超硬磨料砂輪不同介質(zhì)中電火花修整試驗研究*

單子昭, 周 聰, 陳根余, 戴隆州

(湖南大學(xué), 汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室, 長沙 410080)

電火花放電修整是廣泛應(yīng)用于超硬磨料砂輪的修整技術(shù)，具有修整效率及精度較高、安全環(huán)保性好等優(yōu)勢[1-2]。其原理是以砂輪和工具電極為正負電極且不斷靠近，在彼此間隙足夠小處擊穿極間介質(zhì)產(chǎn)生電火花放電，引發(fā)瞬時高溫并蝕除砂輪材料[3-4]。電火花修整的性能很大程度上取決于放電間隙與磨粒尺寸是否匹配，一般認為砂輪修整后的理想磨粒突出高度為磨粒平均粒徑的1/3至1/4，且放電間隙應(yīng)略大于磨粒突出高度，因此粗粒度砂輪理論上需要30～50 μm的放電間隙以滿足其修整需求[5]。

電火花修整效果的改善常常通過改變放電介質(zhì)來實現(xiàn)。JESWANI[6]發(fā)現(xiàn)以蒸餾水為介質(zhì)比傳統(tǒng)的煤油等介質(zhì)更有優(yōu)勢，并能得到更好的砂輪表面形貌；TAO等[7]用極少量去離子水與壓縮氣體混合進行了準干式電火花加工。此外，毛利尚武等[8]首次以混合微粉的流體為電火花加工介質(zhì)；白雪[9]發(fā)現(xiàn)混粉準干式加工介質(zhì)兼具混粉介質(zhì)和準干式加工介質(zhì)的綠色、安全、高效等優(yōu)勢。目前，混粉準干式電火花加工方法已在材料表面強化、模具加工等領(lǐng)域存在較多研究和應(yīng)用[10-13]，但這種方法在砂輪修整方面的研究尚無文獻記載。

基于上述研究，試驗提出一種混粉電火花砂輪修整方法。在準干式電火花放電修整的基礎(chǔ)上，采用混粉霧狀介質(zhì)(氣液固三相混合)、純霧狀介質(zhì)(氣液兩相混合)和壓縮空氣(氣態(tài)單相)作為放電介質(zhì)，進行了放電間隙測量試驗，以驗證混粉介質(zhì)對放電間隙的增大作用并確定后續(xù)砂輪修整試驗所采用的放電參數(shù)；隨后開展了砂輪修整及磨削試驗，以對比分析混粉電火花修整方法與其他類型介質(zhì)下電火花修整的效率和效果，進而驗證其應(yīng)用于粗粒度砂輪修整的可行性和適用性。

1 試驗方案與條件

1.1 放電間隙測量試驗方案與條件

與砂輪磨粒尺寸相匹配的放電間隙是提高砂輪電火花修整效果的關(guān)鍵，因此在修整前首先進行放電間隙測量試驗。通過改進傳統(tǒng)測量方法，搭建的試驗平臺如圖1所示。當工作臺以1 μm的微小步長進給，用直接觀察法確定的位置坐標會存在微米級誤差，因此試驗在電路中并聯(lián)接入萬用表和示波器，以萬用表的蜂鳴功能及示波器的波形變化捕捉功能分別確定正負兩電極的接觸和放電位置。在間隙測量試驗中，裝置利用磨床主軸帶動薄片電極旋轉(zhuǎn)，工作臺帶動細棒狀電極縱向進給，以使兩電極緩慢勻速相互靠近；分別記錄二者接觸和放電時的坐標Y0和Y1，并將其差值d=|Y0-Y1|視為本組試驗得到的放電間隙，以每組條件重復(fù)試驗3次取平均值來提高測量精度。

圖1 間隙測量試驗平臺

試驗在SL800A/1-HZ型數(shù)控精密磨床平臺上裝載上述2個紫銅電極；噴霧系統(tǒng)由LD-1200X3型無油空壓機、SR-L25型噴槍和MDL微量霧化裝置組成；介質(zhì)材料為去離子水和SiO2粉末，粉末粒徑D50=1.3 μm，其懸濁液濃度為2 g/L。以SiO2粉末在空氣中不可燃為基礎(chǔ)，確保試驗安全性。放電試驗條件如表1所示。

