轴承套圈内圆在线电解修整磨削试验

杨黎健 任成祖 靳新民

天津大学天津市先进制造技术与装备重点实验室，天津，300072

0 引言

在轴承工业中，轴承内外圈滚道和滚子的工作表面经常需要经过研磨和抛光工艺来获得较小的表面粗糙度和波纹度，以减小轴承工作时的噪声和振动，然而这些方法将增加设备的投资且延长加工的时间，因此高效率的精加工是非常重要的。在线电解修整（electrolytic in－process dressing，ELID）磨削技术具有效率高、加工精度高及适应加工材料广等特点，被广泛应用于各种金属和非金属硬脆材料的加工，具有广阔的应用前景。然而，相对轴承外圆的磨削来说，内圆ELID磨削较为困难，其主要原因是受磨削空间的限制，砂轮电解修锐存在着一定问题，目前仅可以采用ELID断续修锐方式。笔者通过改进砂轮的修锐方式，将导电的金属工件直接作为电解阴极，实现了ELID内圆磨削过程中铸铁基CBN砂轮的连续修锐，保证了磨削过程的稳定。

1 ELID磨削的原理

图1是ELID磨削原理示意图。金属结合剂超硬磨料砂轮与电源正极相接做阳极，工具电极做阴极，在砂轮和电极间有电解磨削液。针对金属结合剂金刚石砂轮或CBN砂轮难于修整的特点，ELID磨削利用电解的方法连续修整砂轮来获得恒定的出刃高度和良好的容屑空间。同时，随着电解过程的进行，砂轮表面逐渐形成一层氧化膜，从而阻止电解过程继续进行，使砂轮损耗不致太快。当砂轮表面的磨粒磨损后，氧化膜被工件表面的磨屑刮擦去除，电解过程得以继续进行。上述过程循环进行，既避免了砂轮过快消耗，又能自行保持砂轮表面的磨削能力[1－3]。

图1 ELID磨削原理

2 ELID内圆磨削方式

文献[4-5]介绍了一种ELID内圆磨削的方法，如图2所示。该方法采用了ELID的断续修锐方式，即在磨削的过程中要不时地移出工件，以对砂轮进行电解修锐，这不但效率很低，而且需要一套复杂的电解修整装置。笔者在此基础上，尝试利用可导电的金属工件作为电解修整阴极，实现了修锐和磨削的同时进行，如图3所示。由于电解作用，在ELID磨削过程中铸铁基砂轮表面会生成一层不导电的氧化膜，在控制好磨削参数和电解参数的基础上，氧化膜可以阻止磨削过程中电火花的产生，也就防止了工件表面的烧伤。

图2 ELID内圆磨削方式Ⅰ

图3 ELID内圆磨削方式Ⅱ

3 ELID内圆磨削试验

3.1 试验设备和条件

试验设备和条件如表1所示。

表1 试验设备及条件

3.2 磨削过程

一般来说，ELID内圆磨削包括以下几个步骤：①整形，本文采用的是铸铁基CBN砂轮，很难用传统的修整方式对砂轮进行修整，因此这里采用电火花整形的方法对砂轮进行整形；②预修锐，目的是使砂轮表面生成一层不导电的氧化膜，一般预修锐的时间约为30min；③ELID磨削，在磨削过程中，砂轮和电解阴极（工件）直接接触，为了避免短路和电火花的产生，不宜使用太大的电解参数，在本试验中，脉冲电源的开路电压为60V，占空比为5μs∶5μs。

3.2.1 砂轮的电火花整形

对于铸铁基CBN砂轮，由于砂轮结合剂和磨粒的硬度较高，很难用传统的整形方法对砂轮进行整形。电火花整形利用砂轮与工具电极之间产生脉冲火花放电的热量来蚀除砂轮，整形过程不受被加工材料硬度的影响，没有机械力的作用，广泛用于金属结合剂砂轮以及导电性树脂结合剂砂轮的整形[6]。因此，笔者利用该方法对铸铁基CBN砂轮进行整形，整形装置如图4所示。图4中，圆盘形的紫铜工具电极接电源负极并通过电木与机床头架绝缘，铸铁基CBN砂轮接电源正极，同样采取绝缘措施与砂轮架绝缘。整形过程中将去离子水作为放电介质。

