電火花整形金剛石微粉砂輪的工藝試驗(yàn)研究

關(guān)佳亮 戚澤海 孫曉楠 路文文

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

軸承鋼因具有良好的耐磨性、抗腐蝕性及淬火和回火后具有高而均勻的硬度等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于制造各種軸承套圈、滾動(dòng)體等軸承零部件。但軸承鋼優(yōu)良的力學(xué)性能也使其傳統(tǒng)的內(nèi)圓磨削存在著剛玉類砂輪磨損堵塞后導(dǎo)致加工工件表面產(chǎn)生燒傷、裂紋及圓度差的問(wèn)題[1]。采用在線電解修整(ELID)磨削技術(shù)可實(shí)現(xiàn)將金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪的持續(xù)修銳與磨削同步進(jìn)行，繼而克服了軸承鋼內(nèi)圓傳統(tǒng)磨削加工中存在的上述難題。而金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪的整形仍是目前存在的一大難題，且其整形精度將直接影響到后續(xù)ELID磨削軸承鋼內(nèi)圓的圓度及表面質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪的整形進(jìn)行了大量研究，如劉忠德[2]采用電火花修整技術(shù)針對(duì)50～63 μm粒度金屬基金剛石砂輪進(jìn)行單因素試驗(yàn)探究放電電壓、脈沖電流、脈沖頻率等對(duì)砂輪表面形貌的影響規(guī)律。黎文[3]采用電火花修整技術(shù)對(duì)金屬結(jié)合劑金剛石微粉砂輪進(jìn)行試驗(yàn)探究電源參數(shù)對(duì)整形效率的影響規(guī)律。王凱[4]采用電火花修整技術(shù)對(duì)金屬基金剛石圓弧砂輪進(jìn)行試驗(yàn)研究不同放電參數(shù)對(duì)砂輪圓弧輪廓誤差的影響規(guī)律。

以上文獻(xiàn)主要涉及采用電火花修整技術(shù)研究砂輪修整參數(shù)對(duì)整形效率及砂輪微觀形貌的影響規(guī)律，但對(duì)于電火花修整參數(shù)對(duì)金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪微觀形貌沒(méi)有進(jìn)行量化表達(dá)及對(duì)于宏觀形貌的砂輪圓度沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)研究。因此本文在電火花整形原理的指導(dǎo)下，將砂輪表面三維粗糙度(表面最大峰值SP、表面均方根偏差SQ、表面偏度SSK和表面峰度SKU這4個(gè)參數(shù)值)作為砂輪表面形貌量化表達(dá)的目標(biāo)參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)砂輪整形的好壞。通過(guò)采用正交試驗(yàn)研究不同電火花修整參數(shù)對(duì)砂輪微觀形貌表面三維粗糙度的影響規(guī)律及最終修整圓度。并用整形后的W40粒度金剛石砂輪對(duì)GCr15軸承鋼內(nèi)圓進(jìn)行在線電解修銳加工得到表面粗糙度為96 nm的已加工表面。

1 電火花整形原理

電火花整形金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪的基本原理如圖1所示。金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪與脈沖電源正極相連接作為陽(yáng)極，工具電極與脈沖電源負(fù)極連接作為陰極，在金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪與工具電極之間充滿絕緣介質(zhì),從而形成一個(gè)閉合回路。當(dāng)砂輪與電極之間的距離達(dá)到電火花放電條件時(shí)，將在砂輪與電極之間形成放電通道，形成強(qiáng)大的瞬間熱量作用在金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪表面，使砂輪金屬結(jié)合劑蝕除從而達(dá)到整形的目的[5-6]。故脈沖電源單個(gè)脈沖作用在砂輪表面的熱能將直接影響到金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪的整形效率及精度。而單個(gè)脈沖放電能量公式[5]為：

W0=u(t)·i(t)dt

(1)

其中：W0為單個(gè)脈沖放電能量；u(t)為間隙瞬時(shí)放電電壓；i(t)為間隙瞬時(shí)脈沖電流；ti為放電持續(xù)時(shí)間。由公式(1)可知決定單個(gè)脈沖放電能量大小的因素為放電電壓、脈沖電流及放電持續(xù)時(shí)間即占空比。故放電參數(shù)中的放電電壓、脈沖電流及占空比的選擇對(duì)于金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪整形圓度及砂輪微觀形貌具有重大影響作用，選擇合理的電火花整形工藝參數(shù)可以得到較好的砂輪表面形貌，即可磨削得到較好的軸承鋼內(nèi)圓表面質(zhì)量。

