一种反应烧结SiC陶瓷磨削过程中的金属基砂轮在线电火花修锐方法

摘要

一种反应烧结SiC陶瓷磨削过程中的金属基砂轮在线电火花修锐方法，本发明涉及工程陶瓷精密磨削加工领域，具体涉及反应烧结SiC陶瓷镜面精密成形磨削过程中的金属基砂轮修锐方法。本发明目的是要解决现有在线修锐方法需要专用修锐装置，安装时需要对机床进行改造，且腐蚀性的工作液对机床维护与保养不利的问题。在线电火花修锐方法：以金属基砂轮和反应烧结SiC陶瓷作为火花放电的两个电极，以脉冲电源作为火花放电的电源，以乳化溶液作为电火花放电的介质溶液，通过脉冲电源的脉冲电流在介质溶液中的火花放电作用，实现反应烧结SiC陶瓷磨削过程中的金属基砂轮在线电火花修锐。本发明主要用于反应烧结SiC陶瓷的精密磨削加工。

说明书

技术领域

本发明涉及工程陶瓷精密磨削加工领域，具体涉及反应烧结SiC陶瓷镜面精密成形磨 削过程中的金属基砂轮修锐方法。

背景技术

随着空间光学技术的发展，SiC陶瓷在反射镜上的应用越来越广泛，尤其是反应烧结 SiC陶瓷，其在制作大口径的反射镜上具有其他类型SiC陶瓷无与比拟的优点，如可以实 现近净尺寸成形，易于制作较大口径的反射镜。由于反应烧结SiC陶瓷的硬度高，采用金 属基砂轮磨削是获得高面形精度反射镜的常用方法，但在磨削过程中砂轮磨粒磨损严重， 且磨粒磨损后，砂轮表面金属结合剂很难在磨削过程中去除掉而露出新的磨粒，严重影响 了反应烧结SiC陶瓷反射镜的加工效率。因此，研究金属基砂轮的修锐对于反应烧结SiC 陶瓷反射镜的加工制造具有重要意义。

目前，针对金属基砂轮的修锐问题，存在着磨料研磨法、游离磨料喷射修整法、杯形 砂轮修整法、金刚石笔修锐法、磨削软钢法、砂带软弹性修整法等传统的机械修锐技术， 以及超声波振动修整法、高温高压修整法、激光修整法、电化学修整法、在线电解电火花 修整法(ELID)等新型修锐技术。然而，传统修锐技术存在着修锐效率低，修锐成本高， 修锐次数频繁和操作环境恶劣等明显的缺点，且只能实现在位修整，因此通常需要中断磨 削过程来进行砂轮的修锐，降低了磨削加工效率，尤其是在进行大口径反应烧结SiC陶瓷 反射镜的磨削时，中断磨削来进行砂轮的修锐不仅大大增加了加工周期，而且对反应烧结 SiC陶瓷反射镜的成形精度和表面加工质量不利。而新型的修锐技术虽然可以实现砂轮的 在线修锐，缩短加工周期，但通常需要专用的修锐装置或存在腐蚀性的工作溶液。由于受 到使用要求和机床安装空间的限制，实现砂轮在线修锐目的的专用修锐装置通常需要依据 特定的机床进行重新的设计和研制，甚至由于安装的要求需要对机床进行改造；而腐蚀性 的工作液对机床维护与保养不利，且不符合绿色制造的理念。

发明内容

本发明目的是要解决现有在线修锐方法需要专用修锐装置，安装时需要对机床进行改 造，且腐蚀性的工作液对机床维护与保养不利的问题，而提供一种反应烧结SiC陶瓷磨削 过程中的金属基砂轮在线电火花修锐方法。

一种反应烧结SiC陶瓷磨削过程中的金属基砂轮在线电火花修锐方法，具体是以下步 骤完成的：利用金属基砂轮和反应烧结SiC陶瓷的导电性，以金属基砂轮和反应烧结SiC 陶瓷作为火花放电的两个电极，以脉冲电源作为火花放电的电源，金属基砂轮与脉冲电源 的正极连接，反应烧结SiC陶瓷与脉冲电源的负极连接，以乳化溶液作为电火花放电的介 质溶液，通过脉冲电源的脉冲电流在介质溶液中的火花放电作用，实现反应烧结SiC陶瓷 磨削过程中的金属基砂轮在线电火花修锐。

