電解磨削加工技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

焦鋒， 馬曉三， 別文博， 牛贏， 牛屾

(1.河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院, 河南 焦作 454000; 2.平頂山學(xué)院 電氣與機(jī)械工程學(xué)院, 河南 平頂山 467000)

0 引言

為了解決傳統(tǒng)磨削加工中存在的磨削溫度高[1-2]、容易產(chǎn)生表面磨削燒傷和裂紋[2-3]、磨具堵塞和磨損嚴(yán)重[4]等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種復(fù)合磨削加工技術(shù)，主要有超聲振動(dòng)輔助磨削[5-6]、電火花機(jī)械復(fù)合磨削[7]和電解磨削[8]等。其中，電解磨削(ECG)是一種將電解加工(ECM)與傳統(tǒng)機(jī)械磨削相結(jié)合形成的電化學(xué)- 機(jī)械復(fù)合加工技術(shù)[9]，由Keeleric于1952年提出，當(dāng)時(shí)主要用于實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金材料的高速、高效加工[10-11]。對(duì)于硬質(zhì)合金、鈦合金、鎳基高溫合金等各種難加工導(dǎo)電材料，電解磨削能夠獲得較大的材料去除率(MRR)、較高的表面質(zhì)量和較小的砂輪磨損量，從而表現(xiàn)出優(yōu)異的加工性能。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電解磨削從材料去除和表面創(chuàng)成機(jī)理、在各種新材料精密加工中的應(yīng)用等方面進(jìn)行了深入研究，并提出了多種新型復(fù)合電解磨削加工技術(shù)。本文對(duì)電解磨削的加工原理、分類(lèi)和工藝性能進(jìn)行了總結(jié)，從理論研究、加工仿真、工藝優(yōu)化和工程應(yīng)用、各種新型復(fù)合電解磨削加工技術(shù)等方面對(duì)電解磨削的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，并對(duì)未來(lái)的研究進(jìn)行了展望。

1 電解磨削加工原理和分類(lèi)

1.1 加工原理

電解磨削加工原理如圖1所示。工件與直流脈沖電源的正極相連接，導(dǎo)電砂輪通過(guò)砂輪桿和電刷與電源負(fù)極相連接。加工過(guò)程中，導(dǎo)電砂輪通過(guò)其表面的磨粒與工件接觸，對(duì)工件施加一定的壓力，使金屬結(jié)合劑與工件之間構(gòu)成很小的間隙，工件表面材料在電化學(xué)作用下發(fā)生陽(yáng)極溶解，并形成一層鈍化膜，該鈍化膜阻礙或減緩了陽(yáng)極溶解的持續(xù)進(jìn)行，其硬度顯著低于工件基體材料[12-14]。在工件持續(xù)進(jìn)給的情況下，鈍化膜被導(dǎo)電砂輪表面的磨粒刮除，陽(yáng)極溶解得以繼續(xù)進(jìn)行。在電化學(xué)陽(yáng)極溶解、鈍化膜生成、鈍化膜刮除3個(gè)環(huán)節(jié)循環(huán)進(jìn)行條件下，工件表面材料被持續(xù)去除，直至達(dá)到規(guī)定的尺寸要求。

圖1 電解磨削加工原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrochemical grinding

電解磨削使用的導(dǎo)電砂輪主要有燒結(jié)式、電鍍式和釬焊式3種類(lèi)型[15-17]。導(dǎo)電砂輪常見(jiàn)的磨料種類(lèi)有燒結(jié)剛玉、高強(qiáng)度陶瓷、金剛石、立方碳化硼(CBN)等。導(dǎo)電砂輪采用銅基合金或石墨作為結(jié)合劑。其中銅基結(jié)合劑導(dǎo)電砂輪具有導(dǎo)電性能好、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，并且可以采用反接電解法進(jìn)行電極間隙的加工[15]和砂輪的修整[18-19]，而在工程實(shí)踐中應(yīng)用較多。

1.2 加工分類(lèi)

按照加工方式，電解磨削可分為圓周電解磨削、端面電解磨削、電解鉆磨和電解銑磨。

1.2.1 圓周電解磨削

圓周電解磨削是利用圓柱形砂輪或者成形砂輪的回轉(zhuǎn)圓周面與工件發(fā)生電解反應(yīng)和機(jī)械磨削作用的加工方式，可以加工平面、外圓和內(nèi)孔，也可用于復(fù)雜形狀回轉(zhuǎn)表面的切入式成形磨削。圓周電解磨削加工形式靈活多樣，又能夠避免端面電解磨削加工中的面積效應(yīng)[16,20]，目前關(guān)于電解磨削的研究大都針對(duì)這種加工方式。

1.2.2 端面電解磨削

端面電解磨削通過(guò)杯形導(dǎo)電砂輪的端面部位與工件發(fā)生電解反應(yīng)和機(jī)械磨削作用，從而去除工件材料，其加工原理如圖2所示。

圖2 端面電解磨削加工原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of ECSG

與圓周電解磨削相比，端面電解磨削加工具有砂輪與工件之間的導(dǎo)電面積大，材料去除率高的優(yōu)點(diǎn)。電解磨削加工技術(shù)發(fā)展早期，這種電解磨削加工方式在工程實(shí)踐中占據(jù)了主導(dǎo)地位[9,20]。但是端面電解磨削一般只能用于加工平面和成形加工圓環(huán)形面[21-23]。端面電解磨削加工平面時(shí)，由于電解過(guò)切效應(yīng)以及加工表面各點(diǎn)與砂輪接觸的時(shí)間和重疊概率存在差異，各部位局部切削深度不同，這就是加工的面積效應(yīng)[16,20]。面積效應(yīng)導(dǎo)致工件被加工表面不平整，加工精度下降，限制了端面電解磨削在精密、超精密加工領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.2.3 電解鉆磨

圖3 電解鉆磨加工原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of ECDG

電解鉆磨多用于高溫合金[24-25]、不銹鋼[10,14,26-27]和鈦合金等難加工材料中的精密擴(kuò)孔加工。電解鉆磨加工原理如圖3所示，其加工特點(diǎn)是加工過(guò)程中工件和磨具的相對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)沿著磨具的軸線(xiàn)方向。電解鉆磨一般都在經(jīng)過(guò)粗加工的底孔的基礎(chǔ)上進(jìn)行。

1.2.4 電解銑磨

電解銑磨多用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)[28-29]、葉片安裝榫槽[30]、葉片外形[31-32]和薄壁機(jī)匣[33]等具有復(fù)雜形狀輪廓工件的精密加工。電解銑磨加工原理如圖4所示，工件和導(dǎo)電砂輪的相對(duì)進(jìn)給按照銑削方式進(jìn)行，進(jìn)給路徑通常通過(guò)多軸數(shù)控系統(tǒng)控制[17,28-29,31,34-36]。為了保證加工部位電解液供給充分，電解銑磨通常采用圖4所示的空心砂輪內(nèi)噴供液方式。供液管路通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭與旋轉(zhuǎn)的砂輪桿相連接，電解液通過(guò)空心導(dǎo)電砂輪上的出液口噴入加工區(qū)域。

