铸铁基金刚石球头砂轮精密修整技术

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1 引言

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应用于航天、航空领域中的小直径、深凹非球曲面光学零件如图1所示。加工该零件具有两大特点：第一，磨削内凹曲面2时所用的金刚石砂轮直径应小于Ø18mm，这是因为内凹非球曲面2的最小曲率半径仅为R9；第二，砂轮轴需斜置，这是因为该零件内凹面较深(最深处可达14mm)，若砂轮轴与工作台垂直，砂轮轴将与工件发生干涉，如图2a所示。因此，砂轮轴只能采用倾斜放置方式(图2b)。这无疑增加了工件精密磨削和砂轮在位修整的难度。
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图1 光学零件图	(a)砂轮轴垂直放置	(b)砂轮轴倾斜放置
	图2 内凹非球曲面加工时砂轮的两种放置方式
图3 杯形工具电极修整球头砂轮的原理图
' Y6 o5 A4 v/ T7 b% m 1.过渡盘 2.绝缘套 3.电刷1 4.支承套 5.工具电极 6.砂轮 7.电刷2 8.冷却液喷管 图4 砂轮修整装置图

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针对以上特点，本文提出了一种基于电火花加工原理的铸铁基金刚石球头砂轮快速修整方法，实现了砂轮的在位修整。实验表明，该方法解决了小直径、深凹非球光学曲面磨削加工中铸铁基金刚石球头砂轮修整的难题，具有修整效率高、修整质量好、装置简单、便于操作的优点。 6 R$ j3 k. y, \9 k

2 砂轮修整原理

利用电火花修整铸铁基砂轮，其原理是基于工具电极和砂轮(正、负电极)之间的脉冲性火花放电时的电腐蚀现象。这种电腐蚀现象能蚀除多余的铸铁基材料，从而达到对砂轮的尺寸、形状和表面质量的加工要求。 6 _4 I/ ~; \: s3 @/ L

利用杯形工具电极修整球头金刚石砂轮的原理如图3所示。工具电极轴线与砂轮轴线相交于O点，两轴的夹角为q，杯形工具电极与被修整砂轮分别绕自身轴线旋转，并作相对的进给运动，从而可加工出球面。砂轮球面半径R与工具电极直径d的关系为 $ x, ?# G# I3 j( Zd=2Rsinq $ F/ j% q* O& k- Z% P: m% j5 J, Y

改变工具电极直径d或夹角q，即可修整不同直径的砂轮，故此方法的工艺适应性很好。 2 n- {+ m; N) S

3 铸铁基金刚石球头砂轮的修整加工实验

1. 实验装置和实验条件 " z- v! ^/ j6 A$ {
   为了尽量减少砂轮的重复安装误差给工件加工带来的精度影响，我们设计了一套能实现砂轮在位修整的装置，如图4所示。 1 T/ I; _) |: k8 q+ Q! Y; m2 W7 O$ l
   本实验是在由HCM-Ⅰ型亚微米车床改装而成的非球曲面磨削系统上进行的，实验用电源为ELID镜面磨削高频脉冲电源，工具电极材料为紫铜，被修整砂轮为铸铁基金刚石砂轮，直径为Ø8mm，工作液为ELID专用磨削液(水基)，测量工具为CMM500三坐标测量机和扫描电子显微镜。
   实验参数：占空比为55%，频率为40kHz，砂轮转速为1000r/min，工具电极转速为600r/min，砂轮平均磨粒尺寸为10µm。电源电压分别为150、120、90V。修整时，砂轮接电源正极，工具电极接电源负极。
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   图5 修整效率与电源电压的关系曲线

   图6 修整精度与电源电压的关系曲线

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2. 实验结果及分析 ' X8 F! h# f: }1 R ^
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   1. 电源电压对修整效率的影响
      电源电压分别为150、120、90V时，实验得到的电源电压与修整效率的关系曲线如图5所示。从图中可以看到，随着电源电压的提高，修整效率也在提高。这主要是因为随着两极间电压的提高，单个脉冲放电所释放的能量增大，从而加速了两极间的电蚀速度，提高了修整加工的效率。
   2. 电源电压对修整精度的影响
      对电源电压为150、120、90V时修整出来的砂轮进行了精度检测，其结果如图6所示。可以看出，随着电源电压的升高，修整精度变得越来越差。当电源电压为90V时，其尺寸精度可达4µm，分散度为7µm；而当电源电压为150V时，其尺寸精度为16µm，分散度为13µm。这主要是因为当电源电压升高时，单个脉冲的能量也随之升高，对间隙的敏感程度随之下降，同时所使用的工作液的电阻率较小，放电过程中对放电通道的压缩作用差，消电离的能力较弱，加工过程中电弧放电的几率很高，加工很不稳定，造成砂轮表面较大的电蚀凹坑和烧伤，影响了修整的精度。
      另外，值得指出的是，砂轮在安装时的空间位置误差和工具电极的尺寸误差都将直接影响砂轮修整的精度。所以，实验得到的修整误差值中，应包含由砂轮安装和工具电极直径误差所引起的加工误差。由此可以得出以下结论：修整砂轮时，应尽可能减小砂轮安装误差和工具电极制造误差。在此基础上，在电火花修整的初期，为了得到较高的修整效率，可以选用较高的电源电压，而在修整的后期，为了得到较好的修整表面，应选用较低的电源电压。
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      图7 w=10µm铸铁基金刚石砂轮修前、后的SEM照片

      图8 砂轮修整前、后磨削光学玻璃得到的磨削表面AFM显微图形

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   3. 修整后砂轮的表面微观情况 - _' j& D/ g$ S1 `
      图7为实验得到的砂轮修整前、后的SEM照片，其放大倍数为500倍。从SEM照片中可以清楚地看到：修整前，砂轮表面几乎看不到金刚石颗粒，它们几乎全被埋在铸铁结合剂的下面；修整后，可以清楚地看到金刚石颗粒均匀地分布在砂轮表面，而且砂轮的突出高度比较平均，即等高微刃性较好。对于金刚石粒径w=10µm的铸铁基金刚石砂轮，修整后磨粒的突出高度大约在2.5µm左右，即25%的粒径。
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   4. 修整后砂轮的磨削实验
      图8为采用美国DI公司的Nanoscope Ⅱ3扫描探针显微镜，对w=10µm的铸铁基金刚石砂轮修整前、后磨削的光学玻璃K9表面检测得到的AFM显微图形。从图中可以看到，在同样的磨削条件下，砂轮修整前磨削得到的表面质量较差，表面粗糙度值为Ra522.36nm，而用修整后的砂轮进行磨削，表面粗糙度值为Ra39.043nm。

4 结论

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1. 所提出的铸铁基金刚石球头砂轮电火花修整方法具有成型原理简单、修整精度高、砂轮出刃状态理想等特点，较好地解决了铸铁基金刚石球头砂轮的在位修整问题。
2. 脉冲电源电压将影响砂轮的修整效率和修整质量，电源电压高，修整效率高，但砂轮的修整质量较差；反之，电源电压低，修整效率低，但砂轮的修整质量较好。
3. 对超细磨粒铸铁基金刚石砂轮，用电火花方法修整后可得到良好的等高微刃群和容屑空间，可很好地满足光学玻璃脆性材料的超精密加工。