2008-03-04 14:52:13.0 中国数控机床网
金 属结合剂超硬磨料砂轮硬度高、强度大、保形能力强、耐磨性好，适合在难加工材料的高效精密磨削中应用。但其坚硬的金属结合剂给砂轮成形修整带来了极大困 难。成形修整的方法通常有机械、电化学、电火花等。电火花成形修整是近几年发展起来的一种成形修整新技术，与前两种方法相比，具有成形修整精度高、效率 高、成本低等优点，具有广泛的应用前景。 1 电火花整形装置的研制 1. 脉冲电源的研制 a. 性能指标 脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加工精度、加工过程的稳定性和工具电极损耗等技术指标有很大影响。为了得到很好的加工效果，对电火花加工脉冲电源的具体要求是： i. 所产生的脉冲，没有负半波或负半波很小，这样才能最大限度利用极性效应，提高生产率、减少工具电极损耗： ii. 脉冲的主要参数在很宽的范围内可以调节： iii. 体积小、工作稳定可靠、成本低、寿命长、操作维修方便，同时还要考虑节能。 b. 电路设计 根 据上述要求，按图1所示电路图设计脉冲电源。从图1中可以看出影响脉冲电源工艺参数的关键在于电阻R和电容C，其它元件只须根据功率考虑便可。根据电路要 求，电压在0～220V之间连续可调，电流在0～5A之间连续可调，这样最大功率为1000W，各电器元件必须满足功率要求。参考以往的研究成果，选定电 阻为10、20、30、40Ω：电容为8、16、24、32µF：滤波电容需取大容量电容，根据条件取为220V，320µF：整流元件选用整流块。 2. 电极材料的选择及其设计 为了保证修整砂轮的形状精度，必须选择电蚀量小的材料作为工具电极。因此要求电极材料具有高的熔点、熔解热和汽化热，同时还要考虑到成本造价。我们选择硬质合金作为工具电极材料。
1、7.绝缘套 2.轴 3.硬质合金 4.螺母 5.铜顶尖 6.接电源负极
图2 砂轮电火花整形的工具电极
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在砂轮修整过程中，电极是在旋转状态下工作的，砂轮与电极又必须是通电的，为了同时满足通电和旋转的双向要求，我们设计出如图2 所示的工具电极。 2 金属结合剂金刚石砂轮电火花整形的实验 1. 实验系统 机床：MG1420E高精度万能外圆磨床 电源：脉冲电源 砂轮：铁基金刚石砂轮，粒度W7，原始偏心量57µm 电极：硬质合金 实验时，床头三爪卡盘直接带动电极旋转，靠铜顶尖通电，可以通过对三爪卡盘的无级调速来改变电极的转速，电极的旋转与砂轮同电极的间隙无关，这样可以任意改变电极与砂轮之间的间隙，以调整加工速度，提高表面质量。 2. 实验结果与分析 影响电火花整形速度的因素很多：电源电压、电容、限流电阻、频率、脉冲、占空比、砂轮转速和偏心量等。实验中主要研究极性效应、限流电阻、电容和电压对整形速度的影响。 a. 极性效应 实验条件：工作电压220V，限流电阻20Ω，工作电容16µF。实验结果见表1、2。 表1 砂轮接正极时的损耗效应 | 序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 平均值联合国千年发展目标 | 砂轮损耗(mm3/min) | 22.57 | 13.62 | 18.68 | 18.04 | 18.23 | 电极损耗(mm3/min) | 2.12 | 1.38 | 1.49 | 1.78 | 1.06 | 相对损耗(%) | 9.4 | 10.1 | 8.0 | 9.87 | 5.8 | | | | | | |
