金剛石磨頭電火花車削修整技術(shù)研究

干為民，靳現(xiàn)濤，2，王祥志，褚輝生，徐波，趙海棟，2

（1.常州工學(xué)院江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213002；2.河海大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇常州213022）

金剛石磨頭電火花車削修整技術(shù)研究

干為民1，靳現(xiàn)濤1，2，王祥志1，褚輝生1，徐波1，趙海棟1，2

（1.常州工學(xué)院江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213002；2.河海大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇常州213022）

工具的精確設(shè)計(jì)和修整是電解加工的研究難點(diǎn)之一。由于特殊的制造工藝，銅基燒結(jié)金剛石磨頭存在較大的圓跳動(dòng)誤差。為減小圓跳動(dòng)誤差，需對(duì)金剛石磨頭進(jìn)行修整。為此，提出了一種新的修整方法——電火花車削修整技術(shù)。利用該技術(shù)，可將金剛石磨頭的圓跳動(dòng)誤差修整到0.003 mm。利用已修整的金剛石磨頭和未修整的金剛石磨頭分別對(duì)304不銹鋼進(jìn)行電解磨削，通過(guò)宏觀和微觀對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用電火花車削修整的磨頭磨削精度高，加工誤差小，且加工表面均勻，表面粗糙度值低、質(zhì)量好。

電火花加工；車削；磨頭修整；電解磨削

金剛石磨頭因結(jié)合強(qiáng)度高、把持力強(qiáng)等特點(diǎn)，在機(jī)械加工領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，用作電解磨削的高溫?zé)Y(jié)金剛石磨頭因自身成形工藝的原因，成品存在較大的圓跳動(dòng)誤差，降低了電解磨削的加工精度，制約了其在電解磨削加工領(lǐng)域的應(yīng)用。針對(duì)上述問(wèn)題，許多學(xué)者在金剛石磨頭修整方面進(jìn)行了大量的研究，相繼提出了金剛石筆車削修整法［1］、滾壓修整法［2］、磨削修整法［2］等。金剛石筆車削修整法把金剛石磨粒和結(jié)合劑同時(shí)去除，這樣修整的磨頭表面較光滑，但由于磨粒未得到修銳，導(dǎo)致磨頭磨削性能差，形狀及尺寸精度也不高。滾壓修整法修整壓力大，修整效率及修整精度低，工作面損傷嚴(yán)重，且對(duì)機(jī)床剛度要求較高，加工成本大。磨削修整法利用碳化硅或白剛玉進(jìn)行磨削，修整精度高，但磨削過(guò)程中發(fā)熱量大，導(dǎo)致砂輪易粘結(jié)。

針對(duì)傳統(tǒng)金剛石磨頭修整中存在的問(wèn)題，本文提出了電火花車削復(fù)合加工方法。采用電火花去除銅基材料，通過(guò)機(jī)械車的方式對(duì)磨頭進(jìn)行修形，完成對(duì)金剛石磨頭的修整。同時(shí)建立了電火花車削修整加工機(jī)理模型，并進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 金剛石磨頭電火花車削修整技術(shù)

電火花車削修整技術(shù)是利用電火花原理［3］和車削原理綜合而成的一門新技術(shù)，彌補(bǔ)了電火花加工中工具受損而影響加工精度的缺陷，且試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、加工效率高、工件表面質(zhì)量好。

電火花車削修整技術(shù)所使用的試驗(yàn)裝置示意圖和加工裝置實(shí)物圖見(jiàn)圖1和圖2。其工作原理為:利用水泵將工作液以一定壓力供入加工間隙，工具和金剛石磨頭分別連接電源的負(fù)極和正極，在脈沖電源作用下實(shí)現(xiàn)火花放電，機(jī)床主軸帶動(dòng)磨頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并保持進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，通過(guò)千分表在線顯示金剛石磨頭的圓跳動(dòng)誤差。

圖1 電火花車削修整裝置示意圖

圖2 加工裝置實(shí)物圖

金剛石磨頭電火花車削修整技術(shù)試驗(yàn)原理圖見(jiàn)圖3。其加工原理為:金剛石磨頭在機(jī)床主軸的帶動(dòng)下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并向工具做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不銹鋼薄片電極通過(guò)平口鉗固定在工作臺(tái)上。磨頭在上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)把磨頭最高的凸起部分蝕除掉，同時(shí)不銹鋼薄片電極也會(huì)受損，受損后的表面露出新的不銹鋼，和先前的工具形狀一致，這樣就保證了修整精度和修整效率。整個(gè)磨頭在不斷地向工具進(jìn)給且上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)得到完整的修整。試驗(yàn)過(guò)程中，金剛石磨頭通過(guò)電刷連接電源的正極，不銹鋼工具連接電源的負(fù)極。加工過(guò)程中不斷地向加工區(qū)域噴射工作液。

