關(guān)佳亮 張 妤 胡志遠 戚澤海 孫曉楠 路文文

(北京工業(yè)大學(xué)機械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京100124)

SiCp/Al具有高的比強度、比模量，熱膨脹系數(shù)小，尺寸穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱導(dǎo)電性良好等優(yōu)異的物理力學(xué)性能，在航空、航天、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[1]。由于SiCp/Al是在相對較軟的Al基體中加入密度相對較低、強度和剛度相對較大的 SiC顆粒增強相，導(dǎo)致其具有較差的機械加工性能，且因為需多次裝卡，加工工序多等問題導(dǎo)致其加工精度低，從而使得該材料的發(fā)展與應(yīng)用受到阻礙[2]。

針對北京衛(wèi)星制造廠提出的航天用 SiCp/Al復(fù)合材料衛(wèi)星輸出軸的加工要求，北京工業(yè)大學(xué)精密超精密加工實驗室將ELID(electrolytic inprocess dressing)精密磨削技術(shù)與國際先進的立式磨床結(jié)構(gòu)相結(jié)合，探究如何在高硬度材料磨削加工中，取得良好的加工效果，從而實現(xiàn)高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料高完整性表面磨削加工，提高加工表面精度和加工效率。

1 ELID精密超精密磨削機理

ELID精密磨削成型機理如圖1所示。陽極為鑄鐵結(jié)合劑超硬磨料砂輪與電源正極相接，專用電極與電源負極相接作為陰極，電解磨削液在砂輪和電極的間隙中通過。預(yù)修銳壓段，結(jié)合劑去除，磨粒突出，砂輪表面會形成一層絕緣鈍化膜，防止砂輪過度電解。磨削壓段，磨粒和鈍化膜開始損耗，砂輪表面導(dǎo)電率提高，鈍化磨粒脫落，新的磨粒保持在良好的出刃高度，氧化膜厚度也會發(fā)生相應(yīng)變化，使得砂輪達到微小量級的修整量，并起到了微切削作用，進一步提高加工表面質(zhì)量，如此循環(huán)，從而實現(xiàn)對工件的精密穩(wěn)定磨削[3]。

2 立式轉(zhuǎn)臺磨床簡介

立式磨床可以在一次裝卡中實現(xiàn)對工件外圓、內(nèi)孔、端面、溝道的磨削加工，并且克服了臥式磨床重力對磨削加工的阻礙作用[4]。機床整體組合性強，可將各功能模塊緊密結(jié)合，例如安裝ATC砂輪庫，APC交換工作臺等，轉(zhuǎn)變?yōu)楣δ芘渲酶募庸ぶ行?，可以實現(xiàn)自動化系統(tǒng)化生產(chǎn)，滿足大型精密磨削的需要，近年來，立式磨床已被廣泛應(yīng)用于大中型回轉(zhuǎn)體等的磨削加工[5]。

3 ELID精密磨削機床設(shè)計要求

根據(jù)SiCp/Al復(fù)合材料機械加工表面缺陷較多，采用ELID磨削技術(shù)，對航天用SiCp/Al復(fù)合材料衛(wèi)星輸出軸進行高質(zhì)量的表面磨削加工，結(jié)合立式磨床的優(yōu)勢，使得工件裝卡力小不易變形，提高效率的同時保證工件的形狀精度和表面精度。

4 ELID精密磨削機床總體結(jié)構(gòu)

ELID精密立式磨削磨床由ELID磨削工藝系統(tǒng)、砂輪電火花在修整系統(tǒng)，立式磨床組成。圖2為機床總體三維結(jié)構(gòu)設(shè)計圖。

5 ELID精密磨床主要部件和關(guān)鍵技術(shù)

5.1 機床框架

床身、立柱和橫梁共同組成龍門式框架結(jié)構(gòu)。床身材料為人造花崗巖，對其進行模態(tài)分析，得出其第一階固有頻率為894.32 Hz左右，工作頻帶在180.24 Hz范圍之內(nèi)，所以加工時振動很小。橫梁的靜、動剛度好，在所允許的最大載荷范圍內(nèi)，變形量小。橫梁內(nèi)部合理設(shè)置了加強筋，不僅使得質(zhì)量減輕，而且有利于提高磨床的剛度和強度，并進一步提高磨床抗振性能[6]。