圖4 電解銑磨加工原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of ECMG

深切磨削是一種通過(guò)大幅增加設(shè)定磨削深度提高工件材料去除效率的先進(jìn)磨削技術(shù)，在鎳基合金等諸多難加工材料的加工中獲得廣泛應(yīng)用。然而，這種加工方法砂輪磨損和磨削熱等問(wèn)題突出，容易出現(xiàn)燒傷和微裂紋等表面缺陷。針對(duì)這些問(wèn)題，有學(xué)者將深切磨削與電解銑磨加工相結(jié)合，提出了深切電解磨削加工技術(shù)[37]。葛永成[33]、Ge等[34, 38]研究結(jié)果表明，深切電解磨削過(guò)程中，工件材料在高電流密度下被高速電化學(xué)溶解，并伴隨大量電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物粘附在加工表面，并未在加工表面上產(chǎn)生致密的鈍化膜，這與普通電解磨削的加工機(jī)理有明顯不同。

2 電解磨削加工工藝性能

2.1 材料去除率

電解磨削加工中的工件材料去除主要由電化學(xué)陽(yáng)極溶解和砂輪磨粒機(jī)械磨削作用兩部分組成。粗磨時(shí)，可以通過(guò)提高電解電壓、脈沖占空比，適當(dāng)提高電化學(xué)陽(yáng)極溶解速率和加工進(jìn)給速度，從而可以獲得比較高的材料去除率[15, 28-29, 36, 39-45]。加工過(guò)程中，磨料機(jī)械磨削的作用是去除加工區(qū)域內(nèi)的鈍化膜和電解反應(yīng)未能溶解的碳化物骨架[16, 33-34, 37-38, 46]。電解磨削切削力可在普通磨削的基礎(chǔ)上減小25%～90%[9, 47-48]，而且加工區(qū)域內(nèi)沒(méi)有明顯的溫度升高現(xiàn)象[49-50]。因此，與普通磨削相比，電解磨削加工材料去除率可提高3～5倍[16]。

2.2 表面粗糙度

電解磨削一般采用鈍性電解液[49]，加工過(guò)程中產(chǎn)生的鈍化膜能有效抑制電解加工的雜散腐蝕[51-54]。精磨和精密加工時(shí)，可以通過(guò)降低電解電壓和脈沖占空比，消除加工中的電解過(guò)切現(xiàn)象[40-43, 52, 55]，利用磨粒的機(jī)械磨削作用保證加工的尺寸精度和表面質(zhì)量[53-54, 56-57]。文獻(xiàn)[16]的研究結(jié)果表明，電解磨削的加工精度比普通電解加工高，與普通機(jī)械磨削相當(dāng)。

表面粗糙度是電解磨削加工精度研究的重要方面。Ilhan等[57-58]研究發(fā)現(xiàn)，電解磨削加工中，加工區(qū)域內(nèi)電解液分布不均，工件表面酸度和濃差極化[16]程度差異較大，導(dǎo)致工件表面電化學(xué)陽(yáng)極溶解速率不均勻，不利于表面粗糙度的降低。Roy等[59]利用自相關(guān)函數(shù)分析了電解磨削加工表面形貌的周期性和隨機(jī)性，結(jié)果表明，加工表面粗糙度主要是由工件材料不同成分的電化學(xué)陽(yáng)極溶解速率差引起的。以上研究結(jié)果表明，提高加工過(guò)程中磨粒機(jī)械磨削作用的程度，適當(dāng)降低電化學(xué)陽(yáng)極溶解在工件總材料去除率中的占比，可以有效降低加工表面粗糙度。

2.3 表面殘余應(yīng)力

與普通磨削相比，電解磨削加工機(jī)械磨削力顯著降低，且沒(méi)有明顯溫升，所以在加工表面產(chǎn)生的殘余應(yīng)力很小。電解磨削表面殘余應(yīng)力主要受機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的影響：機(jī)械應(yīng)力主要是由于砂輪磨粒對(duì)加工表面的擠壓作用產(chǎn)生的，形成殘余壓應(yīng)力[61]；熱應(yīng)力主要是由于機(jī)械磨削熱和電極意外放電產(chǎn)生的，形成殘余拉應(yīng)力[55]。

Atkinson等[52, 55]對(duì)工具鋼AISI-10電解磨削后的表面殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。在0 V、3.66 V、4.41 V三種電壓狀態(tài)下，工件表面殘余應(yīng)力沿深度方向的分布如圖5所示[55]。從圖5中可以看出，在電源電壓為0 V，材料去除方式為純機(jī)械磨削的加工狀態(tài)下，加工表面產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，隨著電源電壓和電化學(xué)溶解作用的增加，表面殘余壓應(yīng)力逐漸減小。因此，可以認(rèn)為表面殘余壓應(yīng)力主要是機(jī)械磨削作用引起的，電化學(xué)溶解作用對(duì)表面殘余應(yīng)力狀態(tài)幾乎沒(méi)有影響[55, 62]。

圖5 3種電壓狀態(tài)下殘余應(yīng)力沿深度分布曲線(xiàn)[55]Fig.5 Distribution curves of the residual stress along depth under three voltage states[55]

2.4 加工表面缺陷

與普通機(jī)械磨削相比，電解磨削具有磨削力小、加工溫度低的特點(diǎn)，從而能夠有效避免磨削變質(zhì)層、燒傷等磨削熱缺陷以及磨削裂紋的產(chǎn)生[16, 49]。

電解磨削加工表面缺陷主要是雜散腐蝕。電解加工過(guò)程中，雜散電流對(duì)陽(yáng)極工件已加工表面的二次腐蝕或?qū)Ψ羌庸^(qū)域的腐蝕稱(chēng)為雜散腐蝕，其表面形貌如圖6所示[63]。電解磨削加工過(guò)程中產(chǎn)生的鈍化膜雖然能有效抑制 雜散腐蝕，但是卻難以從根本上杜絕。在目前的研究中通常從兩方面采取措施對(duì)雜散腐蝕進(jìn)行控制：一是通過(guò)掩膜、涂層等技術(shù)對(duì)陽(yáng)極工件的非加工表面進(jìn)行防護(hù)[16]；二是對(duì)導(dǎo)電砂輪的非加工部位進(jìn)行絕緣噴涂。葛永成[33]在深切電解磨削加工中，提出了圖7所示的采用氣體絕緣保護(hù)法，可有效提高電解腐蝕的定域性，抑制雜散電流對(duì)已加工表面的二次腐蝕，其工作原理是利用噴嘴在工件已加工部位充入壓縮空氣，利用其中的氮?dú)?，形成絕緣保護(hù)層，利用其中的氧氣，進(jìn)一步強(qiáng)化鈍化膜的穩(wěn)定性。Zhu等[14]在電解鉆磨研究中，提出對(duì)圖3所示的球頭式磨具的磨頭后半部分和金屬桿部位使用絕緣噴涂材料進(jìn)行噴涂，形成絕緣防護(hù)層，以避免這些部位產(chǎn)生雜散電流。對(duì)非工作部位進(jìn)行絕緣防護(hù)處理后的磨具如圖8(a)所示。Niu等[29]在電解銑磨研究中，提出對(duì)內(nèi)噴供液空心導(dǎo)電砂輪的端部進(jìn)行絕緣噴涂，以減少導(dǎo)電砂輪端部雜散電流對(duì)槽底面的二次腐蝕?？招膶?dǎo)電砂輪端部進(jìn)行絕緣噴涂后如圖8(b)所示。

