左明澤 任成祖 王志強

(天津大學(xué)機構(gòu)理論與裝備設(shè)計教育部重點實驗室，天津 300350)

ELID溝道成形磨削氧化膜特性及影響作用實驗

左明澤 任成祖 王志強

(天津大學(xué)機構(gòu)理論與裝備設(shè)計教育部重點實驗室，天津 300350)

文 摘 針對ELID溝道成形磨削特點，研究了磨削過程中氧化膜的特性及其影響作用。探討分析了氧化膜的電流表征、氧化膜在溝道成形磨削中的狀態(tài)變化以及氧化膜狀態(tài)對磨削力和表面粗糙度的影響。實驗過程中，電解電流從1 A增長到4 A，氧化膜厚度從35.33m減小到11.07m，法向磨削力從7.06 N增長到36.12 N，切向磨削力從1.62 N增長到4.47 N；垂直于磨削方向的表面粗糙度由0.256m增長到0.355m，平行于磨削方向的表面粗糙度由8 nm增長到13 nm。結(jié)果表明，氧化膜越厚，磨削力和表面粗糙度越?。谎趸ぴ奖。ハ髁捅砻娲植诙仍酱?。

ELID溝道成形磨削，氧化膜，磨削力，表面粗糙度

0 引言

近年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，硬質(zhì)合金、工程陶瓷、淬火鋼及光學(xué)玻璃等硬脆材料被廣泛應(yīng)用于航空航天、儀器儀表、機械、電子等領(lǐng)域。然而由于硬脆材料的高硬度和高脆性，采用傳統(tǒng)成形磨削加工十分困難[1-2]。將ELID技術(shù)應(yīng)用于硬脆材料成形磨削加工，可以很好地解決磨削過程中微細(xì)磨料砂輪易堵塞和金屬結(jié)合劑修銳困難等問題，既提高了形狀精度，又保證了表面質(zhì)量[3]。

在ELID磨削過程中，由于電解作用，砂輪表面會生成一層氧化膜。氧化膜具有一定的厚度和彈性，其狀態(tài)和性能對ELID磨削的表面質(zhì)量與磨削效率有重要影響。許多學(xué)者對氧化膜進行了研究，關(guān)佳亮[4]通過研究剛電解生成的氧化膜，分析了氧化膜的生成機理和作用特性；DAI等[5]對氧化膜進行了分層，并通過實驗發(fā)現(xiàn)氧化膜最佳厚度為8～9 μm；朱育權(quán)[6]對氧化膜形成過程進行了建模與仿真，并通過實驗研究了修整階段氧化膜的形成行為，結(jié)果顯示氧化膜的增長速率由快變慢，最終氧化膜厚度趨于穩(wěn)定；KUAI等[7]利用納米壓痕技術(shù)研究了氧化膜的硬度、剛度和彈性模量；YANG等[8]用電流和磨削力來表征氧化膜狀態(tài)，并通過模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了對氧化膜的狀態(tài)識別和主動控制；趙波[9]通過超聲振動輔助磨削過程單顆磨粒的運動學(xué)分析，建立了超聲ELID 復(fù)合磨削條件下的磨削力數(shù)學(xué)解析模型，并對模型進行了分析和仿真。但上述對氧化膜的研究大部分是基于平面磨削進行的，對切入式成形磨削中氧化膜的狀態(tài)變化和相關(guān)特性尚未有比較深入的實驗研究。因此，本文分析了氧化膜在切入式溝道成形磨削中的狀態(tài)變化，并通過ELID溝道成形磨削實驗，觀察了氧化膜的電流表征，研究了氧化膜狀態(tài)對磨削力、表面粗糙度的影響。

1 氧化膜的生成與工作狀態(tài)

1.1 氧化膜的生成與表征

ELID溝道成形磨削如圖1所示。

圖1 ELID溝道成形磨削示意圖

砂輪與修整電極分別接電源的正負(fù)極，砂輪與修整電極之間空隙充滿磨削液，通電后發(fā)生電解反應(yīng)。鑄鐵結(jié)合劑砂輪在電解時，由于陽極氧化效應(yīng)，結(jié)合劑中的主要元素Fe氧化為Fe2+或Fe3+，砂輪表面生成一層氧化膜，氧化膜的主要成分就是Fe的氧化物和氫氧化物。氧化膜本身是絕緣體，但是磨削過程中磨削液會滲透進入氧化膜層，使氧化膜有一定的導(dǎo)電性，整個系統(tǒng)組成了電解回路，電解池的電阻由電解液電阻和氧化膜電阻決定[6]，為：

(1)

式中，RE為電解液電阻；RO為氧化膜電阻，其大小與氧化膜厚度和致密性相關(guān)，氧化膜越厚越致密，RO越大，反之越??；hO為氧化膜厚度；he為極間間隙；O、e分別為氧化膜和電解液的電阻率；Ae、Aa分別為陰極和陽極的有效面積。則氧化膜厚度的表達(dá)式：

