【文章內(nèi)容簡介】 ，根據(jù)電解池反應(yīng)原理，在ELID磨削中，當(dāng)砂輪通過電刷與電源的正極相連，陰極與電源的負(fù)極相連，并在砂輪與陰極之間注入磨削液時(shí)，砂輪的金屬結(jié)合劑、金屬陰極分別充當(dāng)陽極和陰極，磨削液作為電解質(zhì)溶液，它們一起構(gòu)成電解池。 以鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪為例，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)接通外電源時(shí)，電源從電解池的陽極（砂輪的鑄鐵結(jié)合劑）取走大量的電子，這樣會(huì)使陽極失去電子的氧化反應(yīng)大大加速，但是無論怎樣加速，單位時(shí)間內(nèi)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電子總是供應(yīng)不上外電源從陽極取走的電子，所以陽極就會(huì)因?yàn)槿鄙匐娮佣e累了多余的正電荷。具體的反應(yīng)過程如下：陽極過程 Fe—2e→Fe2+ Fe2+→水化離子 水化離子擴(kuò)散離開電極表面并與水中OH—反應(yīng)生成Fe（OH）2陰極過程 電解質(zhì)溶液中的水化氫離子（H3+O）向電極表面擴(kuò)散 H3+O→H2O+H+ 水化氫離子脫去水分子 H+ 吸附到陰極表面 H++e→H H+H→H2 H2脫附變成氣泡逸出溶液但是整個(gè)電解反應(yīng)不會(huì)這樣無休止的進(jìn)行下去，根據(jù)鈍化成膜理論，隨著電解反應(yīng)的進(jìn)行，電極電位的改變，在陽極表面會(huì)生成一層氧化膜，使得電路的電阻增大，從而阻滯了陽極砂輪金屬結(jié)合劑的進(jìn)一步溶解： 4Fe（OH）2+2H2O+O2→4Fe（OH）3 2Fe（OH）33H2O→Fe2O3綜上所述，根據(jù)電解池的電化學(xué)反應(yīng)原理及鈍化成膜理論，在ELID磨削過程中，砂輪、陰極、電解液與外加電源一起構(gòu)成了一個(gè)電解池系統(tǒng)，在電源的驅(qū)動(dòng)下，陽極砂輪表面的金屬結(jié)合劑會(huì)逐漸被溶解到電解液中變成金屬離子，從而使得砂輪表面的磨粒露出結(jié)合劑表面，而金屬離子會(huì)與電解液中的氫氧根離子結(jié)合生成金屬氫氧化物，氫氧化物會(huì)脫水變成該金屬的氧化物，所以又金屬氫氧化物與氧化物的混合物構(gòu)成的氧化膜會(huì)吸附在砂輪的表面，隨著這層氧化膜的增厚，電路的電阻增大，阻滯了電解反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn)行，避免了砂輪金屬結(jié)合劑的過度溶解。進(jìn)行磨削加工時(shí)，這層氧化膜會(huì)被工件不斷刮除而逐漸變薄，回路電阻減小，電解反應(yīng)重新開始，氧化膜又會(huì)逐漸整厚，這樣周而復(fù)始，砂輪處于一個(gè)非線性電解過程，最終使得氧化膜的“生成—變厚—刮除—變薄—重新生成”達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，既避免了砂輪的過快電解消耗，又使得砂輪表層的磨粒始終露出結(jié)合劑表面，保持鋒利狀態(tài)，始終具有良好的磨削性能。 