李雪飛 張 闐

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金屬結(jié)合劑金剛石砂輪ELID磨削GSO材料

李雪飛1張 闐2

(1.河南科技大學 河南洛陽 471003；2.洛陽軸承研究所有限公司 河南洛陽 471039)

GSO是含鈰的硅酸釓(Gd2sio5)單晶體物質(zhì)，已廣泛應(yīng)用于如X射線檢查儀等醫(yī)療診斷儀器中。但由于其較差的機加工性及難以高效率、高精度的批量加工，限制了硅酸釓材料的應(yīng)用范圍。根據(jù)目前脆性材料的技術(shù)在線電解修整(ELID)磨削已日臻成熟，并且可高效率的獲得良好的工件表面質(zhì)量，介紹了采用＃4000和＃8000砂輪對GSO工件進行ELID鏡面磨削的試驗，為研究ELID磨削材料的磨削性能提供參考。

ELID磨削 GSO 鏡面磨削

由于GSO材料的原子核能夠發(fā)出高精度探測波如射線，作為檢波器已廣泛應(yīng)用在醫(yī)療診斷上，并逐漸應(yīng)用在地下偵測等領(lǐng)域。但必須加工成所需的形狀并磨削到一定的表面粗糙度才能連接到光電倍增管上使用。這種物質(zhì)的各向異性使得高效、高精度的加工十分困難。為了解決這個問題，研究人員曾采用某種化學反應(yīng)的方法實現(xiàn)對GSO材料進行高精度的磨削，但這種方法涉及諸如工作環(huán)境，加工效率，廢液處理等諸多問題，難以實際使用。因此急需探索一種高效率、高精度的加工GSO材料的更有效的磨削方法。通過采用金屬結(jié)合劑金剛石砂輪在線電解修整(ELID)磨削GSO材料，采用不同粒度金剛石砂輪ELID鏡面磨削GSO工件及GSO薄板的進行了試驗研究，并對磨削效果進行了分析。

1 ELID磨削原理

ELID磨削裝置如圖1所示。可導電的金屬結(jié)合劑砂輪與電源的正極相連，電源的負極與一固定的銅電極相連，和砂輪之間留有0.1～0.3 mm的間隙。磨削過程中，通過對磨削液電解后在磨削液和固定電極之間產(chǎn)生一定的電流來修整砂輪。

圖1 ELID磨削裝置

1.1 試驗系統(tǒng)的構(gòu)成

1)磨床。高精度磨床，工件主軸及砂輪主軸均采用高精度空氣軸承，最小進給分辨率0.1 μm。

2)砂輪。直徑為155 mm，厚度為3 mm，粒度分別是#400、#1200、#4000、#8000的四種金屬結(jié)合劑的金剛石杯式砂輪。

3)電源裝置。頻直流脈沖發(fā)生器作為ELID修整電源。

4)磨削液。試驗采用的電解冷卻液經(jīng)1:50稀釋，冷卻液流量為20～30 L/min。

5)工件。工件是一塊20 mm×20 mm×5 mm的長方形GSO板。

6)測量裝置。磨削工件采用掃描電子顯微鏡，粗糙度儀、激光干涉儀、視頻顯微鏡測量。

1.2 試驗步驟

新砂輪先經(jīng)高強度脈沖ELID修形，砂輪修形后就可用來磨削GSO工件。通過磨削試驗獲得加工表面質(zhì)量(表面粗糙度、表面特性、金屬去除率)和磨粒尺寸的關(guān)系。然后嘗試對薄型GSO工件表面進行鏡面磨削，試驗砂輪的轉(zhuǎn)速2 000 r/min，工件的轉(zhuǎn)速300 r/min，修整速度1 μm/min，初始修磨電源參數(shù)如圖2所示。

圖2 初始修磨電源參數(shù)

1.3 電解修整砂輪的特性

砂輪在磨削一段時間后變鈍，需要修整以保證砂輪的磨削性能。開始時，電流隨時間非線性的減小，電壓增加。經(jīng)過20 min之后，電流和電壓趨于穩(wěn)定。金屬粘結(jié)劑砂輪由于電解作用產(chǎn)生了氧化反應(yīng)，在砂輪表面逐漸形成一層不導電的氧化物質(zhì)，導致電流減弱，減小了砂輪表面的導電性能。經(jīng)過對砂輪進行修整之后，砂輪的顏色從銀白色逐漸變成深紫色，從而進一步證實了砂輪表面有氧化現(xiàn)象。

