【正文】 或從事與該技術(shù)相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)開發(fā)與技術(shù)支持，此外，日本KURODA公司、不二越株式會社還推出了系列ELID專用磨床。從ELID技術(shù)誕生之初，美國就投巨資進行該技術(shù)的研究開發(fā)，還與日本進行該技術(shù)的交流與合作，美國在應用ELID磨削技術(shù)加工電子計算機半導體微處理器方面已取得突破性進展，在國防、航空航天及核工業(yè)等領域的應用研究也在進行。此外，英、法等國對ELID磨削技術(shù)也進行了深入的研究。ELID磨削技術(shù)在我國尚處于研究階段，主要集中在高校，哈爾濱工業(yè)大學的袁哲俊、張飛虎等人在ELID精密、超精密鏡面磨削、專用磨削液、專用電源、ELID鏡面磨削中砂輪耐用度、鑄鐵砂輪ELID鏡面磨削中電解氧化膜的作用機理以及氧化鋁陶瓷和石榴石鐵氧體等材料的ELID磨削等方面進行了理論與試驗研究，成功研制了ELID精密磨削專用的脈沖電源、磨削液和砂輪，在國產(chǎn)機床上開發(fā)出平面、外圓和內(nèi)圓ELID精密磨削裝置.大連理工大學的關(guān)佳亮、郭東明等人在ELID鏡面磨削中氧化膜的生成機理碩士學位論文及作用、砂輪結(jié)合劑作用機理及金屬結(jié)合劑砂輪的研制等方面進行了研究。北京工業(yè)大學的范晉偉、馬春敏等人對ELID精密鏡面磨削技術(shù)在不同磨削方式下的應用進行了研究，并且研制出硬脆材料精密磨削的ELID專用磨削液，實現(xiàn)了硬脆材料的ELID精密超精密磨削。這些研究成果促進了ELID技術(shù)的推廣應用，目前，國內(nèi)己有十幾家單位應用該技術(shù)，如230廠用于加工動壓馬達零件，23所用于相陣雷達互易移相單元陶瓷、微晶玻璃、鐵氧體等航天材料零件加工，8358廠用于光學玻璃非球曲面加工，205所用于光學玻璃加工，華僑大學用于加工大理石，福建南安宏偉陶瓷廠用于加工陶瓷等。美國Stevens Institute of Technology的Zhu henqi學者對ELID磨削過程中砂輪與陰極之間磨削液的流動狀態(tài)與砂輪線速度之間的關(guān)系進行了仿真分析，對傳統(tǒng)的剛性陰極與新設計的彈性箔片陰極進行了對比，仿真結(jié)果表明：〔1)在傳統(tǒng)的剛性陰極中，采用噴嘴噴射供液，砂輪線速度為24m/s時，極間間隙內(nèi)的磨削液為層流狀態(tài)，供液充足，修銳效果好，砂輪線速度提高到58m/s和118m/s時，由于磨削液供給不足，極間間隙內(nèi)的磨削液為紊流狀態(tài)，修銳效果差。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學的張飛虎教授對石榴石鐵氧體材料進行了ELID高效磨削試驗研究，試驗結(jié)果表明:采用鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪ELID磨削的磨削力僅為相同條件下樹脂結(jié)合劑砂輪非ELID磨削的2/5~3/5，工件進給速度為2m/min,最大磨削深度為4mm，實現(xiàn)了ELID高效磨削，但仍屬于低速磨削，如果能進一步提高砂輪線速度，就可以大幅度的提高磨削效率。 砂輪修整方法軟彈性法修整砂輪時，超硬磨料砂輪以較高的速度旋轉(zhuǎn)，而卷帶輪則緩慢地轉(zhuǎn)動，帶動砂帶緩慢移動，利用砂輪的旋轉(zhuǎn)而使砂帶彈性變形不能完全恢復來實現(xiàn)去除砂輪高點的目的。激光修整法是利用光學系統(tǒng)把激光束聚焦成極小的光斑作用于砂輪表面，在極短的時間內(nèi)使砂輪局部表面的金屬結(jié)合劑材料以蒸發(fā)、氣化和熔融濺射的形式被去除，而不損傷超硬磨粒，從而達到修整的目的。超聲振動砂輪修整的機理是由超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲頻電信號傳給換能器，變換成超聲頻的機械振動，由變幅桿放大后帶動修整器對砂輪進行修整。試驗證明，超聲振動修整后的砂輪具有表面磨粒均勻、方向性好等特點。在線電解修銳技術(shù)是利用砂輪金屬結(jié)合劑在電源的驅(qū)動下，在具有電解作用的磨削液中發(fā)生電解反應而溶解去除，使砂輪中的磨粒露出結(jié)合劑表面，形成一定的出刃高度和容屑空間，同時，在砂輪表面逐漸形成一層氧化膜，氧化膜的不斷磨損與不斷生成使得上述修整過程保持動態(tài)平衡，既避免了砂輪的過快消耗又自動保持了砂輪表面的磨削能力。 論文研究的主要內(nèi)容金剛石砂輪劃片在線電解修銳技術(shù)很好的解決了一些材料的磨削中難加工問題，成功的實現(xiàn)了硬脆材料的精密、鏡面珩磨，本文在基于ELID磨削原理的基礎上，設計金剛石砂輪劃片的ELID磨削裝置。 （2） 對ELID磨削所必需的劃片、陰極、陽極電刷、電源等裝置在磨削中的要求進行分析。（4） 對原有的平面磨床進行改裝，設計回轉(zhuǎn)傳動系統(tǒng)和金剛石砂輪劃片磨頭的連接。 