軸承套圈內(nèi)圓在線電解修整磨削試驗

楊黎健 任成祖 靳新民

天津大學天津市先進制造技術與裝備重點實驗室，天津，300072

0 引言

在軸承工業(yè)中，軸承內(nèi)外圈滾道和滾子的工作表面經(jīng)常需要經(jīng)過研磨和拋光工藝來獲得較小的表面粗糙度和波紋度，以減小軸承工作時的噪聲和振動，然而這些方法將增加設備的投資且延長加工的時間，因此高效率的精加工是非常重要的。在線電解修整（electrolytic in－process dressing，ELID）磨削技術具有效率高、加工精度高及適應加工材料廣等特點，被廣泛應用于各種金屬和非金屬硬脆材料的加工，具有廣闊的應用前景。然而，相對軸承外圓的磨削來說，內(nèi)圓ELID磨削較為困難，其主要原因是受磨削空間的限制，砂輪電解修銳存在著一定問題，目前僅可以采用ELID斷續(xù)修銳方式。筆者通過改進砂輪的修銳方式，將導電的金屬工件直接作為電解陰極，實現(xiàn)了ELID內(nèi)圓磨削過程中鑄鐵基CBN砂輪的連續(xù)修銳，保證了磨削過程的穩(wěn)定。

1 ELID磨削的原理

圖1是ELID磨削原理示意圖。金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪與電源正極相接做陽極，工具電極做陰極，在砂輪和電極間有電解磨削液。針對金屬結(jié)合劑金剛石砂輪或CBN砂輪難于修整的特點，ELID磨削利用電解的方法連續(xù)修整砂輪來獲得恒定的出刃高度和良好的容屑空間。同時，隨著電解過程的進行，砂輪表面逐漸形成一層氧化膜，從而阻止電解過程繼續(xù)進行，使砂輪損耗不致太快。當砂輪表面的磨粒磨損后，氧化膜被工件表面的磨屑刮擦去除，電解過程得以繼續(xù)進行。上述過程循環(huán)進行，既避免了砂輪過快消耗，又能自行保持砂輪表面的磨削能力[1－3]。

圖1 ELID磨削原理

2 ELID內(nèi)圓磨削方式

文獻[4-5]介紹了一種ELID內(nèi)圓磨削的方法，如圖2所示。該方法采用了ELID的斷續(xù)修銳方式，即在磨削的過程中要不時地移出工件，以對砂輪進行電解修銳，這不但效率很低，而且需要一套復雜的電解修整裝置。筆者在此基礎上，嘗試利用可導電的金屬工件作為電解修整陰極，實現(xiàn)了修銳和磨削的同時進行，如圖3所示。由于電解作用，在ELID磨削過程中鑄鐵基砂輪表面會生成一層不導電的氧化膜，在控制好磨削參數(shù)和電解參數(shù)的基礎上，氧化膜可以阻止磨削過程中電火花的產(chǎn)生，也就防止了工件表面的燒傷。

圖2 ELID內(nèi)圓磨削方式Ⅰ

圖3 ELID內(nèi)圓磨削方式Ⅱ

3 ELID內(nèi)圓磨削試驗

3.1 試驗設備和條件

試驗設備和條件如表1所示。

表1 試驗設備及條件

3.2 磨削過程

一般來說，ELID內(nèi)圓磨削包括以下幾個步驟：①整形，本文采用的是鑄鐵基CBN砂輪，很難用傳統(tǒng)的修整方式對砂輪進行修整，因此這里采用電火花整形的方法對砂輪進行整形；②預修銳，目的是使砂輪表面生成一層不導電的氧化膜，一般預修銳的時間約為30min；③ELID磨削，在磨削過程中，砂輪和電解陰極（工件）直接接觸，為了避免短路和電火花的產(chǎn)生，不宜使用太大的電解參數(shù)，在本試驗中，脈沖電源的開路電壓為60V，占空比為5μs∶5μs。

3.2.1 砂輪的電火花整形

對于鑄鐵基CBN砂輪，由于砂輪結(jié)合劑和磨粒的硬度較高，很難用傳統(tǒng)的整形方法對砂輪進行整形。電火花整形利用砂輪與工具電極之間產(chǎn)生脈沖火花放電的熱量來蝕除砂輪，整形過程不受被加工材料硬度的影響，沒有機械力的作用，廣泛用于金屬結(jié)合劑砂輪以及導電性樹脂結(jié)合劑砂輪的整形[6]。因此，筆者利用該方法對鑄鐵基CBN砂輪進行整形，整形裝置如圖4所示。圖4中，圓盤形的紫銅工具電極接電源負極并通過電木與機床頭架絕緣，鑄鐵基CBN砂輪接電源正極，同樣采取絕緣措施與砂輪架絕緣。整形過程中將去離子水作為放電介質(zhì)。