图4 电火花整形装置

以W40铸铁基CBN砂轮为例，在开始整形前，砂轮的圆度为56.3μm，此时应采用较大的整形参数（电压120V、占空比80μs∶20μs）。整形过程中通过监测砂轮的圆度来逐步减小整形参数。最终使用的整形参数为电压60V、占空比20μs：20μs，砂轮整形后的圆度为5.78μm，可以满足磨削需求，如图5所示。从图5可以看出，在整形初期由于砂轮圆度较大，材料去除量也较少，因此圆度下降很快。而到了整形后期，由于圆度较小，材料的去除量增多，因此圆度下降减缓。

图5 电火花整形过程中砂轮圆度变化

3.2.2 砂轮的预修锐

在开始磨削前，砂轮的基体是导电的，如果直接进行磨削就会造成短路，烧伤砂轮和工件，因此在磨削开始前要进行预修锐。调整砂轮与工件间的间隙，间隙一般约为0.2mm，电解预修锐30min，使砂轮通过对金属基体结合剂的电解去除获得适当的磨粒突出量和合理的容屑空间，同时在砂轮表面生成一层不导电的氧化膜。

3.2.3 内圆磨削

在预修锐后开始ELID磨削，工件采用的是使用普通内圆磨削后的轴承套圈（表面粗糙度Ra为0.56μm）。由于直接采用导电的金属工件作为电解阴极，为了避免短路和电火花的产生，故不宜采用太大的磨削参数和电解参数。图6为利用表1所示的磨削设备和条件下ELID磨削过程中采集的电流和电压的变化曲线图。随着磨削的进行，砂轮表面的氧化膜和磨粒被不断地刮除，使电流升高、电压降低。但由于电解作用，新的氧化膜又不断地生成，使磨削去除和电解生成最终达到一个相对稳定的状态。图6中电流和电压小范围内上下波动的原因是，工作台的往复运动使砂轮与工件之间的磨削宽度发生变化。最后电流稳定在1.0～1.5A之间，电压稳定在27～32V之间。由此可见，直接采用导电的金属工件作为电解阴极的方案是可行的，可以达到和维持稳定的磨削过程。

图6 ELID磨削过程中电压电流变化曲线

4 磨削结果及分析

采用上述ELID内圆磨削装置，分别用W40和W10铸铁基CBN砂轮对轴承套圈内圆进行磨削，磨削后测量材料的去除率并用泰勒轮廓仪测量其表面粗糙度，结果如表2所示。图7为ELID磨削后的工件照片。由表2可以看出，随着砂轮粒度的减小，工件材料的去除率降低，而其表面质量获得了提高。采用ELID磨削技术，砂轮始终保持良好的出刃高度和容屑空间，使断屑较容易，与普通内圆磨削方式相比能够得到较好的表面质量。

表2 工件的粗糙度及去除率

图7 ELID磨削后的工件照片

5 结束语

本文采用导电工件作为电解阴极的ELID内圆磨削方式，在对铸铁基CBN砂轮进行电火花整形后，对轴承套圈内圆表面进行ELID磨削试验。在使用W10砂轮时其表面粗糙度Ra可以达到30nm左右。这种磨削方法与带有专门修整电极ELID内圆磨削方式相比，不但省去了复杂的电解阴极装置，而且加工后工件表面粗糙度低，可以取代传统研磨、抛光工艺，一次加工成形，具有广阔的应用前景。

[1]周曙光，关佳亮，郭东明，等.ELID镜面磨削技术综述[J].制造技术与机床，2001（2）：38-40.

[2]Ohmori H，Takahashi I，Bandyopadhyay B P.Ultraprecision Grinding of Structural Ceramics by Electrolytic In－process Dressing（ELID）Grinding[J].Journal of Materials Processing Technology，1996，57（3／4）：272－277.

[3]Lim H S，Fathima K，Senthil K A，et al.A Fundamental Study on the Mechanism of Electrolytic Inprocess Dressing（ELID）Grinding[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2002，42（8）：935－936.

[4]关佳亮，袁哲俊，张飞虎.ELID精密镜面内孔磨削技术的应用[J].制造技术与机床，1998（1）：25－26.

[5]Qian J，Li W，Ohmori H.Precision Internal Grinding with a Metal－bonded Diamond Grinding Wheel[J].Journal of Materials Processing Technology，2000，105（1／2）：80－86.

[6]高大晓，任成祖，王志强，等.铸铁基金刚石微粉砂轮的电火花整形试验[J].天津大学学报，2007，40（5）：584－588.