ELID镜面磨削加工技术研究进展_尹韶辉

对 EL ID 超精 密镜面磨削中 砂轮磨损规
中国机械工程第 21 卷第 6 期 2010 年 3 月下半月
削 , 实验结果证明 : EL ID 磨削加工过程稳定 性好、 效率高, 加工精度高 , 表面裂纹少 , 表面质量 好; 砂轮不会过快磨耗, 这提高了贵重磨料的利用 率; 不仅大大节约加工时间 , 提高了加工效率 , 而 且也能获得几十纳米甚至几纳米的表面精度和良 好的形状精度 p- v 值。由于 EL ID 镜面磨削的 在线电解作用, 在磨削过程中能及时产生适应砂 轮磨损的修整量, 这能消除砂轮的堵塞和容屑空 间减少的现象, 使在长时间的磨削过程中砂轮一 直保持良好的锋利切削性能。电解作用使得镶嵌
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引言
随着微电子、 光学、 计算机等技术的发展, 针
径。随着超精密镜面磨削工艺的发展 , 它在很多 领域将能够取代传统的研磨抛光[ 3] 。近十多年来 在国际上最为引人注目的镜面磨削技术就是在线 电 解 修 整 ( elect roly ticin - process dressing, ELID) 镜面磨削技术。
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电解修锐过程中 , 砂轮在电解作用下, 其金属 结合剂电离溶解, 使得砂轮表面的磨粒突出同时 生成一层致密而绝缘的氧化膜, 这能减缓砂轮的 过度电解, 降低 电解 速度 , 防 止砂 轮磨 损过 快, ELID 镜面磨削基本原理过程如图 2 所示。随着 磨削加工的进行 , 表面的磨粒因磨损而脱落, 出刃 高度降低 , 同时生成的氧化膜也因被工件摩擦而 变薄 , 此时砂轮的电解又恢复 , 金属结合剂的电解 过程加快 , 继续开始砂轮表面的电解过程, 磨粒的 751
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对砂轮表面氧化膜形成行为进行实验
研究并对形成过程进行了建模和仿真。还有一些 学者对铸铁结合剂微粉金刚石砂轮和青铜结合剂 金刚石砂轮的 EL ID 磨削进行 了试验研究[ 21 22] 。 这些研究成果促进了 ELID 技术的推广应用。目 前, 国内已有十几家单位将该技术应用于动压马 达零件、 单元陶瓷、 微晶玻璃、 铁氧体等航天材料 零件的加工之中, 以及用于光学玻璃非球曲面加 工和大理石的加工之中
对工程陶瓷、 硬质合金、 光学玻璃、 玻璃陶瓷、 单晶 硅等高硬度、 高脆性材料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。特别是随着 砂轮精密修整技术的发展及超微细粒度砂轮的使 用, 超精密镜面磨削逐渐受到人们的重视。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 1 m 级以下、 表面粗糙度 Ra< 0 04 m 甚至 R a< 0 01 m 的磨削方法
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自提出 EL ID 方法以来 , 一直专注于该技术
2 EL ID 镜 面磨削加工原理及镜面 成形 过程
ELID 磨削加工原理如 图 1 所示 , 电源正极 通过电刷连接到导电砂轮的中心 ( 这可减少电刷 的磨损) , 而电源的负极安装到砂轮表面相应的位 置, 砂轮与负极的间隙在 0 1~ 0 3mm 范围内调 整, 喷嘴中喷出的具有电解功能的磨削液充满正 负极间隙之间, 在直流脉冲电源的作用下, 使整个 系统保持电解的状态 , 使电解砂轮表面的结合剂 溶解 , 自动去除结合剂, 露出掩埋的磨粒, 这种修 整持续进行, 保证在加工过程中砂轮始终有突出 的磨粒用以维持砂轮的锋利状态, 从而使工件表 面能有效地达到镜面效果
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。 尽管 EL ID 磨削技术引入我 国比较晚, 但随
图 1 平面磨削 ELID 基本原理的装置示意 图
着我国与日本的交流和联系日益紧密 , 该技术在 最近十来年也取得了一些进展。哈尔滨工业大学 最早引进 ELID 技术, 该校一 些学者在 EL ID 精 密及超精密镜面磨削、 专用磨削液、 专用电源、 砂 轮耐用度、 电解氧化膜的形成机理以及氧化铝陶 瓷和石榴石铁氧体等材料的 EL ID 磨削等方面进 行了理论与试验研究, 成功研制了 EL ID 磨削专 用的脉冲电源、 磨削液和砂轮[ 11 14] 。天津大学林 彬等
中国机械工程第 21 卷第 6 期 2010 年 3 月下半月