2 金剛石砂輪電火花整形實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用電火花修整技術(shù)對(duì)W40粒度鑄鐵結(jié)合劑金剛石平行砂輪進(jìn)行精密整形，本次實(shí)驗(yàn)及檢測(cè)設(shè)備如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)及檢測(cè)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備型號(hào)種類平面磨床MSZ612CNC數(shù)控平面磨床砂輪100%濃度W40粒度鑄鐵結(jié)合劑金剛石平行砂輪電極紫銅電極電源ELID直流穩(wěn)壓脈沖電源(電壓范圍:3～380V;電流范圍:≤50A)工作液純凈的蒸餾水測(cè)量?jī)xKeyenceVK-X200激光顯微鏡;基恩士二維激光測(cè)距儀;S-3400NⅡ型掃描電子顯微鏡

3 加工工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)指標(biāo)和因素水平的確定

砂輪表面微觀形貌對(duì)于軸承鋼內(nèi)圓ELID磨削過(guò)程和工件表面及亞表面質(zhì)量都有顯著的影響。而評(píng)價(jià)砂輪是否已得到良好的整形，即磨粒是否充分均勻的突出在砂輪表面而不被結(jié)合劑包覆，就必須對(duì)砂輪的微觀形貌進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)。因此本文采用間接測(cè)量法對(duì)不同電火花參數(shù)整形后的砂輪微觀形貌進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)，即將整形后砂輪的形貌復(fù)印在硅橡膠印模上，而后利用Keyence VK-X200激光顯微鏡對(duì)印模表面進(jìn)行三維粗糙度和微觀形貌檢測(cè)分析。且本文選取砂輪表面三維粗糙度[7-8](表面最大峰值SP、表面均方根偏差SQ、表面偏度SSK和表面峰度SKU這4個(gè)參數(shù)值)作為砂輪表面微觀形貌量化表達(dá)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，表2列出了4個(gè)參數(shù)值的數(shù)學(xué)表達(dá)式，式中M、N為評(píng)定區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)的行列數(shù)，z(xi,yj)為點(diǎn)(xi,yj)相對(duì)于基準(zhǔn)面的高度值。

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)室前期關(guān)于電火花修整金屬基超硬磨料砂輪的經(jīng)驗(yàn)[9]及相關(guān)文獻(xiàn)[10]可知在粗整形時(shí)采用大的電火花參數(shù)以高效率去除金屬結(jié)合劑，而在精密整形時(shí)采用小的電火花參數(shù)以得到較好的砂輪微觀表面及砂輪圓度。因此本文在MSZ612CNC數(shù)控平面磨床上對(duì)W40粒度鑄鐵結(jié)合劑金剛石平行砂輪進(jìn)行精密整形試驗(yàn)以研究脈沖電流、放電電壓及占空比對(duì)砂輪表面微觀形貌的影響規(guī)律。各試驗(yàn)因素均取3個(gè)水平，三因素三水平表如表3所示。

表2 砂輪表面三維粗糙度評(píng)價(jià)參數(shù)

數(shù)學(xué)表達(dá)式性質(zhì)及意義Sp=Max(∑Nj=1∑Mi=1Z(xi,yj))評(píng)價(jià)磨粒的最大突出高度:SP越大,磨粒的最大突出高度越大。SQ=1MN∑Nj=1∑Mi=1Z2(xi,yj)評(píng)價(jià)砂輪表面地貌總體情況:SQ值越大,砂輪表面越粗糙。SSK=1S3Q1MN∑Nj=1∑Mi=1Z3(xi,yj)[]評(píng)價(jià)砂輪表面磨粒密度:SSK<0,砂輪表面以突出磨粒為主,SSK>0,砂輪表面以凹坑為主。SKU=1S4Q1MN∑Nj=1∑Mi=1Z4(xi,yj)[]評(píng)價(jià)磨粒的等高性:SKU值越大,磨粒高度分布越集中。

表3 三因素三水平編碼表

因素水平脈沖電流/A放電電壓/V占空比/(%)15502021070403159050

3.2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

采用三因素三水平設(shè)計(jì)9組試驗(yàn)，經(jīng)Keyence VK-X200激光顯微鏡對(duì)精密整形后砂輪復(fù)印在硅橡膠印模表面進(jìn)行三維粗糙度檢測(cè)，結(jié)果如表4所示。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

分析A(脈沖電流)因素各水平對(duì)試驗(yàn)砂輪表面最大峰值SP指標(biāo)的影響。根據(jù)KA1、KA2、KA3的大小可以判斷A1、A2、A3對(duì)實(shí)驗(yàn)SP指標(biāo)的影響大小。由于KA1

