树脂-金属复合结合剂金刚石微粉砂轮的电解调整原理和基础现象

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电解调整可行的必要条件。如果结合剂中的金属含量 过少， 电解反应无法发生。 （1 ） 实验证实， 电解调整后， 树脂 2 金属复合结合 剂金刚石微粉砂轮表面的金属被电解掉， 砂轮表层成
超精密车削表面粗糙度的控制与优化
王洪祥 ! " 孙" 涛 ! " 张龙江 ! " 张" 昊 "
树脂 $ 金属复合结合剂金刚石微粉砂轮的电解 调整原理和基础现象
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王先逵 !
马明霞 !
#" 结论
本文论述了树脂 2 金属复合结合剂金刚石微粉砂 轮的电解调整原理， 并进行了电解调整和磨削实验。 通过上述研究， 可以得出如下结论： （3 ） 树脂 2 金属复合结合剂砂轮的自身导电性是 ! ’ #" 电解调整对表面粗糙度的影响 图 * 所示为用电解调整前后的砂轮加工的光学玻 璃磨削表面的照片。从图中可以看出使用电解调整后 的砂轮加工的光学表面， 凹坑和划痕等加工损伤明显 减少。图 + 为用两种不同的砂轮经电解调整前后加工
! ’ !" 电解调整前后的砂轮表面 图 ! 为砂轮表面同一位置电解调整前后的电子对 比扫描电镜照片。图 !( 为电解调整前的砂轮表面， 图 中白色物质是铜。图 !) 为电解调整后的砂轮表面， 从 图中可以看出， 电解调整后铜溶出， 在原来铜占据的位 置上形成孔穴， 而树脂结合剂和金刚石磨料维持原状。 可以确认， 电解调整后， 砂轮表层形成了有孔的树脂结 合剂组织结构。
!" 实验方法和实验条件
! & #" 试验方法 电解调整实验顺序如图 ’ 。首先用杯形砂轮修整 器修 整 砂 轮， 然后对砂轮进 行电 解 调 整， 记录电解过程 中电 流 和 电 压 的 变 化， 并用 电子扫描显微镜跟踪观察电 解前后的砂轮表面。分别用 经电解调整前后的砂轮磨削 光学玻璃， 测量工件的磨削表面粗糙度， 用显微镜观察 磨削后的工件表面并摄影， 对表面粗糙度和磨削表面 进行比较。 !$ !" 试验条件 试验中使用的电解装置如图 " 。电源的正极由电 刷接入砂轮的轮毂， 导电电刷通过磁性夹座固定， 并用 绝缘材料与磨床工作台绝缘。为了便于除去阴极上的 附着物， 阴极材料选用不锈钢。阴极通过钢制底座吸 附在磨床工作台上， 阴极和底座之间用胶木绝缘。砂
轮的修整方法采用杯形砂轮修整法。磨削方式为全面 进刀法的顺切方式。沿垂直于磨削的方向测量表面粗 糙度值， 取 ( 个位置的平均值。试验条件如表 % 。
表 #" 试验条件
机床 工件材料 电解电源 磨削液 砂轮 电子扫描显微镜 表面粗糙度测量机 超精密平面磨床 )*+ $ !’,./0（ ! 12 33 4 "! # 1! 33） 5678 9:8;<= ("2 脉冲电源 化学溶解型 )>%!22（ !’22 33， "%2 33 ） （ $%2 ，$’2 ， $"2 ） ) $ ’%!2（ 日立工机） ?@A:B= ,BCDBE 5B=3 ?@A:B= )<=8<D ’ 磨削方式： 全面进刀法， 顺切 % 122 3 F 38E 砂轮转速： 工作台左右运动速度： % 3 F 38E 切削深度： % !3 F 次 方法： 杯形砂轮修整法 杯形砂轮： *G%!22 ，陶瓷结合剂 电压： (2 H； 电流： I J 1 K；间隙： 2& ’ 33 % &’ ： ’ D；% &(( ： ’D
庄司克雄 "
厨川常元 "
（ !清华大学 摘
"日本东北大学）
要： 针对镜面程度的表面粗糙度和高形状精度要求的超精密镜面磨削加工， 提出了采用电解调整后的树 脂 $ 金属复合结合剂金刚石微粉砂轮的方法。其原理是把金属粉末作为添加剂混入到树脂结合剂 中， 在修整砂轮后进行电解处理， 使其表层的金属成分溶解， 形成气孔。这样砂轮的内部是树脂 $ 金 属复合结合剂结构， 表层是有气孔的树脂结合剂结构。论述了树脂 $ 金属复合结合剂金刚石微粉砂 轮的电解调整原理， 进行了电解调整和磨削实验， 讨论了试验过程中的基础现象。
磨削条件
修整条件 电解条件
%" 试验结果和讨论
% & #" 电解调整的必要条件 电解作用发生在砂轮的表层， 但电源的正极通常 接到砂轮轴的轴心或砂轮的轮毂， 因此砂轮磨料层自 身的导电性是进行电解调整的必要条件。实验使用了 " 种砂轮， 其区别是铜占结合剂的体积百分比不同。 砂轮是否导电以及电解调整的可行与否如表 ’ 所示。 测量结果表明， 砂轮 G 从轮毂到砂轮表层不导电。对 砂轮 G 进行电解调整试验， 电路中的电流始终维持在 极低的水平， 用扫描电子显微镜观察试验后的的表面， 发现表层的铜没有被电解掉， 而砂轮 K 和 . 导电并能 发生电解反应。