ELID磨削基本原理 ELID磨削裝置示意圖，以平面磨床為例，在ELID磨削中，金屬結(jié)合劑砂輪通過電刷與電源的正極相連，根據(jù)砂輪的形狀制造一個導電性能好的陰極接電源的負極，陰極與砂輪表面之間保持一定的間隙，從噴嘴中噴出的具有電解作用的磨削液進入陰極和砂輪表面之間的間隙，在電源的驅(qū)動下，利用電解過程中的陽極溶解效應，對砂輪表層的金屬結(jié)合劑進行電解去除，由于磨粒不會被電解，所以會逐漸露出砂輪表面，從而形成對砂輪的修銳作用。隨 ELID磨削原理示意圖 著磨削加工的進行，當砂輪表面的磨粒磨損后，出刃高度降低，由于工件材料的刮擦作用，氧化膜會逐漸變薄，導電性恢復，金屬結(jié)合劑的電解過程加快，繼續(xù)開始砂輪表面的電解過程，磨粒的出刃高度增加，氧化膜又開始增厚，周而復始，利用這種非線性的電解作用，可以使砂輪的修銳過程對磨削過程有一定的自適應能力，砂輪表面金屬結(jié)合劑的去除速度與磨料消耗的速度達到動態(tài)的平衡，最終使得砂輪表面金屬結(jié)合劑基體不斷被電解，新的磨料不斷地露出，以保證金屬結(jié)合劑砂輪的磨削過程中的銳利性，不會由于表層磨料的磨損和脫落而失去切削能力造成切削堵塞現(xiàn)象。通過調(diào)整電解修銳電源的參數(shù)，可以適應不同的磨削條件，這種修整方法可以在磨削過程中在線進行，節(jié)省了修整砂輪的時間，使磨削過程可以高效、連續(xù)地進行。粗磨和高效率磨削多采用粒度80~W50的砂輪，采用W50以上的砂輪磨削可以得到鏡面加工表面。 （2） 適應材料廣泛 由于機械、電子、光學、核能、宇航、生物工程等領域中新材料不斷出現(xiàn)，特別是難加工、硬脆材料的精密及超精密加工，要求加工精度高、表面粗糙度低，使得加工更為困難。（3） 磨削過程穩(wěn)定性好、效率高 采用在線電解修銳方法，砂輪在磨削中能始終保持銳利狀態(tài)，同時不但可以使砂輪表面形成容納磨削液和切削的空間，而且能及時的去除粘附在砂輪表層的切削，使得砂輪具有良好的、穩(wěn)定的磨削性能，磨削效率高于其它砂輪磨削。（4） 金剛石砂輪不會過快磨耗，提高了貴重磨料的利用率 在ELID磨削過程中，絕緣氧化膜生成的厚度和非線性電解的修銳作用處于一種動態(tài)平衡，既保持可金剛石砂輪表面的最佳切削狀態(tài)，又限制了金屬結(jié)合劑的過快電解。（5） 可控性好 在ELID磨削過程中，砂輪的修銳和磨削可以通過合理選擇電源參數(shù)和電解液的種類來控制，從而實現(xiàn)磨削修整過程的最優(yōu)化。而且ELID磨削不需要專門的設備，在普通磨床上配以適當?shù)难b置即可實現(xiàn)，適合在各類機床上推廣應用。 ，在電解池中，以NaCl溶液作為電解液，分別以鐵和銅片作為陽極和陰極。當外電源通過導線把電子送到負極（從正極取走電子）時，負極上多余的電子（正極上多余的正電荷）會通過靜電作用吸引電解質(zhì)溶液中的正離子（正極則吸引負離子）到電極附近，當電壓達到某種離子的放電電位時，就會發(fā)生電子得失的電化學反應，溶液中的正離子到負極還原，負離子到正極氧化，或者接正極的金屬本身的原子失去電子變成正離子溶解下來。所以，當電流通過兩極界面時，必有化學反應發(fā)生，在陽極，發(fā)生氧化反應，電子由該極流向外電路，相反，在陰極有還原反應發(fā)生，以消耗外電路流入電極上的電子。 以鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪為例，當整個系統(tǒng)接通外電源時，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，這樣會使陽極失去電子的氧化反應大大加速，但是無論怎樣加速，單位時間內(nèi)電化學反應產(chǎn)生的電子總是供應不上外電源從陽極取走的電子，所以陽極就會因為缺少電子而積累了多余的正電荷。進行磨削加工時，這層氧化膜會被工件不斷刮除而逐漸變薄，回路電阻減小，電解反應重新開始，氧化膜又會逐漸整厚，這樣周而復始，砂輪處于一個非線性電解過程，最終使得氧化膜的“生成—變厚—刮除—變薄—重新生成”達到一個動態(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。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)都會對氧化膜的質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。實驗結(jié)果表明，當砂輪結(jié)合劑中Cu和Fe的質(zhì)量比為10:82時，ELID的磨削性能最好。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、進而避免了砂輪變鈍堵塞以外，更重要的是同時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。對于微細磨粒來說，氧化膜的厚度遠大于磨粒的大小，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。