合金球面電火花機(jī)械磨削復(fù)合加工機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究

劉源添，郭鐘寧，何建文

LIU Yuan-tian, GUO Zhong-ning, HE Jian-wen

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

在石油化工、天然氣輸送、煤化工、水力發(fā)電等國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)中，超硬超精密合金球閥作為流體控制的關(guān)鍵部件得到廣泛運(yùn)用。為了適應(yīng)復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境并延長(zhǎng)球閥工作壽命，閥芯球體表面通常必須進(jìn)行合金化處理（表面噴涂0.6mm～0.8mm厚的WC、Ni60、硬鉻等粉末合金），表面硬度大（HRC≧62及以上），因此采用傳統(tǒng)的機(jī)械磨削方法加工困難，加工效率低[1,2]，目前，大口徑超硬合金回轉(zhuǎn)球面先進(jìn)的精密加工技術(shù)僅美國(guó)、德國(guó)、芬蘭等少數(shù)西方國(guó)家掌握，因此研究并掌握高硬高精度合金球面的精密磨削技術(shù)就顯得十分重要，這里提出采用電火花與精密磨削復(fù)合加工技術(shù)，充分利用傳統(tǒng)和非傳統(tǒng)加工的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)大口徑超硬合金球閥內(nèi)芯表面的高效、精密、清潔加工。

1 電火花機(jī)械復(fù)合磨削加工原理

電火花機(jī)械復(fù)合磨削加工是綜合利用EDM放電加工和機(jī)械磨削兩種加工方法的優(yōu)點(diǎn)，他們?cè)诤暧^上是復(fù)合的，在時(shí)間序列上是獨(dú)立的，而兩種方法互相在補(bǔ)充。金屬基金剛石砂輪作為復(fù)合工具電極，被鑲嵌在磨頭上。當(dāng)金屬結(jié)合劑砂輪與球體表面合金材料之間的間隙足夠小，利用脈沖電壓，使間隙間產(chǎn)生脈沖電場(chǎng)，兩極間的液態(tài)介質(zhì)就會(huì)被電離擊穿即產(chǎn)生火花放電，通過(guò)放電通道上瞬時(shí)產(chǎn)生的高溫、高密度能量來(lái)蝕除球面合金材料，同時(shí)金剛石砂輪中的結(jié)合劑也同樣會(huì)被蝕除掉，即電極磨耗[3]。經(jīng)電火花加工后的電蝕坑趨于剛基體凹陷，硬質(zhì)相凸起，這樣可以減輕砂輪胡塞程度，有利于發(fā)揮金剛石磨料的切削能力，從而提高機(jī)械磨削效率，電火花放電對(duì)砂輪還具有修整作用，使電極表面的金剛石磨粒始終保持鋒利，并不斷地對(duì)球面合金材料產(chǎn)生機(jī)械刮削作用。這樣，通過(guò)金屬結(jié)合劑與球面合金材料間的電火花放電、金剛石砂輪與聚晶金剛石材料之間的火花放電的雙重作用，電火花加工與機(jī)械磨削相互創(chuàng)造有利條件，使得兩種方法相輔相成從而實(shí)現(xiàn)球體表面高硬合金材料的高效精密加工[4]。加工原理示意圖如圖1所示。

圖1 復(fù)合加工原理圖

2 復(fù)合加工機(jī)理與分析

綜合考慮兩種加工方法的工藝要求，復(fù)合加工方法理論上被劃分為三個(gè)加工工藝階段：

1）粗加工階段：以電火花磨削為主，材料去除主要依賴(lài)放電去除，在材料表面隨機(jī)形成放電電蝕坑如圖2所示。隨著放電加工過(guò)程的推進(jìn)，球面因電火花放電產(chǎn)生的電蝕坑由疏變密并逐漸相互融合或重疊，由于每次放電點(diǎn)不同并沒(méi)有一定的規(guī)律，因此粗加工階段球體表面會(huì)形成由疏到密的，不均勻到均勻，直至基本覆蓋整個(gè)球面。這一階段是用電火花磨削方法高效去除球面不均勻的高硬度合金材料噴涂層，并在粗加工末期在線調(diào)整（低）電參數(shù)向中精加工工藝過(guò)程過(guò)渡。

圖2 電火花磨削放電電蝕坑

2）中精加工階段：仍以放電磨削為主并輔以機(jī)械磨削；由于調(diào)低放電能量（主要是峰值電壓），使得電極與球面之間的放電間隙gf減小，當(dāng)減小到某一值時(shí)，極間間隙g又不足以產(chǎn)生火花放電，而這時(shí)電極表面的金剛石磨粒露出的高度hm又大于這個(gè)間隙距離，從而對(duì)球面起到了機(jī)械刮削作用去除材料，在這里可以稱(chēng)這個(gè)間隙距離為“臨界間隙”，記為gL。電火花放電產(chǎn)生的條件可由下式表示[5]：

