剪毛刀片齒形電解機(jī)械復(fù)合磨削設(shè)備研制

盧高峰，吳 強(qiáng)，許慶平，吳國(guó)興

（蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司，江蘇蘇州215011）

某型剪毛刀片材料為Cr04或Cr06，共有13個(gè)齒，且齒形細(xì)長(zhǎng)（圖1）。加工該刀片時(shí)，除了有對(duì)齒形的規(guī)定外，還有對(duì)“后角”的要求。雖然傳統(tǒng)的成形機(jī)械磨削工藝可以采用，但由于砂輪形狀非常薄，磨削時(shí)砂輪損耗極快，導(dǎo)致刀齒形狀很快失真，無(wú)法使用。另一種普遍的刀片制造工藝為：成形銑刀精銑齒槽后，通過(guò)手工研磨最后成形，但同樣存在加工效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、產(chǎn)品一致性差的問(wèn)題。

為了滿足用戶降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高加工質(zhì)量和效率的迫切需求，課題組通過(guò)技術(shù)革新，研究出了齒形加工新工藝，即：先對(duì)刀片進(jìn)行粗銑，再用數(shù)控電解機(jī)械復(fù)合方法直接磨削成形。為此，研制了一臺(tái)剪毛刀片齒形電解機(jī)械復(fù)合專用磨床，同時(shí)提供一臺(tái)金剛石砂輪修整機(jī)配套使用。該設(shè)備的加工原理為：采用12片組合金屬基金剛石砂輪作為復(fù)合刀具和電極，并安裝于磨頭上，與電解電源負(fù)極連接，作為陰極（圖2）；剪毛刀片工件與電解電源正極連接，作為陽(yáng)極；當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的金屬結(jié)合劑金剛石砂輪與刀片接觸后，砂輪表面突出的磨料顆粒使砂輪導(dǎo)電基體與工件之間保持一定的間隙，電解液快速流過(guò)后即形成電解回路，此時(shí)，剪毛刀片陽(yáng)極溶解，表面瞬間生成鈍化膜，阻止電解加工的進(jìn)一步進(jìn)行，同時(shí)磨料顆粒又將鈍化膜刮除，使新的金屬表面露出，繼續(xù)進(jìn)行電解加工；周而復(fù)始，電解和機(jī)械磨削交替進(jìn)行，達(dá)到加工剪毛刀片齒形的目的。由于鈍化膜的硬度遠(yuǎn)比金屬本身低，磨削鈍化膜時(shí)幾乎不損耗砂輪，故可大大延長(zhǎng)砂輪的使用壽命。

圖1 剪毛刀片

1 機(jī)床結(jié)構(gòu)

剪毛刀片齒形電解機(jī)械復(fù)合磨床由機(jī)床主機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)、直流電源及工作液系統(tǒng)四大部分組成。各部分的協(xié)調(diào)運(yùn)行由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一管理，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、可靠的加工控制。

圖2 剪毛刀片加工陰極

1.1 總體結(jié)構(gòu)

機(jī)床主機(jī)由床身、絕緣工作臺(tái)、XYZ軸運(yùn)動(dòng)部件、立柱及磨頭主軸組成（圖3）。XY軸帶動(dòng)工作臺(tái)做水平運(yùn)動(dòng)，立柱上的Z軸帶動(dòng)磨頭主軸做上下運(yùn)動(dòng)，該磨頭主軸水平懸掛固定在主軸箱體的下方，其旋轉(zhuǎn)軸線與Y軸平行。所有直線運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)均由交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿實(shí)現(xiàn)，磨頭主軸的旋轉(zhuǎn)由交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)變頻器調(diào)速。絕緣工作臺(tái)由防腐、絕緣效果良好的花崗巖制成，用于安裝剪毛刀片工裝。

圖3 機(jī)床結(jié)構(gòu)總圖

1.2 關(guān)鍵部件

1.2.1 磨頭主軸

磨頭主軸結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4?？紤]到電解機(jī)械復(fù)合磨削力小于純機(jī)械磨削力，故磨頭主軸前后支撐采用雙聯(lián)角接觸軸承，具有較高的轉(zhuǎn)速和運(yùn)行精度。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)大電流、低電阻、低溫升地向高速旋轉(zhuǎn)的磨削砂輪饋電，磨頭主軸采用了16個(gè)高性能的徑向碳刷向電樞進(jìn)電的方式，經(jīng)實(shí)際使用檢測(cè)，完全能滿足使用要求。

