電火花機械磨削修整粗粒度成形砂輪試驗研究

摘要：

粗粒度金屬基金剛石砂輪磨削效率高，面形精度保持性好，可以滿足各種成形零件的精密加工，但存在因修整困難而難以推廣的問題。針對該問題，提出采用電火花機械磨削法修整粗粒度金剛石砂輪。探究了放電參數對修整效率及刀具損耗量的影響規律，并以修整效率為優化目標選取粗修整試驗放電參數，以修整精度為優化目標選取精修整試驗放電參數。設計了半徑為3 mm的凹圓弧、凸圓弧砂輪修整試驗，粗修整后凹圓弧、凸圓弧半徑分別為2867.510 μm、2919.254 μm，尺寸誤差分別為4.43%、2.69%，輪廓精度PV值為54.34 μm；精修整后凹圓弧、凸圓弧半徑分別為3005.107 μm、3001.588 μm，尺寸誤差分別為0.17%、0.053%，輪廓精度PV值為17.28 μm。最后，磨削碳化硅陶瓷試件，獲得凹圓弧、凸圓弧半徑的尺寸誤差分別為0.24%、0.045%，工件表面粗糙度Ra可達0.463 μm。

關鍵詞：電火花機械磨削；金剛石砂輪；粗粒度成形砂輪；輪廓精度

中圖分類號：TG743

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.005

Experimental Research of Coarse-grained Forming Grinding Wheel Dressed by EDDG

YUAN Shangyong CHEN Genyu DAI Longzhou LU Enhao

1.College of Mechanical and Vehicle Engineering，Hunan University，Changsha，410082

2.Laser Research Institute of Hunan University，Hunan University，Changsha，410082

Abstract： The coarse-grained metal bond diamond wheel had high grinding efficiency and good surface shape accuracy retention， which might meet the precision machining of various forming parts， but the difficulty of dressing maked it difficult to popularize. In order to solve this problem， the EDDG was proposed for coarse-grained diamond grinding wheel dressing. The influences of discharge parameters on dressing efficiency and tool loss were investigated. The discharge parameters of rough dressing were selected with the dressing efficiency as the optimization objective， and the discharge parameters of precision dressing were selected with the dressing accuracy as the optimization objective. The concave and convex arc-shaped wheels with design radius of 3 mm were used for dressing experiments. After rough dressing， the radius of concave and convex arc-shaped are as 2867.510 μm and 2919.254 μm respectively， the dimensional errors are as 4.43% and 2.69% respectively， and the PV value of profile accuracy is as 54.34 μm. After precision dressing， the radius of concave and convex arc-shaped are as 3005.107 μm and 3001.588 μm respectively， the dimensional errors are as 0.17% and 0.053% respectively， and the PV value of profile accuracy is as 17.28 μm. Finally， the dimensional errors of concave and convex arc-shaped obtained by grinding silicon carbide ceramic specimens are as 0.24% and 0.045% respectively， and the surface roughness value of the workpiece is as 0.463 μm.

Key words： electrical discharge diamond grinding（EDDG）； diamond grinding wheel； coarse-grained forming wheel； profile accuracy

收稿日期：2022-06-16

基金項目：

廣東省重點領域研發計劃（2020B090924005）

0 引言

Symbol`@@航空航天、國防工程、光學鏡片、機械電子、半導體等領域的高速發展對高性能硬脆材料零件的復雜型面輪廓精度及表面質量提出更嚴苛的要求［1］。精密成形零件往往使用細粒度金剛石砂輪進行磨削加工。細粒度成形金剛石砂輪存在易堵塞、磨損嚴重、修整頻繁等缺點，而粗粒度成形金剛石砂輪精密磨削可大幅提高加工效率，磨削容屑空間大，面形精度保持性好［2］，但粗粒度成形金剛石砂輪的高效精密修整難題一直阻礙其工程應用，探索高精度的粗粒度成形金剛石砂輪修整技術迫在眉睫。