圖6 電解加工“雜散腐蝕”表面形貌[63]Fig.6 Stray corrosion on the surface of the workpiece in electrochemical machining[63]

圖7 工件已加工表面的氣體絕緣保護(hù)法原理示意圖[33]Fig.7 Schematic diagram of the gas insulation protection method for the surface of machined workpiece[33]

圖8 對(duì)非加工部位進(jìn)行絕緣處理的導(dǎo)電砂輪Fig.8 Conductive grinding wheels after insulation treatment on non-machined parts

2.5 砂輪磨損量

電解磨削加工中的砂輪磨損主要有磨料顆粒的機(jī)械磨損、金屬結(jié)合劑的化學(xué)腐蝕和砂輪表面的放電火花腐蝕3種途徑[56]。與普通磨削相比，電解磨削的機(jī)械磨削力顯著降低，所以砂輪磨料顆粒的機(jī)械磨損很小。砂輪的化學(xué)腐蝕和放電火花腐蝕可以通過(guò)調(diào)整加工工藝參數(shù)加以避免[36, 53]。因此，在合適的工藝參數(shù)條件下，與普通磨削相比，電解磨削加工砂輪磨損量小得多。研究結(jié)果表明，金剛石導(dǎo)電砂輪電解磨削加工中的相對(duì)磨損量約為普通磨削加工的1/15左右[56]。

3 電解磨削材料去除機(jī)理研究現(xiàn)狀

早期的研究[40, 46, 52-55, 57]認(rèn)為，電解磨削加工中的工件材料去除由電化學(xué)陽(yáng)極溶解和砂輪磨粒機(jī)械磨削作用兩部分組成，并據(jù)此提出了材料去除率計(jì)算公式[46, 52-53]：

MRRTotal=MRRECM+MRRAbrasion

(1)

式中：MRRTotal為總材料去除率；MRRECM為電化學(xué)陽(yáng)極溶解材料去除率；MRRAbrasion為磨粒機(jī)械磨削材料去除率。

Kaczmarek等[46]對(duì)電解磨削加工中的材料去除率進(jìn)行了研究，分別提出電化學(xué)陽(yáng)極溶解材料去除率MRRECM和磨粒機(jī)械磨削材料去除率MRRAbrasion的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式：

(2)

(3)

式中：qc為工件材料的電化學(xué)當(dāng)量；w為電解液的比電導(dǎo)；V為電解電壓；Kp為極化系數(shù)；h為電極之間的電解極間間隙；F為電極之間電解反應(yīng)的有效面積；d為砂輪直徑；N為砂輪圓周表面上的磨粒數(shù)；v為旋轉(zhuǎn)線(xiàn)速度；C、m、B為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

在電解磨削加工過(guò)程中，存在過(guò)切的情況下，電解極間間隙h是沿著砂輪圓周方向變化的。使用(2)式計(jì)算電化學(xué)陽(yáng)極溶解材料去除率時(shí)，需要求出h值沿砂輪圓周方向的變化規(guī)律。

Noble等[40]在研究電化學(xué)陽(yáng)極溶解材料去除率時(shí)，將加工區(qū)域按圖9所示進(jìn)行分段研究，一段為磨粒機(jī)械磨削與電化學(xué)陽(yáng)極溶解同時(shí)存在的區(qū)域，如圖9所示的[θ0，θ1]區(qū)間，另一段為完全電化學(xué)陽(yáng)極溶解區(qū)域，如圖9所示的[θ1，90°]區(qū)間。圖9中，θ為該點(diǎn)相對(duì)于初始切入點(diǎn)的圓心角。

圖9 電解磨削加工區(qū)域分段模型[40]Fig.9 Segmented model of electrochemical grinding[40]

在[θ0，θ1]區(qū)間內(nèi)，不存在過(guò)切現(xiàn)象，極間間隙恒等于砂輪上的磨粒突出高度g，針對(duì)該區(qū)間，建立了有效電解間隙h′微分方程：

(4)

式中：h′為[θ0，θ1]區(qū)間內(nèi)任意一點(diǎn)有效電解間隙；C為電化學(xué)常數(shù)；f為砂輪進(jìn)給速度；r為砂輪金屬結(jié)合劑半徑。

在[θ1，90°]區(qū)間內(nèi)，產(chǎn)生了實(shí)際加工深度大于砂輪設(shè)定磨削深度的現(xiàn)象，即過(guò)切現(xiàn)象[40-43, 52, 55]。該區(qū)間內(nèi)工件材料去除完全靠電化學(xué)陽(yáng)極溶解，針對(duì)該區(qū)間，建立了極間間隙h微分方程：

(5)

利用(4)式和(5)式的近似數(shù)值解，并結(jié)合(2)式，即可求出加工過(guò)程中電化學(xué)陽(yáng)極溶解的材料去除率[40]。

Kozak等[64]根據(jù)電化學(xué)陽(yáng)極溶解成形理論模型[65]，在圖9所示的Oxz坐標(biāo)系中，對(duì)電解磨削加工區(qū)域內(nèi)工件表面幾何形狀隨時(shí)間的變化規(guī)律z=Z(x,t)進(jìn)行研究，得出如下微分方程：

(6)

式中：kv為工件材料的電化學(xué)可加工性系數(shù)；i為加工區(qū)域內(nèi)的平均電流密度。

平均電流密度i可通過(guò)(7)式計(jì)算：

(7)

式中：β為導(dǎo)電砂輪表面未覆蓋磨粒的金屬結(jié)合劑面積與砂輪圓柱面面積之比；κ為電解液的電導(dǎo)率；E為電極總過(guò)電位，等于陽(yáng)極和陰極過(guò)電位之和。

電解極間間隙h可通過(guò)(8)式計(jì)算：

(8)

式中：x(t)和z(t)為加工區(qū)域內(nèi)工件表面上某點(diǎn)坐標(biāo)隨時(shí)間的變化；xo(t)和zo(t)為砂輪軸心隨時(shí)間的變化。

利用有限差分法對(duì)(6)式～(8)式組成的方程組進(jìn)行數(shù)值求解，即可得出加工區(qū)域工件表面輪廓電化學(xué)成形過(guò)程。