本发明与现有技术相比，优点如下：

一、无需中断磨削过程，克服了传统修锐方法修锐效率低、中断磨削造成的加工效率 低和成形精度差的缺点，实现反应烧结SiC陶瓷磨削过程中金属基砂轮的在线修锐，提高 反应烧结SiC陶瓷磨削加工效率；

二、不需要专用的修整装置，只需对金属基砂轮和反应烧结SiC陶瓷工件通电即可， 避免了新型修锐技术中针对机床进行的专用修锐装置设计和研制，使得磨削过程中的金属 基砂轮的修锐变得简便易行；

三、在反应烧结SiC陶瓷磨削过程中的电火花放电作用还对反应烧结SiC陶瓷工件材 料有去除作用，提高磨削过程中反应烧结SiC陶瓷的材料去除率。

四、该方法还可用于其它导电或弱导电难加工材料的精密磨削加工中，可获得较高的 加工效率和较好的加工表面。

本发明主要用于反应烧结SiC陶瓷的精密磨削加工。

附图说明

图1是实施例1反应烧结SiC陶瓷磨削过程中的金属基砂轮在线电火花修锐的示意 图；

图2是实施例1反应烧结SiC陶瓷磨削过程中的金属基砂轮在线电火花修锐的原理示 意图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是一种反应烧结SiC陶瓷磨削过程中的金属基砂轮在线 电火花修锐方法，具体是以下步骤完成的：利用金属基砂轮和反应烧结SiC陶瓷的导电性， 以金属基砂轮和反应烧结SiC陶瓷作为火花放电的两个电极，以脉冲电源作为火花放电的 电源，金属基砂轮与脉冲电源的正极连接，反应烧结SiC陶瓷与脉冲电源的负极连接，以 乳化溶液作为电火花放电的介质溶液，通过脉冲电源的脉冲电流在介质溶液中的火花放电 作用，实现反应烧结SiC陶瓷磨削过程中的金属基砂轮在线电火花修锐。

本实施方式所述金属基砂轮的粒度可从微粉级到一般粒度。在反应烧结SiC陶瓷磨削 过程中，为减小放电作用同时对反应烧结SiC陶瓷精密磨削加工表面质量的影响，可依据 放电参数合理选择金属基砂轮和反应烧结SiC陶瓷的脉冲电源正负极接法。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：所述的反应烧结SiC 陶瓷通过电刷由导线与脉冲电源的负极连接，且所述电刷不受反应烧结SiC陶瓷的运动形 式的影响。其他与具体实施方式一相同。

本实施方式的具体安装方法如下：

将金属基砂轮固定在机床主轴上，金属基砂轮通过碳刷由导线或直接与脉冲电源的正 极连接，所述的碳刷安装在金属基砂轮的中心位置处，保证碳刷不受金属基砂轮的运动形 式的影响；反应烧结SiC陶瓷装夹在机床工作台上，且反应烧结SiC陶瓷与机床工作台绝 缘，再在机床工作台上安装一个电刷支撑装置，反应烧结SiC陶瓷通过电刷由导线或直接 与脉冲电源的负极连接，且所述电刷不受反应烧结SiC陶瓷的运动形式的影响，由反应烧 结SiC陶瓷、电刷、金属基砂轮、导线、碳刷和脉冲电源构成放电回路；当碳刷和电刷均 不与脉冲电源直接连接时，所述的放电回路包含导线。

在反应烧结SiC陶瓷磨削过程中反应烧结SiC陶瓷以回转运动形式运动或直线往复运 动形式运动。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：所述的脉冲电源 为高频脉冲直流电源，高频脉冲直流电源的脉冲电压、脉冲电流及放电时间根据在线电火 花修锐的要求进行调节。其他与具体实施方式一或二相同。

在反应烧结SiC陶瓷磨削过程中，高频脉冲直流电源的脉冲电流在金属基砂轮与反应 烧结SiC陶瓷间的火花放电作用，不仅对金属基砂轮的金属结合剂材料有蚀除作用，从而 实现对金属基砂轮的修锐，还对反应烧结SiC陶瓷的表面材料也有去除作用，同时放电过 程中产生的高温高压作用也改变了工件表面材料的理化性质，使其更易于被金属基砂轮表 面磨粒的磨削作用去除，从而提高了反应烧结SiC陶瓷精密磨削的加工效率。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：所述的乳化溶液 为绝缘乳化液，且在反应烧结SiC陶瓷磨削过程中绝缘乳化液以冲液的方式注入金属基砂 轮与反应烧结SiC陶瓷之间的放电间隙。其他与具体实施方式一至三相同。

