轴承钢专用ELID磨削液的开发

关佳亮，孙晓楠，路文文，戚泽海

（北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院，北京 100124）

轴承钢具有承载能力高，使用温度范围广，抗疲劳，刚度硬度大，耐磨损等优点，同时由于良好的工艺性能而便于实现高质量、高效率的轴承制造［1］。随着制造业快速发展，为了满足汽车、铁路运输和航空航天对精密轴承的需求，传统磨削工艺难以满足高精度轴承加工要求，必须利用先进的工艺技术实现轴承钢的超精密加工。在线电解修整（ELID）磨削技术将砂轮的修锐修整与磨削过程相揉合，实现了对塑性材料的精密磨削加工。磨削液质量是ELID磨削过程中的关键环节，之前研发的磨削液属于通用型ELID磨削液，仅适用于普通材料磨削加工，在精密磨削加工中难以满足被加工件对磨削液的特定要求。由于材料物理和机械加工性能不同，磨削时对磨削液的要求也不同［2-3］，而轴承钢在磨削过程中存在磨削力大，磨削温度高，磨屑易黏附在砂轮表面造成砂轮孔隙堵塞等难加工特性［4］。目前超精密磨削加工中亟待解决的关键难题之一是根据材料的加工特性研制与其磨削加工状态相匹配的磨削液。

在原磨削液HDMY-20的基础上分析其不足，并结合轴承钢的磨削加工特性对其进行改进，选择润滑作用优异的油性及极压添加剂和防锈剂，并调配各成分的比例关系，开发出符合轴承钢ELID镜面磨削加工的专用磨削液。

1 ELID磨削原理

ELID磨削原理示意图如图1所示。其中脉冲电源正极通过电刷与充当阳极的铸铁结合剂砂轮相连，电源负极与充当阴极的工具电极相连，在工具电极与砂轮外圆的轮廓间隙中喷洒磨削液，利用电解过程中的阳极溶解效应，达到电解去除砂轮表层铸铁结合剂的目的，使磨粒保持稳定的出刃高度，实现砂轮的修锐。同时在砂轮表面生成一层均匀致密的氧化膜，控制砂轮的电解程度。磨削过程中，砂轮表面的氧化膜不断被工件拭去，磨粒被磨钝，新一轮电解过程开始对砂轮表面进行电解修锐，整个过程循环进行［5］。

图1 ELID磨削原理示意图Fig.1 Schematic diagram of ELID grinding

2 轴承钢ELID磨削液的研制

2.1 理论及技术方案分析

针对轴承钢在精密磨削加工过程中的难加工特性，磨削液应具有良好的润滑性、冷却性和清洗性，以满足加工过程中的需求，获得较好的表面质量和加工精度［6］。

根据磨削原理可知，磨粒切入工件材料时产生滑擦、耕犁和切削3种作用［7］，所以轴承钢在磨削时分为低压低温磨削状态和极压高温磨削状态。针对这2种不同的磨削状态，在磨削液中添加油性、极压添加剂可在整个磨削过程中与金属表面形成边界润滑膜，有效降低磨削力和磨削温度。油性添加剂为具有极性分子的有机化合物［8］，可在常温常压下与金属表面形成吸附膜，在磨削过程中起到一定的减摩作用。极压添加剂主要指磨削液中可溶的氯、硫、磷等极性高的化合物，可与金属表面起化学反应，生成化学反应膜，例如氯、硫元素与砂轮表面的铁产生的化学反应为

氯化铁和硫化铁薄膜与一般的物理吸附膜相比，具有熔点高、摩擦因数低、润滑性强等优点［9］，所以适用于重载、高温、高速的极压条件。磨削过程中砂轮与工件表面间为边界润滑摩擦与极压润滑摩擦相结合状态，磨粒在切削工件的过程中具有不同的压力和摩擦状态，并且油性、极压添加剂在不同条件下具有良好的减摩作用，两者复合使用可使磨削过程保持良好的润滑状态。

针对轴承钢在磨削过程中磨屑易黏附在砂轮表面并使砂轮孔隙堵塞这一加工特性，磨削液的清洗性要好。影响磨削液清洗性的因素包括磨削液的黏度和表面活性剂的种类及质量分数，磨削液黏度越低，表面张力越小，则清洗性越好［10］。从磨削性能角度出发，磨削液黏度低，其金属磨除体积也小，只有在黏度合适的植物油和矿物油中其磨除体积最大。在配制磨削液时应当控制磨削液的表面张力和黏度，因此本试验选择在水基磨削液中添加油性添加剂的方法，保持磨削液黏度约控制在50 Pa·s。