1.4 磨削特點磨削特點

1.4.1 磨粒尺寸和表面粗糙度的關(guān)系

隨著磨粒尺寸的減小，工件表面粗糙度得到了改善。用#8000的砂輪能得到a1.2 nm 和y9.0 nm的表面粗糙度。磨粒尺寸從#1200降到#2000時，金屬去除率減小。圖3所示顯示了用#8000的砂輪進行磨削時的電壓和電流。可見在磨削過程中，電壓和電流沒有明顯的變化，說明整個磨削過程都很穩(wěn)定。磨粒的磨削效果如圖4所示。

圖3 磨削電壓、電流

圖4 各種尺寸磨粒的磨削效果

1.4.2 磨粒尺寸、磨削表面特性、金屬去除率之間的關(guān)系

用不同磨粒砂輪磨削GSO工件表面會得到不同的表面粗糙度。用#400砂輪磨削的工件表面有裂紋，說明這種加工方法屬于脆性磨削模式；用#1200砂輪磨削的表面非常粗糙(表現(xiàn)了有一定的脆性和柔性)；用#2000的砂輪磨削的表面比用#1200的砂輪磨削的工件表面相對非常光滑，有很輕微的脆性損壞，說明其已由脆性加工轉(zhuǎn)化為柔性加工。而用#4000和#8000加工的工件表面沒有一點脆裂，非常光滑。說明使用#4000以上更細磨粒的金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，采用ELID技術(shù)可以實現(xiàn)GSO材料的柔性磨削。

1.5 ELID磨削的穩(wěn)定性

通過對掃描電子顯微鏡得到的工件表面不同的表面粗糙度的顯微圖分析可知，用比#4000更細的砂輪磨削GSO工件可得到較好的表面質(zhì)量。為了證明對GSO材料進行鏡面磨削是否可行，因此研究了這種磨削方法的穩(wěn)定性(磨削效率和磨削結(jié)果的關(guān)系)。圖5所示表示了磨削效率和工件表面粗糙度及平面度的關(guān)系。用標準尺寸的砂輪可實現(xiàn)柔性磨削，磨削10次后工件表面粗糙度和形狀的精度沒有明顯的變化，這說明已達到了磨削的穩(wěn)定性，證實了GSO材料具有穩(wěn)定的ELID磨削性能，在磨削的整個過程中沒有出現(xiàn)異常的電解電流和產(chǎn)生異常的磨具軸向抗力。

圖5 磨削效率和表面粗糙度及平面的關(guān)系

1.6 磨削GSO薄片試驗

使用#8000的砂輪采用ELID技術(shù)可對GSO工件進行鏡面磨削。磨削100 μm厚的 GSO薄片時采用#400和#1200的砂輪對GSO工件進行粗磨和精磨，再用#8000砂輪進行細磨。試驗結(jié)果證明，用這種方法完全可對GSO薄片進行鏡面磨削，無破碎及裂紋，并能使工件表面獲得粗糙度為y10.5 nm的表面質(zhì)量。然而這種薄片工件很容易在很小的壓力下沿片層方向斷裂，所以在加工這類零件時一定要考慮片層的方向。

2 結(jié)語

研究了用不同粒度的金屬結(jié)合劑金剛石砂輪采用ELID技術(shù)磨削GSO工件表面的加工精度和加工效率。試驗結(jié)果表明:(1)磨削表面的質(zhì)量隨所使用的砂輪磨粒尺寸的減小而改善。使用#8000的砂輪磨削可獲得y9.0 nm的高精度僅有100 μm表面粗糙度。(2)通過對磨削表面的顯微圖分析可知使用#4000以上或粒度更細的砂輪基本可實現(xiàn)柔性磨削，而且磨削過程穩(wěn)定。(3)可實現(xiàn)厚度的薄型工件鏡面磨削，并得到穩(wěn)定、良好的磨削表面。對于ELID磨削表面質(zhì)量與GSO材料特性的關(guān)系還需要進行進一步的研究。

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