電解磨削加工方法研究現(xiàn)狀

干為民，張艷紅，2，王祥志，褚輝生

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

電解磨削加工方法研究現(xiàn)狀

干為民1，張艷紅1，2，王祥志1，褚輝生1

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

電解磨削作為一種電化學(xué)復(fù)合加工方法，廣泛應(yīng)用于難加工材料和復(fù)雜型腔零件的加工。對(duì)目前研究較多的幾種電解磨削加工方法的相關(guān)工藝、理論、控制方法及應(yīng)用情況的研究進(jìn)展做了系統(tǒng)介紹，指出伺服控制是電解磨削的發(fā)展趨勢(shì)。

電解加工；磨削；在線電解修整；伺服控制

隨著科技的進(jìn)步和航空航天工業(yè)的發(fā)展，新材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)層出不窮，其加工技術(shù)就成了制造領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)［1-3］。傳統(tǒng)機(jī)械加工采用的金屬切削方式大多采用接觸式機(jī)械力去除材料，對(duì)于普通金屬具有加工效率高、加工表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，但針對(duì)鈦合金、高溫合金及復(fù)合材料等難切削材料，卻存在刀具損耗大、加工易變形等特點(diǎn)，嚴(yán)重制約了新材料和復(fù)雜裝備的發(fā)展與應(yīng)用［4］。

電解加工方法采用非接觸方式，利用電能作為材料蝕除的主要能量來源，加工不受制于材料的力學(xué)性能，非常適合難切削材料和復(fù)雜零件的加工。但電解加工受制于介質(zhì)流場(chǎng)、雜散腐蝕特別是鈍化膜的影響，加工穩(wěn)定性和精度很難保證［4］。

電解磨削加工方法是將電化學(xué)溶解和機(jī)械磨削作用有機(jī)結(jié)合進(jìn)行材料去除的一種復(fù)合加工方法［5］。根據(jù)電解作用在加工中作用對(duì)象的不同，電解磨削主要包含：①電解作用于工件，作為材料蝕除的主要方式，磨削輔助去除鈍化膜的電解磨削加工；②在電解磨削基礎(chǔ)上發(fā)展出來的以磨削作為材料去除的主要方式，電解作用于導(dǎo)電砂輪以形成鈍化膜而使磨輪保持削銳的在線電解修整（ELID）磨削加工。

本文闡述了電解磨削的研究進(jìn)展，并展望了電解磨削加工和在線電解修整磨削加工的發(fā)展趨勢(shì)。

1 電解磨削加工

電解磨削加工是指在加工過程中借助磨削作用去除因電解作用所形成阻礙電解加工持續(xù)進(jìn)行的鈍化膜，使加工表面保持新鮮的加工方法［6］。電解磨削加工原理見圖1。工件接電源正極，導(dǎo)電砂輪接電源負(fù)極，兩者需保持一定的接觸壓力，并在加工區(qū)引入電解液。接通電源后，工件表面金屬因電解作用發(fā)生陽極溶解并形成很薄的鈍化膜，被高速旋轉(zhuǎn)的砂輪磨粒刮除，隨即又形成新的氧化膜，又被砂輪磨去。如此反復(fù)，直至達(dá)到加工要求。

圖1 電解磨削加工原理圖

1.1 電解磨削加工理論的進(jìn)展

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從數(shù)學(xué)模型的角度對(duì)電解磨削進(jìn)行了分析說明。例如：利用多準(zhǔn)則策略等方式建立了相關(guān)數(shù)學(xué)模型，分析了磨削和電化學(xué)溶解相互作用對(duì)材料過程的影響及電解磨輪進(jìn)度的分析與計(jì)算方法［7-10］。采用田口法及解析實(shí)驗(yàn)法，建立了電解磨削加工的磨削力模型及普通外圓縱向電解磨削的法向和切向磨削力數(shù)學(xué)模型，研究了磨削力對(duì)電解磨削加工的影響［11-13］。

1.2 電解磨削加工相關(guān)工藝的進(jìn)展

1.2.1 復(fù)雜曲面數(shù)控展成電解磨削加工技術(shù)

