基于ELID磨削在位电火花精密修形加工液的开发*

关佳亮 郭奎崇 张孝辉 尚海洋 徐真真 王建杰

(①北京工业大学先进制造技术北京市重点实验室，北京100124；②河南科技大学高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室，河南 洛阳471023; ③北京空间技术研究院，北京100000)

金属基砂轮以其高硬度、高强度的特点，被广泛应用于精密超精密加工中，但其存在自锐性差、易堵塞，修形、修锐困难等缺点，制约着金属基砂轮的推广使用。传统的砂轮修整技术无法实现对金属基砂轮的修形和修锐。电火花在位修形金属基砂轮，通过将作为阳极的工具电极与作为阴极的砂轮相拟合，拟合间隙间充有不导电的介质。当两电极间的间隙达到一定距离时，介质在脉冲电压作用下被击穿放电，瞬间产生大量的热使金属基砂轮表面熔化和气化，达到修形砂轮的目的。

传统的以煤油为介质的加工液存在容易污染ELID磨削液，使磨削液的电解修锐能力下降，影响ELID磨削效果和放电时产生对环境有害的物质。以去离子水为介质的加工液放电时既不污染磨削液也没有有害物质产生。但其导电率不够稳定，导致加工后的砂轮轮廓截面精度不高，磨削后的工件精度难以满足要求。研究以去离子水为介质，通过加入添加剂优化其放电性能，实现既环保，又能满足电火花加工和ELID磨削加工复合机床要求的新型电火花加工液成为推广ELID磨削技术亟待解决的问题。

本文开发出了一种适用于ELID磨削在位修形、在线修锐精密加工的以去离子水为基本成分的电火花加工液，解决了ELID磨削中在位修形时电火花修形加工液污染磨削液的难题，确保ELID磨削过程中的在位修形精度和在线修锐效果，达到精密加工要求。

1 电火花加工技术原理

电火花加工技术是一种非接触式的加工技术，工具电极与被加工件之间没有机械作用力，对加工材料的物理和化学性能基本没有要求，可用作金属基砂轮的修形。电火花加工原理如图1所示，在修形过程中，金属基砂轮作为负极，工具电极作为正极，在高压脉冲电源的作用下，当砂轮与工具电极间的间隙小于或等于放电间隙时，电压将会击穿介质[1]，产生放电，在砂轮与电极之间形成放电通道[2](如图2所示)，电火花放电产生大量的热，形成一个瞬时的热源作用在砂轮与电极表面，使其在瞬间高温作用下熔化、气化，达到修形的目的。在位电火花修形过程中，通过控制电参数、电极间隙和间隙间加工液介质的流速，达到精准电蚀除加工余量的效果，实现金属基砂轮的在位精密修形。

2 基于ELID磨削金属基砂轮电火花在位修形专用加工液的开发

2.1 理论及技术方案分析

针对ELID磨削用金属基砂轮在位精密修形难加工且难以获得高精度的问题，采用电火花加工方法对金属基砂轮进行精密修形比较适宜。但所用电火花加工液须满足不污染磨削液的要求，否则将会削弱ELID磨削液的在线电解修锐能力，影响磨削效果。具有良好的放电性能，同时满足制作成本低的要求。

去离子水以其杂质少、成本低，能够很好地满足不污染ELID磨削用磨削液的前提，因此选择去离子水作为开发电火花加工液的基液，但由于其电导率不稳定，通过在基液中添加爆炸剂、分散散剂、润滑剂和消泡剂等添加剂，并对其成分和含量的配比进行优化使其满足电火花加工的要求并达到较好加工效果。

2.2 电火花加工液配方

电火花加工液选用水基电火花加工液型，主要成分为去离子水，由于电火花加工被去除材料经瞬时冷却，容易在工件表面形成积屑瘤，因此润滑剂的添加可以改善加工表面的加工质量和精度，并延长工具电极的寿命；采取添加爆炸剂的方法可以提高加工的效率；分散剂和消泡剂的添加可以稳定电导率，同时消泡剂的添加还可以保证加工液的冷却性。电火花加工液的配方开发工作主要是由润滑剂、分散剂、爆炸剂、消泡剂、防锈剂、表面活性剂和其他辅助添加剂等组成，以及最佳配比的配方实验等。

(1)爆炸剂的选择。爆炸剂是为了提高电火花加工的加工效率，增大放电加工过程中的爆炸能量并促进排屑。其中爆炸剂选择聚乙二醇、蔗糖，兼具防锈功能。

(2)分散剂的选择。加工液中添加分散剂是为了促使开发液中的各种添加剂颗粒在加工液中能够均匀分布，并在火花加工过程中保持其在加工液中分布的稳定性，控制放电火花大小，同时跟其他成分协同作用控制爆炸发生的均匀程度。其中分散剂选择聚羧酸脂或聚羧酸，兼具有防锈和润滑作用。

(3)消泡剂的选择。加工液中添加消泡剂是为了抑制电火花加工过程中泡沫的产生并消除已产生的泡沫，增强和保证加工液的冷却性和稳定性，同时避免产生过多泡沫而导致的污染环境现象。消泡剂选择聚醚或乳化硅油，兼具润滑的性能。

(4)润滑剂的选择。加工液中添加润滑剂是为了润滑和密封在电火花加工过程中摩擦部分的物质，抑制加工过程中积屑瘤的增长，延长工具电极的使用寿命，改善加工表面的加工质量和精度。其中润滑剂选择聚醚酯，不仅润滑性良好，还兼有防锈功能。