圖3 金剛石磨頭電火花修整原理圖

2 電火花車削修整機(jī)理

電火花車削修整金剛石磨頭過(guò)程中，在高頻脈沖電壓作用下，修整電極和金剛石磨頭之間的最小間隙處擊穿介質(zhì)，在該局部產(chǎn)生火花放電［4］。在火花放電作用下，金剛石磨頭表面銅基結(jié)合劑去除機(jī)理模型見(jiàn)圖4。火花放電發(fā)生在修整電極與金剛石磨頭之間，如果該局部放電功率密度足夠高［5］，產(chǎn)生的瞬間高溫能使銅基結(jié)合劑熔化，脫離金剛石磨頭，這樣，金剛石磨頭表面圓跳動(dòng)誤差大的地方的材料不斷被蝕除。修整電極相對(duì)于金剛石磨頭不斷地向右進(jìn)給，且來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，金剛石磨頭表面的結(jié)合劑不斷地被去除。由于金剛石的不導(dǎo)電性，火花放電不發(fā)生在金剛石上面，但金剛石磨粒會(huì)隨著銅基結(jié)合劑的消失而變得鋒利，達(dá)到修銳的目的。如果結(jié)合劑過(guò)多的消失，也會(huì)導(dǎo)致金剛石磨粒的剝落，最終達(dá)到修整的目的。

圖4 金剛石磨頭修整去除模型

3 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)加工條件見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，加工電壓為80 V，電流為2～3 A，千分表測(cè)得的磨頭初始圓跳動(dòng)誤差為0.18 mm，磨頭直徑為8.0 mm，主軸轉(zhuǎn)速為2500 r/min，加工時(shí)間為2 min，每次進(jìn)給0.02 mm。經(jīng)過(guò)一次加工后，圓跳動(dòng)誤差減少到0.09 mm，效果明顯。在第一次加工的基礎(chǔ)上進(jìn)行第二次加工，加工電壓仍為80 V，將主軸轉(zhuǎn)速提高到3000 r/min，每次進(jìn)給0.02mm，加工時(shí)間2min。試驗(yàn)結(jié)束后，用千分表測(cè)得圓跳動(dòng)誤差減小到0.003 mm，而磨頭的磨損量減少0.2 mm，修整后的直徑為7.80 mm，達(dá)到了試驗(yàn)要求。

表1 加工條件

經(jīng)過(guò)兩次試驗(yàn)，利用電火花車削技術(shù)把金剛石磨頭的圓跳動(dòng)誤差修整到0.003mm。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電火花修整效率高，試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、成本低，工件磨損量小，不銹鋼工具損耗小，可連續(xù)使用。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)研究與結(jié)果分析

4.1 驗(yàn)證試驗(yàn)研究

304不銹鋼具有熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性及耐磨性好的特點(diǎn)，綜合性能較全面，廣泛應(yīng)用在航空、航海、汽車配件等領(lǐng)域。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，人們對(duì)其加工精度及加工效率的要求越來(lái)越高。但由于其韌性較大、彈性模量低的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的磨削存在發(fā)熱量大、磨粒易磨鈍及表面粗糙度值大的問(wèn)題［6］。本文選擇電解磨削304不銹鋼，一方面驗(yàn)證電火花修整金剛石磨頭的效果，另一方面對(duì)提高304不銹鋼的加工精度和磨削效率具有重要意義。

利用已修整的磨頭和未修整的磨頭分別電解磨削2個(gè)相同的304不銹鋼半圓槽，圓槽直徑為7.75mm。電解磨削是電解作用與機(jī)械作用相結(jié)合的一種復(fù)合加工。在脈沖電源作用下，工件表面金屬由于電解作用生成離子化合物和鈍化膜。鈍化膜不斷地被磨頭刮除，使新的金屬表面露出，繼續(xù)產(chǎn)生電解作用，工件材料不斷地被去除，從而達(dá)到磨削的目的。與電解加工相比，電解磨削精度高、表面粗糙度值小，且電解磨削的效率也比機(jī)械磨削高。

