解液在噴嘴的前端進(jìn)彳T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(jié)合劑生成氧化膜，從而實(shí)現(xiàn)砂輪的在線修整。值得一提的是該方式加工時(shí)，電解液的電離作用可能產(chǎn)生間隔，所以該技術(shù)的在線修整效果

21、可能會比普通ELID磨削效果差一些。但試驗(yàn)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(zhì)量，同時(shí)砂輪的磨損也大大減小7。圖8ELID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(jié)構(gòu)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(shù)由田村在1985年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(xué)研究所的Ohmori和東京大學(xué)的TakeoNakagawa將該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)一步完善，并開發(fā)出用鑄鐵結(jié)合劑超硬磨粒砂輪進(jìn)行硬脆材料的鏡面磨削以來，得到了全球各國科學(xué)工彳者的重

22、視8。日、美、德、法、韓等國的專家對該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并取得了相當(dāng)?shù)某晒?，使得ELID磨削技術(shù)在多種材料的在ELID磨削技術(shù)應(yīng)用方面，Ohmori等通過磨削試驗(yàn)研究了其加工表面的形成機(jī)理，針對難加工硬脆材料的高品質(zhì)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。開發(fā)了納米級ELID磨削機(jī)床，并成功應(yīng)用于平面反射鏡、球面、非球面透鏡高質(zhì)量光學(xué)表面的加工9。在醫(yī)學(xué)材料的加工領(lǐng)域，Ohmori利用其利用#8000砂輪進(jìn)行ELID磨削鉆銘合金得到了表面粗糙度為7nm的人體關(guān)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(kuò)散作用

23、，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(xué)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(xì)粒度砂輪載荷的關(guān)鍵因素。當(dāng)砂輪與工件接觸面積足夠大時(shí)，ELID磨削能作為一種非常有效的材料去除方法。該項(xiàng)研究提供了利用AE傳感技術(shù)作為監(jiān)控器去探索ELID磨削最優(yōu)條件和磨削機(jī)理有效途徑11。在ELID磨削技術(shù)不斷完善的同時(shí)，富士公司采用該技術(shù)加工光學(xué)鏡頭，將其鍍膜后直接用在光學(xué)透鏡、幻燈產(chǎn)品上，真正實(shí)現(xiàn)了光學(xué)鏡頭加工以磨代研、以磨代拋的工藝革命12。圖9ELID磨削表面：（a）鉆銘合

24、金人造關(guān)節(jié)；（b）BK7樣品在ELID磨削過程的控制方面，國內(nèi)外學(xué)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(shí)驗(yàn)對比分析該系統(tǒng)應(yīng)用于光學(xué)難加工材料的加工效果。結(jié)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2.13是無反饋系統(tǒng)的一半（如圖10）。反饋控制系統(tǒng)的應(yīng)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。在ELID磨削技術(shù)的拓展方面，日本理化學(xué)研的研究，應(yīng)用ELID磨削技術(shù)分別對硬質(zhì)合金、工究所Z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(jìn)行金

25、屬基砂輪、金屬-樹脂基砂輪、導(dǎo)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(shí)間的磁流變加工得以減小。通過這種途徑可以在幾個(gè)小時(shí)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(xué)在上世紀(jì)九十年代初最早引進(jìn)了該項(xiàng)技

26、術(shù)，該校學(xué)者在ELID精密及超精密鏡面磨削、電解氧化膜的形成機(jī)理以及氧化鋁陶瓷等材料的ELID磨削等方面進(jìn)行了理論與試驗(yàn)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(guān)佳亮等采用自行研發(fā)的ELID磨削工藝系統(tǒng)對硬質(zhì)合金、工程陶瓷、高速鋼進(jìn)行精密鏡面平面、內(nèi)圓和外圓磨削，得到了表面粗糙度18-21Ra=0.0020.035的力口工表面。湖南大學(xué)尹韶輝等結(jié)合ELID和磁流變拋光技術(shù)（MRF）加工工藝的優(yōu)點(diǎn)，對BK7玻璃、微晶玻璃、碳化硅等光學(xué)材料進(jìn)行了超精密加工試驗(yàn)，可以在短時(shí)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入/20（為單位波長，入二632.8nm的形狀精度

27、22;同時(shí)，他們還擴(kuò)展了ELID技術(shù)的應(yīng)用范圍，把ELID鏡面磨削技術(shù)引入微細(xì)加工領(lǐng)域，如微型溝槽、微細(xì)結(jié)構(gòu)、光學(xué)透鏡及相應(yīng)的透鏡模具等微細(xì)零件?？衫?4000金屬結(jié)合劑金剛石砂輪對透鏡進(jìn)行微修整和微磨削試驗(yàn)，獲得最小半徑為8.2的微型溝槽23。大連理工大學(xué)也很早就從事了對普通磨床改裝程陶瓷、光學(xué)玻璃、高速鋼和軸承鋼等難加工材料進(jìn)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(shí)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(shù)可可取代傳統(tǒng)的研磨拋光工藝得到高質(zhì)量的加工表面24。天津大學(xué)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(jī)理的基礎(chǔ)上，探討了對球軸