砂輪的輪廓精度決定了零件的型面精度，若成形砂輪存在較大輪廓誤差將直接導致磨削加工的零件精度達不到設計要求［1，3］。目前，國內外研究人員已探究的成形砂輪修整方法有車削修整［3］、磨削修整［4-6］、激光修整［7-10］ 、電火花修整［11-13］等。車削法修整是通過控制單點金剛石的運動軌跡對砂輪進行切削成形加工，修整簡單，但金剛石刀具損耗大［3］。磨削法修整是使用普通磨料砂輪插補軌跡主動與金剛石砂輪對磨修整，修整效率低，刀具易磨損，但成形精度較高［5］。激光法修整是通過聚焦的高能量脈沖激光燒蝕去除材料，有高穩定性和高效率，但由于聚焦的光束特性在加工成形曲面時易使激光能量分散從而造成形面誤差較大［8］。電火花修整法通過擊穿放電瞬間高溫去除砂輪表面結合劑，使磨粒把持力減小脫落去除，但受放電間隙的限制，只適用于修整細粒度砂輪。為了提高砂輪的修整效率，WANG等［14］提出利用電火花放電產生的熱量預熱輔助機械磨削去除材料，但因采用金剛石筆作為修整工具易損耗而限制了修整精度的提高。電火花機械磨削法復合了兩種方法的材料去除優勢，既提高了加工效率，又改善了工件的加工表面質量［15-16］。現有研究較多是將電火花機械磨削法運用于單一的難加工材料中，還未有相關文獻介紹將其運用于成形砂輪修整的研究中。

為提高粗粒度成形砂輪的修整效率和精度，本文提出采用電火花機械磨削的修整方法，分析了該修整法的材料去除機理，對影響砂輪修整精度、效率和刀具輪損耗量的放電參數進行優化，再分別選取較優參數組合進行高效率粗修整和高精度精修整試驗，實現了成形金剛石砂輪的精密修整。最后，通過磨削碳化硅陶瓷驗證成形砂輪的修整效果。

1 電火花機械磨削法修整機理分析

1.1 修整機理

電火花機械磨削法修整砂輪利用了電火花與機械磨削同時進行加工去除材料的優勢，通過電火花放電燒蝕去除金屬結合劑材料，使砂輪磨粒突出，同時刀具輪磨削磨平砂輪突出磨粒及金屬結合劑材料。圖1為電火花機械磨削修整砂輪的原理圖，其微觀修整過程為：刀具輪連接放電負極，待修砂輪連接放電正極，電火花的放電高溫將待修砂輪表面金屬結合劑材料快速融化或汽化去除，使砂輪磨粒突出；受到周邊結合劑材料上放電作用的熱影響，金剛石磨粒的局部區域會被軟化（氧化或轉變成石墨）［17］；刀具輪上的金剛石磨粒可將軟化的金剛石磨粒及結合劑材料上突出的熔融重凝層缺陷磨削去除，使待修砂輪表面金剛石磨粒與結合劑材料平整，提高砂輪整形精度。

受到電火花放電極性效應的影響［18］，正極吸收較多的火花放電能量，可快速去除連接正極的砂輪中結合劑材料，而連接負極的刀具輪吸收較少的火花放電能量，可減少刀具輪的損耗。此外，采用放電對刀具輪進行在線修銳也減少了磨削阻塞，提高了刀具輪的磨削能力。

總之，電火花法與磨削法相輔相成，電火花放電軟化待修砂輪表面及修銳加工刀具，提高了加工效率和刀具磨削能力。此外，電火花放電造成的結合劑重凝層缺陷和磨粒熱變質層能被刀具輪磨削掉一部分或完全去除，可提高修整砂輪的表面質量。因此電火花機械磨削修整法既充分利用了電火花修整的優勢，又保持了機械磨削法修整的高表面形貌質量和輪廓精度穩定性，可以實現金剛石成形砂輪高效率、高精度的修整。

1.2 放電參數與砂輪修整分析

電火花機械磨削法修整中，電火花放電能量的高低對修整效率及精度有重要影響。當放電能量高時，可快速去除砂輪結合劑和加大金剛石磨粒的熱影響程度，但同時刀具輪也會受到放電高溫熱影響而加劇損耗。當放電能量較低時，待修砂輪上結合劑材料去除率降低，且金剛石磨粒熱影響程度減弱，造成刀具輪磨損嚴重。唯有當放電能量致使的金剛石磨粒熱軟化層深度與磨削深度匹配時，才有利于機械磨削的順利進行，在提高修整效率的同時減少刀具輪的磨損。

