盧高峰，吳 強，許慶平，吳國興

（蘇州電加工機床研究所有限公司，江蘇蘇州215011）

某型剪毛刀片材料為Cr04或Cr06，共有13個齒，且齒形細長（圖1）。加工該刀片時，除了有對齒形的規(guī)定外，還有對“后角”的要求。雖然傳統(tǒng)的成形機械磨削工藝可以采用，但由于砂輪形狀非常薄，磨削時砂輪損耗極快，導致刀齒形狀很快失真，無法使用。另一種普遍的刀片制造工藝為：成形銑刀精銑齒槽后，通過手工研磨最后成形，但同樣存在加工效率低、勞動強度大、產(chǎn)品一致性差的問題。

為了滿足用戶降低勞動強度、提高加工質量和效率的迫切需求，課題組通過技術革新，研究出了齒形加工新工藝，即：先對刀片進行粗銑，再用數(shù)控電解機械復合方法直接磨削成形。為此，研制了一臺剪毛刀片齒形電解機械復合專用磨床，同時提供一臺金剛石砂輪修整機配套使用。該設備的加工原理為：采用12片組合金屬基金剛石砂輪作為復合刀具和電極，并安裝于磨頭上，與電解電源負極連接，作為陰極（圖2）；剪毛刀片工件與電解電源正極連接，作為陽極；當高速旋轉的金屬結合劑金剛石砂輪與刀片接觸后，砂輪表面突出的磨料顆粒使砂輪導電基體與工件之間保持一定的間隙，電解液快速流過后即形成電解回路，此時，剪毛刀片陽極溶解，表面瞬間生成鈍化膜，阻止電解加工的進一步進行，同時磨料顆粒又將鈍化膜刮除，使新的金屬表面露出，繼續(xù)進行電解加工；周而復始，電解和機械磨削交替進行，達到加工剪毛刀片齒形的目的。由于鈍化膜的硬度遠比金屬本身低，磨削鈍化膜時幾乎不損耗砂輪，故可大大延長砂輪的使用壽命。

圖1 剪毛刀片

1 機床結構

剪毛刀片齒形電解機械復合磨床由機床主機、數(shù)控系統(tǒng)、直流電源及工作液系統(tǒng)四大部分組成。各部分的協(xié)調運行由計算機統(tǒng)一管理，以實現(xiàn)準確、可靠的加工控制。

圖2 剪毛刀片加工陰極

1.1 總體結構

機床主機由床身、絕緣工作臺、XYZ軸運動部件、立柱及磨頭主軸組成（圖3）。XY軸帶動工作臺做水平運動，立柱上的Z軸帶動磨頭主軸做上下運動，該磨頭主軸水平懸掛固定在主軸箱體的下方，其旋轉軸線與Y軸平行。所有直線運動軸的運動均由交流伺服電機驅動滾珠絲桿實現(xiàn)，磨頭主軸的旋轉由交流電機驅動，并通過變頻器調速。絕緣工作臺由防腐、絕緣效果良好的花崗巖制成，用于安裝剪毛刀片工裝。

圖3 機床結構總圖

1.2 關鍵部件

1.2.1 磨頭主軸

磨頭主軸結構見圖4?？紤]到電解機械復合磨削力小于純機械磨削力，故磨頭主軸前后支撐采用雙聯(lián)角接觸軸承，具有較高的轉速和運行精度。同時，為了實現(xiàn)大電流、低電阻、低溫升地向高速旋轉的磨削砂輪饋電，磨頭主軸采用了16個高性能的徑向碳刷向電樞進電的方式，經(jīng)實際使用檢測，完全能滿足使用要求。