| 表2 砂轮接负极时的损耗效应 | 序号 | 1 | 磷酸化2 | 3 | 4 | 平均值 | 砂轮损耗(mm3/min) | 11.72 | 8.24 | 9.62 | 9.05 | 9.66 | 电极损耗(mm3/min) | 2.69 | 2.24 | 2.32 | 2.60 | 2.46 | 相对损耗(%) | 23.0 | 27.2 | 24.1 | 28.7 | 25.5 | | | | | | |
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b. 从表1、2可以看出，电极接正极时的相对损耗率比接负极时的高1倍多。这是因为RC脉冲发生器产生的脉冲是属于短脉冲，电子的轰击作用大于正离子的轰击作用，造成正极的蚀除速度高负极很多。因此在修整砂轮时应将砂轮接正极。 表3 电阻不同时砂轮和电极的损耗 | 阻值(Ω) | 10 | 20 | 30 | 40 | 砂轮损耗(mm3/min) | 34.71 | 19.50 | 16.16 | 5.70 | 电极损耗(mm3/min) | 2.29 | 1.65 | 1.52 | 0.44 | 相对损耗率(%) | 6.6 | 8.5 | 9.4 | dahuangya7.7 | | | | | |
c. 电阻对实验结果的影响 实验条件：砂轮接正极，电极接负极，工作电压220V，工作电阻10、20、30、40Ω，工作电容16µF。实验结果见表3。 从表3可以看出，砂轮去除速度随电阻的增大而减小，但并不是反比关系。这是因为，根据式Vw=LWfφf可知，蚀除速度Vw与单脉冲能量Wf、频率f成正比，工艺参数L 和脉冲利用率φ随电阻变化较小，可忽略不计。又f=[RCln(1-k)-1]-1，f随电阻R的增加而降低，单脉冲能量W却随着频率的提高而提高。 表4 电容不同时砂轮和电极的损耗 | 电容(µF) | 8 | 16 | 24 | 32 | 砂轮损耗(mm3/min) | 18.54 | 37.12 | 55.53 | 73.97 | 电极损耗(mm3/min) | 1.86 | 3.24 | 4.30 | 6.11 | 相对损耗(%) | 10.0 | 8.7 | 7.7 | 8.3 | | | | | |
d. 电容对实验结果的影响 实验条件：砂轮接正极，电极接负极：工作电压220V，工作电阻20W：工作电容8、16、24、32µF。实验结果见表4。 从表4中可以看出，砂轮去除速度与电容成正比关系。这是因为，蚀除速度Vw与频率f和单脉冲能量Wf之积成正比。又据式f=[RCln(1-k)-1]-1可 知，频率与电容成反比关系。频率减小导致电流脉宽增大，使得电流脉宽与电容成正比关系。电容的增加又会导致放电电流增加。由于脉宽和电流都随着电容的增大 而增大，单脉冲能量与脉宽和电流之积成正比，使得单脉冲能量随电容平方的增大而增大，频率随着电容增大而减小，这样频率与单脉冲能量之积与电容刚好形成正 比关系，从而使得砂轮去除速度与电容形成正比关系。 表5 电压不同时砂轮和电极的损耗 | 电压(V) | 130 | 160 | 190 | 220 | 砂轮损耗(mm3/min) | 14.27 | 17.52 | 20.83 | 24.20 回归热螺旋体 | 电极损耗(mm3/min) | it技能 1.78 | 4.53 | 6.71 | 11.14 | 相对损耗(%) | 12.5 | 25.9 | 32.2 | 46.0 | | | | | |
