ELID超精密磨削技术综述

先进制造技术课程大作业2014年10月

ELID超精密磨削技术综述

蔡智杰

天津大学机械工程学院机械工程系2014级硕士生

摘要：金属基超硬磨料砂轮在线电解修整(Electrolytic In-process Dressing, 简称ELID)磨削技术作为一种结合传统磨削、研磨、抛光为一体的复合镜面加工技术，开辟了超精密加工的新途径，具有广发的应用价值。本文将从工作原理、磨削机理、工艺特点、影响因素及磨削机床的分类等方面系统地介绍ELID超精密磨削技术，并通过分析国内外研究应用状况，阐述该技术在精密加工制造行业的应用发展前景。

关键词：在线电解修整(ELID) 超精密镜面加工金属基超硬磨料砂轮硬脆材料磨削机理

0 引言

随着制造行业的飞速发展，硬质合金、工程陶瓷、光学玻璃、玻璃陶瓷、淬火钢及半单晶硅等硬脆难加工材料得到广泛应用，寻求低成本、高效率的超精密加工技术的研究工作正在广泛开展。超精密镜面磨削技术是一种借助高性能的机床、良好的工具(砂轮)、完善的辅助技术和稳定的环境条件，控制加工精度在0.1μm级以下、表面粗糙度Ra<0.04μm甚至Ra<0.01μm的磨削方法[1]。然而，由于传统磨削工艺效率低、磨削力大、磨削温度高，且砂轮极易钝化、堵塞而丧失切削性能，从而造成加工面脆性破坏，加工质量恶化，难以满足高精度、高效率的加工要求。随着砂轮精密修整技术的发展及超微细粒度砂轮的使用，将磨削加工的材料去除工作引入到一个新的领域。ELID磨削技术是应用电化学反应的非传统材料去除技术来解决金属基超硬磨料砂轮的修整问题的超精密镜面加工技术，以其效率高、精度高、表面质量好、加工装置简单及适应性广等特点，已较广泛用于电子、机械、光学、仪表、汽车等领域。

1 ELID磨削的基本原理

ELID(Electrolytic In-process Dressing)磨削是在磨削过程中，利用非线性电解修整作用使金属结合剂超硬磨料砂轮表层氧化层的连续修整用与钝化膜抑制电解的作用达到动态平衡。从而获得稳定厚度的氧化层，使砂轮磨粒获得恒定的出刃高度和良好的容屑空间，实现稳定、可控、最佳的磨削过程，它适用于硬脆材料进行超精密镜面磨削。

1.1 系统做成

ELID磨削的必备装置主要有磨床、电源、电解装置、电解液和砂轮五个要素。详述如表1所示：

表1 ELID磨削机床的组成

1.2 系统工作原理

ELID磨削原理如图1所示。金属结合剂超硬磨料砂轮的转轴与电刷的接触而接通电源正极作为阳极，铜电极（工具电极）与电源负极相接作为阴极。砂轮与负极之间存在100~500μm的间隙（间距可调），利用喷嘴喷出具有电解功能的磨削液使之充满间隙[2]。在高电压（60~120v）和高脉冲频率电源的作用下，使磨削液电解产生阳极溶解效应，将砂轮表层的金属基体电解去除，与此同时，在砂轮表面会产生一层绝缘的钝化膜能有效抑制金属基体的过度电解，以减少砂轮基体的过分电解损耗。因为氧化膜极易磨损，从而容易使新的磨粒露出锋利的棱角以达到修锐效果。整个加工过程中电解作用与钝化膜的抑制作用达到动态平衡，保证了磨粒的恒定的突出量，使砂轮在加工过程中始终保持有磨粒突出的最佳磨削状态。该技术将砂轮的在线修整与磨削过程结合在一起，从而实现对工件的连续超精密

镜面磨削。

图1 平面磨削 E L I D 基本原理的装置示意图

1.3 磨削机理

ELID 超精密磨削的过程可分为四个阶段，具体归纳如图2。

图2 ELID 磨削过程流程图

ELID 磨削的机理可由图3形象描述。在电解修整过程中，金属结合剂砂轮为阳极，发生如下电解反应（以铁元素为例）：

22Fe Fe e +-−−−→+电离

工具电极作为阴极，电极附近电解液中的水分

子发生如下反应：

2H O H OH +-−−−→+电解

如图3(a)所示，在砂轮修正前，砂轮由磨粒和

金属结合剂组成，磨粒均匀分布。在进行磨削加工前，需单独对砂轮进行电解修整工作(图3b)，在砂轮表面电离溶解一层金属结合剂，以一定厚度的钝化膜取而代之。一方面能有效减小砂轮的形状误差，另一方面能预先生成具有一定弹性的钝化膜，防止开始磨削时砂轮切入是造成工件的硬质划伤。在磨