研究結(jié)果表明，電解磨削中電化學(xué)陽(yáng)極溶解和磨粒機(jī)械磨削作用的匹配對(duì)于加工精度和效率具有至關(guān)重要的影響[14, 25, 27, 30, 66]。根據(jù)加工過(guò)程中電化學(xué)陽(yáng)極溶解在總的材料去除中的比重，或圖9中[θ1，90°]區(qū)間的大小，電解磨削可劃分為4種加工狀態(tài)[41, 52, 55]：狀態(tài)Ⅰ的電解電壓小于電極總過(guò)電位E，電流密度為0，加工區(qū)域內(nèi)未發(fā)生電解反應(yīng)，材料去除為純機(jī)械磨削；狀態(tài)Ⅱ的電解電壓超過(guò)了電極總過(guò)電位E，加工區(qū)域內(nèi)發(fā)生了電解反應(yīng)，但是電解電壓值較小，進(jìn)給速度較高，整個(gè)加工區(qū)域內(nèi)未發(fā)生過(guò)切；狀態(tài)Ⅲ的電解電壓較高、進(jìn)給速度較低，加工區(qū)域內(nèi)發(fā)生局部過(guò)切；狀態(tài)Ⅳ的電解電壓過(guò)高，進(jìn)給速度過(guò)低，整個(gè)加工區(qū)域內(nèi)均發(fā)生了過(guò)切，磨粒不能起到機(jī)械磨削作用，材料去除為純電解方式。各狀態(tài)下的加工區(qū)域輪廓如圖10所示[52]。表面粗糙度、電流和過(guò)切深度隨電解電壓變化曲線(xiàn)及其對(duì)應(yīng)的4種加工狀態(tài)如圖11所示[41, 52]。

圖10 電解磨削4種加工狀態(tài)示意圖[52]Fig.10 Schematic diagram of four machining states of electrochemical grinding[52]

圖11 4種加工狀態(tài)隨電源電壓變化示意圖[41, 52]Fig.11 Schematic diagram of four machining states changing with power supply voltage[41, 52]

對(duì)于上述電解磨削加工狀態(tài)，粗磨時(shí)，可采用有過(guò)切現(xiàn)象的加工狀態(tài)Ⅲ，以提高材料去除率和加工效率；最終精磨時(shí)，可采用磨料機(jī)械磨削和電化學(xué)陽(yáng)極溶解同時(shí)存在，但是不存在過(guò)切現(xiàn)象的加工狀態(tài)Ⅱ，以保證最終尺寸精度和表面質(zhì)量[42]。Tehrani等[42]研究結(jié)果表明，在電解磨削加工中采用直流脈沖電源，可有效控制過(guò)切現(xiàn)象，在其他加工參數(shù)保持恒定時(shí)，過(guò)切深度隨脈沖電流占空比的減小而減小，他們還研究了過(guò)切產(chǎn)生的臨界條件，該研究成果為電解磨削粗精加工轉(zhuǎn)換過(guò)程中過(guò)切深度的調(diào)整提供了理論依據(jù)。

以上關(guān)于電解磨削材料去除機(jī)理的研究都針對(duì)電化學(xué)陽(yáng)極溶解和砂輪磨粒機(jī)械磨削兩方面。Gaikwad等[51]、Sapre等[ 67]和Rahi等[68]研究認(rèn)為電解液沖刷作用對(duì)工件材料去除也有較大影響，通過(guò)利用流體動(dòng)力學(xué)理論對(duì)電解液沖刷引起的工件材料去除率進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，提出了新的材料去除率計(jì)算公式[67]：

MRRTotal=MRRECM+MRRAbrasion+MRRErosion

(9)

式中：MRRErosion為電解液沖刷引起的工件材料去除率。

以上研究都是將電解磨削中的電化學(xué)陽(yáng)極溶解、磨粒機(jī)械磨削作用和電解液沖刷作用分開(kāi)，對(duì)于電化學(xué)陽(yáng)極溶解過(guò)程，都將其等效于旋轉(zhuǎn)電極電解加工[49, 40, 69]，對(duì)于磨粒機(jī)械磨削過(guò)程，都將其等效于普通磨削。目的研究均未能充分考慮各影響因素之間的交互關(guān)聯(lián)性，也忽略了鈍化膜對(duì)電化學(xué)陽(yáng)極溶解的抑制作用和對(duì)工件材料去除的影響，因此，建立的電解磨削材料去除率模型與加工實(shí)際有較大差異。

4 電解磨削加工過(guò)程仿真研究現(xiàn)狀

目前針對(duì)電解磨削加工過(guò)程的數(shù)值仿真研究主要是在材料去除機(jī)理研究基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)關(guān)于電化學(xué)陽(yáng)極溶解的微分方程進(jìn)行數(shù)值求解，得出特定條件下的電解磨削工件表面輪廓成形規(guī)律曲線(xiàn)。Noble等[40]在通過(guò)建立加工過(guò)程中電解極間間隙微分方程，并對(duì)其數(shù)值求解，得出了電解磨削加工區(qū)域內(nèi)不同位置電解過(guò)切深度變化規(guī)律曲線(xiàn)。Kozak等[64]通過(guò)對(duì)電解磨削加工過(guò)程中電化學(xué)陽(yáng)極溶解深度微分方程進(jìn)行數(shù)值求解，得出不同電解電壓和進(jìn)給速度條件下工件表面電化學(xué)溶解成形輪廓變化規(guī)律曲線(xiàn)。以上對(duì)于電解磨削加工過(guò)程的數(shù)值仿真研究，都著重考慮了電化學(xué)陽(yáng)極溶解對(duì)工件被加工表面輪廓變化的作用，而對(duì)磨粒機(jī)械磨削作用考慮不多，也未能充分考慮加工過(guò)程中鈍化膜的生成和去除對(duì)工件表面輪廓變化的影響。

目前對(duì)于電解磨削加工過(guò)程的物理仿真研究主要圍繞加工部位電場(chǎng)[10, 25, 27-29, 44]和電解液流場(chǎng)[10, 28, 33, 36, 39, 45, 51, 67-68, 70]兩方面進(jìn)行。

對(duì)于電解磨削電場(chǎng)仿真，大都利用多物理場(chǎng)仿真軟件COMSOL對(duì)加工區(qū)域內(nèi)的電流密度和電勢(shì)分布進(jìn)行研究，從而對(duì)電解磨削加工過(guò)程中工件材料電化學(xué)溶解速度分布進(jìn)行預(yù)測(cè)。在此過(guò)程中，都是將電極間隙內(nèi)的電解液視為均勻的，其電導(dǎo)率視為恒定的，并且將砂輪和工件在加工區(qū)域內(nèi)的表面視為等電勢(shì)面。Li等[44]在內(nèi)噴式供液電解銑磨研究過(guò)程中，對(duì)平底和錐形凹面底兩種空心導(dǎo)電砂輪的加工區(qū)域電場(chǎng)進(jìn)行仿真，兩種砂輪電解銑磨加工區(qū)域內(nèi)電勢(shì)分布以及加工后端面過(guò)切深度對(duì)比如圖12所示。從圖12中可以看出，與使用平底砂輪加工相比，使用錐形凹面底砂輪，能有效改善加工過(guò)程中砂輪底部電勢(shì)分布，減小砂輪底部對(duì)已加工表面的雜散腐蝕，從而減小加工的端面過(guò)切深度，提高加工表面的尺寸精度。

圖12 空心導(dǎo)電砂輪電解銑磨電場(chǎng)仿真[44]Fig.12 Electric field simulation of ECMG with a hollow conductive grinding wheel[44]