作为轴承钢专用ELID磨削液，除具备上述基本特性外，还必须具有良好的电解修锐和钝化成膜特性［11］。通过调整磨削液中各组分的比例关系和砂轮配方中的成分配比以及合适的电参数即可控制电解速度，实现超微细粒度砂轮的在线修锐，以对轴承钢进行精密超精密加工。

2.2 磨削液配方

磨削液选用水基磨削液型，主要由无机盐和油性、极压添加剂组成。无机盐磨削液具有导电能力强、冷却性能好、吸附作用强等特点，虽很符合ELID磨削液基本性质，但其润滑性差、摩擦因数大、砂轮损耗严重［12］。采取添加油性、极压添加剂的方法以提高磨削液的润滑性。磨削液配方的开发工作主要是油性、极压添加剂和防锈剂的研制、表面活性剂、其他辅助添加剂的选择，以及最佳配比的配方试验等。

2.2.1 油性、极压添加剂的选择

油性、极压添加剂是为了补偿普通ELID磨削液中过多添加无机盐导致润滑性下降。油性、极压添加剂可在工件表面形成一层具有良好减摩作用的边界润滑膜，保持一定的润滑性，减少磨粒与工件表面的摩擦，降低磨削过程中的磨削力与磨削温度。其中油性添加剂选择磺酸盐和羧酸盐复配，不仅润滑性良好，还兼有防锈功能。极压添加剂选择有机硼酸酯，其是一种新型极压添加剂，由带羧基的物质（如醇）与硼化剂（如硼酸）反应而成，特点是无毒、极压润滑性良好，并兼有防锈性和杀菌功能［13］。这2种添加剂按一定比例添加配制出抗磨剂，其边界润滑膜强度较高，综合性能优异。

2.2.2 无机盐的选择

ELID磨削液与普通磨削液的最大区别在于其具有电解修锐和钝化成膜特性。电解修锐作用的实现应有电解质参与，同时为了控制电解程度，在砂轮表面要具有适时生成厚度适中的非导体薄膜的能力，以抑制过度电解，达到良好修锐效果，所以磨削液中必须具有钝化型成膜缓蚀剂。合成了一种具有电解修锐作用和钝化成膜功能的成膜电解质，其具备利用电解质和成膜添加剂的协同效应使砂轮表面生成的氧化膜均匀致密的特性。

2.2.3 防锈剂的选择

防锈性是ELID磨削液的关键因素之一。由于合成磨削液中水及电解质的质量分数较高，易使机床和加工工件产生锈蚀，所以对合成磨削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［14］。

3 配方的确定

利用正交试验优化出HDMY-30磨削液的配方。浓缩物的配比见表1，其余为水。

表1 磨削液配方Tab.1 Formulation of grinding fluid

按照上述配方根据特定的工艺流程调配成原液，使用时按照1∶30浓度兑水稀释。

4 试验

4.1 磨削液主要技术指标

HDMY-30磨削液主要技术指标见表2。

表2 磨削液主要技术指标Tab.2 Key technical indexes for grinding fluid

4.2 试验条件及方法

采用经ELID系统模块化改造的M2120A型高精度内圆磨床对上述2种磨削液进行试验研究，试验设备见表3。试件材料为GCr15轴承钢，淬火硬度为62 HRC；试验中使用W40，W10，W2.5的铸铁基金刚石砂轮，在磨削深度0.5μm、砂轮线速度30 m/s、电解电压50 V、占空比50%的最优工艺参数下对GCr15轴承钢内圆进行ELID精密磨削。

表3 试验设备Tab.3 Experimental equipment

4.3 试验结果

加工试件的扫描电子显微镜及表面粗糙度检测结果如图2所示。

图2 磨削加工检测结果Fig.2 Testing results of grinding

采用HDMY-30磨削液磨削加工轴承钢，表面粗糙度Ra为0.011μm；采用通用型磨削液磨削加工轴承钢，表面粗糙度Ra为0.016μm。两者相差0.005μm，降低了31.3%，所以前者更适用于轴承钢的精密镜面磨削加工。

5 结论

1）HDMY-30磨削液是由成膜电解质、抗磨剂、综合防锈剂、表面活性剂、冷却剂和一些辅助添加剂配制而成的专用合成磨削液，其具有良好的电解成膜、润滑、清洗、冷却、防锈性能，能满足轴承钢ELID精密镜面磨削加工要求。

2）经检测评定，HDMY-30磨削液的各项理化指标均达到了GB/T 6144—2010的要求。

3）经试验验证，HDMY-30磨削液用于轴承钢ELID磨削加工可完全克服表面烧伤问题，加工出的产品表面粗糙度Ra达到0.011μm，比通用型磨削液降低31.3%。