軸承鋼專用ELID磨削液電解成膜性和防銹性研究

關佳亮，路文文，孫曉楠，戚澤海

（北京工業大學 機械工程與應用電子技術學院，北京 100124）

軸承鋼是滾動軸承加工中應用最普遍的材料，主要用于加工球、滾子和套圈等，其具有良好的抗磨性、淬透性、尺寸穩定性和抗腐蝕性，熱處理后可獲得較高且均勻的硬度，廣泛應用于航空航天、汽車制造、鐵路運輸和國防工業等領域[1]。然而，上述良好的物理性能也相應為其精密高效的加工制造帶來加工效率低、磨削狀態差、砂輪易堵塞、加工表面易產生燒傷及裂紋等系列問題。在線電解修整（ELID）磨削技術是解決軸承鋼加工難題的新技術，磨削液是ELID磨削技術的重要組成模塊之一。新研制的軸承鋼專用ELID磨削液HDMY-30除了通用磨削液HDMY-20所具有的潤滑性、冷卻性和清洗滲透性外，還應具有較強的電解成膜性，減少工件及機床設備的銹蝕是決定其能否推廣應用的關鍵。針對這一問題，對磨削液HDMY-30的電解成膜性和防銹性進行了分析和優化，驗證了該磨削液滿足使用要求。

1 ELID磨削技術原理

ELID磨削技術原理如圖1所示。金屬結合劑砂輪通過電刷接電源正極作為電解陽極，根據砂輪形狀制成的工具電極接電源負極作為電解陰極，在陽極與陰極之間注入專用電解磨削液。利用陽極溶解效應，砂輪表面金屬結合劑被電解去除，使新的磨粒露出砂輪表面，始終保持砂輪的銳利性。隨著電解過程的進行，在砂輪表面形成一層氧化膜，有效抑制砂輪過度電解。當砂輪表面的磨粒磨鈍后，氧化膜被工件材料刮擦去除，電解過程繼續進行，對砂輪表面進行修銳。上述過程不斷重復進行并達到動態平衡，從而實現穩定且高效的最佳磨削過程[2-3]。

圖1 ELID磨削技術原理Fig.1 Principle of ELID grinding technology

2 磨削液的電解成膜性

2.1 電解成膜作用及過程

氧化膜在ELID磨削中起至關重要的作用。精磨階段的進給量很小，在砂輪表面形成的良好柔性氧化膜厚度遠大于磨粒的出刃高度，使砂輪基體表層磨料不直接與工件接觸，砂輪上覆蓋的氧化膜將代替金屬基砂輪參與真正的磨削過程。通過氧化膜對工件進行光磨，從而實現磨、研、拋于一體的ELID精密鏡面磨削[4]。

在電解過程中鑄鐵結合劑砂輪作為陽極的鐵基會失去電子變成鐵離子進入磨削液中，然后與陽極周圍的氫氧根離子結合生成淺綠色氫氧化亞鐵，氫氧化亞鐵被進一步氧化生成紅褐色氫氧化鐵，氫氧化鐵失水而生成氧化鐵。反應式為

因此，陽極生成的致密均勻的氧化膜應是氫氧化鐵和氧化鐵的混合物[5]。陰極發生水電解反應，氫離子得到電子生成氫氣，構成得失電子的閉合回路，即

2.2 電解成膜試驗

磨削液HDMY-20能滿足大多數材料的ELID磨削要求，實現砂輪的電解修銳及表面鈍化成膜[6]。由于軸承鋼在磨削過程中磨削力大、磨削溫度高、砂輪黏附率大，導致工件表面燒傷嚴重，這就要求磨削液具有較強的電解去除能力，即在滿足砂輪電解修銳的同時，能快速電解去除黏附在砂輪表面的磨屑，保證砂輪在磨削軸承鋼時狀態良好，因此磨削液HDMY-20已不能滿足軸承鋼材料的ELID磨削[7]。磨削液HDMY-30是在HDMY-20的基礎上，為解決軸承鋼加工中砂輪表面黏附率大，磨屑不易排出等加工難題而研制。通過靜態模擬試驗對上述2種磨削液的電解成膜性進行對比分析。

2.2.1 試樣的制備

2種磨削液的成分見表1。按表1配置2種磨削液各250 g，再按1∶20用水稀釋后備用。

表1 2種磨削液的成分Tab.1 Composition of two kinds of grinding fluids w，%

2.2.2 試驗設備和方法

靜態模擬試驗裝置如圖2所示。采用鑄鐵基金剛石砂輪作為電解陽極，將根據砂輪形狀制成的導電性良好的弧形銅塊作為電解陰極，分別用導線連接至ELID磨削專用電源的正、負極上，再把砂輪和電極依次放入上述稀釋后的磨削液中，分別記錄電源顯示器顯示的電流變化規律，并觀察砂輪表面電解成膜效果。

