电火花机械复合磨削技术的研究进展_【工具技术】

因在高温下具有强度高、耐磨性好等特性，钛合金、高温合金、硬质合金、不锈钢、工程陶瓷等先进工程材料的应用越来越...

因在高温下具有强度高、耐磨性好等特性，钛合金、高温合金、硬质合金、不锈钢、工程陶瓷等先进工程材料的应用越来越广泛。然而，这些特性同时也使得这类材料的产品加工困难，缺乏合适的加工技术是阻碍这类材料广泛商业化应用的主要障碍。为此，各国学者进行了大量的新高效、低成本快速加工技术的开发研究。目前，复合加工技术包括电化学磨削、电解放电加工、超声辅助电火花加工、电火花机械复合磨削等，因其比单一加工技术具有更高的加工效率和更好的加工质量而备受关注。其中，电火花机械复合磨削加工结合了难加工材料常用的金刚石磨削技术，成为当前难加工材料复合加工技术研究的热点。

本文结合电火花机械复合磨削加工机理的分析，系统综述了国内外电火花机械复合磨削技术的研究现状，并提出将该技术应用在大口径SiC反射镜非球面磨削中。

1 电火花机械复合磨削机理

电火花机械复合磨削(EDDG)是一种结合了磨削和电火花放电加工的复合加工工艺。有别于传统的电火花磨削(EDG)工艺，在加工中以旋转的金属基金刚石砂轮代替高纯度导电石墨轮，且存在着对加工材料的放电热软化和机械磨削作用。EDG实质是电火花加工(EDM)的一种具体形式，它以高速旋转的高纯度石墨轮代替普通工具电极，由于其运动形式符合磨削的特点，因而被命名为电火花磨削，其加工原理如图1所示。EDG对工件材料的去除完全依靠石墨轮与工件间的火花放电的腐蚀效应，即工件材料局部因放电产生瞬时高温熔融而去除。在整个加工过程中，石墨轮与工件间不存在物理接触作用。

图1 EDG加工原理图

EDDG是在EDG基础上发展而来的一种新工艺，其加工原理如图2所示。由金属基金刚石砂轮代替石墨轮参与工件的加工，依靠砂轮金属基体表面与工件加工表面间的间隙放电，同时存在着金刚石磨粒对工件材料的磨削作用。加工过程中的放电作用对工件加工表面材料和砂轮金属基体都存在着去除作用，因此可以提高材料的去除效率和实现砂轮的在线修锐。

图2 EDDG加工原理图

在EDDG加工中，放电产生的瞬时高温使得工件加工表面材料局部发生软化甚至融化，减少了金刚石磨粒的磨削力，同时放电对金属基砂轮的在线修锐也减少了砂轮阻塞，促进了磨削。而金刚石磨粒对工件加工表面因放电导致的熔融重铸材料的去除，形成新的加工表面，为电火花放电持续稳定地进行创造了良好的条件。放电和机械磨削相互创造有利条件，使EDDG加工改善了工件的加工表面质量和加工效率。

2 电火花机械复合磨削技术研究现状

作为一种新的工艺技术，电火花机械复合磨削技术集合了机械磨削和电火花加工两种加工技术的优点，其在难加工材料中的应用研究受到国内外学者的关注。目前，国内外学者对EDDG加工技术的研究主要集中在材料去除机理、工具电极砂轮磨损以及加工表面质量三个方面。

(1) 电火花机械复合磨削材料去除机理的研究

1995年，印度学者V. K. Jain等对EDDG加工的材料去除机理进行研究，认为加工过程中材料的去除包括磨粒的切削作用去除和放电引起的表面材料熔融，其微观去除机理如图3所示。放电在微观尺度上导致了工件材料局部的热软化和部分去除，再由金刚石磨粒磨削去除软化的材料，从而提高了材料去除率。M. K. Satyarthi等研究发现，磨粒凸出高度和电火花是EDDG加工中材料去除的两个重要因素。只有当工具电极处于一定位置时，才会产生放电作用去除材料；同时只有当极间间隙小于磨粒凸出高度时，磨粒才可能与工件相互作用而实现去除，如图4所示。

在EDDG加工中，由于引入了放电作用，EDDG加工的材料去除率要高于EDG加工的材料去除率，因此工件材料的去除同时受到磨削参数和电参数的影响。刘源添等对合金球面的加工研究结果显示，EDDG的材料去除率是纯磨削加工的3倍。P.Koshy等在进行高速钢的EDDG加工时发现，电流和砂轮速度对材料去除率有重要影响，由于电极的旋转和有效的冲洗，材料去除率显著提高。Yadav等认为砂轮速度是EDDG加工中最主要的影响因素，材料去除率随电流、砂轮速度和放电时间的增加而增加。Singh等在采用EDDG进行端面磨削时发现在低电流和砂轮速度下，由于砂轮磨损使得金刚石砂轮的材料去除能力下降。V. K. Jain等通过改变高速钢加工过程中电流、电压、脉冲时间和占空比等放电参数，发现材料去除率随电流和脉冲时间的增加而增加，而随电压和占空比的增加而减小。