本实施方式具体运行过程如下：

在反应烧结SiC陶瓷磨削过程中，打开高频脉冲直流电源，高频脉冲直流电源的脉冲 电压、脉冲电流及放电时间均可根据在线电火花修锐的要求进行调节；向金属基砂轮与反 应烧结SiC陶瓷之间的放电间隙以冲液的方式注入绝缘乳化液，形成电火花放电的液体介 质环境，再利用金属基砂轮表面凸出的磨粒使金属基砂轮与反应烧结SiC陶瓷之间所形成 的放电间隙进行放电，将金属基砂轮的金属结合剂去除，使金属基砂轮中的磨粒微出刃， 达到金属基砂轮磨削过程中的修锐的目的。

本实施方式中绝缘乳化液以冲液的方式注入金属基砂轮与反应烧结SiC陶瓷之间的 放电间隙不仅可以满足电火花放电对放电介质的要求，而且可以满足磨削过程对降温和排 屑的要求，还可以有效压缩电火花放电过程中的放电通道，增大火花放电的材料去除率， 提高金属基砂轮的修锐效率。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四的不同点是：所述的金属基砂轮与反 应烧结SiC陶瓷之间的放电间隙为金属基砂轮的金属结合剂表面与反应烧结SiC陶瓷待加 工表面之间的间隙。其他与具体实施方式四相同。

本实施方式所述的金属基砂轮的金属结合剂表面与反应烧结SiC陶瓷待加工表面之 间的间隙取决于金属基砂轮表面磨粒的凸出高度和切削深度。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四的不同点是：所述的金属基砂轮与反 应烧结SiC陶瓷之间的放电间隙在5μm～50μm之间。其他与具体实施方式四相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：所述的反应烧结 SiC陶瓷磨削过程中的金属基砂轮在线电火花修锐相关参数如下：脉冲电压为60～120V， 脉冲电流在0～50A范围内调节，脉冲放电宽度为1μs～99μs，脉冲放电间隔为0μs～99μs。 其他与具体实施方式一至六相同。

在采用本实施方式进行金属基砂轮修锐的过程中，如果选择合适结构参数的砂轮、放 电参数以及加工参数，不仅能保证反应烧结SiC陶瓷精密磨削过程中的金属基砂轮始终具 有良好的锋锐度，还能提高反应烧结SiC陶瓷的去除效率。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同 样也可以实现发明的目的。

采用下述试验验证本发明效果

实施例1：结合图1和图2，一种反应烧结SiC陶瓷磨削过程中的金属基砂轮在线电 火花修锐方法，具体是以下步骤完成的：

利用金属基砂轮和反应烧结SiC陶瓷的导电性，以金属基砂轮和反应烧结SiC陶瓷作 为火花放电的两个电极，以脉冲电源作为火花放电的电源，金属基砂轮与脉冲电源的正极 连接，反应烧结SiC陶瓷与脉冲电源的负极连接，以乳化溶液作为电火花放电的介质溶液， 通过脉冲电源的脉冲电流在介质溶液中的火花放电作用，实现反应烧结SiC陶瓷磨削过程 中的金属基砂轮在线电火花修锐；脉冲电源相关参数如下：脉冲电压为90V，脉冲电流选 用三通道电流，脉冲电流变化范围为0.8A～1.2A，脉冲频率10KHz，脉冲放电宽度为50μs， 脉冲放电间隔为50μs。磨削相关参数如下：金属基砂轮转速为2880r/min，进给速度 100mm/s，进给深度2μm，砂轮轴向移动间隔3mm。