圖13 外圓電解磨削加工區(qū)域流場(chǎng)仿真[67]Fig.13 Flow field simulation of the cylindrical ECG processing area[67]

對(duì)于電解磨削電解液流場(chǎng)仿真，大都利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件，對(duì)加工區(qū)域內(nèi)的電解液流速分布進(jìn)行研究。在此過(guò)程中，都將電解液視為連續(xù)的、不可壓縮液體，不考慮電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物、磨削碎屑以及流動(dòng)過(guò)程中能量損失、溫度變化對(duì)電解液流場(chǎng)的影響，在質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程的基礎(chǔ)上建立仿真模型并進(jìn)行迭代求解。Joshi團(tuán)隊(duì)[67]在微細(xì)電解磨削材料去除率研究過(guò)程中，對(duì)砂輪直徑為φ70 mm、工件直徑為φ2 mm情況下的外圓電解磨削電解液流場(chǎng)進(jìn)行了仿真，加工區(qū)域內(nèi)的電解液流速分布如圖13所示。從圖13中可以看出，在加工區(qū)域內(nèi)，隨著導(dǎo)電砂輪和工件之間的間隙變小，電解液流速急劇變大。研究結(jié)果表明，電解液流速增加時(shí)，將導(dǎo)致電解液對(duì)工件表面的黏性剪切力增加，從而導(dǎo)致電解液沖刷作用引起的工件材料去除率提高。但是，在電流速增加的情況下，將導(dǎo)致電解液在工件表面的湍流增加，不利于加工精度的提高。

由于缺乏專(zhuān)用的電解磨削綜合仿真軟件，以上針對(duì)電解磨削電場(chǎng)和電解液流場(chǎng)的仿真研究，均進(jìn)行了較多簡(jiǎn)化，尤其是忽略了鈍化膜對(duì)陽(yáng)極溶解的抑制作用。在仿真過(guò)程中，也都是將電場(chǎng)和電解液流場(chǎng)分別單獨(dú)予以研究，未考慮加工過(guò)程中電化學(xué)能、電解液流和機(jī)械能的多場(chǎng)耦合情況。因此，目前的電解磨削加工過(guò)程仿真與加工實(shí)際情況相比，均有較大差異，仿真結(jié)果只能作為加工過(guò)程研究的定性參考。

5 電解磨削工藝優(yōu)化和工程應(yīng)用研究現(xiàn)狀

5.1 工藝優(yōu)化

由于電解磨削加工機(jī)理比較復(fù)雜，影響因素較多，且具有較強(qiáng)的隨機(jī)性[47]，很難從加工機(jī)理方面對(duì)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件建立嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型。因此，目前的很多電解磨削研究，都是通過(guò)加工實(shí)驗(yàn)，利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和方差分析等工具，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從而達(dá)到對(duì)加工工藝進(jìn)行優(yōu)化的目的。

Ilhan等[57]對(duì)304不銹鋼工件進(jìn)行了圓周電解磨削切槽加工研究。他們對(duì)電解過(guò)切、表面粗糙度、機(jī)床主軸負(fù)載、工件材料去除率和砂輪磨損量等加工性能參數(shù)建立了目標(biāo)函數(shù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化。研究過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪窃谌蜃訉?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上通過(guò)方差分析建立的，能夠較為全面地分析和估計(jì)各目標(biāo)函數(shù)影響因素的主效應(yīng)和所有各階交互效應(yīng)。Goswami等[47]、Bose等[71-74]對(duì)Al2O3/Al互穿相金屬基復(fù)合材料進(jìn)行了圓周平面電解磨削加工研究。他們利用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)各工藝參數(shù)組合進(jìn)行研究，并通過(guò)方差分析確定了各加工工藝參數(shù)對(duì)材料去除率、表面光潔度和切削力等加工性能的影響，獲得了最優(yōu)工藝參數(shù)組合[47, 71]，尤其是利用基于模糊集理論的多準(zhǔn)則決策模型、灰色關(guān)聯(lián)分析法[72-73]和響應(yīng)曲面法[74]對(duì)各個(gè)加工性能參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化。

Molla等[75]對(duì)Al/(Al2O3+ZrO2)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料進(jìn)行了電解磨削研究，利用正交實(shí)驗(yàn)、信噪比和方差分析，對(duì)電解電壓、電流密度、電解液濃度、砂輪轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)加工表面粗糙度的影響進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了單目標(biāo)優(yōu)化，得到了最佳工藝參數(shù)組合，并利用多變量回歸分析，建立了表面粗糙度預(yù)測(cè)模型。Puri等[76]采用金剛石杯形導(dǎo)電砂輪對(duì)P20級(jí)復(fù)合硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行了端面切入式電解磨削研究。他們?cè)?2全因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)多元線(xiàn)性回歸分析，建立了電流密度、材料去除率和表面粗糙度等加工性能參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，然后利用響應(yīng)曲面法進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，獲得了最佳工藝參數(shù)組合。Yadav等[77]對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金工件進(jìn)行了切斷電解磨削加工研究，利用灰色關(guān)聯(lián)理論對(duì)電解電壓、進(jìn)給速度、電解液濃度、電解液流量和砂輪轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，獲得了使材料去除率最大和表面粗糙度最低的工藝參數(shù)組合，并建立了總體質(zhì)量性能指數(shù)預(yù)測(cè)模型。Gitanjali等[78]通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)900高強(qiáng)度鋼電解磨削加工中脈沖電源電壓、電解液流速和切削深度對(duì)加工表面粗糙度的影響規(guī)律進(jìn)行研究，并對(duì)以上工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得了最佳加工表面質(zhì)量。

Qu等[17]、Niu等[28-29]和Li等[44-45]對(duì)鎳基高溫合金GH4169和Inconel 718進(jìn)行了電解銑磨實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明，采用釬焊金剛石砂輪代替電鍍砂輪，導(dǎo)電砂輪的使用壽命從15 h提高到了50 h，在電解電場(chǎng)和電解液流場(chǎng)仿真的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步通過(guò)加工實(shí)驗(yàn)，對(duì)內(nèi)噴供液空心導(dǎo)電砂輪側(cè)壁出液孔的排列方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出一種出液孔螺旋排列的空心導(dǎo)電砂輪，其外形結(jié)構(gòu)如圖14中的導(dǎo)電砂輪B所示[28]。相同數(shù)量和間距下，出液孔垂直排列(圖14中導(dǎo)電砂輪A所示)和螺旋排列加工出的槽壁輪廓如表1[28]所示。從表1可以看出，在各個(gè)電解電壓下，與導(dǎo)電砂輪A相比，導(dǎo)電砂輪B加工的槽壁輪廓精度顯著提高。研究結(jié)果同時(shí)表明，使用導(dǎo)電砂輪B加工時(shí)的材料去除率比使用導(dǎo)電砂輪A也有較大提高。

圖14 兩種空心導(dǎo)電砂輪的出液孔排列方式[28]Fig.14 Arrangement of liquid outlet holes of two hollow conductive grinding wheels[28]