e. 电压对实验结果的影响 实验条件：砂轮接正极，电极接负极，工作电阻20Ω，工作电容16µF：工作电压：130、160、190、220V。实验结果见表5。 从表5可以看出，砂轮去除速度与电压成正比关系。这是因为Vw=LWfφf，随着电压的增大，L、φ几乎没有变化，f与电压无关，因此f、φ可以看成常数。脉冲峰值电流与电压成正比关系，由于频率不变，脉宽也不变，使得单脉冲能量Wf与电压成正比关系，从而得到砂轮蚀除速度与电压成正比关系。但电压不能过高，否则将产生电弧，损坏砂轮表面。 采 用上述所开发的电火花修整装置对外圆磨床上所用的铸铁基金刚石砂轮进行整形实验，结果如图3所示。由图3可以看出，在整形过程中，砂轮的径向跳动变化率在 开始时变化较大，以后逐渐变小。这是因为，砂轮在开始整形时，圆度误差较大，表面粗糙，整形面积较小，因此径向跳动变化率较大。随着修整的不断进行，砂轮 圆度误差逐渐减小，整形面积逐渐增大，砂轮的径向跳动变小。 从以上实验结果可以看出，采用电火花对铸铁基金刚石砂轮进行整形具有效率高、表面粗糙度值小、使用方便等特点，能较好地达到预期目标。 3 结论 1. 金属结合剂超硬磨料砂轮的电火花整形，采用RC脉冲电源，其结构简单可靠，效果好，能够满足整形要求。 2. 电火花修整金属结合剂砂轮过程中，开始采用高电压、小限流电阻、大电容，以获得高峰值电流，提高表面去除速度。当电火花放电均匀时，应采用低电压、大限流电阻、小电容，以获得低峰值电流，实现对砂轮表面的光整加工。 |
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1 引言
CBN砂轮以其优良的磨削性能和磨削表面质量在高速、超高速磨削、难加工材料的高性能磨削、高效成型磨削等加工领域获得了广泛应用。在磨削 过程中，由于磨削力和磨削区域高温、粘附等作用，砂轮工作表面的磨粒会逐渐钝化；同时，砂轮工作表面的磨粒会因不均匀磨损而失去正确的原始几何形状；此 外，由于高速磨削的磨屑非常细小，很容易堵塞砂轮工作表面空隙。为使CBN砂轮始终保持良好的磨削状态，在磨削过程中必须对砂轮进行修整。CBN砂轮的整 形、修锐技术是CBN砂轮应用领域一个相当重要的研究课题。 CBN砂轮的修整可分为整形和修锐两个步骤。整形是通过改变砂轮的宏观形状，使砂轮达到要求的几何形状和尺寸精度，并使磨粒尖端微细破碎形 成锋利的磨刃；修锐则是通过去除砂轮磨粒间的结合剂，使磨粒凸出结合剂表面，形成必要的容屑空间，使砂轮具有最佳磨削能力。根据具体情况，整形和修锐可统 一进行或同时完成，也可分步进行。
2 CBN砂轮的整形方法
CBN砂轮的整形方法较多，常用的有车削整形法、滚压整形法、磨削整形法、电加工整形法等，近年来又出现了激光整形法。
2．1 车削整形法
车削法是采用单颗粒金刚石笔、粉末冶金金刚石笔或金刚石修整片等整形工具车削砂轮，以达到整形目的。
1） 单颗粒金刚石笔整形
单颗粒金刚石笔具有极高硬度和良好的耐磨性，因此常用于陶瓷结合剂或树脂结合剂CBN砂轮的修整。金刚石笔的尖端由于受到热和力的集中连续 作用，磨损剧烈，因此修整时应通过合理供给冷却液进行充分冷却。采用单颗粒金刚石笔修整陶瓷结合剂CBN砂轮后，砂轮表面状态不易达到磨削加工要求，容屑 空间较小，切削刃较宽，磨削刃不锋利，若直接用于磨削，初期磨削力和磨削温度均较大，容易出现磨削烧伤和振纹，因此必须用油石对修整后的砂轮表面进行合理 修锐。
2） 金刚石片状修整器整形