图3 EDDG材料去除机理

图4 磨粒与工件间的作用

与此同时，在EDDG加工中，工件材料与砂轮电极的极性也会对材料的去除率产生影响。H. R. Shih等的研究表明，当盘形电极接电源正极、工件接电源负极时，将获得较高的材料去除率。对于提高EDDG加工中材料的去除率，非电参数主要影响金刚石磨粒的磨削作用。当提高金属基砂轮的转速时，由于能及时去除因放电导致的材料熔融而形成的隆起，避免了材料的重铸作用，从而提高了材料的去除率。研究表明，EDDG的材料去除率比EDM的材料去除率的3-7倍。

(2) 电火花机械复合磨削中砂轮磨损的研究

在EDDG加工中，金属基金刚石砂轮作为工具电极，其磨损情况影响加工成本，成为EDDG技术研究的另一项重要内容。在EDDG加工中，金属基砂轮处于持续的在线修整状态，因此无需中断加工来进行砂轮修整，然而放电对砂轮金属基体的去除也使得砂轮磨损加快。Koshy等指出，高放电能量在EDDG加工中是不经济的，因为其更容易导致磨粒在低磨削力下从砂轮基体上脱落。

为降低EDDG加工中的砂轮磨损，减少加工成本，必须对加工过程中的电参数进行控制。Sanjeev Kumar等运用中心旋转组合实验设计和神经网络对EDDG加工中的砂轮磨损率进行了预测和验证，研究了脉冲电流、占空比、砂轮速度以及磨粒尺寸对砂轮磨损的影响规律。结果表明：选择较小的脉冲电流、占空比、砂轮转速和磨粒粒度能减少金刚石砂轮的损耗。P. K. Shrivastaval等结合人工神经网络、遗传算法和灰度关联分析对砂轮的损耗进行了优化分析，极大改善了砂轮磨损情况，使得在铜—铁—石墨复合材料的EDDG加工中的砂轮磨损率降低了31.85%。

由于金刚石砂轮的价格昂贵，砂轮的严重磨损会增加加工成本，而EDDG加工中的放电作用会造成大量未磨损金刚石颗粒的脱落。为此，K. M. Shu等以SiCp颗粒代替昂贵的金刚石作为磨料，设计了新的含SiCp铜基砂轮电极(见图5)。其实验结果显示，新设计的砂轮同样具有很好的磨削效果。

(a)

(b)

图5 含SiCp的Cu基砂轮的EDDG原理及砂轮表面形貌

针对EDDG加工中的砂轮金属基体与工件材料加工表面间的放电间隙小，磨屑容易在此堆积造成砂轮的阻塞，影响加工过程。为避免这一现象的出现，Yadav和Yadava设计了开槽式砂轮电极(见图6)。在Al/SiC/Gr上的实验结果表明，由于开槽式砂轮增加了加工过程中冲洗效果，使得EDDG加工的材料去除率和加工表面质量得到了很大的提高。Renjie Ji等采用开槽式砂轮进行SiC陶瓷的加工时，优化的相对砂轮磨损率仅为2.38%。

在进行非导电材料的EDDG加工时，由于工件材料不导电，不能作为EDDG加工的一个电极，因此通常需要采取辅助手段来实现EDDG加工。中国石油大学的李小鹏博士等设计了双电极同步伺服跟踪的辅助系统，以系统伺服送进辅助铜片电极实现非导电陶瓷的EDDG加工(见图7)。该砂轮辅助电极的设置方式不仅可以提高EDDG的加工效率，对砂轮的磨损状况也有利。

图6 开槽式砂轮

图7 双电极同步伺服电极

(3) 电火花机械复合磨削加工表面质量的研究

在复合加工中，不同工艺或能量的结合都会对加工表面质量产生影响。Shu等在进行HPM50模具钢的EDDG加工时发现，加工的表面形貌极为复杂，同时存在电蚀凹坑、材料熔融凝固球形颗粒和材料汽化蒸发留下的麻坑(见图8a)；且当磨粒粒度较大时，加工表面形貌以磨削划痕为主(见图8b)；当继续增大磨粒粒度和电流达到2A时，磨削表面同时出现磨削划痕和放电凹坑(见图8c)。加工过程中放电作用产生的瞬时高温使得材料加工表面及亚表面形成凝固层、热影响层和基体材料层三层，且在加工表面的热影响区出现明显的微观裂纹(见图9)。