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磨粒、具有良好柔性的研磨膜。氧化膜在ELID磨削中所起的作用歸納起來有以下幾個方面， （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，減緩了砂輪對工件的振動沖擊，同時在一定范圍內(nèi)消除砂輪的圓度誤差，有利于工件表面質(zhì)量的提高。 （3） 生成的氧化膜，使實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態(tài)平衡，從而實現(xiàn)可自適應控制的最佳磨削過程。 （5） 當選用較粗粒度砂輪進行粗磨使，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，同時這層氧化膜還可以將一部分磨削液帶進磨削區(qū)，從而降低磨削力和工件表面粗糙度。 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)動下，在電解液中發(fā)生電解反應而逐漸溶解去除，使磨粒露出結(jié)合劑表面，同時在砂輪表面會生成一層氧化膜，這樣就使得ELID磨削與傳統(tǒng)的磨削方法在機理上有所不同。第三章 電解裝置設計本次設計的ELID硅片劃片機，其實質(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。 陰極的設計電解裝置主要是工具電極，包括陰極和陽極電刷，機床結(jié)構(gòu)的不同，電解裝置的設計和安裝也不同。（2） ~，以保證電解反應的充分進行。平面磨床上陰極的設計制造比較簡單，主要是保證導電面積盡可能大的情況下，使磨削液順利的流入間隙中，同時使磨削液分布均勻。所以型面圓弧的長度要根據(jù)實際工作條件來確定，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，適當增大陰極的導電面積，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，使砂輪表面產(chǎn)生的氧化膜均勻、致密、質(zhì)量好，陰極的寬度應比砂輪寬2~4mm。，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。 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行，消除氣流屏障對極間間隙磨削液供給的影響是一個急需解決的關(guān)鍵問題。 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，此外還必須與機床充分絕緣。 陽極的設計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。根據(jù)平面磨床的結(jié)構(gòu)，電刷應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。為了使電刷與機床絕緣，選用電木材料制作一個套筒，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，同時又能避免電刷隨砂輪的旋轉(zhuǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動，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)，在螺栓上設有陽極線柱，通過導線接到電源的正極，調(diào)節(jié)螺栓前后移動可以使帶有彈簧的石墨電刷獲得一定的預壓力，套筒由兩個電木制成的螺母將其固定在砂輪罩上，以保證電刷與機床的充分絕緣。 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支撐電刷的矩形鐵片，矩形鐵片用小螺絲固定。陽極電刷安裝時，先把絕緣套筒放在兩個圓孔之上，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。 ： 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。（2） 脈沖電源電解時的電流下降斜率較直流電解時的大，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。腐蝕層越厚，磨削出的工件的表面粗糙度越高：鈍化層越厚，越適合用來進行精密加工。（4） 脈沖直流電源電解生成的氧化膜較直流電解生成的氧化膜質(zhì)地均勻致密。綜上所述，ELID磨削采用高頻脈沖直流電源最為合適，而且高頻脈沖電流不同于直流電流，在砂輪在線電解磨削時無任何損害性的連續(xù)電弧放電發(fā)生，同時又可利用數(shù)值控制來保持穩(wěn)定的電解狀態(tài)。一方面砂輪金屬結(jié)合劑的電解使絕緣氧化膜不斷增厚，另一方面工作又將氧化膜不斷地刮除，從而