實(shí)驗(yàn)選用成本較低、加工精度高、腐蝕性小的NaNO3溶液作為電解液，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。加工電源采用高頻脈沖電源。電解磨削試驗(yàn)裝置和修整試驗(yàn)裝置一致，都在同一臺(tái)加工機(jī)床上進(jìn)行，這樣就避免了重復(fù)安裝金剛石磨頭帶來(lái)的誤差。不銹鋼工件用平口鉗固定，連接電源的正極；金剛石磨頭通過(guò)電刷連接脈沖電源負(fù)極。加工過(guò)程中不斷向加工區(qū)域噴射電解液。電解加工參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 電解加工參數(shù)

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

磨頭修整后的直徑為7.8 mm，半圓槽直徑為7.75mm。為了提高加工精度和磨削后的表面質(zhì)量，把電解磨削深度選定為0.025 mm，這樣，磨頭的中心和半圓槽的圓心正好重合，保證加工后的表面是完整的半圓面，同時(shí)能準(zhǔn)確對(duì)比兩者之間的變化。首次加工過(guò)程較穩(wěn)定，磨削聲音小，有火花產(chǎn)生。加工完畢后，換上未修整的金剛石磨頭磨削另一個(gè)半圓槽，加工參數(shù)和時(shí)間與前者一致。試驗(yàn)過(guò)程中，磨削聲音較大，明顯觀察到磨頭的圓跳動(dòng)較大，聲音忽有忽無(wú)、不穩(wěn)定。

加工完成后，比較2個(gè)半圓槽在加工前、后的變化。加工前，半圓槽的直徑為7.75mm。如圖5所示，右邊半圓槽是用已修整的金剛石磨頭加工后的照片，測(cè)量其直徑為7.87 mm，變化量為0.12 mm。由于電解作用，變化在合理范圍內(nèi)，且加工表面較均勻。左邊是用未修整的磨頭加工后的照片，測(cè)量半圓槽直徑為8.13 mm，最大變化量為0.38 mm，且加工表面凹凸不平，形狀已變形，磨削痕跡忽有忽無(wú)，部分表面磨削過(guò)深，部分表面沒(méi)有磨削到。顯然，變化范圍較大，誤差也較大，加工表面質(zhì)量差。

圖5 電解磨削后照片

用粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)得未修整磨頭磨削后的表面粗糙度為Ra2.82μm，表面粗糙度值較大，質(zhì)量較差。已修整磨頭加工后的表面粗糙度為Ra0.64μm，表面粗糙度值小，光潔度高，形狀完整，未變形。

比較宏觀變化后，在金相顯微鏡下觀察其微觀結(jié)構(gòu)。圖6和圖7是在金相顯微鏡下放大100倍的照片。從圖6可明顯觀察到已修整的金剛石磨頭加工的表面較均勻，表面亮度高，修銳效果好，表面都已加工到。從圖7可看出，未修整的金剛石磨頭加工的表面不均勻，部分表面未加工到，表面質(zhì)量差。

圖6 用已修整磨頭加工的表面

圖7 用未修整磨頭加工的表面

5 結(jié)論

（1）本文提出了電火花車削修整技術(shù)。利用該技術(shù)成功修整金剛石磨頭，并將其圓跳動(dòng)誤差修整到0.003mm以下。

（2）通過(guò)試驗(yàn)得到電火花車削修整金剛石磨頭

Research on the Technology of EDM Cutting Finishing the Diamond Grinding Head

Gan Weimin1，Jin Xiantao1，2，Wang Xiangzhi1，Chu Huisheng1，Xu Bo1，Zhao Haidong1，2
（1.Jiangsu Key Laboratory of Digital Electrochemical Machining，Changzhou Institute of Technology，Changzhou 213002，China；2.HoHai University，Changzhou 213022，China）

The precise design and finishing of tools is one difficulty of the research on ECM. Because of the special manufacturing process in molding of diamond grinding head，there is a big circular runout error.In order to decrease circular runout error，dressing diamond grinding head is need.Therefor，a new finishing method of EDM cutting finishing technology had come up.Use this technology，finishing circular runout error to 0.003 mm.Use the grinding head that have done and the original grinding head to ECG 304 stainless steal.The results showed as follows，through macro and micro contrast found that the grinding head that use EDM cutting finishing technology turning precision is high，the machining error is small，and the processing surface evenly，small roughness and good surface quality.

EDM；turning；dressing the grinding head；electrochemical grinding

TG661

A

1009－279X（2015）01－0050-04

2015-01-09

江蘇省科技支撐項(xiàng)目（BE2014051）

干為民，男，1960年生，教授。