(2)

可以看到，氧化膜厚度受到電解過程的有效電壓U和電解電流I的影響。因此，當(dāng)砂輪材料、電源參數(shù)以及磨削參數(shù)一定時，電解電流可以表征氧化膜的狀態(tài)。

1.2 氧化膜在溝道成形磨削過程中的狀態(tài)變化

與平面磨削不同，切入式溝道成形磨削由于砂輪與工件溝道廓形半徑的差異，砂輪與工件初始接觸時不會均勻接觸，砂輪需要通過不斷的進給才能與工件廓形完全吻合。為便于分析，將砂輪與工件接觸區(qū)域沿圓弧廓形分為三個部分，如圖2所示。

圖2 溝道成形磨削中氧化膜的狀態(tài)變化

整個磨削過程可以分為四個階段，每個階段下氧化膜的厚度分布都有所差異。定義砂輪的截面半徑為Rw，工件溝道的截面半徑為Rg，根據(jù)Rw與Rg的相對大小對接觸狀態(tài)分兩種情況考慮[10]。

圖2(a)為RwRg時的情況，區(qū)域1和區(qū)域3先參與磨削，區(qū)域2隨后與工件接觸，氧化膜厚度變化過程與圖2(a)相反。氧化膜的存在使實際電解過程變得非線性，氧化膜厚度與電解修整作用處于動態(tài)平衡，實現(xiàn)了自適應(yīng)控制；同時氧化膜的存在減小了砂輪的形狀誤差，提高了砂輪磨粒的等高性和協(xié)同性，有助于改善表面質(zhì)量。當(dāng)砂輪廓形與溝道形狀不完全吻合時，不同區(qū)域的氧化膜厚度會有所差異，這對加工表面粗糙度和形狀精度均會產(chǎn)生影響。因此在ELID溝道成形磨削中，最終必須保證砂輪與工件廓形一致，砂輪表面氧化膜分布均勻。

2 實驗設(shè)備與方法

2.1 設(shè)備與材料

為觀察氧化膜與電流之間的表征關(guān)系以及氧化膜狀態(tài)對磨削力及表面粗糙度的影響，在經(jīng)過改造后的MM7120平面磨床進行磨削實驗，電解液為TJMX-V型ELID 電解液。砂輪采用W10鑄鐵基CBN砂輪，外徑200 mm。工件材料為經(jīng)過淬火處理的GCr15鋼。TJCP-II型高頻直流脈沖電源有60、90、120 V三檔可調(diào)。磨削參數(shù)為：砂輪轉(zhuǎn)速vs=1 500 r/min；工作臺進給速度vw=5 m/min；磨削深度ap=2 μm。整個ELID磨削系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 ELID磨削系統(tǒng)

2.2 實驗方法

采用主動控制策略，以電流表征氧化膜狀態(tài)，通過研究不同設(shè)定電流下的磨削力和表面粗糙度等參數(shù)，說明磨削時氧化膜的電流表征以及對磨削力、表面粗糙度的影響。

首先對砂輪進行預(yù)修銳和電火花整形，然后開始磨削，保證砂輪與工件溝道廓形完全吻合。磨削過程中電源電壓設(shè)定為90 V，磨削條件保持不變，設(shè)定電解電流分別為1、2、3、4 A。當(dāng)實測電流達(dá)到預(yù)定電流并保持穩(wěn)定狀態(tài)后，進給2m，光磨5個行程后停止磨削，以保證對工件材料的完全去除。

磨削完成后將砂輪塊取下風(fēng)干，對其截面拋光，采用掃描電鏡觀察砂輪塊截面以及砂輪表面氧化膜的形貌。Kistler測力儀記錄整個磨削過程中的法向磨削力和切向磨削力。采用Form Taylorsurfi120粗糙度輪廓儀對工件進行表面粗糙度測試，測量不同區(qū)域的表面粗糙度Rav和Rap。每個方向各測量三次并求取平均值作為測量結(jié)果，測量Rav時取樣長度0.25 mm，評定長度2 mm；測量Rap時取樣長度0.8 mm，評定長度4 mm。

3 結(jié)果與分析

3.1 氧化膜狀態(tài)的電流表征

將不同設(shè)定電流下工作的砂輪塊放在掃描電鏡下觀察氧化膜狀態(tài)。圖4表示了不同電流下氧化膜的厚度，圖中黑色部分為砂輪基體，白色部分是氧化膜。從圖4可以看出，隨著電流增大，氧化膜厚度減小。根據(jù)式(2)求得氧化膜厚度隨電解電流的理論變化曲線，將理論值與實測值進行對比，結(jié)果如圖5所示，隨著電解電流的增大，氧化膜厚度的理論值和實測值均變小。當(dāng)電流為1 A時，實測氧化膜厚度為35.33m，電流增大到4 A時，氧化膜厚度已經(jīng)減小到11.07m，這說明氧化膜厚度與電流大小存在對應(yīng)關(guān)系。