采用粉末冶金方法将小粒度金刚石颗粒固结在硬质合金基体上，制成片状修整器。用金刚石片状修整器修整CBN砂轮的优点是费用较低，且片状修整器磨损后性能变化不大，整形
沈阳医学院学报时可以采用较大的修整进给量而不会增大修整后砂轮的表面粗糙度。
2．2 滚压整形法
滚压整形法是利用旋转的砂轮和滚压轮之间的相对滚动压裂结合剂桥，使磨粒表面崩碎出现微刃。滚压轮可用硬质合金或淬硬钢制成。滚压整形法的 特点是修整压力大、修整效率及修整精度较低、修整后砂轮表面损伤层较深、切削刃密度较低、磨粒较尖锐、易磨损但不易堵塞。为降低滚压力，增加滚压稳定性， 可在滚压轮表面开出斜槽或螺旋槽。为避免砂轮表面产生周期性波纹，必须控制砂轮轴与滚轮轴的同轴度。
2．3 磨削整形法
磨削整形法是用普通磨料砂轮、金刚石砂轮、金刚石滚轮等与CBN砂轮对磨整形，或用CBN砂轮磨削低碳钢进行整形。
1） 普通砂轮磨削整形
用绿碳化硅或白刚玉陶瓷结合剂砂轮作为整形砂轮，用外圆磨削法对CBN砂轮进行整
形。在整形砂轮轴上安装制动器，使整形砂轮与CBN砂轮 之间产生相对速度，可提高整形效率，相对速度越大，整形效率越高。该方法也可用于修锐，但应采用细粒度（150#～220#）修整砂轮。制动整形法的特点 是整形压力较大、对磨床刚性要求高，对树脂结合剂砂轮容易产生过整形。
2） 低碳钢磨削整形
低碳钢磨削整形是利用CBN砂轮磨削低碳钢时形成的流状切屑来刮除结合剂，达到整形目的。该方法又可分为单滚筒法和双滚筒法。双滚筒法是利 用两个滚筒的速度差实现平稳整形，可提高整形质量。低碳钢磨削整形的特点是修整效率及修整精度较低、磨粒脱落较多、整形质量不稳定。
3） 杯形砂轮整形
日本东京大学的庄司克雄研制的杯形砂轮修整器将修整进给变为切入进给，提高了修整精度。采用杯形砂轮对CBN陶瓷砂轮整形后，CBN砂轮的表面磨粒产生微小破碎，具有良好的容屑槽和尖锐的切刃。杯形砂轮对CBN砂轮的整形效果优于采用金刚石砂轮的整形效果。
4） 金刚石滚轮整形
金刚石滚轮是采用电镀法或粉末冶金法将金刚石颗粒固结在金属基体的圆周表面上制成的高效成型修整工具，其修整机理是通过金刚石滚轮与CBN 砂轮的旋转运动之间产生的相对运动来实现砂轮整形。修整进给量ar和修整速比q（q＝vr/vs，vr为金刚石滚轮线速度，vs为CBN砂轮线速度）对修 整后CBN砂轮的磨削性能有重要影响。采用较大修整速比q＝修整后的CBN砂轮磨削力较小，但工件表面粗糙度较大。采用较大修整进给量ar修整后的砂轮较 锋利。S．Malkin 等人认为，金刚石滚轮整形法的修整机理和修整后砂轮的磨削性能主要由CBN砂轮磨粒轨迹与金刚石磨粒运动轨迹之间的夹角（干涉角d）控制，d 越大，修整力越小，但修整后的砂轮表面较粗糙。中速比的选择范围为q＝0．4～0．7，精密磨削时应选取速比q<－1．0，具体数值应根据磨削粗糙 度要求和砂轮特性确定，例如磨削精密氧化锆零件时可采用速比q<－1．0 修整CBN陶瓷砂轮，这样可获得较低的粗糙度（Ra＝0．06µm）和较高的圆度（0．6µm）。
金刚石滚轮整形法的主要优点是结构简单、滚轮耐用度高、能同时在砂轮全宽度上进行修整、修整时间短、修整力小、能复制特定的砂轮轮廓（尤其 对复杂型面砂轮具有准确的复
形能力）、适用于自动化生产。该方法在有载或无载情况下均可使用，可使修整时间与其它加工辅助时间交叉重合。
2．4 电加工整形法
电加工整形法只能用于金属结合剂砂轮，主要有电解法、电火花法等。电解法用于整形相对比较困难。