葛永成[33]、Ge等[34, 38]在材料去除機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，對(duì)深切電解磨削工藝參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行了研究。

表1 兩種空心導(dǎo)電砂輪加工出的槽壁輪廓[28]

深磨加工、電解加工和深切電解磨削的加工表面形貌對(duì)比如圖15[34]所示，3種加工方式下導(dǎo)電砂輪的允許最大進(jìn)給速度和材料去除率對(duì)比如圖16[34]所示。由圖16可以看出，深切電解磨削的加工表面質(zhì)量明顯優(yōu)于其他兩種加工方式，且加工效率也有顯著提高。

圖15 3種加工方式下加工表面微觀(guān)形貌對(duì)比[34]Fig.15 Comparison of micro morphologies of the machined surfaces using three machining methods[34]

5.2 工程應(yīng)用

電解磨削非常適合鈦合金、硬質(zhì)合金、高溫合金、金屬基復(fù)合材料等難加工材料工件或涂覆層的精密加工。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞電解磨削的工程應(yīng)用開(kāi)展了較多研究。

Curtis等[30]采用成形電解銑磨技術(shù)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子葉盤(pán)上的葉片安裝榫槽進(jìn)行了精密加工，重點(diǎn)研究了磨粒類(lèi)型和電解電壓、進(jìn)給速度等工藝參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度和電解過(guò)切深度的影響。Mogilnikov等[79-80]采用Cu-Al-Zn復(fù)合結(jié)合劑金剛石杯形砂輪對(duì)硬質(zhì)合金WC-Ni和金屬陶瓷硬質(zhì)合金進(jìn)行了端面電解磨削，加工出的某功率晶閘管墊片平面可達(dá)鏡面效果，如圖17[79]所示。Zhang等[81]對(duì)電解磨削在低剛度變截面軸類(lèi)零件精密加工中的應(yīng)用進(jìn)行研究，通過(guò)分析影響加工精度和磨削力的主要因素，得出了磨削力與形狀誤差之間的規(guī)律。通過(guò)以上研究，有效降低了零件精密加工過(guò)程中的磨削力，避免了零件變形和加工表面磨削缺陷，提高了零件精密加工效率和加工精度。

圖17 端面電解磨削后的功率晶閘管墊片[79]Fig.17 Washer for a power thyristor after ECSG[79]

零件使用損傷后的熔覆修復(fù)層和電火花加工后的重鑄層表面精度較差，且硬度很高，普通磨削加工難度很大。近年來(lái)，有學(xué)者對(duì)電解磨削在上述表面精密加工中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。劉亮等[82-83]針對(duì)WC超音速火焰噴涂層的電解磨削加工，研究了電解電壓、脈沖占空比、砂輪轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等工藝參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度、殘余應(yīng)力等加工性能的影響，進(jìn)行了工藝優(yōu)化，并通過(guò)分析動(dòng)電位、恒電位陽(yáng)極極化曲線(xiàn)，確定了最佳電解磨削液配方。林允森等[84]采用電鍍金剛石成形導(dǎo)電砂輪，對(duì)齒輪齒面損傷后Fe-Mn-C合金激光熔覆修復(fù)層進(jìn)行了電解磨削加工，在120 min內(nèi)即可完成18個(gè)齒面的精密加工，表面粗糙度Ra值最小可達(dá)0.2 μm。李竹梅等[85]將電解磨削加工應(yīng)用于煤礦機(jī)械高強(qiáng)度零件損傷后Ni-Cr-B-Si熱噴涂修復(fù)層的精密加工中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)電流密度、磨削速度、磨削壓力以及電解液的成分和濃度進(jìn)行研究，獲得了最佳的加工效率和表面質(zhì)量。Has?alk等[60]對(duì)電火花加工后的Ti-6Al-4V工件表面進(jìn)行電解磨削加工，以去除其電火花重鑄層，加工表面粗糙度Ra值最小可達(dá)0.06 μm。Ming等[66]對(duì)鎳基高溫合金零件上電火花線(xiàn)切割加工出的φ8 mm小孔進(jìn)行了電解磨削加工，以去除孔壁表面上的電火花重鑄層，加工孔徑尺寸誤差在 0.01 mm 以?xún)?nèi)，每件加工時(shí)間小于7 min。通過(guò)以上研究，有效去除了工件熔覆修復(fù)表面和電火花加工表面的缺陷層，提高了表面尺寸精度和表面質(zhì)量。

近年來(lái)，電解磨削加工工件和表面呈現(xiàn)出了微細(xì)化、復(fù)雜化的研究趨勢(shì)。Zhu等[14]、沈崢嶸等[24]和張欣耀等[26]針對(duì)不銹鋼、鎳基高溫合金等難加工材料上直徑范圍為0.4～0.8 mm的微小孔進(jìn)行電解鉆磨加工研究，研制了加工設(shè)備，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)工藝參數(shù)、磨頭形狀進(jìn)行了優(yōu)選，形成了微小孔電解鉆磨加工理論。王峰等[23]、干為民等[31, 35]、Gan等[32]和徐波等[86]利用數(shù)控電解磨削技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、扭曲直紋曲面葉片和薄壁回轉(zhuǎn)零件等復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件和型面的精密加工進(jìn)行了研究，尤其是針對(duì)加工中的電解過(guò)切誤差，分析了產(chǎn)生原因，并在數(shù)控編程中通過(guò)補(bǔ)償予以消除。 以上研究促進(jìn)了電解磨削加工在微切削、數(shù)控精密加工領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。

以上對(duì)于電解磨削的工程應(yīng)用研究，都顯著提高了難加工材料和表面的加工效率、加工精度和表面質(zhì)量，有效減小了磨削力，避免了工件變形，減緩了砂輪磨損。但是，目前針對(duì)電解磨削的加工研究大都采用小尺寸砂輪進(jìn)行微小孔的鉆磨和小平面的銑磨，針對(duì)大尺寸砂輪電解磨削的研究，大都圍繞平面磨削，而針對(duì)外圓或內(nèi)孔的切入式磨削、復(fù)雜型面的成形磨削等形式的電解磨削研究不多。

5.3 加工設(shè)備研制

電解磨削機(jī)床不僅需要有普通磨床的基本結(jié)構(gòu)，還應(yīng)該配置電解加工所需的直流電源、絕緣裝置、排風(fēng)裝置等，另外還需對(duì)工作臺(tái)、夾具等部位進(jìn)行防腐蝕處理。目前，大多數(shù)電解磨削機(jī)床都由普通磨床改造而成[16]。近年來(lái)，有學(xué)者針對(duì)電解磨削機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造進(jìn)行了研究。Bhuyan等[87]設(shè)計(jì)了一種臺(tái)式電解磨削裝置，并以NaOH水溶液作為電解液，對(duì)鋁材料工件進(jìn)行了電解磨削加工實(shí)驗(yàn)。Sonia[8]研制了一種簡(jiǎn)易加工設(shè)備，分別以NaCl和CuSO4水溶液作為電解液對(duì)低碳鋼工件和銅工件進(jìn)行了加工。肖雄等[88]以多功能運(yùn)動(dòng)控制卡和多功能數(shù)據(jù)采集卡為控制核心，以工業(yè)平板電腦為人機(jī)交互平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了NC嵌入PC開(kāi)放式電解磨削集成控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了加工過(guò)程的人機(jī)交互、自動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)保護(hù)等功能。干為民等[31, 89-90]、Gan等[32]針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件和型面的數(shù)控展成電解磨削加工[49]，研制了四軸和五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電解磨床，并開(kāi)發(fā)出了五軸數(shù)控電解磨削自動(dòng)編程系統(tǒng)。