圖4 砂輪塊截面SEM圖 3000×

圖5 氧化膜厚度實測值與理論值

從圖5還可以發(fā)現(xiàn)，氧化膜厚度的實測值均小于理論值，這是因為理論曲線計算時沒有考慮接觸壓力的影響，實際磨削中由于砂輪與工件接觸壓力的影響，氧化膜會變得較為緊實，厚度相應(yīng)的變小。

根據(jù)OHMORI[5]提出的氧化膜分層理論模型，氧化膜可以分為四層，由外向內(nèi)分別為疏松層、拋光層、磨削層和界面層，如圖6所示。疏松層的密度小，氧化膜比較疏松，易于去除，內(nèi)部基本上沒有磨粒；拋光層粘結(jié)強度較低，內(nèi)部所含磨粒較少，因此加工時對工件材料的去除量小，類似于拋光加工；磨削層是氧化膜磨削加工最合適的區(qū)域；界面層和基體直接接觸，硬度較高。當(dāng)氧化膜厚度不同時，參與磨削的氧化膜層也有所不同。

圖6 氧化膜分層示意圖 1000×

圖7為不同電流下的砂輪表面形貌?？梢钥吹?，設(shè)定電流為1 A的情況下砂輪表面起伏較大，氧化膜的厚度不均勻，而隨著電流的增大，氧化膜的厚度變得均勻，當(dāng)電流到4 A時，砂輪表面已經(jīng)比較平坦。這是因為電流較小時，氧化膜厚度比較大，實際參與磨削的是氧化膜的疏松層，由于疏松層的致密性較差，與工件接觸時不會完全緊實，所以最終觀察到的砂輪表面起伏較大。當(dāng)電流較大時，氧化膜的厚度變小，一方面磨削力增大，砂輪與工件之間接觸壓力增大；另一方面疏松層的影響作用變小，磨削時即被去除，與工件接觸的是磨削層或拋光層，其致密性較好，所以砂輪表面更加平坦。

綜合以上分析，氧化膜狀態(tài)與電解電流之間存在對應(yīng)關(guān)系，氧化膜厚度可以由電解電流進行表征。

圖7 砂輪塊形貌SEM圖

3.2 氧化膜對磨削力的影響

測力儀記錄下磨削過程中的磨削力，圖8(a)為電解電流為3 A時測得的法向磨削力，可以看出進給2m后，法向磨削力瞬間上升，此后的5個行程中，由于順磨和逆磨的差異，法向磨削力稍有不同。圖8(b)為電解電流為3 A時測得的切向磨削力，可以看到切向磨削力比較平穩(wěn)，變化不大。

圖8 電流3A時所測的磨削力

圖9 電流對磨削力的影響

根據(jù)氧化厚度膜與電流的對應(yīng)關(guān)系，電流變化對磨削力的影響實質(zhì)上是氧化膜厚度變化對磨削力的影響。當(dāng)氧化膜厚度較大時，進給深度相對于氧化膜厚度來說較小，氧化膜與工件接觸的是疏松層，而疏松層具有良好的吸震能力和彈性，使得磨削力較??；當(dāng)氧化膜比較薄時，磨削深度與氧化膜厚度的比值變大，砂輪進給時已經(jīng)將疏松層去除，此時與工件接觸的是氧化膜的拋光層或磨削層，氧化膜這個部分比較致密，硬度較高，磨削力大。

3.3 氧化膜對表面粗糙度的影響

ELID溝道成形磨削采用成形砂輪磨削法，首先將砂輪電火花整形成規(guī)則的圓弧形，然后在磨削過程中將砂輪形貌“復(fù)印”在工件上，因此砂輪的修整狀況對表面質(zhì)量有很大的影響。平面磨削時表面粗糙度的評定參數(shù)通常采用垂直于磨削方向的表面粗糙度Rav；考慮到砂輪修整條件的影響，ELID溝道成形磨削僅靠Rav無法完全表現(xiàn)加工表面質(zhì)量的改善，因此還需要測量平行于磨削方向的表面粗糙度Rap，利用Rav和Rap共同表征表面粗糙度。

圖10為粗糙度輪廓儀探針移動方向，分別用于測垂直于磨削方向的表面粗糙度Rav和平行于磨削方向的表面粗糙度Rap?？紤]到不同區(qū)域氧化膜厚度的差異，將工件沿溝道廓形分為3個區(qū)域，由于區(qū)域1和區(qū)域3對稱分布，因此只對區(qū)域1和區(qū)域2分別測量。