脈沖電火花放電去除材料及熱影響大小主要取決于單個電脈沖能量的高低，單個脈沖放電能量計算式為

Q=∫t0u（t）i（t）dt（1）

式中，Q為單個脈沖放電能量；t為脈沖持續時間；u（t）為放電實時電壓；i（t）為放電實時電流。

由式（1）可知，電火花放電能量隨著放電參數的增大而增大，可以通過改變放電參數（電壓、電流、脈寬等）來控制放電能量以實現砂輪的可控修整。

1.3 成形輪廓金剛石砂輪修整方案的實現

本文修整的成形砂輪輪廓尺寸如圖2a所示，它包括直線、凹圓弧和凸圓弧，凹凸圓弧半徑R及寬度都是3 mm，凹凸圓弧高度H均為0.402 mm。砂輪的修整分為粗修整和精修整。粗修整采用平行的刀具輪分兩步完成：第一步，將粗修整橫截面區域劃分成小矩形塊區域，依次逐層快速去除矩形區域內的磨料層，得到接近需要輪廓形狀的砂輪（圖2a）；第二步，對于成形砂輪的圓弧輪廓段，根據橫截面為矩形的刀具輪左右兩側直角邊尖端分段設計修整路徑，找到粗修整余量的最大的偏移位置后，逐層逼近修整去除在粗修整第一步中分矩形層去除后遺留的邊角余量（圖2b）。粗修整中刀具輪會有損耗，當刀具輪的頂面輪廓精度損耗量超過20 μm時，需對刀具輪進行返修，采用磨削法修整提高刀具輪的頂面輪廓精度。精修整中兩邊直線部分采用橫截面為矩形的刀具輪加工，凹凸圓弧部分采用橫截面為圓弧的刀具輪加工，按標準輪廓設計修整路徑，逐層逼近去除材料修整出需要的成形砂輪（圖2c）。

2 試驗條件及優化參數方案

2.1 試驗條件

電火花機械磨削法修整青銅結合劑成形金剛石砂輪的裝置如圖3所示。修整電源的輸出脈沖電壓有60，90，120，150 V四擋，輸出峰值電流為0～20 A，占空比在0～100%范圍內可調。機床設備采用840DSL 控制系統，且配有CCD工業相機實時在線監測砂輪修整狀況及刀具與砂輪的位置。

2.2 砂輪修整量及刀具磨耗量測量方案

為了分析研究放電參數對砂輪修整效率和刀具輪磨耗的關系，需要檢測每組試驗加工參數修整前后砂輪輪廓數據及刀具損耗深度，測量方案原理圖見圖4。分別在試驗修整前后用石墨板復印砂輪及刀具的輪廓位置信息，擬合換算成為修整深度H1、損耗深度H2。通過如下公式可計算出砂輪修整量Q1、刀具磨損量Q2和刀具相對損耗率σs：

Q1=πT1H1（D1－H1/2）（2）

Q2=πT2H2（D2－H2/2）（3）

σs=Q1/Q2（4）

式中，D1為砂輪直徑；D2為刀具輪直徑；T1為砂輪寬度；T2為刀具輪寬度。

2.3 正交試驗及結果分析

探究放電參數（放電電流、放電電壓及脈沖寬度等）對修整效率和刀具輪損耗的影響規律并優化工藝參數是高效高精修整成形砂輪的保障。成形砂輪修整質量表現在磨粒出刃形貌、成形輪廓精度和磨削性能。

為了研究電火花機械磨削修整參數對砂輪修整效率和刀具輪損耗關系，采用正交設計L16（43）三因素四水平進行試驗分析，首先確定砂輪轉速nw=600 r/min，刀具輪轉速nt=1100 r/min，進給速度vf =4 mm/min，放電介質為0.2 MPa壓縮空氣，脈沖間隔為100 μs。設定每組試驗加工30 min，為避免偶然誤差，每組參數下均試驗3次取其平均值作為最后檢測記錄的砂輪修整深度及刀具損耗深度數據。