圖2 靜態模擬試驗裝置Fig.2 Device for static simulation experiment

2.2.3 試驗結果與分析

2種磨削液的電流變化曲線如圖3所示。磨削液HDMY-30和HDMY-20的電流變化趨勢大體相同，但比HDMY-20的電流變化更明顯，最大電解電流高2 A，電解成膜時間也縮短約2 min，由此可得出磨削液HDMY-30比HDMY-20的電解去除能力更強，生成氧化膜的時間更短。這是由于磨削液HDMY-30中電解質質量分數增大，電解速度加快，最大電解電流增大，但會造成成膜困難，電解損耗過大。通過提高成膜劑質量分數，加快砂輪成膜速度，阻止砂輪過度電解，使砂輪的電解和成膜達到動態平衡，從而保證砂輪的尺寸精度。

圖3 2種磨削液的電流變化曲線Fig.3 Variation curve of current of two kinds of grinding fluids

2種磨削液在靜態模擬試驗中砂輪表面生成氧化膜的效果如圖4所示。磨削液HDMY-30與HDMY-20相比，砂輪表面生成氧化膜的致密性和均勻性都更好，氧化膜較厚，說明磨削液HDMY-30的電解成膜性優于HDMY-20，使氧化膜在ELID磨削中的光磨階段對已加工表面進行高速研、拋作用得到更充分的發揮。

圖4 2種磨削液的電解砂輪成膜效果Fig.4 Electrolytic grinding wheel film-forming effect of two kinds of grinding fluids

3 磨削液的防銹性

3.1 防銹作用原理

為使磨削液HDMY-30能在生產中推廣使用，必須對其防銹性進行準確評價和優化，使其滿足不銹蝕機床設備的使用要求。

ELID磨削液大多為水基磨削液，磨削液中的防銹劑大致可分為水溶性有機緩蝕劑和水溶性無機緩蝕劑。三乙醇胺是常用的有機緩蝕劑，防銹作用機理是吸附在金屬表面，阻止金屬進一步溶解，起到緩蝕防銹作用；磷酸鈉是常用的無機緩蝕劑，防銹作用機理是使金屬表面形成不溶性鈍化膜或反映膜層，防止金屬腐蝕[8]。

3.2 防銹試驗

磨削液HDMY-30電解去除能力強的同時防銹性也隨之增強，合理的防銹劑質量分數可提高磨削液的防銹性。由前期試驗可知：磨削液HDMY-30中防銹劑質量分數為15%～20%時對電解成膜性影響很小，所以在保證磨削液HDMY-30具有強電解成膜性的同時，探究防銹劑質量分數不同時磨削液的防銹效果。

3.2.1 試樣的制備

在確保磨削液中其他成分的質量分數和性能不變的前提下，改變防銹劑質量分數后磨削液的防銹效果見表2。按表2用水配置4種電解修整磨削液各20 mL備用。

表2 防銹劑質量分數不同時磨削液的防銹效果Tab.2 Anti-rust effect of grinding fluid with different mass fractions of anti-rust agents

3.2.2 試驗設備與方法

將1塊打磨光滑的35＃低碳鋼平板均勻分成4塊，在每塊區域內分別滴入等量的4種磨削液，在室溫下放置24 h后用高倍顯微鏡MK670（變倍比12∶1）觀察其銹蝕情況。

3.2.3 試驗結果與分析

磨削液HDMY-30中電解質質量分數保持5%時低碳鋼平板各區域銹蝕情況如圖5所示。防銹劑質量分數為16%時，低碳鋼平板有大量銹蝕；防銹劑質量分數為18%時，有少量銹蝕；防銹劑質量分數為19%時，在保證良好電解成膜性的同時，幾乎無銹蝕，防銹效果良好，達到了GB／T 6144—2010《合成切削液》的單片防銹性試驗要求。

圖5 低碳鋼平板各區域銹蝕情況Fig.5 Rust effects of each region of low-carbon steel plate

4 結論

1）磨削液HDMY-30比HDMY-20具有更強的電解成膜性，有利于克服軸承鋼加工中磨屑不易去除導致砂輪堵塞的缺陷。

2）磨削液HDMY-30比HDMY-20的最大電解電流高出2 A，同時成膜時間縮短約2 min，提高了軸承鋼加工效率，為ELID技術在軸承加工領域的產業化發展奠定了基礎。

3）在保證磨削液HDMY-30強電解成膜性的基礎上，可得磨削液中防銹劑質量分數達19%時，防銹效果最佳。