1.2.2 工裝（夾具）

如圖5所示，5～10片刀片呈一定的角度安裝在絕緣工作臺上，并由快速壓板固定。當?shù)镀捌阢娤鞯凝X槽在寬度和高度方向的位置精度一致性較差時，可先期檢測出每片刀片的偏差數(shù)據(jù)，并輸入數(shù)控系統(tǒng)，當砂輪每磨到一個工位的刀片時，自動調整Y軸和Z軸的位置，實現(xiàn)最小和最均勻余量磨削，延長砂輪使用壽命。

圖4 磨頭結構圖

圖5 刀片工裝結構圖

1.2.3 陰極電極

磨削刀片時，必須根據(jù)刀片齒形制作成形砂輪（即陰極電極），同時需考慮刀片后角的要求，并根據(jù)刀片安裝位置與絕緣工作臺面的角度，計算出刀片齒形的曲線在垂直面的投影。然后，用電火花線切割機割出與刀片齒形曲線投影鑲嵌 （凹凸相反）的車刀，并將車刀置于配套的金剛石砂輪修整機上，加工出與刀片齒形一致的石墨輪電極；再利用電火花加工反拷出磨削剪毛刀片的金剛石砂輪齒形，即可完成陰極電極的制作。

1.2.4 電解液

電解液采用電解成形精度較高的NaNO3水溶液（質量分數(shù)約為15%）。工作液系統(tǒng)帶有雙重過濾功能，由于兩極間隙很小，雙重過濾能確保不會將先前的磨削產(chǎn)物帶入加工區(qū)域，阻塞電解通道。同時，系統(tǒng)配備了大功率的工作液主泵，可在加工過程中為放電間隙提供強大的工作液流量，使加工表面快速生成鈍化膜，并及時帶走熱量和磨削產(chǎn)物。

1.2.5 加工參數(shù)

由法拉第定律得知，電解加工時陽極金屬溶解或析出物質的量與通過的電流強度、通過電流的時間、被電解金屬的電化學當量及電流效率有關，即：

式中：M為工件陽極溶解的質量；I為電解電流；K為被電解金屬的電化學當量；t為電解加工時間；η為電解電流效率，它與加工材料、電解液成分有關。

由式（1）可知，金屬蝕除量與電解電流、通電時間成正比。電解加工考慮間隙對應面積，陽極金屬溶解速度取決于單位面積電場強度（即電流密度）：

式中：i為電流密度；U為電解電壓；ρ為電解液電阻率；△為兩極間加工間隙?？梢?，電流密度與電解電壓成正比，與電解液濃度和加工間隙成反比。在正常加工中，ρ、△變化不大，故電流密度的大小直接取決于電壓的高低。但在增加電流密度的同時，電壓也隨之增大，因此，應以不擊穿加工間隙、不引起火花放電、不造成局部短路為度。

在電解加工過程中，電場使陽極金屬快速溶解，生成的氧化物和氫氧化物吸附在工件表面，從而形成鈍化膜 （即氧化膜），減弱了陽極金屬的溶解。通過金剛石成形砂輪機械磨削撕開鈍化膜，陽極金屬得以繼續(xù)溶解，金剛石砂輪機械磨削和電解加工則交替進行。由于電解加工速度比機械磨削快2～3倍，所以機械磨削作用只是撕開電解過程中形成的鈍化膜，約占復合磨削總量的10%。經(jīng)反復的工藝試驗獲得了較合適的電解加工工藝參數(shù)：電壓18 V、電流550 A、工具進給速度10 mm/min。

2 數(shù)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)的構成及功能

機床的數(shù)控系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機主機通過接口電路（I/O）控制外接部件，同時把受控部件工作狀態(tài)實時反饋給計算機，接口電路具有定時中斷控制功能，支持電路板即插即用。通過中斷，計算機不斷讀取受控部件輸入口，采集各交流伺服電機控制器接口信息及工作臺絕對位置信號輸入接口的數(shù)據(jù)，實時保存絕對位置數(shù)據(jù)，并具有斷電記憶功能。