电火花整形法是利用旋转砂轮与工具电极之间产生脉冲火花放电的电腐蚀现象来蚀除砂轮表面的金属结合剂，以达到整形和修锐目的。在电火花整形 过程中，砂轮与工具电极间产生的电火花放电脉冲在砂轮表面形成放电凹坑，在重复放电过程中，放电凹坑相互重叠，逐渐将砂轮修整到所需形状。电火花修整的特 点是加工力小、适于小直径和极薄砂轮的修整；如配以高精度电极和合理的放电参数，可方便地实现对成型砂轮的快速、高精度整形。
3 CBN砂轮的修锐方法
常用的CBN砂轮修锐方法有自由磨粒修锐法、固结修锐工具修锐法、电加工修锐法、激
光修锐法等。
3．1 自由磨粒修锐法
1） 气体喷砂修锐
以碳化硅、刚玉或玻璃珠等游离磨粒作为修锐介质，用压缩空气将修锐介质高速喷射到转动的CBN砂轮表面，以去除部分结合剂，形成切削刃，达 到修锐砂轮的目的。采用气体喷砂修锐法时，应正确选择磨料粒径、喷射压力和修锐时间。例如用粒径为100～150µm 的玻璃珠，以60～70KPa 的压力（或用粒径50µm 的WA 颗粒，以100～140KPa 压力）对CBN砂轮进行喷砂修锐，只需数分钟即可获得满意的修锐效果。
2） 超声振动修锐
被修砂轮以一定速度旋转，将超声振动修锐装置调整到谐振状态，按一定频率和振幅作超频纵向振动。将混油磨料（20#机油＋碳化硅或刚玉磨 粒）注入到修锐器与砂轮之间，利用修整元件传递的能量和主动颤振，使游离磨粒直接撞击砂轮表面，对结合剂进行切削去除，使CBN磨粒凸出砂轮表面，获得较 好的修整效果。试验表明，CBN砂轮与修整元件之
间的预留间隙小于游离磨粒平均尺寸的1/2时，间隙大小对修锐效果没有影响。
3） 弹性修锐
将混油磨料注入CBN砂轮与修整元件之间，由旋转的砂轮带动混油磨料通过砂轮与修整元件的间隙，游离磨粒挤研CBN砂轮上的结合剂以达到修 锐目的。当游离磨粒碰到硬质点CBN磨粒时，可以转向或退让，而专门切削和挤研软质点结合剂，同时修整过程中修整元件的自然颤振也增强了修整效果。弹性修 锐法能有效修锐CBN砂轮，而不会破坏砂轮的形状精度，可以通过选择修整磨粒的平均尺寸，较准确地控制CBN磨粒的凸出高度。弹性修锐法常用于树脂结合剂 CBN砂轮的修锐。
4） 游离磨粒挤压修锐
利用压力（也可不用压力）将碳化硅或刚玉磨粒注射到CBN砂轮与钢修整轮之间，二者间隙应小于磨粒平均直径。游离磨粒挤研CBN砂轮上的结合剂，使砂轮磨粒凸出结合剂表面，达到修锐目的。用该法修锐树脂结合剂CBN砂轮时，初始磨损较大，磨削比较低。
5） 液压喷砂修锐
该方法是利用高压液体和磨粒的运动达到去除砂轮表面结合剂的目的。高压泵以约15MPa的压力和20 l/min的流量输出冷却液，冷却液进入旋涡室形成负压，并从侧孔吸入大量空气和修锐介质（碳化硅或刚玉游离磨粒），与冷却液混合后，通过陶瓷喷嘴以一定 速度和倾角a喷射到转动的CBN砂轮表面。
用金刚石滚轮对CBN砂轮整形后再进行液压喷砂修锐（修锐时间为30 秒），可获得良好的修锐效果。若砂轮仅进行整形，砂轮表面粗糙度为10～15µm；若整形后再进行液压喷砂修锐，则砂轮表面粗糙度可增大到 30～35µm。比较修锐后的表面粗糙度及CBN磨粒的平均直径，可知CBN砂轮表面磨粒间的结合剂去除量约占CBN磨粒直径的一半。若单独增加修锐时 间，会导致更多结合剂被去除，易使CBN磨粒脱落，因此修锐时间不宜超过极限修锐时间。
液压喷砂修锐是一种高效修锐方法，可在短时间内获得满意的修锐效果。用金刚石滚轮整形的同时进行液压喷砂修锐可减少金刚石滚轮的磨损。在磨削过程中同时进行液压喷砂修锐可增加金属切除率。
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