摘要 在工件表面用噴涂方法形成陶瓷涂層，可以顯著改善其性能。但是由于陶瓷噴涂層的硬脆特性，難以進(jìn)行精密加工。本文引入金屬基超硬磨料砂輪在線電解修整(ELID)技術(shù)，對(duì)陶瓷噴潦層進(jìn)行精密鏡面磨削的實(shí)
　　驗(yàn)研究。結(jié)果表明，該技術(shù)加工精度高、表面質(zhì)量好，極具應(yīng)用前景。
　　主題詞 噴涂層 精密鏡面磨削 金屬基超硬磨料砂輪 在線電解修整(ELID)
　　0 引言
　　現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展對(duì)材料性能提出了越來(lái)越高的要求，特別是對(duì)零件表面往往有特殊的要求，如耐磨損、耐高溫、耐腐蝕等。對(duì)性能要求很高的零部件來(lái)說(shuō)，如果整體鑄造或鍛造比較昂貴的金屬材料，不僅工藝復(fù)雜，而且造價(jià)很高。而采用噴涂方法．通過(guò)在普通材料表面上噴涂強(qiáng)化層、保護(hù)層或裝飾層等各種功能涂層，使其實(shí)現(xiàn)耐磨、防腐、抗高溫、耐氧化、隔熱絕緣、導(dǎo)電和防微波輻射等功能特性，可以在滿足性能要求的同時(shí)延長(zhǎng)零件壽命、節(jié)約材料和能源、大大降低成本。因此噴涂技術(shù)作為一種綜合性很強(qiáng)的工藝，廣泛應(yīng)用于汽車、造船、水泵、石油、礦山、農(nóng)機(jī)、飛機(jī)及宇航等工業(yè)部門。
　　隨著噴涂技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，可用于噴涂的材料越來(lái)越多，除了金屬和臺(tái)金外，還有陶瓷、塑料、非金屬礦物以及復(fù)臺(tái)材料等。其中陶瓷噴涂層以其良好的耐磨、耐腐蝕和耐高溫氧化等性能而得到越來(lái)越多的應(yīng)用。但是由于其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使得對(duì)其進(jìn)行精密加工比較困難。
　　 金屬基超硬磨料砂輪在線電解修整(ELID)超精密鏡面磨削技術(shù)是日本理化學(xué)研究所大森整博士八十年代末期開(kāi)發(fā)的超精密加工新技術(shù)，是對(duì)超精密磨削加工技術(shù)的重大改進(jìn)。該方法可用于加工各種金屬和非金屬硬脆材料，適用性廣泛，而且由于可以采用微細(xì)粒度砂輪，加工后的表面粗糙度Ra值可達(dá)納米級(jí)。應(yīng)用ELID鏡面磨削技術(shù)對(duì)陶瓷噴涂層進(jìn)行精密加工，將為高硬度涂層的精密加工開(kāi)辟一種新的途徑。
　　1 陶瓷噴涂層加工特點(diǎn)
　　噴涂是采用噴槍將特殊的低熔點(diǎn)臺(tái)金粉末高溫高速噴灑到經(jīng)過(guò)清理的工件表面，依靠合金粉末的物理化學(xué)反應(yīng)，與基體金屬產(chǎn)生原子擴(kuò)散結(jié)合，從而獲得牢固的噴焊層。合金粉末噴灑后不需進(jìn)行重新熔化，整個(gè)噴涂過(guò)程保持低溫，零件溫度低于250℃。所以，涂層與基體表面以機(jī)械結(jié)合為主，冶金結(jié)合比較微弱。特別是對(duì)于陶瓷噴涂層，由于硬度高、脆性大而韌性差，兼具了高強(qiáng)度鋼、高溫合金與淬硬鋼的性能，故而表現(xiàn)出加工溫度高、刀具耐用度低、涂層易剝落等特點(diǎn)，給精密加工帶來(lái)了極大困難。為滿足工業(yè)發(fā)展口益增長(zhǎng)的加工要求，探索陶瓷噴涂層精密加工的新途徑已成為一項(xiàng)重要課題。
　　2 ELID磨削的基本原理
　　目前．陶瓷噴涂層的精密磨削，采用金屬結(jié)合劑超硬磨料(金剛石、CBN)砂輪是比較理想的。這是因?yàn)槌材チ系挠捕雀?、耐磨性好，而金屬結(jié)合劑(青銅、鑄鐵等)的結(jié)合強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性能好，與磨料的結(jié)合牢固．能夠充分發(fā)揮超硬磨料的切削性能，特別適合硬脆材料的高效精密磨削。但這些砂輪的致命弱點(diǎn)是修整困難，用傳統(tǒng)的機(jī)械修整方法效率很低，而且很難使砂輪表面處于理想磨削狀態(tài)。
　　ELID磨削技術(shù)的出現(xiàn)解決r上述難題，它的基本原理是利用金屬基砂輪導(dǎo)電和可電解的特性，用在線電解的方法對(duì)砂輪表面的結(jié)合劑進(jìn)行去除，而磨粒本身不會(huì)被電解破壞，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)砂輪表面的修整，如圖1所示。砂輪通過(guò)電刷接電源的正極，根據(jù)砂輪的形狀制造一個(gè)導(dǎo)電性能好的電極接電源的負(fù)極，電極與砂輪表面之間有一定的間隙。從噴嘴中噴出的具有電解作用的磨削液進(jìn)入電極和砂輪表面之間的間隙，在修整電源作用下，砂輪鑄鐵結(jié)合劑作為陽(yáng)極被電解，使砂輪中的磨粒露出表而，形成一定的出刃高度和容屑空間。隨著電解過(guò)程的進(jìn)行，在砂輪表面逐漸形成一層鈍化膜，抑制電解過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，使砂輪損耗不致太快。