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表及測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)序號(hào)脈沖電流A/A放電電壓B/V占空比O/(%)Sp/μmSQ/μmSSKSKU15902020.565.16-0.386.4525704015.416.03-0.55.1335505013.735.26-0.273.94410702012.194.87-0.694.79510504016.855.76-0.716.08610905021.626.45-1.037.25715502022.176.1-0.556.18815704016.427.28-0.534.19915905011.804.17-0.194.5K149.752.7554.92K250.6644.0248.68K350.3953.9847.15表面最大峰值Sp/μmK116.4517.1216.13K217.0818.1819.07K317.5515.7815.88表面均方根偏差SQ/μmK1-1.15-1.53-1.62K2-2.43-1.72-1.74K3-1.27-1.6-1.49表面偏度SSKK115.5216.217.42K218.1214.1115.4K314.8718.215.69表面峰度SKU

綜上分析，當(dāng)脈沖電流10 A時(shí)，SP、SSK、SKU均取到最佳值，而SQ值也接近最佳值；根據(jù)占空比及放電電壓對(duì)砂輪微觀地貌的影響規(guī)律，并綜合考慮電火花整形工藝參數(shù)對(duì)修整圓度的影響[4]，選擇占空比為20%，放電電壓70 V。因此得到砂輪整形的最佳工藝參數(shù)為：脈沖電流10 A，放電電壓70 V,占空比20%。

4 最優(yōu)工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

選取優(yōu)化后的整形參數(shù)(脈沖電流10 A，放電電壓70 V,占空比20%)對(duì)W40粒度金剛石砂輪進(jìn)行電火花整形實(shí)驗(yàn)，整形后砂輪表面三維粗糙度的評(píng)價(jià)參數(shù)SP、SQ、SSK及SKU分別為13.05 μm，4.89 μm，-0.35，5.307，砂輪三維地貌檢測(cè)如圖2所示。由圖2可知磨粒突出高度較好，且突出高度分布集中。并在此最優(yōu)工藝參數(shù)下進(jìn)行電火花精密整形后用基恩士二維激光測(cè)距儀對(duì)砂輪外圓輪廓進(jìn)行采集及濾波處理后得到如圖3所示的砂輪圓度為4.18 μm的外圓輪廓精度，可知在此最優(yōu)整形工藝參數(shù)下可得到較好的整形圓度。

將電火花精密整形后的W40粒度金剛石砂輪進(jìn)一步進(jìn)行ELID在線電解修銳后得到如圖4所示的較好砂輪微觀形貌。由圖4可知ELID電解修銳砂輪形貌相比于圖2電火花精密整形砂輪形貌而言金屬結(jié)合劑被完全電解去除后金剛石磨粒全部均勻突出。并用此ELID在線電解修銳后的W40粒度金剛石砂輪磨削軸承鋼內(nèi)圓,經(jīng)S-3400NⅡ型掃描電子顯微鏡檢測(cè)加工工件得到如圖5所示的表面粗糙度為96 nm的軸承鋼微觀形貌。由圖5可知工件表面不存在燒傷及裂紋等缺陷，而只是在工件表面留有磨粒耕犁去除的微小紋路，表面質(zhì)量較好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在電火花精密整形原理的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)W40粒度鑄鐵基金剛石砂輪進(jìn)行電火花精密整形正交試驗(yàn)得到以下結(jié)論：

(1)由電火花精密整形原理中單脈沖放電能量可知放電電壓、脈沖電流及占空比是影響電火花整形金剛石砂輪表面三維粗糙度值的主要因素。

(2)通過(guò)采用正交試驗(yàn)對(duì)W40粒度鑄鐵基金剛石砂輪進(jìn)行電火花精密整形得到最優(yōu)工藝參數(shù)為脈沖電流10 A，放電電壓70 V,占空比20%。

(3)在此最優(yōu)工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)砂輪進(jìn)行電火花精密整形得到表面三維粗糙度的評(píng)價(jià)參數(shù)SP、SQ、SSK及SKU分別為13.05 μm、4.89 μm、-0.35、5.307，得到精度為4.18 μm的砂輪圓度。

(4)將電火花精密整形后的W40粒度金剛石砂輪應(yīng)用在ELID磨削軸承鋼內(nèi)圓中得到表面粗糙度值為96 nm的加工表面，且工件表面不存在燒傷及裂紋等缺陷。

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