5.2 砂輪主軸

砂輪軸采用高精度靜壓主軸，工作狀態(tài)時，壓力油膜隔開了主軸與軸承，所以系統(tǒng)阻力僅為潤滑膜本身，摩擦力小，不易變形，具有很高的使用壽命，更加節(jié)能。采用德國Rexroth Star高精度直線導(dǎo)軌副，可減少摩擦損失，連同德國西門子交流伺服電機驅(qū)動，可以穩(wěn)定、可靠地實現(xiàn)數(shù)字化、速度化控制。雙螺母預(yù)緊滾珠絲杠副主軸的徑向跳動和軸向竄動≤1μm，砂輪架相對機床的振幅≤1μm，低摩擦系數(shù)和較好的抗振性，使得在機械設(shè)計時，只需要考慮磨削力、作用力，有利于提高機床的幾何精度和加工精度，延長磨床的主軸壽命與砂輪壽命[7]。

5.3 回轉(zhuǎn)工作臺

工作轉(zhuǎn)臺采用液體動靜壓主軸，抗振特性好、小摩擦、旋轉(zhuǎn)精度高。大功率力矩電動機徑向跳動和軸向竄動≤1μm。配備精密圓光柵，能實現(xiàn)對零件內(nèi)外輪廓的曲線加工，復(fù)位精度可達到一角秒[8]。為保證工件的精確定位，設(shè)計了一款新型的 ELID磨削專用夾具(如圖3)，該夾具具有高定位精度、強度、夾持尺寸大、適用范圍廣、質(zhì)量輕、操作簡單等優(yōu)點，值得在工業(yè)生產(chǎn)中進行推廣。為了隔絕轉(zhuǎn)臺電動機振動傳遞，在電動機底座和工作臺下加彈性防振墊，隔絕轉(zhuǎn)臺電動機的振動傳遞，使得機床與振源分離。最右端為電氣柜，配備ELID專用直流脈沖電源。工件通過夾具安裝在回轉(zhuǎn)工作臺上，專用電極通過電刷與電源負極相接，電源正極與鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪相連，ELID專用電解磨削液噴灑在砂輪與工件的間隙中，并流入過濾循環(huán)箱循環(huán)。ELID磨削既使得砂輪保持在最佳的出刃高度，同時生成的氧化膜也可以對工件表面進行研磨拋光，從而獲得精密的SiCp/Al零件加工表面。

5.4 砂輪電火花在位粗整形系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由石墨輪、成形車刀、煤油過濾循環(huán)箱構(gòu)成。石墨輪安裝在機床左前方，且與機床立柱絕緣，成形車刀固定安裝在石墨輪前方的橫梁上，根據(jù)零件的磨削加工形狀要求，可以對石墨輪表面進行精密車削。石墨輪由直流電動機驅(qū)動，可以在X、Y方向移動，和砂輪形成電火花放電加工系統(tǒng)，煤油過濾循環(huán)箱不斷輸送煤油作為放電介質(zhì)，從而實現(xiàn)對鑄鐵基金剛石砂輪的電火花精密整形[9]。

5.5 金剛石滾輪在位精密整形系統(tǒng)

金剛石滾輪可以高精度、高效率的實現(xiàn)對成形砂輪的修整，并且易于實現(xiàn)自動化。在精修整階段，金剛石滾輪采用直流電動機驅(qū)動，通過X、Y方向的進給運動，靠近砂輪進行進一步的修形，使得被加工工件具有更高的精度和耐用度。

5.6 ELID精密磨削系統(tǒng)

ELID精密磨削通過專用電極自銳過程與加工過程同步，在位電流檢測系統(tǒng)，可以檢測出砂輪和電極之間的電流大小，自動控制可調(diào)電極的曲率半徑進而均勻地改變電極與砂輪之間的間距，磨削液噴灑在電極和砂輪之間，使得砂輪結(jié)合劑溶解，磨粒突出，砂輪一直保持在最佳磨削狀態(tài)。同時砂輪電解產(chǎn)生的金屬陽離子和磨削液中的氫氧根離子反應(yīng)生成氧化膜，從而可以抑制砂輪過度電解，部分固著磨粒與研磨磨粒附著在氧化膜中，可以不斷地對工件表面進行微量切削，從而進一步提高工件的精度和質(zhì)量，如圖4所示。

5.7 冷卻及過濾系統(tǒng)

機床搭載控溫大流量兩級過濾冷卻系統(tǒng)，采用磁輥紙袋過濾機，加工后的磨削液和切屑流入排屑器至集屑斗，與此同時可以對其進行初級過濾，粘附在滾筒外側(cè)的切屑會被直接排出，濾網(wǎng)本身可以實現(xiàn)自清理過程。在二級過濾箱中加入一定量的 NH3.H2O和低濃度NaOH的混合液(弱堿性)，當(dāng)磨削液進入二級過濾箱時，磨削液中的電解離子和弱堿性混合溶液會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而去掉磨削液中殘留的電解離子。除塵系統(tǒng)為意大利 CO-AL公司生產(chǎn)的 OILSTOPHP1型油霧凈化器，主風(fēng)管吸氣罩吸入油霧和粉塵，隨后通入到除塵凈化器，在不斷的過濾循環(huán)中，油霧和粉塵直接落在濾紙的表面，被過濾后的干凈空氣最終排放到空氣中[10]。