削开始后，由于氧化膜极易磨损，固定在氧化膜中的磨粒路出锋利的棱角，其可以视为无数大小型刀具对工件表面进行微切削作用。砂轮在通过与工件的接触区域后，由于工件材料的刮擦作用，磨粒磨损钝化，出刃高度降低，磨削效果变弱。由于钝化膜变薄，导电性恢复，当砂轮转到工具电极位置时，在电解液的作用下，砂轮表面形成新的氧化膜，使磨料出刃高度增加（如图3c ）。当氧化膜达到磨损前的厚度时，电阻足够大而起到绝缘作用，使电解作用终止。由此可知，由于这种非线性电解作用的结果，使得修整过程对磨削过程有一定的自适应能力，砂轮在每个旋转周期内都保持以相同厚度的氧化层和相同出刃高度的磨粒进行磨削，即砂轮表层氧化膜的电解生成与磨损达到动态平衡，最终使得砂轮表面结合剂基体不断被电解，新的磨料不断地露出，以保证金属基砂轮在磨削过程中的锐利性。这种磨削方法即不会由于表层磨料的磨损和脱落而失去切削能力造成切屑堵塞现象，又不会造成砂轮的过快消耗，能充分发挥超硬磨料的磨削能力，非常有利于对硬脆材料实现高精度、高效率的超精密镜面磨削。

图3 ELID 镜面磨削基本原理过程示意图

2 ELID 磨削的工艺特点及影响因素

2.1 工艺特点

ELID 磨削不仅包含了普通磨削的优点，而且在许多方面弥补了传统磨削的缺陷，可在完全取代传统磨削。为研究ELID 磨削的特点，与普通镜面磨

削进行对比如表2所示[3]：

表2 ELID 磨削与普通磨削对比

2.2 影响ELID 磨削的因素

影响ELID 的磨削效果的因素众多，根据目前的实验研究和文献总结，除了与普通磨削所共有的影响因素外，影响ELID 磨削效果特有的因素如下：

(1)氧化膜的影响

ELID 镜面磨削的技术核心是由于氧化膜的弹性效应与隔离效应形成的超微量切削作用，氧化膜在磨削过程中的状态对ELID 磨削效果的影响如图4所示：

图4 氧化膜对ELID 磨削效果的影响

(2) 磨粒的影响

如图3所示，在ELID 磨削过程中，由于砂轮表面的氧化膜具有一定的厚度和弹性且能够容纳脱落的磨料，参与磨削的超硬磨粒存在三种状态：紧紧固定在金属结合剂中的磨粒；因电解脱落而固定在氧化膜中的磨粒；容纳在氧化膜中的磨损过的磨粒。

在磨削加工中，固定在结合剂中的磨粒对金属进行切削加工；研磨加工时，氧化膜作为一种具有良好柔性的研磨膜，因为进给量小于氧化膜的厚度，固定在结合剂中的磨粒不与工件接触，而固定在氧化膜中的磨粒对工件进行类似的研磨；而精磨时，由于进给量很小，钝化膜的厚度远大于磨料的出刃高度，弹性氧化膜具有良好的隔离效应，使得固定在氧化膜中的磨粒也不可能直接与工件接触，容纳在氧化膜中磨损过的磨粒成为自由的研磨剂对工件的作用类似抛光。因此，ELID 磨削实际上是一个合磨削、研磨、抛光为一体的复合式精密加工技术。

(3) 砂轮粒度及切削深度的影响

砂轮粒度与表面粗糙度的关系可由图5的示意曲线表示：

图5 砂轮粒度与表面粗糙度关系关系曲线

ELID 磨削时砂轮粒度不仅与工件的表面粗糙度有关，还与工件表面的力学性能有密切联系。由图5可知，磨粒粒径的变化，工件材料也发生不同形式的变形。当磨料粒度较大时，工件表面材料的去除形式主要表现为脆性破坏的形式，工件表面会出现裂纹，导致工件的力学性能下降。随着砂轮粒度的减小，工件材料的去除方式逐渐变为脆一塑性方式甚至是塑性方式，所以砂轮的粒度越小，同时参与磨削的磨粒数目增多，工件的表面粗糙度值逐渐减小，工件的表面越光滑（如图6）。当工件表面材料主要通过塑性变形来去除时，工件表面的力学性能较好。当砂轮粒度减小到一定程度后(如#4000的砂轮)，工件表面粗糙度变化不大[4]。

图6 磨削表面AFM 图像：(a)#1200砂轮；(b) #4000砂轮

磨削力的大小同样对加工质量有直接影响。由