干為民等［14-16］提出的數(shù)控展成電解磨削加工方法，是利用導(dǎo)電磨輪的母線相對(duì)于被加工零件進(jìn)行展成運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而對(duì)復(fù)雜曲面進(jìn)行電解磨削加工，能一次成形復(fù)雜曲面，并對(duì)數(shù)控展成電解磨削加工機(jī)理和整體葉輪加工進(jìn)行了細(xì)致的研究。

1.2.2 微細(xì)電解磨削加工技術(shù)

朱荻等［17］提出了一種磨削和電化學(xué)蝕除復(fù)合的加工方法，采用高速旋轉(zhuǎn)的涂覆磨具作為陰極進(jìn)行小孔加工。加工原理見圖2，加工后的小孔見圖3。

圖2 電化學(xué)和磨削復(fù)合去除材料示意圖

Sapre等研究了微細(xì)電解磨削加工電解液流對(duì)微細(xì)電解磨削氫氧化物層形成的影響，提出了材料蝕除是電化學(xué)溶解、砂輪磨蝕和電解液流侵蝕共同作用的結(jié)果，其原理見圖4［18］；還進(jìn)行了電解液流的仿真分析，發(fā)現(xiàn)氫氧化物層受到的剪切力隨電解液體流速的增加而增大。

圖3 優(yōu)化參數(shù)后加工的小孔

圖4 微細(xì)電解磨削材料去除原理

1.2.3 脈沖電流電解磨削加工

趙建社等［19］研究了剃須刀摩擦副表面脈沖電流電解磨削加工，開展了峰值電壓、占空比、機(jī)械進(jìn)給速度、電解液溫度等參數(shù)對(duì)表面粗糙度、平面度影響規(guī)律的試驗(yàn)研究。采用優(yōu)化參數(shù)后，表面粗糙度和平面度等都有較好的改善。

1.2.4 磨輪修整工藝

電解磨削用磨輪的修整工藝方面，一種采用電火花車削方式對(duì)金剛石磨頭進(jìn)行修整的加工方法取得了很好的效果。該方法將磨頭的初始圓跳動(dòng)誤差從0.18mm修整到0.003mm，修整原理見圖5［20］。

圖5 電火花修整金剛石磨頭原理圖

1.3 電解磨削加工控制方法的進(jìn)展

研究人員開發(fā)了NC嵌入PC開放式集成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互、自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)保護(hù)等功能。該集成控制系統(tǒng)能穩(wěn)定、可靠地加工出高精度、低表面粗糙度值的某微尺度群縫零件內(nèi)平面［21］。研究人員還針對(duì)五軸電解磨削加工機(jī)床探索了五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控展成電解磨削整體葉輪的控制方法，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪的葉片型面進(jìn)行了電解磨削加工試驗(yàn)［22］。

目前，電解磨削加工由于沒有成熟可靠的檢測(cè)伺服控制手段，故大多采用恒速進(jìn)給，加工穩(wěn)定性很難保證。

1.4 電解磨削加工工藝試驗(yàn)研究的進(jìn)展

針對(duì)常見的難加工材料，研究人員開展了大量的電解磨削加工工藝試驗(yàn)研究。對(duì)航空航天所用的鎳基鑄造高溫合金、硬質(zhì)合金等難加工材料的研究表明，電解磨削加工具有加工效率高、表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)［23-25］。對(duì)熔覆材料和合金粉末修復(fù)材料的電解磨削加工研究顯示，加工表面可達(dá)到較好的表面粗糙度［26-27］。不銹鋼作為常用金屬材料，采用電解磨削加工同樣具有表面粗糙度值低、表面無殘余應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)［28］。此外，微小孔電解復(fù)合擴(kuò)孔磨削可實(shí)現(xiàn)側(cè)壁陡直、無再鑄層的加工。

2 在線電解修整磨削加工

在線電解修整（ELID）磨削加工方法是近年來發(fā)展起來的金屬結(jié)合劑類超硬磨料修銳技術(shù)，解決了砂輪磨削過程中易堵塞的問題［29］。其加工原理見圖6。導(dǎo)電砂輪接電源正極，工具電極接電源負(fù)極，砂輪和陰極之間需保持一定的間隙。在砂輪外圓表面和電極的間隙中通入具有導(dǎo)電能力的磨削液，利用陽極溶解原理溶解和蝕除砂輪表層的金屬粘合劑，形成對(duì)砂輪的修銳［30］。在該過程中，磨削起主導(dǎo)作用，電解起輔助作用。