6 新型復(fù)合電解磨削加工技術(shù)

與普通磨削和電解加工相比，雖然電解磨削具有材料去除率高、砂輪磨損量小、加工精度高、表面質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，但是，也存在加工區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)和流場(chǎng)分布不均而導(dǎo)致加工過(guò)程不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)電極短路的問(wèn)題[25, 27, 91]。為進(jìn)一步提高電解磨削加工性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于復(fù)合加工理論[8, 92-93]，將電解磨削與其他加工技術(shù)相結(jié)合，形成了雙電解磨削、粉末射流輔助電解磨削和超聲振動(dòng)輔助電解磨削等新型復(fù)合電解磨削加工技術(shù)。

6.1 雙電解磨削

為了減少電解磨削加工中因砂輪修整導(dǎo)致的加工停機(jī)時(shí)間，有學(xué)者將中間電極法電解磨削[15-16, 49, 94]與砂輪在線(xiàn)電解修整(ELID)磨削相結(jié)合，提出了雙電解磨削加工技術(shù)，其原理如圖18所示。在雙電解磨削加工中，有兩套電解電源系統(tǒng)，導(dǎo)電砂輪和工件分別接兩套電解電源的正極，兩個(gè)輔助陰極分別接兩套電源的負(fù)極。導(dǎo)電砂輪與ELID輔助陰極之間發(fā)生電解反應(yīng)，用于其在線(xiàn)修整，工件與ECG輔助陰極之間發(fā)生電解反應(yīng)，用于其材料去除，砂輪和工件之間僅發(fā)生純機(jī)械磨削。

圖18 雙電解磨削加工原理示意圖Fig.18 Schematic diagram of double electrochemical grinding

孫磊等[95]研制了雙電解磨削外圓加工機(jī)床，并采用金屬- 樹(shù)脂結(jié)合劑CBN砂輪加工出了表面粗糙度Ra=5 nm的外圓表面。研究結(jié)果表明，雙電解磨削能夠在加工過(guò)程中進(jìn)行砂輪在線(xiàn)修整，同時(shí)具有電解磨削和ELID磨削的加工優(yōu)勢(shì)，具有加工效率高，加工表面精度高的優(yōu)點(diǎn)[96]，但這種加工方式需要兩套電解電源，還需要電解液分配系統(tǒng)以及3個(gè)噴嘴，機(jī)床較為復(fù)雜。

6.2 粉末射流輔助電解磨削

Yehia等[97]將磨料射流加工與電解磨削相結(jié)合，提出了粉末射流輔助電解磨削加工技術(shù)。其原理與電解磨削加工相似，只是在電解液中加入粉末磨料，混合均勻后通過(guò)噴嘴噴入磨削加工區(qū)域，在利用電化學(xué)陽(yáng)極溶解和導(dǎo)電砂輪磨粒機(jī)械磨削去除工件材料的同時(shí)，利用粉末磨料對(duì)工件表面的輔助機(jī)械磨削和拋光作用，進(jìn)一步提高加工效率和表面精度。他們將NaCl水溶液作為電解液，加入直徑為0.5～3 μm的Al2O3磨粒粉末，對(duì)K110合金鋼工件進(jìn)行了圓周平面電解磨削，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定了最佳工藝參數(shù)和Al2O3磨粒粉末最佳濃度值。普通電解磨削和粉末射流輔助電解磨削加工的表面對(duì)比如圖19[97]所示。

圖19 兩種加工方式下加工表面對(duì)比[97]Fig.19 Comparison of machined surfaces using two machining methods[97]

6.3 超聲振動(dòng)輔助電解磨削

超聲振動(dòng)輔助電解磨削就是在電解磨削加工中，將超聲高頻振動(dòng)引入工件或?qū)щ娚拜?，?duì)工件材料去除和表面創(chuàng)成機(jī)理產(chǎn)生重要影響，從而進(jìn)一步提高加工效率和表面精度，并減小砂輪磨損。Li等[13,98]、Wu等對(duì)鈦合金 Ti-6Al-4V工件進(jìn)行了超聲振動(dòng)輔助電解磨削實(shí)驗(yàn)，加工方式為電解銑磨，導(dǎo)電砂輪超聲振動(dòng)作用下單顆磨粒切削運(yùn)動(dòng)軌跡及加工區(qū)域內(nèi)電解液流動(dòng)如圖20[13]所示，超聲振動(dòng)方向沿著砂輪軸向。

圖20 超聲振動(dòng)作用下單顆磨粒切削運(yùn)動(dòng)軌跡[13]Fig.20 Cutting trajectory of a single abrasive particle under the effect of ultrasonic vibration[13]

他們研究發(fā)現(xiàn)，與普通電解磨削相比，超聲振動(dòng)輔助電解磨削具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：

1)加工過(guò)程更加穩(wěn)定。超聲振動(dòng)作用下，加工區(qū)域內(nèi)的電解液電阻可從0.4 Ω增加至1～2 kΩ，從而顯著降低了電極短路放電的風(fēng)險(xiǎn)，提高了加工穩(wěn)定性。

2)磨削力進(jìn)一步減小。在超聲振動(dòng)輔助電解磨削中，超聲振動(dòng)導(dǎo)致導(dǎo)電砂輪上單顆磨粒切向摩擦力降低，這與超聲振動(dòng)輔助磨削加工中磨削力的變化情況[99-100]相同。超聲振動(dòng)導(dǎo)致電解液在流動(dòng)中產(chǎn)生許多微小渦流(見(jiàn)圖20)，這將導(dǎo)致電解鈍化層厚度增加和工件表層動(dòng)態(tài)硬度降低，從而降低法向摩擦力。同時(shí)，加工過(guò)程中的超聲振動(dòng)，也有利于打破被加工材料表層金屬原子之間的化學(xué)鍵，促進(jìn)電化學(xué)溶解作用[101-102]，進(jìn)一步降低機(jī)械磨削力。電解電壓為80 V時(shí)，在相同磨削參數(shù)下，普通磨削、電解磨削、超聲振動(dòng)輔助電解磨削加工的磨削力對(duì)比如圖21[91]所示。

圖21 3種磨削加工方式下磨削力對(duì)比[91]Fig.21 Comparison of grinding forces under three grinding modes[91]

3)砂輪磨損得到有效緩解。與電解磨削相比，超聲振動(dòng)輔助電解磨削磨削力顯著減小。同時(shí)，在超聲振動(dòng)作用下，導(dǎo)電砂輪上的磨粒脫落和切屑粘附得到了有效抑制，而磨粒微破碎現(xiàn)象得到了增強(qiáng)，磨粒上新切削刃數(shù)量增加。這些都有助于緩解導(dǎo)電砂輪磨損[13]。