表1 放電間隙試驗條件

1.2 砂輪修整及磨削試驗方案與條件

為了比較不同介質(zhì)下砂輪的修整效果，采用與表1中相同的3組放電介質(zhì)，并控制放電介質(zhì)因素為單一變量進行粗粒度砂輪修整試驗。此試驗采用表1中試驗得到的最佳放電參數(shù)，即占空比為50%、開路電壓為90 V且峰值電流為13.33 A。砂輪修整試驗平臺如圖2所示，待修整砂輪為150.00 mm×10.00 mm×7.00 mm×31.75 mm(外徑×厚度×磨料層厚度×內(nèi)徑)的青銅結(jié)合劑金剛石砂輪，其金剛石磨粒粒度代號為70/80，磨粒濃度為100%。在砂輪修整試驗中，砂輪和銅鋅合金工具電極分別連接脈沖電源正極和負極，磨床主軸帶動砂輪旋轉(zhuǎn)，工作臺帶動工具電極橫向往復(fù)運動以實現(xiàn)砂輪的電火花修整。砂輪修整及工件磨削試驗條件如表2所示。

圖2 砂輪修整試驗平臺

表2 砂輪修整及磨削試驗條件

在表2的條件下修整砂輪，并以修整后的砂輪磨削工件，分別用超景深顯微鏡觀測修整試驗后的砂輪和磨削試驗后的工件的表面形貌，并用粗糙度測試儀測量工件表面粗糙度Ra值，以比較不同介質(zhì)中修整的砂輪的磨削性能。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 放電間隙測量試驗結(jié)果與分析

2.1.1 放電介質(zhì)對放電間隙的影響

在表1中的開路電壓為90 V、峰值電流為13.33 A時，不同占空比下放電間隙與放電介質(zhì)的關(guān)系如圖3所示。在圖3中：在占空比為10%時，1#、2#和3#介質(zhì)中的放電間隙分別為6.0 μm、21.0 μm和38.0 μm；在占空比為40%和70%時，3種介質(zhì)下的放電間隙進一步增大，其中3#介質(zhì)中的增幅最大，達到了8.7 μm和4.6 μm，且其放電間隙顯著大于1#、2#介質(zhì)中的放電間隙。與此同時，當開路電壓與峰值電流采取表1中的其他組合時，也存在相似的規(guī)律。這表明介質(zhì)種類對放電間隙影響顯著，而只有采用混粉霧狀介質(zhì)能得到始終大于30.0 μm的放電間隙，并與粗粒度砂輪的磨粒粒徑更為匹配。

圖3 不同占空比下放電間隙與放電介質(zhì)的關(guān)系

2.1.2 放電參數(shù)對放電間隙的影響

2016年月均用電量比2015年減少10萬kW·h，年節(jié)省用電量約100多萬元/kW·h，節(jié)能效果明顯。

在表1中的開路電壓為90 V、峰值電流為13.33 A時，不同介質(zhì)中放電間隙與占空比的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知：在3種介質(zhì)中放電間隙都呈增大的趨勢但其變化幅度不同，分別從6.0 μm、21.0 μm和38.0 μm增大到11.0 μm、29.7 μm和51.3 μm，且該增長趨勢是非線性的，當占空比增大至50%以上時，3組介質(zhì)中放電間隙的增幅有所減小。同時，當開路電壓與峰值電流采取表1中的其他組合時，也存在相似的規(guī)律?？紤]到占空比過大會導(dǎo)致脈沖間隔過小而影響連續(xù)放電過程，因此選用占空比D=50%時進行砂輪修整試驗最為合適。

圖4 不同介質(zhì)中放電間隙與占空比的關(guān)系

當占空比為50%時，在3#介質(zhì)中進行開路電壓和峰值電流的二因素全水平試驗，得到不同峰值電流下放電間隙與開路電壓的關(guān)系如圖5所示。從圖5可見：3組峰值電流下放電間隙均隨開路電壓升高而增大，且在開路電壓相同時，放電間隙隨峰值電流升高也呈增大趨勢。

圖5 不同峰值電流下放電間隙與開路電壓的關(guān)系

當占空比固定為50%，開路電壓為60 V或峰值電流為6.67 A時，表1的開路電壓或峰值電流變化可組成獨立的5組試驗，其放電間隙值均低于46.0 μm，相對較小且不適合于砂輪修整試驗；當開路電壓為90 V或120 V且峰值電流為13.33 A或20.00 A時，表1的開路電壓和峰值電流可組成獨立的4組試驗，得到的放電間隙全部在50.0 μm左右，更能滿足砂輪修整的需要。此外，在砂輪修整試驗中，應(yīng)在滿足修整需要的范圍內(nèi)應(yīng)盡量選擇較小的放電參數(shù)以控制放電高溫對磨粒的損傷，因此選取開路電壓為90 V、峰值電流為13.33 A作為砂輪修整試驗的放電參數(shù)最合適。同時，在1#和2#介質(zhì)中進行相同的試驗，同樣能夠得到以上述參數(shù)修整砂輪較為合適的結(jié)論。