5.8 X、Z、C 軸向運動

砂輪電火花在位整形系統(tǒng)和金剛石滾輪、工件系統(tǒng)通過滾珠絲杠副可以實現(xiàn)機械旋轉(zhuǎn)運動與直線運動的相對轉(zhuǎn)化，都可以實現(xiàn)X、Y方向的運動，有利于實現(xiàn)機床的快速高效驅(qū)動。采用滾動直線導(dǎo)軌副，減小了摩擦系數(shù)，滾珠約束導(dǎo)軌和滑塊，從而使得導(dǎo)軌副可以約束四個方向的載荷，最小進給量可以達到μm級別，很大程度上提高了定位精度和重復(fù)性，液壓阻尼油缸減小了磨削的振動，使得Y方向磨削精度提高。

Z軸向運動在交流伺服電動機驅(qū)動下，聯(lián)軸器帶動雙螺母預(yù)緊滾珠絲杠副主軸上下運動，其徑向跳動和軸向竄動≤1μm，砂輪架相對機床的振幅≤1μm，具有摩擦小，抗振性好的特點，采用滾動直線導(dǎo)軌副和FAGER光柵尺，以實現(xiàn)傳動的反饋閉環(huán)控制；橫梁上安裝了平衡機構(gòu)，振動幅值較小，橫梁不會發(fā)生共振，確保砂輪軸向運動的幾何精度。

C軸交流伺服電動機(7 kW)經(jīng)過同步齒形帶(HTD-8 M)實現(xiàn)減速傳動，轉(zhuǎn)臺主軸采用靜壓主軸，靜壓導(dǎo)軌支撐回轉(zhuǎn)工作臺，由編碼器實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的閉環(huán)控制，機床主要技術(shù)參數(shù)如表1所示[11-12]。

6 機床磨削加工過程

6.1 整形

砂輪整形分為精密整形和超精密整形。首先成形車刀對石墨輪進行車削，使得石墨輪與成形砂輪輪廓相反。修整時，石墨輪與砂輪相對轉(zhuǎn)動，兩者間隙噴入煤油，當(dāng)砂輪與石墨輪之間的間隙小于放電間隙時，兩者之間會形成放電通道，產(chǎn)生電火花放出大量的熱量，形成一個瞬時熱源作用在砂輪與電極表面，使電極和砂輪結(jié)合劑高溫熔化甚至氣化，而金剛石超硬磨粒不導(dǎo)電，它們與工具電極之間不發(fā)生火花放電，從而對砂輪起到整形作用。其次，通過高精度電鍍金剛石成形滾輪與砂輪以一定壓力對滾的方式，完成對砂輪的精密整形，如圖5所示。

表1 機床主要技術(shù)參數(shù)

6.2 預(yù)修銳

金屬結(jié)合劑金剛石砂輪在ELID磨削過程中可以實現(xiàn)在位電解修銳，避免因為磨屑堵塞而使得工件表面出現(xiàn)滑擦，燒傷等缺陷。根據(jù)陽極溶解的原理，熔化的金屬結(jié)合劑使得砂輪表面具備一定的容屑空間，新的磨粒突出，同時砂輪表面生成一層致密的彈性粘附氧化膜，抑制砂輪過度電解，并參與到工件的研拋過程，使砂輪保持在最佳的磨削狀態(tài)[12]。

6.3 ELID精密磨削加工

采用專用ELID精密磨削系統(tǒng)，電極作為陰極與電源負極相接，砂輪作為電解陽極與電源正極相連，噴灑專用磨削液對砂輪進行在位電解修銳，利用修銳好的砂輪對零件內(nèi)孔、外圓等關(guān)鍵部位進行精密超精密加工。

7 結(jié)語

(1)選取了立式龍門磨床，并對關(guān)鍵支承部件進行了整體設(shè)計，使得機床能夠?qū)崿F(xiàn)對工件內(nèi)孔、外圓、端面等表面的精密磨削加工，整機動、靜剛度好，工藝性和抗振性能好。

(2)能夠?qū)ι拜嗊M行在位電火花整形，金剛石滾輪精密整形以及在線電解修銳，從而實現(xiàn)航天用高體積分?jǐn)?shù)SiCp/Al復(fù)合材料的精密超精密磨削加工。