图8 HPM50模具钢EDDG加工表面微观形貌

由于加工过程中机械磨削和电火花放电的相互作用，磨削参数、放电参数以及其他一些辅助参数对加工表面质量均会产生影响。Abothula等研究了放电电流、放电时间和放电间隔以及砂轮转速对高速钢和高碳钢端面EDDG加工表面粗糙度的影响。Yadav等发现在一定范围内，提高砂轮转速有助于降低表面粗糙度；而磨粒数的增加会增大表面粗糙度。纪仁杰等采用双电极伺服EDDG新方法，考察了脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电压、峰值电流等放电参数对Al2O3陶瓷加工表面粗糙度的影响，发现表面粗糙度受各电参数的影响情况比较复杂。李小鹏等研究了工作液这一辅助参数对表面粗糙度的影响，实验结果采用较大流量(60mL/s)和较低体积百分数的工作液时，EDDG加工Al2O3陶瓷的表面粗糙度值低，加工表面质量好。

(a)

(b)

图9 HPM50模具钢EDDG加工表面损伤

为实现对加工表面质量的预测和控制，Yadav等采用人工神经网络和非支配排序算法对碳化钨钴复合材料的EDDG加工材料去除率和平均表面粗糙度进行预测和优化，并通过实验研究了脉冲电流、脉冲放电时间、占空比以及砂轮转速的影响。Agrawal等利用有动量训练函数的人工神经网络，建立了电流、占空比、工件速度以及砂轮速度对金属基复合材料EDDG加工材料去除率和表面粗糙度的预测模型。为减小表面粗糙度值，Singh等采用稳健实验设计，实现了对EDDG加工表面粗糙度的影响因素砂轮转速、电流、脉冲时间和占空比的参数优化。Singh等基于灰色关联度确定了WC-Co复合材料加工表面粗糙度影响因素的主次顺序。Cao等整合神经网络、基因算法和灰度关联分析，对工件极性、脉冲放电时间和间隔、开路电压和峰值电流进行参数优化，运用优化后的工艺参数组合进行实验，结果显示金刚石和WC界面间的最小切深由0.035mm减少到0.03mm，说明表面质量得到了显著改善。

3 电火花机械复合磨削在大口径SiC反射镜加工中的应用展望

目前国内外对电火花机械复合磨削技术的研究主要集中在金属合金或金属基复合材料，很少涉及工程陶瓷材料，这主要与绝大多数工程陶瓷的绝缘有关。然而，SiC作为典型的弱导电工程陶瓷材料，已有大量关于其电加工技术的研究报道。

由于具有较高的比刚度和较好的热稳定性，近年来SiC正成为空间光学反射镜研究的热门材料，如欧空局Aeolus Aladin望远镜、Herschel望远镜以及美国的同温层红外线天文台(SOFIA)等空间光学系统中都应用到SiC反射镜。随着空间光学系统向着大口径、轻量化和非球面式的方向发展，大口径SiC反射镜的非球面成形加工变得越来越重要。由于SiC材料的脆性大、硬度高，加之需要加工的面积大，大口径SiC反射镜传统的磨削方式加工效率低、质量差，且根据课题对长春光机所大口径SiC反射镜非球面加工的调研显示，目前只能采用树脂基金刚石砂轮进行加工，急剧的砂轮磨损严重影响了SiC反射镜的面形精度和加工效率；金属基金刚石砂磨损小，可提高加工面形精度，但在进行大口径SiC反射镜的非球面加工实验时，却发现砂轮阻塞严重，需频繁中止加工来进行砂轮修整。因此，迫切需要开发一种高效的磨削加工技术。

电火花机械复合磨削集合了机械磨削和电火花加工的优点，加工过程中的放电作用不仅能实现对材料的去除和软化，促进磨削，提高效率，而且能对金属基砂轮实现在线修锐作用，保证砂轮磨削过程的锋锐性。因此，可借助SiC的导电性，将电火花机械复合磨削应用到大口径SiC反射镜非球面的成形加工中，从而提高其加工效率和加工质量。

小结

在进行导电难加工材料的加工时，电火花机械复合磨削具有很明显的优势，尤其是在进行面积较大的加工时，能很好地改善砂轮状态，提高加工质量和效率，并应用于大口径SiC反射镜的非球面加工中。由于SiC材料的电火花机械复合磨削技术的研究鲜见报道，因此后期研究可围绕以下关键技术问题进行：

(1)研究SiC陶瓷在存在放电作用下的材料去除机理，分析放电作用对加工表面材料理化状态以及金刚石磨粒磨削过程的影响；

(2)分析电火花机械复合磨削SiC陶瓷时金属基金刚石砂轮的磨损形式和规律，探讨放电瞬时高温对砂轮金属基体和金刚石磨粒的影响。

(3)进行大口径SiC反射镜的工艺优化，寻求提高加工效率和加工质量的最优工艺组合。

原载《工具技术》作者：饶小双