EL ID 镜面磨削加工技术研究进展
尹韶辉 曾宪良 范玉峰 朱勇建 唐 昆
湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心, 长沙, 410082
摘要: 在线电解修整( EL ID) 镜面磨削技术作为一种低成本高效率的超精密镜面加工技术, 广泛应 用在现代超精密加工领域中。 综述了 EL ID 镜面磨削技术的历史发展和研究现状, 介绍了该技术的加 工机理和镜面形成过程, 重点讨论了在不同条件下几种不同 EL ID 镜面磨削的形式, 最后就该技术的深 入研究工作作了展望并指出了产业化推广需要解决的问题 。 关键词 : ELID 磨削; 镜面磨削; 硬脆材料; 纳米磨削; 研究进展 中图分类号 : T G58 文章编号 : 1004 132X( 2010) 06 0750 06
Research Progresses of ELID Mirror Grinding Technology Yin Shao hui Zeng Xianliang F an Yuf eng Zhu Yongjian T ang Kun N at ional Engineering Research Cent er f or H igh Ef ficiency Grinding , H unan U niv ersit y, Changsha, 410082 Abstract: As a lo w cost and hig h ef f iciency ult ra- precision m irror pro cessing t echno logy- EL ID mirror g rinding t echno logy , is w idely used in t he f ield of m odern ultr a- precision machining. T his pa per sum maried t he hist orical development and t he present research sit uat ion of EL ID mirror g rinding technolog y, int ro duced t o t he pro cessing m echanism of t he t echno logy and the f orm at ion o f mirro r surf ace, as w ell as f ocused on sev eral diff erent f orm s o f t he EL ID mirro r g rinding under diff erent con ditions. L ast ly a prospect of t he in- dept h research o f t he t echnolog y and so me problems of the indus t rializat ion pr omot ion w ere proposed. Key words: EL ID g rinding; mirro r g rinding ; har d and britt le m aterial; nano - gr inding; resear ch pro gress
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与其他的超精密加工方法相比, 利用超精密镜面 磨削技术能够加工普通精密磨削难以加工的非金 属硬脆材料和淬硬黑色金属, 而且能得到更高的 表面质量, 与超精密研磨等光整加工方法相比 , 它 能够实现高效率的形状创成, 而且可以实现自动 化与在线测量。因此对于各种硬脆材料 , 超精密 镜面磨削技术是实现超精密表面加工最有效的途
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的研究, 对表面形成机理进行了磨削试验研究 , 开 发了 EL ID 专用电源、 EL ID 专用磨削液, 同时针 对难加工硬脆材料( 单晶硅、 碳化硅、 碳化钨、 碳化 钛等 ) 的高品质 EL ID 镜面磨削加工 , 提出了硬脆 材料在延性方式下的磨削理论, 系统地讨论了各 种磨削工艺参数对加工性能的影响 , 现在该方法 已成功应用于平面反射镜、 球面、 非球面透镜及其 模具的纳 米精度 级加工 中, 他们已 成功开 发了 ELID 纳米级磨床 [ 7 8] 。 Chen 等 [ 9] 就 ELID 磨削 过程中阳极金属的去除率分别进行了二维和三维 模型的分析研究。Boland 对 EL ID 磨削过程的 计算机控制与监控进行了探索。美、 德、 法、 韩等 一些国家的专家也对 EL ID 镜面磨削技术进行了 深入的研究。在完善 ELID 磨削技术的同时, 富 士公司采用 EL ID 磨削技术加工光学镜头, 将其 镀膜后直接用在光学透镜、 幻灯产品上, 真正实现 了光学 镜 头 加 工 以 磨 代 研、 以 磨代抛的工艺 革命
