ELID磨削工艺控制研究*

宁生科，柯 镭

(西安工业大学,陕西 西安 710021)

ELID磨削工艺控制研究*

宁生科，柯 镭

(西安工业大学,陕西 西安 710021)

砂轮表面氧化膜的形成规律与特性对ELID超精密磨削质量有着重要的影响。研究在ELID磨削中氧化膜的形成规律,基于电化学基本原理,模拟砂轮表面氧化膜形成过程,并分析金刚石砂轮电解预修整过程中氧化膜的生长规律。在此基础上,总结出控制氧化膜生长的几个主要因素之间的关系，分析和确定氧化膜生长厚度与电压之间的关系，应用循环结构编程设计实现ELID磨削工艺控制。

ELID磨削, 电解在线砂轮修整, 金刚石砂轮，工艺控制，程序设计

1 引 言

ELID(Electrolytic In-process Dressing)技术是在1987年由日本物理化学研究所的大森整等人首次提出的一种磨削新工艺，其基本原理是利用在线电解作用对金属基砂轮进行修整[1-4]。具体的磨削过程是在砂轮(阳极)和金属电极(阴极)之间浇注电解磨削液，砂轮接直流脉冲电源的正极，金属电极接直流脉冲电源的负极，由此构成电解系统。在电场的作用下，作为阳极的砂轮金属结合剂发生溶解而被逐渐去除，因而磨粒凸出砂轮表面，由于同时在砂轮表面生成不导电的氧化膜，阻止了电解对阳极金属砂轮的进一步溶解使得砂轮不会过度磨损。通过控制脉冲电源的电压输出，从而使得磨粒处于工作需求的状态[5-9]。

ELID超精密磨削原理如图1所示。其特点在于对砂轮进行阳极在线修整，增大容屑空间，使砂轮在磨削过程中处于最佳磨削状态。在工业现场中没有一个通用的工艺控制模型，笔者将基于ELID预修整工艺的金属结合剂金刚石砂轮表面氧化膜形成的现象进行分析和研究，确定出一个单因素通用的工艺控制模型并最终实现对其的控制[10-14]。

图1 ELID超精密磨削原理

2 控制模型

实际上在ELID磨削修整过程中,氧化膜的电阻值一直随着氧化膜厚度的变化而改变，根据欧姆定律基本公式：I=U/R，变换得到：R=1/I*U=K1U(令K1=1/I)。再根据电阻定律基本公式：R=ρL/s(式中：ρ为制成电阻的材料电阻率，L为绕制成电阻的导线长度，s为绕制成电阻的导线横截面积。)，结合实际令L=h将其变换得到：R=ρ/s×h=K×h(式中常数K=ρ/s；ρ为氧化膜电阻率；s为氧化膜与工件有效接触面积。)。

综合上述欧姆定律的变换公式和电阻定律的变换公式可得到电压与氧化膜厚度之间的确定关系：K1U=K×h，变换整理得到U=K/k1×h，从理论上确立了电压值与氧化膜厚度之间的关系。

为了确定K1值的大小，根据法拉第电解定律第一定律和第二定律可以得到阳极理论溶解质量m，阳极理论溶解体积V0以及通过变换得到去除阳极材料厚度h。

阳极理论溶解质量：

(1)

阳极理论溶解体积：

(2)

去除阳极材料厚度：

(3)

式中:M为摩尔质量(原子质量)；I为电流强度；t为通电时间；F为法拉第恒量(F=9.65×10 000 C/mol)；z为化合价；ρ0为阳极材料的密度；Aa为阳极有效传导区面积。

根据式(3)，当给定一个氧化膜厚度值h，就可以确定一个电流值I，即I=ρ0zFAa/Mt×h，也可以得出K1的值，即K1=1/I=Mt/ρ0zFAah。

已知K=ρ/s以及电压与氧化膜厚度之间的确定关系：U=K/k1×h，从而确定出ELID磨削工艺控制模型[15-20]，即:u=ρρ0zF/Mt。

式中:u=︱U-U0︱，U为真实输出电压，U0为起始点电压。

3 控制策略

根据ELID磨削工艺控制模型需求，借助Java平台设计程序结构[21]，循环结构程序设计图如图2所示。

图2 循环结构程序设计图

具体程序内容如下：

import java.io.IOException;

import java.util.Scanner;

public class GetPath {

/**

* @param args

*/

public static void main(String[] args) {

//数组缓冲

……

return ss;

}

}

4 控制结果

采用计算机与Java平台进行了控制模型验证。图3为ELID磨削工艺控制模型验证结果,可以看出当给定相关的参数值，就可以得到与输入氧化膜厚度一致且唯一的电压值,表明建立的ELID磨削工艺控制模型和控制策略都是正确的,可用于研究ELID磨削工艺控制过程。

图3 控制模型验证结果

5 结 语

控制模型验证结果表明,该文建立的工艺控制模型和控制策略能正确描述ELID磨削砂轮预修整过程中，氧化膜厚度与单一影响因子电压之间的确定关系，并由此可实现对氧化膜厚度的控制。

[1] 李怡圣，朱建忠.超精密加工及其关键技术的发展[J].中国机械工程,2001,161(2):17-21.