ELID磨削中氧化膜的作用機(jī)理由ELID磨削原理可知，氧化膜在整個(gè)電解磨削過程中發(fā)揮著重要的作用，砂輪表面生成氧化膜的速度、厚度、硬度、絕緣性、粘附性、致密性等特征都會(huì)對整個(gè)磨削過程及加工工件的表面質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。研究表明，砂輪結(jié)合劑的成分類型及配比關(guān)系、電解液的成分以及所選用電源的電壓、電流、頻率等參數(shù)都會(huì)對氧化膜的質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。以鑄鐵結(jié)合劑砂輪為例，有文獻(xiàn)可知，隨著砂輪中Cu含量的增加，砂輪的電解速度加快，電解出的鐵離子濃度大，與磨削液反應(yīng)生成的氧化膜厚度大、硬度高、粘附強(qiáng)度低，砂輪中Cu和Fe的成分配比決定著砂輪電解生成氧化膜性能的好壞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)砂輪結(jié)合劑中Cu和Fe的質(zhì)量比為10:82時(shí)，ELID的磨削性能最好。同時(shí)，磨削液成分中的防銹劑、冷卻劑、沖洗劑除具有一般磨削液的防銹、冷卻、沖洗及滲透作用外，對磨削液的導(dǎo)電性和電解生成氧化膜的質(zhì)量也有一定的影響：防銹劑可以使氧化膜的硬度增大：冷卻劑使氧化膜的厚度增加：沖洗劑可以提高氧化膜的生成速度。在線電解修銳除了能使砂輪表面的金屬結(jié)合劑不斷被溶解、使磨粒露出結(jié)合劑表面、進(jìn)而避免了砂輪變鈍堵塞以外，更重要的是同時(shí)在砂輪表面還能生成一層氧化膜，這就使得ELID磨削有別于非ELID磨削。一般來說，ELID磨削中氧化膜的厚度在幾十微米到幾百微米之間，對于較粗磨粒粒度的砂輪，氧化膜的厚度不足以覆蓋砂輪表面磨粒，可以利用電解作用后露出表面的磨粒直接進(jìn)行磨削，避免砂輪堵塞，以保證其良好的磨削性能：同時(shí)，由于這層氧化膜具有一定的厚度和彈性，這樣可以減小磨削力，減低砂輪的磨損，也能降低工件的表面粗糙的。對于微細(xì)磨粒來說，氧化膜的厚度遠(yuǎn)大于磨粒的大小，氧化膜內(nèi)容納了大量的磨粒（ ELID磨削中氧化膜的作用示意圖所示），使得砂輪磨削如同研磨、拋光。此外，由于氧化膜的存在，使得ELID精密鏡面磨削與非ELID磨削、研磨相比具有更多的優(yōu)點(diǎn)，在鏡面磨削中，磨粒粒度小于4微米，磨粒的出刃高度不會(huì)高于粒度的3/5，機(jī)床主軸的振動(dòng)、砂輪的不平衡、主軸的偏擺等因素都會(huì)使砂輪在工件垂直方向的位移接近和超過這個(gè)值，致使氧化膜的厚度隨著切削深度的增大而變薄或被刮除，但同時(shí)又有新氧化膜生成。磨削中脫落下來的磨粒夾雜在氧化膜中，使氧化膜成為一種含有微細(xì)磨粒、具有良好柔性的研磨膜。精磨時(shí)，由于進(jìn)給量很小甚至不進(jìn)給，砂輪上覆蓋的氧化膜的厚度遠(yuǎn)大于磨粒的出刃高度，使砂輪基體表層磨粒在磨削中不可能直接與工件接觸，當(dāng)砂輪中斷電解時(shí)，可以依靠砂輪氧化膜對工件進(jìn)行光磨，所以ELID鏡面磨削實(shí)際上是一種將磨、研、拋合為一體的復(fù)合式精密加工技術(shù)。氧化膜在ELID磨削中所起的作用歸納起來有以下幾個(gè)方面， （1） 由于生成的氧化膜具有一定的厚度和彈性，避免了砂輪結(jié)合劑與工件表面間的直接接觸，減少了結(jié)合劑對于工件已加工表面的摩擦劃傷，可以吸收、阻尼部分振動(dòng)，減緩了砂輪對工件的振動(dòng)沖擊，同時(shí)在一定范圍內(nèi)消除砂輪的圓度誤差，有利于工件表面質(zhì)量的提高。 （2） 由于氧化膜在砂輪上保持了一定的厚度，可以減緩砂輪的電解活化，有利于提高砂輪的使用壽命，保證工件的尺寸精度，降低加工成本。 （3） 生成的氧化膜，使實(shí)際電解過程呈非線性，并且氧化膜生成厚度與電解修整作用處于一種動(dòng)態(tài)平衡，從而實(shí)現(xiàn)可自適應(yīng)控制的最佳磨削過程。 （4） 生成的氧化膜，使得為保證砂輪磨料的等高性、砂輪的圓度而進(jìn)行的精密整形工藝變得簡單易行，保證了砂輪表面在磨削過程中始終保持最佳的顯微起伏形貌。 （5） 當(dāng)選用較粗粒度砂輪進(jìn)行粗磨使，生成的氧化膜顯然不能全部覆蓋砂輪表面的磨粒，但是它吸附在結(jié)合劑表面，具有一定的厚度和彈性，這樣減緩結(jié)合劑與工件的剛度接觸，同時(shí)這層氧化膜還可以將一部分磨削液帶進(jìn)磨削區(qū)，從而降低磨削力和工件表面粗糙度。 （6） 當(dāng)選用較細(xì)粒度砂輪進(jìn)行精密磨削時(shí)，砂輪表面生成的氧化膜較厚，可以覆蓋砂輪表面的磨粒，并且會(huì)包含一部分脫落的磨粒，從而增加實(shí)際參加磨削的磨粒數(shù)量，提高磨削效率，改善工件的表面加工質(zhì)量。 砂輪在線電解修銳（ELID）技術(shù)是利用砂輪金屬結(jié)合劑在電源的驅(qū)動(dòng)下，在電解液中發(fā)生電解反應(yīng)而逐漸溶解去除，使磨粒露出結(jié)合劑表面，同時(shí)在砂輪表面會(huì)生成一層氧化膜，這樣就使得ELID磨削與傳統(tǒng)的磨削方法在機(jī)理上有所不同。本章在文獻(xiàn)綜述的基礎(chǔ)上對ELID磨削的基本原理及其特點(diǎn)進(jìn)行了歸納和總結(jié)，并且根據(jù)電化學(xué)反應(yīng)原理分析了ELID磨削的電解反應(yīng)過程及氧化膜的生成機(jī)理，進(jìn)一步解釋了ELID磨削原理，并且總結(jié)分析了氧化膜在不同砂輪粒度、不同磨削方式的作用，對下一階段ELID磨削電解裝置的設(shè)計(jì)工作奠定了理論基礎(chǔ)。第三章 電解裝置設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的ELID硅片劃片機(jī)，其實(shí)質(zhì)就是在傳統(tǒng)的平面磨床（MM7132A型精密臥式軸距臺平面磨床）上加上電解裝置和劃片。由此可知，本次設(shè)計(jì)的主要部分就是ELID電解裝置的設(shè)計(jì)，電解裝置包括陰極、陽極、電源、電解液；所以，陰陽極的設(shè)計(jì)、電源的選擇、電解液的配制是本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容也是本章論述的主要內(nèi)容。 陰極的設(shè)計(jì)電解裝置主要是工具電極，包括陰極和陽極電刷，機(jī)床結(jié)構(gòu)的不同，電解裝置的設(shè)計(jì)和安裝也不同。陰極的設(shè)計(jì)和制造應(yīng)滿足以下幾個(gè)基本要求：（1） 陰極一般用導(dǎo)電性好的銅或不銹鋼制造。（2） ~，以保證電解反應(yīng)的充分進(jìn)行。（3） 陰極應(yīng)與機(jī)床保持良好的絕緣。平面磨床上陰極的設(shè)計(jì)制造比較簡單，主要是保證導(dǎo)電面積盡可能大的情況下，使磨削液順利的流入間隙中，同時(shí)使磨削液分布均勻。