4)表面粗糙度進(jìn)一步降低。在導(dǎo)電砂輪超聲振動(dòng)情況下，相鄰磨粒在工件上發(fā)生切削運(yùn)動(dòng)軌跡交叉和去除材料重疊，磨粒的微破碎現(xiàn)象和新切削刃數(shù)量也有所增加，從而導(dǎo)致與電解磨削相比，超聲振動(dòng)輔助電解磨削表面粗糙度顯著降低。兩種加工方式表面粗糙度對(duì)比如圖22[91]所示。

圖22 兩種磨削加工方式下工件表面粗糙度對(duì)比[91]Fig.22 Comparison of workpiece surface roughnesses under two grinding modes[91]

孔黃海[10]、Kong等[25]、Zhu等[27]和孟翔宇等[103]將超聲振動(dòng)輔助電解磨削應(yīng)用到了直徑小于3 mm的微小孔精密加工中，對(duì)GH3030鎳基高溫合金、304不銹鋼等材料工件進(jìn)行了超聲電解鉆磨加工，對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。研究結(jié)果表明，通過(guò)超聲電解磨削加工，可以有效提高加工效率、孔壁尺寸精度和表面質(zhì)量。相同磨削參數(shù)下，電解磨削和超聲振動(dòng)輔助電解磨削加工的小孔內(nèi)壁形貌和表面粗糙度對(duì)比如圖23[25]所示。

圖23 兩種加工方式下小孔表面形貌和粗糙度對(duì)比[25]Fig.23 Comparison of surface morphology and roughness of small holes using two machining methods[25]

7 研究展望及結(jié)論

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞電解磨削技術(shù)開(kāi)展了大量卓有成效的研究，有力推動(dòng)了特種加工和精密加工技術(shù)的進(jìn)步。隨著高端裝備和精密機(jī)械等領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，電解磨削必將越來(lái)越多地應(yīng)用于難加工材料、微結(jié)構(gòu)的精密加工。電解磨削加工技術(shù)未來(lái)研究展望主要包括以下6點(diǎn)：

1)由于影響電解磨削加工的因素較多，其加工機(jī)理非常復(fù)雜。目前對(duì)于電解磨削加工機(jī)理的研究，都忽略了機(jī)械能場(chǎng)和電化學(xué)能場(chǎng)之間的相互耦合以及各工藝參數(shù)對(duì)加工性能影響的交互關(guān)聯(lián)性，所建立的材料去除率模型大都是基于正交實(shí)驗(yàn)、方差分析和回歸分析的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)表面形貌的研究，大都通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀(guān)察進(jìn)行對(duì)比分析。亟需建立考慮多能場(chǎng)耦合和工藝參數(shù)交互關(guān)聯(lián)性影響，且能夠?qū)﹄娊饽ハ鞑牧先コ?、表面形貌進(jìn)行定量分析的理論模型。因此，多能場(chǎng)耦合作用下的材料去除和表面創(chuàng)成機(jī)理將成為電解磨削未來(lái)的研究重點(diǎn)之一。

2)目前對(duì)于電解磨削加工過(guò)程的仿真，大都采用多物理場(chǎng)軟件和CFD軟件分別對(duì)電化學(xué)陽(yáng)極溶解和電解液流場(chǎng)進(jìn)行單獨(dú)仿真，仿真過(guò)程未能有效反映各能場(chǎng)相互耦合和影響，仿真研究與加工實(shí)際情況相比，均有較大差異。因此，未來(lái)研究中，需要在加工機(jī)理研究不斷深入的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的電解磨削綜合仿真軟件，使之符合加工過(guò)程的實(shí)際情況。

3)目前對(duì)于電解磨削工藝參數(shù)優(yōu)化研究，大都在材料去除率和表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷幕A(chǔ)上，采用加權(quán)方法建立多目標(biāo)優(yōu)化模型。未來(lái)研究中，需要在加工機(jī)理和理論模型研究不斷深入和完善的基礎(chǔ)上，建立電解磨削多目標(biāo)綜合優(yōu)化和加工性能預(yù)測(cè)模型，從而在工藝參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)高效、精密、低成本加工。

4)目前，對(duì)于電解磨削的研究大都采用小尺寸砂輪進(jìn)行微小孔的鉆磨和小平面的銑磨，針對(duì)大尺寸砂輪電解磨削的研究，大都圍繞平面磨削，而針對(duì)外圓或內(nèi)孔的切入式磨削、復(fù)雜型面的成形磨削等形式的電解磨削研究不多。未來(lái)需要進(jìn)一步拓寬電解磨削的加工方式，以便于其在工程實(shí)踐中的應(yīng)用推廣。

5)在目前的電解磨削加工中，加工實(shí)驗(yàn)設(shè)備都由普通機(jī)床改造而成，機(jī)床的專(zhuān)業(yè)化程度和防腐性能不高。雖然一些研究中，研制了專(zhuān)門(mén)的簡(jiǎn)易加工設(shè)備，但其加工精度和專(zhuān)業(yè)化水平不高。因此，專(zhuān)用設(shè)備研制，并在此基礎(chǔ)上制訂專(zhuān)用設(shè)備的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)甚至ISO標(biāo)準(zhǔn)，是電解磨削加工未來(lái)研究需要面對(duì)的重要課題。

6)高強(qiáng)度、高性能新材料技術(shù)的快速發(fā)展以及機(jī)械零件精密化、復(fù)雜化發(fā)展趨勢(shì)對(duì)電解磨削加工技術(shù)提出了新的更高要求。研究結(jié)果表明，超聲振動(dòng)輔助電解磨削為代表的新型復(fù)合電解磨削加工技術(shù)可以進(jìn)一步提高電解磨削加工性能。然而，目前對(duì)于新型復(fù)合電解磨削加工的材料去除和表面創(chuàng)成機(jī)理，例如超聲振動(dòng)電解磨削加工中電解液超聲空化效應(yīng)[104-106]對(duì)工件表面鈍化膜的形成、去除機(jī)理、電解液沖刷去除工件材料機(jī)理的影響，超聲傳質(zhì)效應(yīng)[25, 106]對(duì)電解液流場(chǎng)均勻性和加工過(guò)程穩(wěn)定性的影響等方面的研究，還有待于進(jìn)一步深入。因此，新型復(fù)合電解磨削加工必將成為電解磨削加工技術(shù)未來(lái)研究的重要內(nèi)容。

隨著航空航天、軌道交通等領(lǐng)域高端裝備制造業(yè)的迅猛發(fā)展，以及精密與超精密特種加工技術(shù)的快速進(jìn)步，電解磨削作為一種復(fù)合特種加工方法，必然因其優(yōu)異的加工性能受到廣泛關(guān)注和引用。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外電解磨削研究現(xiàn)狀和未來(lái)研究展望的全面綜述，為電解磨削加工理論和工程應(yīng)用，尤其是新型復(fù)合電解磨削加工技術(shù)的研究思路提供了理論借鑒和技術(shù)參考。