當(dāng)砂輪表面的磨粒磨損后，鈍化膜被工件材料刮擦去除，電解過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，對(duì)砂輪表面重新進(jìn)行修整，上述過(guò)程重復(fù)進(jìn)行。上述過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，既避免了砂輪過(guò)快消耗，又能自動(dòng)保持砂輪表面的磨削能力，通過(guò)調(diào)整電解參數(shù)(電壓和電流)和磨削參數(shù)．可以對(duì)電解修整進(jìn)程進(jìn)行在線調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的接近理想狀態(tài)的磨削過(guò)程。
　　
　　3 ELID磨削的實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　為了進(jìn)行陶瓷噴涂層的精密磨削加工的實(shí)驗(yàn)研究，采用自行開(kāi)發(fā)的外圓ELID鏡面磨削實(shí)驗(yàn)裝置，其示意圖如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中使用的修整電源是自行研制的ELID磨削專用高頻脈沖電源，電源輸出電壓為0～1．40V，電流O～10A，脈沖頻率0～500kHz．磨削液使用自行研制的專用磨削液。由于ELID磨削的磨削液兼作電解液，因此，使用堿性水溶型磨削液，除添加防銹劑，鈍化劑、極壓添加劑，合成潤(rùn)滑劑外，尚需一定數(shù)量的無(wú)機(jī)鹽，以使磨削液具有電解能力，其它實(shí)驗(yàn)條件如下：
　　砂輪：鑄鐵結(jié)合劑金剛石砂輪，直徑240mm，寬度
　　10mm，磨料層厚度5mm，粒度W5。
　　主軸轉(zhuǎn)速：1500轉(zhuǎn)／分。
　　工件材料：Al2O3陶瓷噴涂層試件，工件直徑
　　45mm。
　　工件轉(zhuǎn)速：30～100轉(zhuǎn)／分。
　　
　　應(yīng)用ELID外圓磨削裝置對(duì)Al2O3陶瓷噴涂層進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)砂輪進(jìn)行電火花精密整形，消除砂輪的圓度和圓柱度誤差，使微細(xì)磨料盡可能等高地分布在砂輪表面上。然后進(jìn)行電解預(yù)修銳，在砂輪表面形成充分的氧化膜，時(shí)間大約30分鐘。接著進(jìn)行在線電解動(dòng)態(tài)磨削階段。磨削完畢后，切斷電源依靠砂輪表面的氧化膜對(duì)工件光磨30分鐘。
　　采用日本Kosaka Laboratory Ltd．公司制造的SE-3H型輪廓儀進(jìn)行表面粗糙度檢測(cè)，其中微觀尺寸放大倍數(shù)V=20000，走紙方向放大倍數(shù)H=20，采樣長(zhǎng)度R。=O.25mm，測(cè)量長(zhǎng)度L=2．5mm。磨后工件達(dá)到RaO027μm。磨削效果及測(cè)量曲線如圖3所示。
　　
　　分析圖3的測(cè)量曲線，可以看出檢測(cè)曲線抖動(dòng)劇烈，在某些地方出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象。這主要是由于噴涂層材料在結(jié)構(gòu)和性能上與普通致密材料有較大的差別。從原理上講，噴涂是利用熱源加熱噴涂材料，將熔化或接近熔化狀態(tài)的粒子霧化，噴射并沉積在基材表面上，從而形成特殊表面層。因此涂層的組織是由熔融粒子強(qiáng)烈變形和高速結(jié)晶堆砌所形成的層狀結(jié)構(gòu)，在噴涂粒子間的表面接觸區(qū)內(nèi)會(huì)出現(xiàn)疏松和微孔，因此涂層的密度和強(qiáng)度低于致密材料。對(duì)陶瓷涂層來(lái)說(shuō)，涂層顆粒與基體表面的結(jié)合形成主要為機(jī)械結(jié)合，因此涂層比較脆弱，在外力沖擊和應(yīng)力作用下容易發(fā)生脆性斷裂和脫落。因
　　此在磨削過(guò)程中易出現(xiàn)局部剝落和微崩現(xiàn)象，磨削表面質(zhì)量也不均勻．所以檢測(cè)曲線上表現(xiàn)出抖動(dòng)劇烈．甚至不連續(xù)情況。因此要提高涂層表面磨削質(zhì)量，必須從兩方面著手，一是提高涂層結(jié)合強(qiáng)度和致密性，盡量減少疏松和微孔；另一方面是優(yōu)化磨削參數(shù)，改善磨削條件，采用更高精度的磨床、更綱粒度的砂輪等。
　　4 結(jié)論
　　通過(guò)對(duì)Al2O3陶瓷噴涂層ELID磨削實(shí)驗(yàn)的研究
　　及分析，得出以下結(jié)論：
　　(1)用金屬基金剛石砂輪和在線電解修整(ELID)精密磨削技術(shù)對(duì)硬脆材料進(jìn)行精密磨削加工可以得到很好的效果，磨削表面粗糙度很低，是陶瓷噴涂層精密加工的一種新途徑，具有很好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。
　　(2)由于噴涂層材質(zhì)不均勻、不致密，表面各點(diǎn)磨削質(zhì)量是不均勻的，因此要得到更高的磨削表面質(zhì)量，既需要提高涂層結(jié)合強(qiáng)度和致密性，又要改善磨削條件。