綜上所述，混粉電火花放電能夠獲得比其他介質(zhì)放電更大的放電間隙，從而在理論上更適合用于粗粒度砂輪的電火花修整。試驗得出電火花砂輪修整適宜的放電參數(shù)為：占空比50%、開路電壓90 V和峰值電流13.33 A。

2.2 砂輪修整及磨削試驗結(jié)果與分析

2.2.1 放電介質(zhì)對砂輪表面形貌的影響

以上述放電參數(shù)和3組放電介質(zhì)按表2條件進行砂輪修整試驗，用超景深顯微鏡觀測砂輪修整前后的形貌如圖6所示。從圖6可以看出：砂輪原有形貌中可見磨粒很少且不平整(圖6a)；砂輪在1#介質(zhì)中修整后，其表面可見磨粒數(shù)目略有增加，但磨粒出現(xiàn)破損和顯著的石墨化現(xiàn)象，且結(jié)合劑表面的黑色和金黃色區(qū)域呈斑痕狀不均勻分布，這表明在此條件下砂輪無法完全修整到位，且放電能量的集中對磨粒造成了損傷(圖6b)；砂輪在2#介質(zhì)中修整后，其表面可見磨粒數(shù)目較多、形狀更完整，且結(jié)合劑重凝層的分布和色澤趨于均勻(圖6c)；砂輪在3#介質(zhì)中修整后，其表面可見磨粒數(shù)目最多、形狀最完好，磨粒明顯突出于結(jié)合劑表面，且重凝層的分布均勻度更高(圖6d)。綜上所述，混粉電火花介質(zhì)相對于其他介質(zhì)中的修整可以獲得較多的磨粒突出數(shù)量、較輕的磨粒熱損傷和較為均勻平整的結(jié)合劑形貌。

(a)修整前的砂輪形貌(b)1#介質(zhì)中修整后的砂輪形貌Grinding wheel morphology before dressingGrinding wheel morphology after dressing under condition 1#(c)2#介質(zhì)中修整后的砂輪形貌(d)3#介質(zhì)中修整后的砂輪形貌Grinding wheel morphology after dressing under condition 2# Grinding wheel morphology after dressing under condition 3#圖6 砂輪修整前后的表面形貌Fig. 6 Surface morphology before and after grinding wheel dressing

2.2.2 放電介質(zhì)對磨粒突出高度的影響

用超景深顯微鏡測量3組介質(zhì)中砂輪修整前后的表面磨粒附近形貌及其突出高度，每組隨機抽取10個不同區(qū)域的磨粒并計算其突出高度的平均值，即為砂輪的磨粒平均突出高度。結(jié)果顯示：砂輪在未修整前磨粒平均突出高度為3.52 μm，屬于磨鈍狀態(tài)；在1#介質(zhì)中修整后雖然材料有所去除，但磨粒平均突出高度僅為9.58 μm，砂輪未能充分修整；在2#和3#介質(zhì)中修整后的平均磨粒突出高度分別達到29.11 μm和46.79 μm，且后者的結(jié)合劑表面峰谷差距更小、整體形貌更平整。由此可見，在最適宜的電火花修整條件下，以壓縮空氣為介質(zhì)仍無法修整完全，以壓縮空氣+去離子水霧為介質(zhì)可以改善修整效果，而采用混粉去離子水霧為介質(zhì)則可使修整后的砂輪磨粒突出高度更高、更一致。

在前述砂輪修整試驗中，控制修整時間相同，計算機床記錄的修整前后的Y軸坐標差值，得到砂輪修整的進給量，結(jié)果顯示在1#、2#和3#介質(zhì)中砂輪的進給量分別為22.0、35.0和58.0 μm；同時，以精密天平稱量砂輪在1#、2#和3#介質(zhì)中修整后所去除的材料質(zhì)量，分別為0.88、1.03和1.32 g。以上述2個量為指標來衡量不同介質(zhì)中砂輪的修整效率，其值越大表示修整效率越高?？梢?，3#介質(zhì)中的修整效率高于2#介質(zhì)的，而二者修整效率均高于1#介質(zhì)的，且3#介質(zhì)中的修整效率相對于2#和1#介質(zhì)的修整效率可提高28.2%～50.0%。

