ELID磨削工藝控制研究*

寧生科，柯 鐳

(西安工業(yè)大學(xué),陜西 西安 710021)

ELID磨削工藝控制研究*

寧生科，柯 鐳

(西安工業(yè)大學(xué),陜西 西安 710021)

砂輪表面氧化膜的形成規(guī)律與特性對ELID超精密磨削質(zhì)量有著重要的影響。研究在ELID磨削中氧化膜的形成規(guī)律,基于電化學(xué)基本原理,模擬砂輪表面氧化膜形成過程,并分析金剛石砂輪電解預(yù)修整過程中氧化膜的生長規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,總結(jié)出控制氧化膜生長的幾個主要因素之間的關(guān)系，分析和確定氧化膜生長厚度與電壓之間的關(guān)系，應(yīng)用循環(huán)結(jié)構(gòu)編程設(shè)計實現(xiàn)ELID磨削工藝控制。

ELID磨削, 電解在線砂輪修整, 金剛石砂輪，工藝控制，程序設(shè)計

1 引 言

ELID(Electrolytic In-process Dressing)技術(shù)是在1987年由日本物理化學(xué)研究所的大森整等人首次提出的一種磨削新工藝，其基本原理是利用在線電解作用對金屬基砂輪進行修整[1-4]。具體的磨削過程是在砂輪(陽極)和金屬電極(陰極)之間澆注電解磨削液，砂輪接直流脈沖電源的正極，金屬電極接直流脈沖電源的負(fù)極，由此構(gòu)成電解系統(tǒng)。在電場的作用下，作為陽極的砂輪金屬結(jié)合劑發(fā)生溶解而被逐漸去除，因而磨粒凸出砂輪表面，由于同時在砂輪表面生成不導(dǎo)電的氧化膜，阻止了電解對陽極金屬砂輪的進一步溶解使得砂輪不會過度磨損。通過控制脈沖電源的電壓輸出，從而使得磨粒處于工作需求的狀態(tài)[5-9]。

ELID超精密磨削原理如圖1所示。其特點在于對砂輪進行陽極在線修整，增大容屑空間，使砂輪在磨削過程中處于最佳磨削狀態(tài)。在工業(yè)現(xiàn)場中沒有一個通用的工藝控制模型，筆者將基于ELID預(yù)修整工藝的金屬結(jié)合劑金剛石砂輪表面氧化膜形成的現(xiàn)象進行分析和研究，確定出一個單因素通用的工藝控制模型并最終實現(xiàn)對其的控制[10-14]。

圖1 ELID超精密磨削原理

2 控制模型

實際上在ELID磨削修整過程中,氧化膜的電阻值一直隨著氧化膜厚度的變化而改變，根據(jù)歐姆定律基本公式：I=U/R，變換得到：R=1/I*U=K1U(令K1=1/I)。再根據(jù)電阻定律基本公式：R=ρL/s(式中：ρ為制成電阻的材料電阻率，L為繞制成電阻的導(dǎo)線長度，s為繞制成電阻的導(dǎo)線橫截面積。)，結(jié)合實際令L=h將其變換得到：R=ρ/s×h=K×h(式中常數(shù)K=ρ/s；ρ為氧化膜電阻率；s為氧化膜與工件有效接觸面積。)。

綜合上述歐姆定律的變換公式和電阻定律的變換公式可得到電壓與氧化膜厚度之間的確定關(guān)系：K1U=K×h，變換整理得到U=K/k1×h，從理論上確立了電壓值與氧化膜厚度之間的關(guān)系。

為了確定K1值的大小，根據(jù)法拉第電解定律第一定律和第二定律可以得到陽極理論溶解質(zhì)量m，陽極理論溶解體積V0以及通過變換得到去除陽極材料厚度h。

陽極理論溶解質(zhì)量：

(1)

陽極理論溶解體積：

(2)

去除陽極材料厚度：

(3)

式中:M為摩爾質(zhì)量(原子質(zhì)量)；I為電流強度；t為通電時間；F為法拉第恒量(F=9.65×10 000 C/mol)；z為化合價；ρ0為陽極材料的密度；Aa為陽極有效傳導(dǎo)區(qū)面積。

根據(jù)式(3)，當(dāng)給定一個氧化膜厚度值h，就可以確定一個電流值I，即I=ρ0zFAa/Mt×h，也可以得出K1的值，即K1=1/I=Mt/ρ0zFAah。

已知K=ρ/s以及電壓與氧化膜厚度之間的確定關(guān)系：U=K/k1×h，從而確定出ELID磨削工藝控制模型[15-20]，即:u=ρρ0zF/Mt。

式中:u=︱U-U0︱，U為真實輸出電壓，U0為起始點電壓。

3 控制策略

根據(jù)ELID磨削工藝控制模型需求，借助Java平臺設(shè)計程序結(jié)構(gòu)[21]，循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計圖

具體程序內(nèi)容如下：

import java.io.IOException;

import java.util.Scanner;

public class GetPath {

/**

* @param args

*/

public static void main(String[] args) {

//數(shù)組緩沖

……

return ss;

}

}

4 控制結(jié)果

采用計算機與Java平臺進行了控制模型驗證。圖3為ELID磨削工藝控制模型驗證結(jié)果,可以看出當(dāng)給定相關(guān)的參數(shù)值，就可以得到與輸入氧化膜厚度一致且唯一的電壓值,表明建立的ELID磨削工藝控制模型和控制策略都是正確的,可用于研究ELID磨削工藝控制過程。

圖3 控制模型驗證結(jié)果

5 結(jié) 語

控制模型驗證結(jié)果表明,該文建立的工藝控制模型和控制策略能正確描述ELID磨削砂輪預(yù)修整過程中，氧化膜厚度與單一影響因子電壓之間的確定關(guān)系，并由此可實現(xiàn)對氧化膜厚度的控制。

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ELID Grinding Process Control Research

NING Sheng-ke, KE Lei

(Xi′anTechnologicalUniversity,Xi′anShaanxi710021，China)

Forming regularity and characteristics of grinding wheel surface oxide film has important influence to the quality of ELID ultra-precision grinding. The formation of oxide film in ELID grinding is studied.Based on the basic principle of electrochemical, simulation of forming process of grinding wheel surface oxide film is done, and the grow process law of the oxide film of diamond wheel electrolytic dressing is analyzed.On this basis, the main factors that controling the growth of the oxide film is sum up and the relationship between the thickness of growth of oxide film and the voltage is analyzed and determined, then programming design is used to realize ELID grinding process control.

ELID grinding, pre-dressing, diamond grinding wheel, process control, program design

2013-11-22

陜西省科技攻關(guān)項目(項目編號2009K07-18)

寧生科(1964- )，男，陜西禮泉人，教授，主要從事機械制造及自動化、模具設(shè)計與制造、精密加工技術(shù)等領(lǐng)域的研究工作。

TH16

A

1007-4414(2014)01-0060-02