陰極型面的大小，直接影響到修銳的效率，當(dāng)弧長太短時(shí)，會(huì)使導(dǎo)電面積減小，電流也相應(yīng)減小，所以修銳效率也降低；當(dāng)弧長太長時(shí)，電解面積增大，電流也相應(yīng)增大，修銳效率提高，但是磨削液的流通與電解產(chǎn)物的及時(shí)排除都要受到一定的影響。所以型面圓弧的長度要根據(jù)實(shí)際工作條件來確定，在高速磨削條件下，砂輪的轉(zhuǎn)速較快，砂輪表面氧化膜的磨損也會(huì)增快，為了使砂輪始終保持鋒利狀態(tài)，有良好的磨削性能，所以要求砂輪有較快的電解速度和效率，適當(dāng)增大陰極的導(dǎo)電面積，陰極弧度覆蓋砂輪圓周的1/3，為了使陰極與砂輪之間的電流分布均勻，消除電流邊界效應(yīng)，使砂輪表面產(chǎn)生的氧化膜均勻、致密、質(zhì)量好，陰極的寬度應(yīng)比砂輪寬2~4mm。對陰極弧度的制造精度要求不是很高，但是在其寬度的全長方向上要保持一定的直線度。，根據(jù)砂輪尺寸，選用黃銅材料制作一弧形空腔陰極，在陰極的弧面上均勻分布三個(gè)矩形孔，從水箱輸送過來的磨削液采用中心供液的方式充滿整個(gè)陰極腔體，靠水泵提供的壓力及其自身的重力，磨削液從陰極弧面的矩形孔以一定的壓力流入陰極與砂輪之間的間隙。但是，在高速磨削中，由于砂輪的高速旋轉(zhuǎn)，在砂輪的圓周方向會(huì)產(chǎn)生一層沿砂輪旋轉(zhuǎn)方向高速旋轉(zhuǎn)的氣流屏障，這層氣流屏障的速度和壓力會(huì)隨著砂輪速度的提高而增大，這樣就會(huì)阻止從陰極流出的磨削液充滿極間間隙，使得磨削液無法接觸到砂輪表面，在極間間隙上造成一定程度上的磨削液“真空”狀態(tài)，極間間隙內(nèi)的磨削液供給嚴(yán)重不足，從而影響了砂輪的電解修銳效果。 ELID陰極結(jié)構(gòu)示意圖為了使高速磨削中砂輪的電解修銳作用能充分的進(jìn)行，消除氣流屏障對極間間隙磨削液供給的影響是一個(gè)急需解決的關(guān)鍵問題。在本文的陰極設(shè)計(jì)中，除除了采用中心供液法、提高供液壓力外，還在陰極上增加了輔助擋板的設(shè)計(jì)：在陰極的前后兩端面分別固定一塊擋板，擋板下方開設(shè)一個(gè)與陰極同樣半徑大小的弧形缺口，安裝時(shí)，擋板下方伸出陰極腔體一定距離，兩塊擋板將陰極包在中間，這樣在兩塊擋板和陰極的弧面之間形成一個(gè)弧形腔，在調(diào)整好陰極與砂輪之間的相對位置之后，再用與擋板圓弧缺口同樣弧度的鋼制壓板將一層塑膠遮片壓在陰極的前后擋板上，調(diào)整彈性塑膠遮片的位置，使其除了在右側(cè)留有磨削液出口外，其它與砂輪接觸的地方保持密封狀態(tài)，這樣就在砂輪與陰極之間形成了一個(gè)密封腔，阻擋砂輪外圓周的高速回轉(zhuǎn)氣流進(jìn)入極間間隙，使得磨削液能順利的流入并充滿整個(gè)極間間隙，保證高速磨削時(shí)砂輪在線電解修銳過程充分進(jìn)行。 ELID陰極裝配示意圖，陰極的安裝必須保證一定的精度，即保證陰極與砂輪之間的間隙均勻，此外還必須與機(jī)床充分絕緣。首先將陰極通過螺釘及粘結(jié)的方式固定在一矩形有機(jī)玻璃板上，在有機(jī)玻璃的四個(gè)角上設(shè)計(jì)四個(gè)通孔，通過四個(gè)雙頭螺柱將其固定在砂輪罩上，在砂輪罩與有機(jī)玻璃絕緣蓋板之間的四個(gè)螺柱上分別按有預(yù)緊彈簧，通過調(diào)整雙頭螺柱上的螺母來調(diào)整陰極與砂輪之間的間隙。 