刀具損耗率表征的是刀具輪損耗量跟砂輪修整量的比值大小。刀具輪損耗量為電火花放電造成的刀具輪損耗量與機械磨削造成的刀具輪損耗量之和。選取的因素和水平如表1所示，正交試驗的結果如表2所示。其中，R1和R2分別為砂輪修整量和刀具損耗率的極差，用來分析修整參數對砂輪修整量和刀具損耗率的影響程度。

對表2正交試驗結果進行主成分分析可知：對于電火花機械磨削法修整成形金剛石砂輪時的修整效率，放電電流影響最大，放電電壓影響次之，脈沖寬度的影響最小；對于刀具損耗率，脈沖寬度影響最大，放電電流影響次之，放電電壓的影響最小。

圖5所示為放電電壓、放電電流和脈沖寬度對修整量及損耗率的影響變化規律。砂輪修整量隨著放電參數的增大而增大，損耗率隨著放電參數的增大而先減小后增大再減小。這是因為在穩定的放電狀態下，放電能量的增大會使砂輪修整量增大，待修砂輪上金剛石磨粒熱軟化深度增加，機械磨削造成的刀具輪損耗量大大減小，電火花放電造成的刀具輪損耗量稍有增加，因此損耗率減小。若放電能量繼續增大，則會使砂輪結合劑

材料去除量進一步增大，但待修砂輪上金剛石磨

粒的去除量因受磨削深度控制而增加較少，砂輪整體的修整量增加較少，機械磨削造成的刀具輪損耗量幾乎不變，電火花放電造成的刀具輪損耗量增加較多，因此損耗率增大。另外，受放電間隙的限制，當兩輪結合劑材料之間的距離超過放電間隙時，放電狀態停止，需兩輪進給靠近繼續進行放電。當放電能量再繼續增大時，較短的放電時間就可將相應放電間隙內的砂輪修整量去除，需要進一步加大進給量才能繼續放電，這樣縮短了放電時間從而電火花放電造成的刀具輪損耗量相對減少，機械磨削造成的刀具輪損耗量也減少，因此損耗率減小。砂輪粗修整要獲得最大的修整量理論最優組合，可選擇放電電壓150 V、放電電流16 A、脈沖寬度300 μs進行試驗。精修整要獲得最小的損耗率理論最優組合，

可選擇放電電壓90 V、放電電流8 A、脈沖寬度300 μs進行試驗。

3 成形金剛石砂輪修整試驗

本文試驗是在平行的青銅結合劑金剛石砂輪上修整出成形砂輪輪廓。180目粒度的待修砂輪外徑為125 mm，砂輪寬度為10 mm，金剛石磨粒大小為65～80 μm。成形砂輪如圖2a所示，凹凸圓弧半徑的尺寸精度均為（3±0.01） mm，圓弧的輪廓精度PV值為20 μm。根據制定的電火花機械磨削粗整形方案進行修整，理想輪廓向外偏移20 μm留出精修整余量，精修整時調整參數進行高精度修整。粗精修整試驗結束前，監測放電狀態在整個圓弧輪廓上基本無放電后停止加工，磨削石墨板檢測粗修整精修整后的輪廓精度。采用超景深三維光學顯微鏡（VHX-6000）檢測砂輪表面微觀形貌和微觀結構。

3.1 電火花機械磨削法粗修整

粗修整中使用的刀具輪是平行青銅基金剛石砂輪，砂輪外徑為150 mm，砂輪寬度為1 mm，金剛石磨粒平均大小為105 μm。根據上述正交試驗優化參數組合，選取粗修整參數如表3所示。

采用超景深顯微鏡觀測粗修整后砂輪的表面形貌和成形輪廓精度并提取輪廓數據，測量輪廓精度PV值。

粗修整后砂輪的檢測結果如圖6所示。由圖6a可看出，電火花機械磨削粗修整形成了較好的成形輪廓。如圖6b和圖6c所示，通過超景深顯微鏡擬合得到的成形輪廓的凹凸圓弧半徑分別為2867.510 μm、2919.254 μm，與理論標準輪廓3000 μm誤差分別為4.43%、2.69%，還需進一步精修整以提高成形輪廓精度。對導出輪廓數據使用MATLAB編程并采用最小二乘法處理，測得輪廓精度PV值為54.34 μm。砂輪表面放大形貌如圖6d所示，較大的電參數電火花放電能量很大，電火花電腐蝕后形成的重凝層明顯且使砂輪表面結合劑粗糙不平，磨粒表面經磨削較為平整。