[2] 张春河，王 平，李 伟,等.在线电解修整磨削先进陶瓷[J].机械工艺师，1994(9)：18-19.

[3] 王 平,张春河.在线电解修整砂轮的超精密镜面磨削新技术的发展与应用[J].磨料磨具与磨削，1994(8)：15-16.

[4] 关佳亮，郭东明，袁哲俊.ELID镜面磨削技术[J].制造技术与机床，2001(3):25-27.

[5] Ohmori H.Ultra-precision Grinding of Structural Ceramics by Electrolytic In-process Dressing(ELID) Grinding[J].Journal of Material Process Technology,1996(57):272-277.

[6] Ohmori H. Electrode Generating Hydro-dynamic Pressure in Combination with Grinding Wheel[P]. U.S.Patent,6110019, 2000.

[7] Bifano T G, Yi Y. Fixed Abrasive Grinding of CVD SiC Mirrors[J]. Journal of Precision Engineering, 1993,16(2):109-116.

[8] Welch E J. Electrolytic Dressing of Bronze Bonded Diamond Grinding Wheel[D]. USA: Boston University, 1993.

[9] Krishnamoorthy R. Electrolytic in-process Dressing of Bronze Bonded Diamond[D]. USA: Boston University, 1994.

[10] Radu, Pavel. Investigation of Pre-dressing Time for ELID Grinding Technique[J]. Materials Processing Technology, 2004(149):591-596.

[11] Nobuhide Itoh, Hitoshi Ohmori, Characteristics of ELID Grinding of Gd2SiO5by Cast-Iron Bonded Diamond Wheel, Focused on Advances on Micro-mechanical Fabrication Techniques[J]. RIKEN Review,2001(34):9-12.

[12] Qian J. Internal Mirror Grinding With a Metal/Metal-resin Bonded Abrasive Wheel[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2001(41): 193-208.

[13] Qian J. Precision Internal Grinding with a Metal-bonded Diamond Grinding Wheel[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2000(105):80-86.

[14] Ohmori H.Removable electrode[P]. U.S. Patent: 20010020 585, 2001.

[15] 朱育权，马保吉.Stephenson D.J. ELID超精密磨削砂轮表面氧化膜形成过程的建模和仿真[J].工具技术,2008(5):42-43.

[16] 任成祖，孙 斌.ELID磨削砂轮表面氧化膜状态表征[D].天津:天津大学，2008.

[17] 关佳亮，郭东明，袁哲俊.ELID镜面磨削砂轮氧化膜生成机理[J].中国机械工程，1999,10(6)：15-18.

[18] 吴 非.ELID磨削过程优化控制[J].机械工程师，2011(6)：6-16.

[19] 王银霞.ELID磨削砂轮表面氧化膜厚度在线检[D].西安：西安工业大学，2011.

[20] 钟福新，余彩莉，刘 峥.大学化学[M].北京：清华大学出版社，2012.

[21] 法瑞尔(美国).JAVA编程[M].北京：科学出版社，2012.

[22] 刘继胜.轧辊磨削精度提高的方法及其应用[J].机械，2009(9)：49-52.

ELID Grinding Process Control Research

NING Sheng-ke, KE Lei

(Xi′anTechnologicalUniversity,Xi′anShaanxi710021，China)

Forming regularity and characteristics of grinding wheel surface oxide film has important influence to the quality of ELID ultra-precision grinding. The formation of oxide film in ELID grinding is studied.Based on the basic principle of electrochemical, simulation of forming process of grinding wheel surface oxide film is done, and the grow process law of the oxide film of diamond wheel electrolytic dressing is analyzed.On this basis, the main factors that controling the growth of the oxide film is sum up and the relationship between the thickness of growth of oxide film and the voltage is analyzed and determined, then programming design is used to realize ELID grinding process control.

ELID grinding, pre-dressing, diamond grinding wheel, process control, program design

2013-11-22

陕西省科技攻关项目(项目编号2009K07-18)

宁生科(1964- )，男，陕西礼泉人，教授，主要从事机械制造及自动化、模具设计与制造、精密加工技术等领域的研究工作。

TH16

A

1007-4414(2014)01-0060-02