陽極的設(shè)計(jì)ELID磨削中，砂輪作為陽極，通過電刷與ELID高頻脈沖電源正極相連，由于砂輪的高速旋轉(zhuǎn)，修整過程中往往產(chǎn)生電刷磨損，結(jié)果造成電流供給不穩(wěn)定，影響砂輪的修整效果。因此，電刷要求耐磨性好，一般選用石墨材料，且在其上加載一定的預(yù)壓力，使電刷與砂輪保持接觸良好，另外，要保證電刷與機(jī)床的充分絕緣。根據(jù)平面磨床的結(jié)構(gòu)，電刷應(yīng)安裝于砂輪罩的中心部位，保證電刷與砂輪中心接觸，以減小摩擦磨損。，石墨電刷的截面為矩形，一端與主軸接觸，一端帶有彈簧。為了使電刷與機(jī)床絕緣，選用電木材料制作一個(gè)套筒，套筒的一端為比電刷截面稍大的方孔，使得電刷能沿軸向自由前后移動(dòng)，同時(shí)又能避免電刷隨砂輪的旋轉(zhuǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，套筒的另一端為帶有內(nèi)螺紋孔，采用一金屬螺栓將石墨電刷定位于套筒內(nèi)，在螺栓上設(shè)有陽極線柱，通過導(dǎo)線接到電源的正極，調(diào)節(jié)螺栓前后移動(dòng)可以使帶有彈簧的石墨電刷獲得一定的預(yù)壓力，套筒由兩個(gè)電木制成的螺母將其固定在砂輪罩上，以保證電刷與機(jī)床的充分絕緣。在安裝好陰極、陽極電刷后，應(yīng)對機(jī)床的電機(jī)、電線、電路等電氣部分加以保護(hù)，以防止磨削液的飛濺造成短路。 1. 主軸 ELID陽極電刷結(jié)構(gòu)示意圖由于螺桿和絕緣套筒較長，所以采用在砂輪罩上固定一個(gè)支撐電刷的矩形鐵片，矩形鐵片用小螺絲固定。另一端直接在砂輪罩上開一個(gè)比絕緣套筒稍大的圓孔，以便于絕緣套筒的固定。陽極電刷安裝時(shí)，先把絕緣套筒放在兩個(gè)圓孔之上，然后在砂輪罩的內(nèi)外兩側(cè)套上絕緣墊圈和絕緣螺母進(jìn)行固定；再把石墨電刷和彈簧一起放到絕緣套筒內(nèi)孔中，調(diào)整彈簧和石墨電刷直到石墨電刷從絕緣套筒的方孔中出來，然后把套有絕緣旋鈕的金屬螺桿旋入絕緣套筒中一段距離。工作時(shí)，再把螺桿向里旋入適當(dāng)?shù)木嚯x，使得彈簧有一定的預(yù)緊壓力，以便于隨著石墨的磨損，把石墨向里推入，保證石墨與主軸一直有良好的接觸。 ： ELID陽極電刷砂輪罩外側(cè) ： ELID陽極電刷砂輪罩內(nèi)側(cè) 電源的選擇理論上，ELID磨削的電源，可以采用直流電源、交流電源或各種波形的脈沖電源。一些學(xué)者對采用不同類型電源的ELID磨削進(jìn)行了研究：（1） 直流電源可用來進(jìn)行砂輪的電解修整，但其線性特性不如脈沖直流電源好，生成的氧化膜較厚，但質(zhì)量不均勻，易出現(xiàn)蝕坑。（2） 脈沖電源電解時(shí)的電流下降斜率較直流電解時(shí)的大，可以在砂輪表面形成氧化膜后迅速使電流下降到很低（較直流電而言），這樣，砂輪表面形成的淡黃色的氧化膜不會(huì)被再次電解的生成物膨脹脫落，這正是電解修銳砂輪的目的所在，而且脈沖電源生成的氧化膜相對稍薄，但均勻性較好，也不出現(xiàn)缺陷。（3） 分別用交流、直流、脈沖電流電源電解砂輪后，砂輪表面會(huì)生成鈍化層和腐蝕層。腐蝕層越厚，磨削出的工件的表面粗糙度越高：鈍化層越厚，越適合用來進(jìn)行精密加工。交流電源電解修銳的砂輪表面腐蝕層厚度和鈍化層厚度的比例約為2:1，而直流電源電解修整后的比例約為1:6，脈沖直流電源電解后的比例約為1:13，顯然用脈沖直流電