1.2.2 工裝（夾具）

如圖5所示，5～10片刀片呈一定的角度安裝在絕緣工作臺(tái)上，并由快速壓板固定。當(dāng)?shù)镀捌阢娤鞯凝X槽在寬度和高度方向的位置精度一致性較差時(shí)，可先期檢測(cè)出每片刀片的偏差數(shù)據(jù)，并輸入數(shù)控系統(tǒng)，當(dāng)砂輪每磨到一個(gè)工位的刀片時(shí)，自動(dòng)調(diào)整Y軸和Z軸的位置，實(shí)現(xiàn)最小和最均勻余量磨削，延長(zhǎng)砂輪使用壽命。

圖4 磨頭結(jié)構(gòu)圖

圖5 刀片工裝結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 陰極電極

磨削刀片時(shí)，必須根據(jù)刀片齒形制作成形砂輪（即陰極電極），同時(shí)需考慮刀片后角的要求，并根據(jù)刀片安裝位置與絕緣工作臺(tái)面的角度，計(jì)算出刀片齒形的曲線在垂直面的投影。然后，用電火花線切割機(jī)割出與刀片齒形曲線投影鑲嵌 （凹凸相反）的車刀，并將車刀置于配套的金剛石砂輪修整機(jī)上，加工出與刀片齒形一致的石墨輪電極；再利用電火花加工反拷出磨削剪毛刀片的金剛石砂輪齒形，即可完成陰極電極的制作。

1.2.4 電解液

電解液采用電解成形精度較高的NaNO3水溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為15%）。工作液系統(tǒng)帶有雙重過(guò)濾功能，由于兩極間隙很小，雙重過(guò)濾能確保不會(huì)將先前的磨削產(chǎn)物帶入加工區(qū)域，阻塞電解通道。同時(shí)，系統(tǒng)配備了大功率的工作液主泵，可在加工過(guò)程中為放電間隙提供強(qiáng)大的工作液流量，使加工表面快速生成鈍化膜，并及時(shí)帶走熱量和磨削產(chǎn)物。

1.2.5 加工參數(shù)

由法拉第定律得知，電解加工時(shí)陽(yáng)極金屬溶解或析出物質(zhì)的量與通過(guò)的電流強(qiáng)度、通過(guò)電流的時(shí)間、被電解金屬的電化學(xué)當(dāng)量及電流效率有關(guān)，即：

式中：M為工件陽(yáng)極溶解的質(zhì)量；I為電解電流；K為被電解金屬的電化學(xué)當(dāng)量；t為電解加工時(shí)間；η為電解電流效率，它與加工材料、電解液成分有關(guān)。

由式（1）可知，金屬蝕除量與電解電流、通電時(shí)間成正比。電解加工考慮間隙對(duì)應(yīng)面積，陽(yáng)極金屬溶解速度取決于單位面積電場(chǎng)強(qiáng)度（即電流密度）：

式中：i為電流密度；U為電解電壓；ρ為電解液電阻率；△為兩極間加工間隙?？梢?jiàn)，電流密度與電解電壓成正比，與電解液濃度和加工間隙成反比。在正常加工中，ρ、△變化不大，故電流密度的大小直接取決于電壓的高低。但在增加電流密度的同時(shí)，電壓也隨之增大，因此，應(yīng)以不擊穿加工間隙、不引起火花放電、不造成局部短路為度。

在電解加工過(guò)程中，電場(chǎng)使陽(yáng)極金屬快速溶解，生成的氧化物和氫氧化物吸附在工件表面，從而形成鈍化膜 （即氧化膜），減弱了陽(yáng)極金屬的溶解。通過(guò)金剛石成形砂輪機(jī)械磨削撕開(kāi)鈍化膜，陽(yáng)極金屬得以繼續(xù)溶解，金剛石砂輪機(jī)械磨削和電解加工則交替進(jìn)行。由于電解加工速度比機(jī)械磨削快2～3倍，所以機(jī)械磨削作用只是撕開(kāi)電解過(guò)程中形成的鈍化膜，約占復(fù)合磨削總量的10%。經(jīng)反復(fù)的工藝試驗(yàn)獲得了較合適的電解加工工藝參數(shù)：電壓18 V、電流550 A、工具進(jìn)給速度10 mm/min。

2 數(shù)控系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)的構(gòu)成及功能

機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)主機(jī)通過(guò)接口電路（I/O）控制外接部件，同時(shí)把受控部件工作狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋給計(jì)算機(jī)，接口電路具有定時(shí)中斷控制功能，支持電路板即插即用。通過(guò)中斷，計(jì)算機(jī)不斷讀取受控部件輸入口，采集各交流伺服電機(jī)控制器接口信息及工作臺(tái)絕對(duì)位置信號(hào)輸入接口的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)保存絕對(duì)位置數(shù)據(jù)，并具有斷電記憶功能。