28、承套圈溝道進(jìn)行ELID超精密磨削的可能性。用分子動力學(xué)仿真和有限元分析相結(jié)合的方法又ELID磨削中的氧化膜進(jìn)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(jìn)行控制以獲得良好的表面質(zhì)量的方法，設(shè)計(jì)出了一臺基于計(jì)算機(jī)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(shí)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12W40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(xué)以外，國內(nèi)已有十幾家單位應(yīng)用該技術(shù)，如230廠動壓馬達(dá)零件

29、的加工，23所相陣?yán)走_(dá)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(xué)玻璃非球曲面的加工，205光學(xué)玻璃的加工，福建南安宏偉陶瓷廠陶瓷的加工等31。4總結(jié)與展望ELID超精密磨削工藝系統(tǒng)具有裝備結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)效益高、成本低、實(shí)用性好等特點(diǎn)。其利用在線電解作用，不僅成功解決了金屬結(jié)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(jié)合劑中的磨粒保持穩(wěn)定的突出量，從而保證砂輪長時(shí)間保持鋒銳性,為實(shí)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(dá)到磨削、研磨、拋光的復(fù)合加工效果，使得ELID磨削可以適應(yīng)

30、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(zhì)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(guān)系，為超精密磨削開辟更為廣闊的發(fā)展空間。盡管ELID磨削技術(shù)在我國的發(fā)展落后于一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家，但是在國內(nèi)的研究和應(yīng)用已具備一定的基礎(chǔ)，已經(jīng)引起了越來越多的專家學(xué)者及企業(yè)的關(guān)注，有利于該項(xiàng)技術(shù)在我國得到進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用，從而促進(jìn)我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和高新技術(shù)的發(fā)展。ELID磨削技術(shù)作為一種高效的超精密加工技術(shù)，將取代傳統(tǒng)的研磨拋光工藝，具有廣闊的應(yīng)用前景和很大的實(shí)用價(jià)值。目前，該技術(shù)的理論研究日趨成熟，關(guān)鍵技術(shù)

31、也取得了突破性的進(jìn)展，其發(fā)展趨勢可概括如下：(1)進(jìn)一步建立ELID磨削相關(guān)的理論體系，總結(jié)工藝參數(shù)對加工表面質(zhì)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(yīng)力和表面及亞表面損傷等。(2)在分析氧化膜的狀態(tài)及其影響規(guī)律的理論研究基礎(chǔ)上，研究氧化膜狀態(tài)的檢測與控制方法以適應(yīng)磨削需求，以提高磨削的質(zhì)量和效率。(3)對ELID磨削過程及磨削液流動狀態(tài)進(jìn)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(zhì)量。(4)導(dǎo)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(jìn)給精度。(5)擴(kuò)展ELID技術(shù)的應(yīng)用范圍，應(yīng)用于微細(xì)加工

32、，如微型溝槽、結(jié)構(gòu)及微小非球面等微細(xì)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(fù)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(shù)，ELID磨削的砂輪修整技術(shù)可與其他砂輪修整技術(shù)相結(jié)合，整合各種修整技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，形成一種切實(shí)可行的、整形效率高的復(fù)合修整技術(shù)，如ELID和電火花修整相結(jié)合、ELID和激光修整相結(jié)合、ELID和超聲振動游離磨粒砂輪修整相結(jié)合。參考文獻(xiàn)1張春河.在線電解修整砂輪鏡面磨削理論及應(yīng)用技術(shù)的研究M.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，1996.2RAHMANM,SENTHILKUMARA,BISW

33、ASI.AReviewofElectrolyticIn-ProcessDressing(ELID)GrindingJ.KeyEngineeringMaterials,2009,404:45-49.3龔慶壽，寧立偉，等.ELID精密鏡面磨削技術(shù)及其應(yīng)用研究J.湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2003,13(3):45-47.4戴玨，周旭光，等.ELID磨削技術(shù)在回轉(zhuǎn)曲面加工中的應(yīng)用J.工具技術(shù)，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(shù)及應(yīng)用J.儀器儀表學(xué)報(bào)，1995,16(1):157-161.6 尹韶輝，曾憲良，等.ELID鏡面磨削加工技術(shù)研究進(jìn)展J.中國機(jī)械工程，2010

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