圖6 電解式在線修銳磨削加工原理［31］

2.1 ELID理論的進(jìn)展

研究人員用建立數(shù)學(xué)模型及模擬仿真的方法對(duì)ELID材料去除機(jī)理等進(jìn)行了研究，包括誤差累積、溫度場(chǎng)模型等［32-35］。ELID加工表面易產(chǎn)生一層氧化膜，將其作為加工模型的一個(gè)重要參數(shù)，以此作為表征加工狀態(tài)的一個(gè)指標(biāo)，研究其生成規(guī)律和厚度檢測(cè)平臺(tái)［36］。ELID磨削加工過程中的電壓、電流大小可表征氧化膜狀態(tài)，以此進(jìn)行了氧化膜相關(guān)的控制策略研究，開展了大量的氧化膜對(duì)加工質(zhì)量影響的工藝試驗(yàn)和仿真分析［37-42］。

2.2 控制策略研究的進(jìn)展

目前，ELID磨削加工多采用氧化膜狀態(tài)［35-36，43］、主軸電流穩(wěn)態(tài)［44］及專家數(shù)據(jù)系統(tǒng)［45-46］作為ELID磨削加工控制的依據(jù)。在利用電流、磨削力和振動(dòng)信號(hào)等表征氧化膜的狀態(tài)下，根據(jù)不同的磨削需求可相應(yīng)控制氧化膜的狀態(tài)。主軸電阻電流穩(wěn)態(tài)作為ELID檢測(cè)的依據(jù)，能很好地控制ELID磨削質(zhì)量。ELID磨削加工參數(shù)專家系統(tǒng)的軟件有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)ELID磨削加工進(jìn)行控制。此外，龍飄［47］分析了在電解磨削動(dòng)態(tài)平衡策略、電解主動(dòng)控制策略、電解磨削交叉策略、磨削主動(dòng)控制策略及徑向進(jìn)給主動(dòng)控制策略等5種過程控制策略下ELID磨削加工氮化硅陶瓷球面的過程。

2.3 工藝試驗(yàn)研究的進(jìn)展

ELID磨削適合難加工材料的加工，尤其適合難加工非金屬材料的加工。

在金屬材料加工中，研究主要集中在銅、鋁、淬火鋼的超精密加工方面［48-51］，以及加工表面的形成機(jī)理和影響因素。

在非金屬加工中，研究主要集中在陶瓷、藍(lán)寶石和單晶硅等材料的精密加工方面。研究結(jié)果表明，ELID加工具有加工精度高、表面無污染等優(yōu)點(diǎn)，在非金屬加工方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)［43-44，52-53］。

3 結(jié)論與展望

（1）電解磨削加工目前的研究熱點(diǎn)主要集中于難切削材料、大型復(fù)雜曲面零件及微細(xì)孔加工方面，其伺服控制策略也是亟需解決的難題。

（2）氧化膜可作為ELID磨削加工的伺服控制依據(jù)，進(jìn)而影響ELID加工的質(zhì)量，其大小可通過電壓電流大小來表征。相對(duì)于金屬加工，ELID在非金屬加工方面更具優(yōu)勢(shì)。

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Research Status of Electrochem ical Grinding

Gan Weimin1，Zhang Yanhong1，2，Wang Xiangzhi1，Chu Huisheng1
（1.Jiangsu Key Lab of Numeric ElectrochemicalMachining（Changzhou Institute of Technology），Changzhou 213002，China；2.School of Mechanical and Electrical Engineering，HoHai University，Changzhou 213022，China）

As a special processingmethod，electrochemical-mechanical grinding is widely used in machining difficult materials，complex cavity component.The research development of the related process，theory，control method and application of electrolytic grinding compound machining are systematically introduced and it is pointed out that servo control is the development trend of electrochemical-mechanical grinding is pointed out.

electrochemicalmachining；grinding；ELID；servo control

TG662

A

1009－279X（2015）05－0058-04

2015-05-28

常州工學(xué)院校自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（YN1406）

干為民，男，1960年生，教授。