計(jì)算機(jī)主機(jī)根據(jù)各輸入接口讀取的信息，用高分辨率彩色顯示器顯示各運(yùn)動(dòng)軸機(jī)械坐標(biāo)和工作坐標(biāo)、直流電源電壓和電流、各軸驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)、液泵及各受控部件的工作狀態(tài)、報(bào)警情況等。采集的這些反饋信息由計(jì)算機(jī)主機(jī)統(tǒng)一處理，在各受控部件輸出口寫(xiě)信息，各部件統(tǒng)一協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。直流電源由主機(jī)控制，電流、電壓模擬量通過(guò)接口電路中的模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）電路把模擬量轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)辨的數(shù)字量。計(jì)算機(jī)從模數(shù)輸入端口讀出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)分析、計(jì)算、修正得出電壓、電流值。

2.2 磨削加工中的控制功能

磨削過(guò)程中，Z軸控制砂輪磨削厚度（即磨削深度），X軸為砂輪磨削的主伺服軸，Y軸用來(lái)找正砂輪和剪毛刀片的相對(duì)位置，且XYZ能以插補(bǔ)形式聯(lián)動(dòng)。磨削加工程序可在數(shù)控編程界面現(xiàn)場(chǎng)編程，也可通過(guò)讀入外部程序?qū)崿F(xiàn)。加工參數(shù)可在程序中指定參數(shù)頁(yè)，以便在加工時(shí)進(jìn)行調(diào)整。

系統(tǒng)設(shè)置二種速度進(jìn)給控制，分別為伺服進(jìn)給和恒速進(jìn)給。計(jì)算機(jī)通過(guò)跟蹤控制電解電壓，使電解順利進(jìn)行。電壓為0～24 V可調(diào)，可在加工界面上設(shè)定，并根據(jù)設(shè)定的電壓，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）把電壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)量，在主電源控制端口寫(xiě)入信息，控制主電源輸出電壓。同時(shí)可根據(jù)實(shí)際電壓與設(shè)定電壓的差值，進(jìn)行伺服進(jìn)給控制加工。當(dāng)實(shí)際電壓高于設(shè)定電壓時(shí)，伺服進(jìn)給，即給機(jī)床運(yùn)動(dòng)軸發(fā)送進(jìn)給指令。如果希望以恒定速度進(jìn)給加工，就在加工界面設(shè)定加工速度，由式（1）、式（2）可知，要提高電解效率，必須有足夠高的電流密度，而電流密度兩極電壓成正比，故設(shè)定電壓應(yīng)盡量高。加工速度的設(shè)定值要與電解蝕除速度相當(dāng)，若設(shè)定的加工速度高于電解蝕除速度，則主要為機(jī)械磨削，但機(jī)械磨削時(shí)火花四濺、磨削效率低，且由于機(jī)械磨削的切削應(yīng)力和熱應(yīng)力相互作用，會(huì)引起剪毛刀片齒形的變形和燒傷；若設(shè)定的加工速度合適，就能使機(jī)械磨削的火花較小，只刮除電解加工產(chǎn)生的鈍化膜，且切削應(yīng)力和熱應(yīng)力很小，可忽略其影響。

此外，金剛石砂輪磨削剪毛刀片齒形時(shí)，接觸面積小、電流密度大。為了避免燒傷工件，數(shù)控系統(tǒng)可設(shè)定電壓保護(hù)、電流保護(hù)兩個(gè)參數(shù)。當(dāng)實(shí)際電壓低于電壓保護(hù)設(shè)定值或?qū)嶋H電流高于電流保護(hù)設(shè)定值時(shí)，暫停進(jìn)給。

3 對(duì)比驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)比手工研磨、純機(jī)械磨及電解機(jī)械復(fù)合磨三種工藝方法可知：手工研磨需依靠操作者目測(cè)，工件表面粗糙度Ra0.8μm，刀片齒形輪廓度誤差±0.10 mm，產(chǎn)品一致性較差；純機(jī)械磨時(shí)，金剛石砂輪損耗嚴(yán)重，砂輪損耗比為0.008，工件表面粗糙度 Ra0.4 μm，刀片齒形輪廓度誤差±0.08 mm，齒形一致性一般，但加工速度慢，平均每片齒形加工時(shí)間約6分鐘；電解機(jī)械復(fù)合磨時(shí)，將金剛石砂輪作為電解加工陰極，加工過(guò)程中陰極不損耗，砂輪損耗比為0.0009，工件表面粗糙度Ra0.4 μm，刀片齒形輪廓度誤差±0.05 mm，產(chǎn)品一致性好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的剪毛刀片齒形電解機(jī)械復(fù)合磨床平均3分鐘可磨削一片剪毛刀片齒形，效率高，加工出的刀片齒形一致性好。電解機(jī)械復(fù)合磨削新工藝替代了手工打磨等傳統(tǒng)方法，是目前加工刀片齒形較可行的方法。