計算機主機根據(jù)各輸入接口讀取的信息，用高分辨率彩色顯示器顯示各運動軸機械坐標和工作坐標、直流電源電壓和電流、各軸驅動器狀態(tài)、液泵及各受控部件的工作狀態(tài)、報警情況等。采集的這些反饋信息由計算機主機統(tǒng)一處理，在各受控部件輸出口寫信息，各部件統(tǒng)一協(xié)調運動。直流電源由主機控制，電流、電壓模擬量通過接口電路中的模數(shù)轉換（A/D）電路把模擬量轉換為計算機能識辨的數(shù)字量。計算機從模數(shù)輸入端口讀出數(shù)字信號，經(jīng)分析、計算、修正得出電壓、電流值。

2.2 磨削加工中的控制功能

磨削過程中，Z軸控制砂輪磨削厚度（即磨削深度），X軸為砂輪磨削的主伺服軸，Y軸用來找正砂輪和剪毛刀片的相對位置，且XYZ能以插補形式聯(lián)動。磨削加工程序可在數(shù)控編程界面現(xiàn)場編程，也可通過讀入外部程序實現(xiàn)。加工參數(shù)可在程序中指定參數(shù)頁，以便在加工時進行調整。

系統(tǒng)設置二種速度進給控制，分別為伺服進給和恒速進給。計算機通過跟蹤控制電解電壓，使電解順利進行。電壓為0～24 V可調，可在加工界面上設定，并根據(jù)設定的電壓，通過模數(shù)轉換（A/D）把電壓模擬量轉換為數(shù)據(jù)量，在主電源控制端口寫入信息，控制主電源輸出電壓。同時可根據(jù)實際電壓與設定電壓的差值，進行伺服進給控制加工。當實際電壓高于設定電壓時，伺服進給，即給機床運動軸發(fā)送進給指令。如果希望以恒定速度進給加工，就在加工界面設定加工速度，由式（1）、式（2）可知，要提高電解效率，必須有足夠高的電流密度，而電流密度兩極電壓成正比，故設定電壓應盡量高。加工速度的設定值要與電解蝕除速度相當，若設定的加工速度高于電解蝕除速度，則主要為機械磨削，但機械磨削時火花四濺、磨削效率低，且由于機械磨削的切削應力和熱應力相互作用，會引起剪毛刀片齒形的變形和燒傷；若設定的加工速度合適，就能使機械磨削的火花較小，只刮除電解加工產(chǎn)生的鈍化膜，且切削應力和熱應力很小，可忽略其影響。

此外，金剛石砂輪磨削剪毛刀片齒形時，接觸面積小、電流密度大。為了避免燒傷工件，數(shù)控系統(tǒng)可設定電壓保護、電流保護兩個參數(shù)。當實際電壓低于電壓保護設定值或實際電流高于電流保護設定值時，暫停進給。

3 對比驗證

通過對比手工研磨、純機械磨及電解機械復合磨三種工藝方法可知：手工研磨需依靠操作者目測，工件表面粗糙度Ra0.8μm，刀片齒形輪廓度誤差±0.10 mm，產(chǎn)品一致性較差；純機械磨時，金剛石砂輪損耗嚴重，砂輪損耗比為0.008，工件表面粗糙度 Ra0.4 μm，刀片齒形輪廓度誤差±0.08 mm，齒形一致性一般，但加工速度慢，平均每片齒形加工時間約6分鐘；電解機械復合磨時，將金剛石砂輪作為電解加工陰極，加工過程中陰極不損耗，砂輪損耗比為0.0009，工件表面粗糙度Ra0.4 μm，刀片齒形輪廓度誤差±0.05 mm，產(chǎn)品一致性好。

4 結束語

本文設計的剪毛刀片齒形電解機械復合磨床平均3分鐘可磨削一片剪毛刀片齒形，效率高，加工出的刀片齒形一致性好。電解機械復合磨削新工藝替代了手工打磨等傳統(tǒng)方法，是目前加工刀片齒形較可行的方法。