圖4 電火花整形裝置

以W40鑄鐵基CBN砂輪為例，在開始整形前，砂輪的圓度為56.3μm，此時應采用較大的整形參數(shù)（電壓120V、占空比80μs∶20μs）。整形過程中通過監(jiān)測砂輪的圓度來逐步減小整形參數(shù)。最終使用的整形參數(shù)為電壓60V、占空比20μs：20μs，砂輪整形后的圓度為5.78μm，可以滿足磨削需求，如圖5所示。從圖5可以看出，在整形初期由于砂輪圓度較大，材料去除量也較少，因此圓度下降很快。而到了整形后期，由于圓度較小，材料的去除量增多，因此圓度下降減緩。

圖5 電火花整形過程中砂輪圓度變化

3.2.2 砂輪的預修銳

在開始磨削前，砂輪的基體是導電的，如果直接進行磨削就會造成短路，燒傷砂輪和工件，因此在磨削開始前要進行預修銳。調(diào)整砂輪與工件間的間隙，間隙一般約為0.2mm，電解預修銳30min，使砂輪通過對金屬基體結(jié)合劑的電解去除獲得適當?shù)哪チＭ怀隽亢秃侠淼娜菪伎臻g，同時在砂輪表面生成一層不導電的氧化膜。

3.2.3 內(nèi)圓磨削

在預修銳后開始ELID磨削，工件采用的是使用普通內(nèi)圓磨削后的軸承套圈（表面粗糙度Ra為0.56μm）。由于直接采用導電的金屬工件作為電解陰極，為了避免短路和電火花的產(chǎn)生，故不宜采用太大的磨削參數(shù)和電解參數(shù)。圖6為利用表1所示的磨削設備和條件下ELID磨削過程中采集的電流和電壓的變化曲線圖。隨著磨削的進行，砂輪表面的氧化膜和磨粒被不斷地刮除，使電流升高、電壓降低。但由于電解作用，新的氧化膜又不斷地生成，使磨削去除和電解生成最終達到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。圖6中電流和電壓小范圍內(nèi)上下波動的原因是，工作臺的往復運動使砂輪與工件之間的磨削寬度發(fā)生變化。最后電流穩(wěn)定在1.0～1.5A之間，電壓穩(wěn)定在27～32V之間。由此可見，直接采用導電的金屬工件作為電解陰極的方案是可行的，可以達到和維持穩(wěn)定的磨削過程。

圖6 ELID磨削過程中電壓電流變化曲線

4 磨削結(jié)果及分析

采用上述ELID內(nèi)圓磨削裝置，分別用W40和W10鑄鐵基CBN砂輪對軸承套圈內(nèi)圓進行磨削，磨削后測量材料的去除率并用泰勒輪廓儀測量其表面粗糙度，結(jié)果如表2所示。圖7為ELID磨削后的工件照片。由表2可以看出，隨著砂輪粒度的減小，工件材料的去除率降低，而其表面質(zhì)量獲得了提高。采用ELID磨削技術，砂輪始終保持良好的出刃高度和容屑空間，使斷屑較容易，與普通內(nèi)圓磨削方式相比能夠得到較好的表面質(zhì)量。

表2 工件的粗糙度及去除率

圖7 ELID磨削后的工件照片

5 結(jié)束語

本文采用導電工件作為電解陰極的ELID內(nèi)圓磨削方式，在對鑄鐵基CBN砂輪進行電火花整形后，對軸承套圈內(nèi)圓表面進行ELID磨削試驗。在使用W10砂輪時其表面粗糙度Ra可以達到30nm左右。這種磨削方法與帶有專門修整電極ELID內(nèi)圓磨削方式相比，不但省去了復雜的電解陰極裝置，而且加工后工件表面粗糙度低，可以取代傳統(tǒng)研磨、拋光工藝，一次加工成形，具有廣闊的應用前景。

[1]周曙光，關佳亮，郭東明，等.ELID鏡面磨削技術綜述[J].制造技術與機床，2001（2）：38-40.

[2]Ohmori H，Takahashi I，Bandyopadhyay B P.Ultraprecision Grinding of Structural Ceramics by Electrolytic In－process Dressing（ELID）Grinding[J].Journal of Materials Processing Technology，1996，57（3／4）：272－277.

[3]Lim H S，F(xiàn)athima K，Senthil K A，et al.A Fundamental Study on the Mechanism of Electrolytic Inprocess Dressing（ELID）Grinding[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2002，42（8）：935－936.

[4]關佳亮，袁哲俊，張飛虎.ELID精密鏡面內(nèi)孔磨削技術的應用[J].制造技術與機床，1998（1）：25－26.

[5]Qian J，Li W，Ohmori H.Precision Internal Grinding with a Metal－bonded Diamond Grinding Wheel[J].Journal of Materials Processing Technology，2000，105（1／2）：80－86.

[6]高大曉，任成祖，王志強，等.鑄鐵基金剛石微粉砂輪的電火花整形試驗[J].天津大學學報，2007，40（5）：584－588.