2.2.4 放電介質(zhì)對砂輪磨削性能的影響

在表2的條件下進行磨削試驗，觀測磨削后工件的表面形貌并測量其表面粗糙度值，結(jié)果如圖7所示。其中1#、2#和3#工件分別為在1#、2#和3#介質(zhì)中修整后砂輪磨削所對應(yīng)的YG8樣件。由圖7可見：1#工件表面存在較為明顯的深劃痕(圖7a)；2#工件表面劃痕的均勻性較好(圖7b)；3#工件表面劃痕的均勻性最好且顏色較淺(圖7c)；此外，3#工件磨削區(qū)域的表面粗糙度Ra為0.973 μm，小于2#工件的1.217 μm和1#工件的2.481 μm。以上現(xiàn)象表明：壓縮空氣中修整的砂輪表面突出磨粒分布不均勻；去離子水霧+壓縮空氣中修整的砂輪表面磨粒分布較均勻且高度一致性較好；混粉去離子水霧中修整的砂輪表面磨粒分布均勻性好且磨粒高度一致性最好。綜上所述，相比其余2種方法，混粉電火花修整能夠獲得更優(yōu)的砂輪表面質(zhì)量，進而提高砂輪磨削性能。

(a) 1#(b) 2#(c) 3#圖7 磨削后的工件表面形貌和質(zhì)量Fig. 7 Morphology and surface quality of workpieces after grinding

取混粉電火花修整前后的2組砂輪分別進行能譜分析，得到圖8所示的砂輪表面Si元素分布和含量。由圖8可見：混粉修整后砂輪表面的Si元素分布更加細密均勻(圖8a和圖8c)，且其砂輪表面的Si質(zhì)量分數(shù)提高了1.08%(圖8b和圖8d)。原因是介質(zhì)中的固相物質(zhì)即SiO2粉末參與了砂輪表面重凝層的形成過程。理論上Si元素含量的升高能夠促進砂輪耐磨性的提高，從而進一步提高砂輪的使用壽命和磨削性能[14]。此外，混粉修整后砂輪表面的Zn元素含量也有所增加，這是因為修整過程中工具電極受熱所蝕除的材料一定程度上參與了重凝層的形成過程，而工具電極材料本身就含有Zn元素。

綜上所述，砂輪的修整效率和修整后的表面形貌、磨粒突出高度、磨削性能以及砂輪表面重凝層元素含量和分布都受到放電介質(zhì)的影響。選用去離子水霧+壓縮空氣介質(zhì)的效果優(yōu)于純壓縮空氣的，而采用混SiO2粉末的去離子水霧的修整效果最好，這驗證了混粉電火花修整法在粗粒度金剛石砂輪修整應(yīng)用中的可行性。

(a) 修整前的Si分布(b) 修整前的Si質(zhì)量分數(shù) Si distribution before dressingSi mass fraction before dressing(c) 混粉修整后的Si分布(d) 混粉修整后的Si質(zhì)量分數(shù)Si distribution under Cond. 3#Si mass fraction under Cond. 3#圖8 砂輪混粉修整前后Si元素的分布和含量Fig. 8 Distribution and element content of Si of grinding wheel before and after EDD under condition 3#

3 結(jié)論

(1)提出一種采用混SiO2粉末的去離子水霧為介質(zhì)的混粉電火花修整法，其導(dǎo)電微粉有助于提高放電間隙以適用于粗粒度金剛石砂輪的電火花修整。

(2)電火花放電間隙測量試驗得出混SiO2粉末去離子水霧中的放電間隙高于去離子水霧+壓縮空氣介質(zhì)和壓縮空氣介質(zhì)的；在介質(zhì)相同時，電火花放電間隙在一定范圍內(nèi)隨開路電壓、峰值電流和占空比的增加而增加；電火花修整試驗的最佳放電參數(shù)為開路電壓90 V、峰值電流13.33 A和占空比50%。

(3)混粉電火花修整能使砂輪表面形貌更均勻平整、磨粒突出數(shù)量增加、磨粒突出高度及其一致性提高；同時混粉電火花修整砂輪的修整效率相對于去離子水霧+壓縮空氣介質(zhì)和壓縮空氣介質(zhì)的可提高28.2%～50.0%。

(4)采用SiO2粉末的混粉電火花修整能使金屬結(jié)合劑金剛石砂輪表面Si元素分布更均勻、含量更高，進而提高砂輪的耐磨性。