(5)防锈剂的选择。防锈性是电火花加工液的关键因素之一。由于合成电火花加工液中水的质量分数较高，易使机床和加工工件产生锈蚀，所以对合成电火花加工液的防锈性能要求更加严格。将自制合成的水溶性杂环羧酸防锈剂、钼酸钠、三乙醇胺和有机防锈剂配合使用，能在金属表面形成一层三维网络结构的缓蚀膜，有效阻止金属离子的扩散通道以及腐蚀介质向内渗透，比单一的钼酸盐吸附层防锈效果好，同时证明了多组分缓蚀剂之间的互补性最终能形成性能优异的综合防锈剂[3-4]。

3 加工液配方的确立及其优化

3.1 修形砂轮评价指标和配方优化实验因素水平的确定

采用直接和间接测量法对“采用添加剂不同配比组合的加工液进行在位电火花修形”后的砂轮进行轮廓截面精度的检测分析：选取砂轮轮廓截面精度(峰值与谷值差)作为砂轮修形的评价指标。通过基恩士二维激光测距仪将砂轮的横截面轮廓数据进行采集，用MATLAB导入数据作砂轮截面轮廓求解峰值包络线图，评价砂轮修整前后的轮廓截面精度。

采用四因素三水平编码表进行正交设计实验[5]，以探究爆炸剂、润滑剂、消泡剂和分散剂对轮廓截面精度的影响规律，各实验因素均取3个水平，四因素三水平表如表1所示。

表1 四因素三水平编码表

3.2 实验结果及分析

在自行开发的在位电火花修型ELID精准递进式成型磨削加工实验平台上(如图3所示)，对W40铁基结合剂金刚石砂轮进行精密修形加工实验。依据修形后所得到的轮廓截面精度,探究开发液中爆炸剂、润滑剂、消泡剂、分散剂等成分的含量对修形砂轮精度的影响规律，正交实验表和实验结果如表2所示。

表2 正交实验设计表和实验结果

3.2.1 确定实验的最优水平和最优水平组合

分析A(爆炸剂)因素各水平对修形后的砂轮轮廓截面精度的影响，A1通过实验序号1、2、3反映出来，A2通过实验序号4、5、6反映出来，A3通过实验序号7、8、9反映出来。A1因素所对应的实验指标—轮廓截面精度之和是KA1=y1+y2+y3=0.083+0.092+0.075=0.250,kA1=KA1/3=0.083;KA2=0.144,kA2=KA2/3=0.048;KA3=0.172,kA3=KA3/3=0.057;由于kA2

3.2.2 确定因素的前后顺序

根据正交实验得出的极差值R反应的是在某因素的一定范围内变动下，实验指标所产生的波动大小。因此，可以根据极差Rj的大小，推测出各因素对实验指标的影响主次。通过计算得出RA=0.037 3，RB=0.005 5，RC=0.021 8,RD=0.017 5，由于RA>RC>RD>RB，因此各因素对轮廓截面精度影响的前后顺序是ACDB,即爆炸剂、消泡剂、分散剂、润滑剂。

3.2.3 确定最优参数组合

根据正交实验结果，并由Origin绘制不同添加剂参数对加工W40铁基金刚石砂轮轮廓截面精度的影响曲线图，如图4～7所示。

观察图4～7可发现，正交实验中砂轮轮廓截面精度与各因素之间有明显的影响规律。轮廓截面精度随着爆炸剂百分比提高先降低后增大，由于轮廓截面精度为峰值与峰谷的差值，因此该值越小越好，故爆炸剂成分为4%时轮廓截面精度最高，同理可分析得出润滑剂0.6%、消泡剂6%及分散剂3%时，轮廓截面精度最高。因此，电火花加工液修形砂轮的最优添加剂参数为爆炸剂4%、润滑剂0.6%、消泡剂6%和分散剂3%。

3.2.4 确立电火花加工液的主要技术指标

表3 电火花加工液主要技术指标

4 开发加工液加工性能的实验验证

将正交实验优化后的最佳工艺参数对W40铸铁基金刚石砂轮进行电火花修锐加工实验，由图8知未修整时的砂轮横截面轮廓最大值0.044 9 mm，最小值-0.059 79 mm，轮廓截面精度为0.104 69 mm；由图9知，修整后的A截面轮廓最大值为-0.331 mm，最小值为-0.353 mm，轮廓截面精度为0.022 mm；由图10知，修整后的B截面轮廓最大值为0.006 1 mm，最小值为-0.022 1 mm，轮廓截面精度为0.028 2 mm，对比未修整时的砂轮横截面轮廓，可知在电火花整形最佳工艺参数下W40粒度铸铁基金刚石砂轮的横截面轮廓精度较之前下降了近80 μm左右，基本围绕在25 μm精度左右，且横截面轮廓包络线的直线度很高。

5 结语

(1)以去离子水为基体，聚乙二醇、蔗糖为爆炸剂，含量为4%；聚醚酯为润滑剂，含量为0.6%；醚或乳化硅油为消泡剂，含量为6%；聚羧酸脂或聚羧酸为分散剂，含量为3%配制而成的水基火花加工液，能满足基于ELID在位电火花精密修形的要求。

(2)经检测评定，该电火花加工液的各项理化指标均达到了GB/T 6144—2010 的要求。

(3)采用开发的水基火花加工液在“在位电火花修型ELID精准递进式成型磨削加工实验平台”上进行精密修形加工实验，砂轮横截面轮廓精度较修形前提高了73.1%(80 μm左右)，误差可控制在25 μm精度左右，且横截面轮廓包络线的直线度很高。