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律以及磨削力变化规律等进行了试验研究。湖南 大学把 EL ID 应用在高速磨削中 , 对各种工艺参 数进行优化, 实现了对陶瓷材料的高效磨削加工, 取得了 良好 的效果 。尹 韶辉 等 把 EL ID 镜面磨削技术引入微细制造领域, 加工微小零件 ( 光学透镜及相应的透镜模具 ) 。西安工业大学朱 育权等
收稿日期 : 2009 04 23 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 50675064)
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EL ID 镜面磨削加工技术研究进展
尹韶辉
曾宪良
范玉峰等
面磨削技术。该镜面磨削技术拓宽了纳Leabharlann Baidu镜面磨 削加工的新途径 , 在世界范围内备受关注。 20 世纪 90 年代 , 日本成立了 EL ID 磨削研究 会并 出 版了 学 术期 刊 EL ID 研 削 研究 会 报 。 ELID 磨削高层研讨会始于 1991 年 , 在日本国内 已经召开了 50 次。第一届国际 EL ID 磨削会议 于 2008 年 6 月在湖南大学召开, 由湖南大学、 中 国生产工程学会和日本国立理化学研究所联合举 办, 聚集了国内外 知名 的 ELID 磨削 领域 专家。 此次 EL ID 磨削会议促进了全球 EL ID 镜面磨削 技术的学术交流和合作, 提供了研讨 EL ID 镜面 磨削技术的平台。该会议主要讨论了 EL ID 磨削 工艺、 EL ID 磨削设备、 EL ID 磨削监 测、 EL ID 磨 削应用、 用于微细加工的 EL ID 磨削及其机理分 析、 超精密加工技术等。 许多国家和地区的学者对 EL ID 镜面磨削技 术进 行 了 研 究, 并 取 得 了 一 些 成 果。 Ohmo ri 等
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历史发展和研究现状
随着硬脆材料日益广泛的应用 , 磨削加工在
整个机械加工领域已日趋重要, 但由于材料的高 强度、 高硬度和高脆性, 采用传统磨削工艺对这些 材料进行加工时不仅磨削力大、 磨削温度高、 磨削 效率低, 而且砂轮极易因钝化、 堵塞而丧失其切削 功能 , 从而造成工件加工表面脆性破坏及应力集 中, 加工质量恶化 , 难以满足高精度、 高效率的加 工要求。 20 世纪 80 年代 , 日本东京大学的中川 威雄教授为了解决树脂基砂轮加工方式存在的问 题, 考虑采用金属基金刚石砂轮, 发明了铸铁基金 属结合剂的金刚石砂轮。在此基础上 , 日本国立 理化学研究所的 Ohmo ri 在 1987 年发明了金属 基金刚石砂轮 EL ID 技术 , 同时开发了 EL ID 镜
图2 ELID 镜面磨削基本原理过程示意图
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在结合剂中的磨粒保持稳定的突出量。另外 , 在 砂轮表面形成的氧化膜可对工件的表面进行复合 抛光作用 , 进一步减小了工件的表面粗糙度。
出刃高度增加, 氧化膜又开始增厚 , 如此循环。利 用这种非线性电解作用 , 可以使砂轮的修锐过程 对磨削过程有一定的自适应能力, 砂轮表面金属 结合剂的去除速度与磨料消耗的速度达到动态平 衡, 从而保持砂轮有稳定的出刃高度[ 2] 。 普通镜面加工是通过研磨和抛光进行的。而 ELID 磨削 , 一方面由于磨粒固着在结合剂中, 对 于单颗的固着磨粒而言 , 其有效磨削尺寸只有磨 粒尺寸的 1/ 3, 磨粒主要以微切削的方式去除材 料, 所以造成的破碎区要小得多; 另一方面 , 砂轮 表面形成具有一定厚度和弹性且容纳有脱落磨料 的钝化膜, 成为一种良好的柔性研磨膜。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, 使砂轮基体表层磨料在磨削中不可能直 接与工件接触, 砂轮上覆盖的钝化膜将代替金属 基砂轮参与磨削过程。当电解作用 完全被抑制 时, 钝化膜对工件进行光磨。因此 , ELID 磨削实 际上是一种将磨、 研、 抛合为一体的复合式精密镜 [ 11] 面加工技术 , 磨粒主要是以滑动方式去除工件 材料的, 如图 3 所示。