本实施例所述金属基砂轮为直径为200mm、厚度为12mm的金刚石砂轮，其粒度号 为120^#，浓度为100％，金属结合剂为铸铁。

本实施例的具体安装方法如下：

采用FS420LC精密卧轴平面磨床，将金属基砂轮固定在机床主轴上，金属基砂轮通 过石墨碳刷由导线或直接与脉冲电源的正极连接，所述的石墨碳刷安装在金属基砂轮的中 心位置处，降低石墨碳刷的损耗；反应烧结SiC陶瓷装夹在机床工作台上，且反应烧结 SiC陶瓷与机床工作台绝缘，再在机床工作台上安装一个电刷支撑装置，反应烧结SiC陶 瓷通过铜片电刷由导线或直接与脉冲电源的负极连接，且所述铜片电刷不受反应烧结SiC 陶瓷的运动形式的影响，所述反应烧结SiC陶瓷的运动形式为直线往复运动；由反应烧结 SiC陶瓷、铜片电刷、金属基砂轮、石墨碳刷、导线和脉冲电源构成放电回路。

本实施例所述的乳化溶液为绝缘乳化液，且在反应烧结SiC陶瓷磨削过程中绝缘乳化 液以冲液的方式注入金属基砂轮与反应烧结SiC陶瓷之间的放电间隙；所述的金属基砂轮 与反应烧结SiC陶瓷之间的放电间隙为金属基砂轮的金属结合剂表面与反应烧结SiC陶瓷 待加工表面之间的间隙；所述的金属基砂轮与反应烧结SiC陶瓷之间的放电间隙在 10μm～30μm之间。

图1是实施例1反应烧结SiC陶瓷磨削过程中的金属基砂轮在线电火花修锐的示意 图；图中1为机床主轴，2为金属基砂轮，3为碳刷支撑架，4为石墨碳刷，5为高频脉冲 直流电源，6为机床工作台，7为绝缘板，8为反应烧结SiC陶瓷，9为电刷支撑架，10 为铜片电刷，图中金属基砂轮2上的箭头表示金属基砂轮2的转动方向；图2是实施例1 反应烧结SiC陶瓷磨削过程中的金属基砂轮在线电火花修锐的原理示意图，图中2为金属 基砂轮，4为石墨碳刷，5为高频脉冲直流电源，8为反应烧结SiC陶瓷，10为铜片电 刷，11为磨粒，12为放电通道，13为乳化溶液喷嘴，图中金属基砂轮2上的箭头表示金 属基砂轮2的转动方向，图中反应烧结SiC陶瓷8上的箭头表示反应烧结SiC陶瓷8的运 动方向；通过图1和图2可知，金属基砂轮2固定在机床主轴1上，碳刷支撑架3固定在 主轴外壳上，石墨碳刷4安装在支撑架3上并与砂轮2中心的金属基体接触，由此用导线 经石墨碳刷4将金属基砂轮接入高频脉冲直流电源5的正极；反应烧结SiC陶瓷8装夹在 机床工作台6上，并由绝缘板7使反应烧结SiC陶瓷8与机床工作台6间绝缘；电刷支撑 架9固定在机床工作台6上，其支撑的铜片电刷10与反应烧结SiC陶瓷8保持良好的接 触，再经由导线将反应烧结SiC陶瓷8与高频脉冲直流电源5的负极相连，从而构成磨削 过程中金属基砂轮修锐的放电回路；在进行反应烧结SiC陶瓷磨削时，打开高频脉冲电源 5，使金属基砂轮2和反应烧结SiC陶瓷8间加载上放电电压(即脉冲电压)。在金属基砂 轮2表面凸出磨粒11切削应烧结SiC陶瓷8时，金属基砂轮2的金属结合剂表面与反应 烧结SiC陶瓷待8加工表面之间的存在着间隙，从而形成放电所需的放电间隙。在喷嘴 13提供的绝缘乳化液环境中，金属基砂轮2与反应烧结SiC陶瓷待8间的脉冲电压使绝 缘乳化液被击穿，形成放电通道12，产生火花放电。金属基砂轮2的金属结合剂在火花 放电的瞬时高温作用下产生熔融、汽化以及蒸发等去除，从而使金属基砂轮2内的磨粒微 出刃，达到磨削过程中金属基砂轮2修锐的目的，使得反应烧结SiC陶瓷磨削过程中的金 属基砂轮2始终保持较好的锋锐度，从而提高了反应烧结SiC陶瓷精密磨削的加工效率。

本实施例很好保证磨削过程中金属基砂轮始终保持锋锐，达到了磨削过程中金属基砂 轮在线修锐的目的；同时还可提高反应烧结SiC陶瓷的加工效率，与现有技术相比，本实 施例反应烧结SiC陶瓷的加工效率提高了接近10％。