3.2 電火花機械磨削法精修整

精修整中使用的刀具輪是圓弧青銅基金剛石砂輪，砂輪外徑是150 mm，刀具圓弧直徑為0.8 mm，金剛石磨粒平均大小為105 μm。根據上述正交試驗優化參數組合，選取精修整參數如表4所示。

修整后的砂輪表面形貌如圖7a和圖7b所示。檢測成形輪廓的凹凸圓弧半徑分別為3005.107 μm、3001.588 μm，與理論標準輪廓3000 μm誤差分別為0.17%、0.053%。導出輪廓數據，計算得到砂輪輪廓精度PV值為17.28 μm（圖7c）。精修整后砂輪在超景深顯微鏡下觀測到的表面形貌結果如圖7d所示，砂輪表面結合劑及金剛石磨粒都較為平整。以上檢測結果表明，最終修整的成形砂輪滿足修整要求（凹凸圓弧半徑的尺寸精度均滿足（3±0.01） mm，圓弧輪廓精度PV值在20 μm以內）。

精修整后砂輪表面磨粒具有一定的突出高度。為確定砂輪表面磨粒突出高度值，在超景深顯微鏡觀測的區域，旋轉砂輪隨機選取8個區域，記錄觀測區域內每個磨粒的突出高度。對于觀測區域的單顆磨粒，從橫向和縱向分布劃線測量，每個方向檢測3次，將其最大值作為該磨粒的突出高度。總共統計了92個磨粒的突出高度，發現80%的磨粒突出高度在15～25 μm之間（圖8）。計算該范圍內磨粒的平均高度為21.42" μm，這是一個較合適的磨粒突出高度。以上結果表明，精修整后的砂輪表面磨粒具有較合適的突出高度，且磨粒等高性較好，能發揮優異磨削的性能。

4 磨削試驗

碳化硅陶瓷材料已被廣泛應用于高溫軸承、噴嘴、高溫耐蝕部件以及高溫和高頻范圍的電子設備零部件等領域。將精修整好的成形輪廓砂輪進行磨削試驗。工件材料為碳化硅陶瓷，在表5所示的條件下進行磨削試驗。磨削試驗結束后，通過觀測磨削工件的輪廓精度及表面粗糙度來評價砂輪的磨削性能。磨削后的工件檢測結果如圖9所示。檢測出陶瓷的成形輪廓擬合半徑分別為3007.363 mm、2998.614 μm，誤差分別為0.24%、0.045%。精密粗糙度儀測量的工件表面粗糙度Ra=0.463 μm，基本達到精密磨削的質量。

5 結論

（1）電火花機械磨削修整方法可以修整出高精度的粗粒度成形金剛石砂輪。

（2）砂輪粗修整可選擇最優組合放電電壓150 V、放電電流16 A、脈沖寬度300 μs進行試驗。精修整可選擇最優組合放電電壓90 V、放電電流8 A、脈沖寬度300 μs進行試驗。

（3）在平行砂輪上修整出的成形輪廓的凹凸圓弧輪廓半徑分別為3005.107 μm、3001.588 μm，尺寸誤差分別為0.17%、0.053%，輪廓誤差PV值為17.28 μm。

（4）用修整好的成形金剛石砂輪磨削碳化硅陶瓷，試驗結果表明，陶瓷工件的輪廓擬合半徑分別為3007.363 μm、2998.614 μm，尺寸誤差分別為0.24%、0.045%，工件表面粗糙度值Ra=0.463 μm。該修整方法修整出的高精度成形砂輪可磨削得到質量較好工件，具有良好的實用價值和應用前景。

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（編輯 袁興玲）

作者簡介：

袁尚勇，男，1998年生，碩士研究生。研究方向為超硬磨料砂輪修整技術、電火花磨削復合加工。E-mail：2325249496@qq.com。

陳根余（通信作者），男，1965年生，教授、博士研究生導師。研究方向為超硬磨料砂輪修整技術、激光微納加工、電火花加工等。E-mail：hdgychen@163.com。