當(dāng)能滿足式（1）時(shí)，即產(chǎn)生如圖3（a）所示的情況；但當(dāng)無(wú)法滿足式（1）時(shí)，即極間間隙出現(xiàn)一個(gè)臨界值gL，滿足上述的情況并由下式表示：

當(dāng)滿足式（2）條件時(shí)，即產(chǎn)生如圖3（b）所示的情況，球面加工紋理會(huì)出現(xiàn)電蝕坑與機(jī)械磨紋的雜合現(xiàn)象如圖4所示[6]。

3）精加工階段：機(jī)械磨削為主并輔以電火花磨削或純精密機(jī)械磨削。精加工階段以機(jī)械磨削為主，并伴以火花放電為輔來(lái)對(duì)砂輪電極進(jìn)行修銳，電極表面的金剛石磨粒對(duì)球體表面進(jìn)行機(jī)械切削作用，并逐漸將放電加工產(chǎn)生的電蝕坑軌跡去除掉，取而代之的是形成的軌跡線反復(fù)重疊并加工完成新的成形表面[7,8]。圖5為球面新加工成形面實(shí)物圖。

圖3 中精加工階段的放電磨削

圖4 球面加工紋理出現(xiàn)電蝕坑與磨粒磨紋雜合現(xiàn)象

表1

圖5 球面磨紋變化及新成形面形成過(guò)程示意圖

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 磨削實(shí)驗(yàn)條件

1）金屬基（青銅）金剛石砂輪：JC80176BW100-20×41。

2）電源參數(shù)：脈沖頻率1KHz，工作電壓0～150V連續(xù)可調(diào)，工作電流0～50A連續(xù)可調(diào)，占空比為0.5。

3）工作液：DX-1&DX-4乳化液分別按1:20稀釋后混合使用。

4）復(fù)合工具電極：杯形砂輪磨盤(pán)。

5）試驗(yàn)球體試件材料特性參數(shù)：WC為90%；Co為10%；粉末粒度15μm～54μm；質(zhì)量密度14.3g/cm3；粘結(jié)強(qiáng)度＞69MPa；彈性模量-70GPa；涂層厚度-300μm；硬度＞HRC62。

3.2 復(fù)合磨削加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在杯型砂輪磨頭轉(zhuǎn)速2250r/min，球體主軸轉(zhuǎn)速8.5r/min，工作電壓為30V～90V，工作電流5.8A～20A的情況下，加工去除掉表1中球體試件徑向磨除半徑57μm的加工結(jié)果。

表2 電火花機(jī)械復(fù)合磨削加工效果

3.3 純機(jī)械加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是在杯型砂輪磨頭轉(zhuǎn)速2250r/min，球體主軸轉(zhuǎn)速8.5r/min，使用符合加工中相同復(fù)合磨削工具加工去除點(diǎn)表1中球體試件徑向磨除半徑57μm的加工結(jié)果。

表3 純機(jī)械磨削加工效果

由上述表2和表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，電火花機(jī)械復(fù)合磨削的加工效率比純機(jī)械磨削的加工效率綜合來(lái)看提高了3倍左右，極大提高了磨削效率[9]。金剛石砂輪的磨耗程度有所減輕，相對(duì)于價(jià)格昂貴的金屬基金剛石砂輪來(lái)說(shuō)，大幅降低了加工成本。復(fù)合磨削加工之后球體的表面粗糙度接近于純機(jī)械磨削的水平，基本滿足加工工藝的要求，復(fù)合加工方法取得了又快又好的效果[10]。

4 結(jié)論

本文通過(guò)研究電火花機(jī)械復(fù)合磨削加工機(jī)理的基礎(chǔ)上，確定了粗、中、精三個(gè)階段加工工藝流程，經(jīng)過(guò)初步試驗(yàn)研究表明復(fù)合加工相比純機(jī)械磨削加工球面合金材料在加工效率上有了極大的提高，可達(dá)3倍，在保證較低的砂輪磨耗的前提下能獲得較高的表面粗糙度[11]。因此，電火花機(jī)械復(fù)合磨削加工可充分發(fā)揮電火花加工和機(jī)械磨削加工各自的優(yōu)點(diǎn)，并且，這兩種加工方法能夠?yàn)閷?duì)方創(chuàng)造良好的加工條件，相信通過(guò)優(yōu)化各工藝參數(shù)組合能夠取得更快更好的加工效果。

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