万方数据
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程中被电解的物质的质量与电量成比例， 因此从电流 曲线可以得出， 电解开始时， 铜的溶解速度较快， ! $%& 后溶解速度变慢， 最后溶解基本停止。这主要是由于 电解初期， 铜在砂轮表面， 溶出的铜离子扩散比较容 易。随着电解的进行， 砂轮表面形成一个个小洞， 铜从 洞底溶解， 铜离子的扩散越来越困难， 造成浓度过电压 增高， 电流密度降低。此外， 随着电解的进行， 铜和阴 极之间的间隙越来越大， 电路中的电阻增大， 电流减 小。
（ !哈尔滨工业大学机电学院" "黑龙江省科技评估中心）
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金刚石车削是利用高精度机床与锋利的单晶金刚石刀具加工出尺寸精度高、 表面完整性好的零件的 摘" 要： 一种金属加工技术。用回归分析的方法， 根据金刚石车削铝合金的实验结果可以建立表面粗糙度预 测模型， 这种方法能够以较少的实验次数获得大量的加工信息。在一定条件下， 利用优化设计软件 可以实现切削参数的优选， 用优选得到的最优切削参数组合进行超精密加工， 能够获得超光滑加工 表面。 关键词： 金刚石车削" 表面粗糙度" 超精密加工 " " 超精密加工的加工精度主要取决于高精度机床设 备、 加工环境、 刀具几何参数、 控制和检测系统及被加 工材料的材质等综合性能参数。在超精密加工过程 中， 超精密车削表面粗糙度不仅与刀具几何参数和切 削参数密切相关， 而且对加工过程中切削的状态变化 也非常敏感， 刀具的磨损、 切削力的变化、 机床的振动 和操作的失误都会反映到表面微观形貌上来。因此， 在现有的加工条件下， 如何快速地建立一个可靠的表 面粗糙度预测模型， 实现加工前切削参数的优选， 是超 精密加工工艺领域中亟待解决的一个重要课题。本文 在大量的切削实验和数据观察中寻找隐藏在随机性后 面的统计规律性， 利用回归分析方法建立表面粗糙度 预测模型， 在保证一定加工效率的前提下， 利用优化设 计软件在一定条件下实现对切参数的优选， 最终达到 加工前设计、 预测和控制表面粗糙度的目的。 上进行的。实验使用的金刚石刀具切削刃钝圆半径 ! " ’ ()* +,， 刀尖圆弧半径 ! ! ’ (- ! ,,， 前角 "* ’ *. ， 后 角 #* ’ /. 。工件材料为铝合金 01(2 ， 使用美国 34 公 司 （ 3565789 4+:7;<,=+7:） >8+?@A?B= $8 型原子力显微镜 测量表面粗糙度， 切削是在无切削液的条件下进行的。
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后的树脂 $ 金属复合结合剂金刚石微粉砂轮用于超精 密镜面磨削。
!" 电解调整原理
在砂轮制造过程中， 把金属铜粉末作为添加剂混 入到树脂结合剂中， 金属粉末可以限制树脂的弹性变 形， 从而提高了砂轮的整体刚性， 改善工件的形状精 度。使用前先修整砂轮， 然后对砂轮进行电解调整。 电解过程中， 砂轮表层的铜被腐蚀掉， 而树脂结合剂和 金刚石磨粒不受电解作用影响而保持修整后的原状， 从而在砂轮表层形成气孔。电解调整后， 砂轮的内部 保持了树脂 $ 金属复合结合剂砂轮的组织结构， 而砂 轮的表层则是有气孔的树脂结合剂砂轮的组织结构。
表 !" 铜的百分比与电解可行与否的关系
铜的体积百分比 砂轮 K 砂轮 . 砂轮 G "2L ’2L %2L 导电性 可 可 否 电解的可行性 可 可 否
% & !" 电解调整过程中电流和电压的变化 电解调整过程中电极两端电流和电压的变化曲线 如图 I 。从图中可以看出， 电解开始时， 电流急剧下 电流的下降速度和 降， 电压急剧上升， 大约 ! 38E 后， 电压的上升速度变得缓慢， 最后电流在一个较低值、 电 压在一个较高值保持稳定。根据法拉第法则， 电解过
这样砂轮不仅具有高的宏观刚性， 而且砂轮参与磨削 的表层部分是具有弹性的树脂结合剂砂轮结构， 表层 的树脂结合剂砂轮层具有气孔， 可以使砂轮具有持续 磨削能力。 树脂 $ 金属复合结合剂金刚石微粉砂轮的电解调 整原理图如图 % ， 将电源的正极接砂轮的轮毂， 负极接 工具电极砂轮， 表面和工具电极以极小的间隙相隔， 电 解间隙中通入电解液， 砂轮在电解过程中做回转运动。 在电场作用下， 树脂 $ 金属复合结合剂砂轮表层的铜 失去电子， 成为铜离子， 进入到电解液中， 从而在砂轮 表层形成气孔， 而树脂结合剂和金刚石磨粒保持在原 来的位置。