圖10 輪廓儀探針移動方向

圖11為電解電流1 A時，在區(qū)域2測得的溝道形貌，垂直于磨削方向的表面輪廓波動較大，平行于磨削方向的表面輪廓波動較小。

圖11 電流1 A時區(qū)域2所測的溝道形貌

圖12(a)為不同電解電流下，區(qū)域1和區(qū)域2分別測得的垂直于磨削方向的表面粗糙度Rav，可以看出，在其他條件相同的情況下，二者的Rav值均隨著電解電流的增大而增大。電解電流為1 A時，區(qū)域1和區(qū)域2測得的Rav值分別為0.276和0.256m；電解電流增大到4 A時分別為0.378和0.355m。

圖12(b)為區(qū)域1和區(qū)域2所測得的平行于磨削方向的表面粗糙度Rap，與圖12(a)類似，二者的Rap值均與電解電流成正相關(guān)的關(guān)系。電解電流為1 A時，區(qū)域1和區(qū)域2測得的Rap值分別為11和8 nm；電解電流增大到4 A時分別為14和13 nm。

根據(jù)氧化膜厚度與電流的對應(yīng)關(guān)系，電流對表面粗糙度產(chǎn)生的影響實質(zhì)上是氧化膜對表面粗糙度的影響。氧化膜越厚，表面粗糙度越小；氧化膜越薄，表面粗糙度相應(yīng)越大。這是因為未變形切屑厚度受氧化膜厚度的影響，氧化膜越厚，未變形切屑厚度越小，相應(yīng)的表面粗糙度越??；氧化膜越薄，未變形切屑厚度越大，相應(yīng)的表面粗糙度就越大。

從圖12中可以發(fā)現(xiàn)：電流為1 和2 A時，實驗測得區(qū)域1和區(qū)域2的Rap相差較大，分析認(rèn)為是電流較小，電解作用較弱，導(dǎo)致氧化膜生成速度慢，停止磨削時氧化膜在不同區(qū)域厚度有所差別；電流為3 和4 A時，區(qū)域1和區(qū)域2所測得的表面粗糙度大小基本相同，這說明磨削過程已經(jīng)達(dá)到平衡階段，砂輪廓形與溝道形狀完全吻合，氧化膜分布均勻。

圖12 電流對表面粗糙度的影響

4 結(jié)論

(1)ELID溝道成形磨削中，因砂輪與工件初始廓形不完全吻合，砂輪不同區(qū)域氧化膜厚度有所差異，磨削達(dá)到平衡階段后，氧化膜厚度分布均勻。

(2)其他條件相同時，隨著電流從1 A增長到4 A，氧化膜厚度由35.33m減小到11.07m，氧化膜表面越來越平坦。

(3)氧化膜厚度影響著磨削力的大小，隨著氧化膜厚度的減小，法向磨削力由7.06 N增長到36.12 N，切向磨削力由1.62 N增長到4.47 N。

(4)氧化膜的狀態(tài)影響著加工表面粗糙度的大小，氧化膜越厚，表面粗糙度越?。谎趸ぴ奖?，表面粗糙度越大。實驗測得垂直于磨削方向的表面粗糙度Rav最小可達(dá)0.256m，平行于磨削方向的表面粗糙度Rap最小可達(dá)8 nm。

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Experimental on Characteristics and Effect of Oxide Layer in ELID
Groove Profile Grinding

ZUO Mingze REN Chengzu WANG Zhiqiang

(Key Laboratory of Mechanism Theory and Equipment Design of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300350)

The characteristics and mechanism of the oxide layer in ELID groove profile grinding process were investigated. The non-uniform contact during ELID groove grinding and the effect of oxide layer on the grinding force and the surface roughness were studied. As the current increases from 1 A to 4 A, the thickness of oxide layer decreases from 35.33m to 11.07m. Meanwhile, the normal grinding force increases from 7.06 N to 36.12 N, and the tangential grinding force increases from 1.62 N to 4.47 N.Ravincreases from 0.256m to 0.355m, andRapincreases from 8 nm to 13 nm. The result indicates that as the thickness of oxide layer decreases, the grinding force and surface roughness increase, while as the thickness of oxide layer increases, the grinding force and surface roughness decrease.

ELID groove profile grinding, Oxide layer, Grinding force, Surface roughness

2017-03-13

天津市自然科學(xué)基金重點項目“基于工件陰極的軸承外圈溝道ELID成形磨削機理”(15JCZDJC39500)

左明澤，1992年出生，碩士，主要從事精密、超精密加工。E-mail：tjuzmz@163.com

任成祖，1962年出生，工學(xué)博士，教授。E-mail: renchz@tju.edu.cn

TG58

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.04.009