阅读说明：本技术 一种大粒度多层钎焊金刚石砂轮电解氧化膜的成膜性能调控方法 (Film forming property regulation and control method for large-particle-size multilayer brazed diamond grinding wheel electrolytic oxide film ) 是由 伍俏平 阳慧 欧阳志勇 宋琨 段良辉 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种大粒度多层钎焊金刚石砂轮电解氧化膜的成膜性能调控方法。本发明通过采用电解液喷射装置精准控制在砂轮磨粒锋利阶段喷射含碳纳米管电解液和含碳微球电解液,表面能生成一层粘附力大、且具有自润滑功能的复合氧化膜；而在砂轮磨粒磨损阶段只喷射电解能力更强的含碳纳米管电解液,并提高电解电压、电解时间等电解参数,使氧化膜厚度快速增大,磨损磨粒及时脱落,有效保证大粒度多层钎焊砂轮的锋利性和容屑空间。本发明有效解决了大粒度多层钎焊金刚石砂轮修整困难的问题,也能实现大粒度多层钎焊金刚石砂轮在整个磨削过程中均能达到高效精密加工的效果。(the invention discloses a film forming property regulating method of a large-granularity multilayer brazing diamond grinding wheel electrolytic oxide film. According to the invention, the electrolyte injection device is adopted to accurately control the injection of the carbon-containing nanotube electrolyte and the carbon-containing microsphere electrolyte at the abrasive particle sharp stage of the grinding wheel, so that a layer of composite oxide film with high adhesive force and a self-lubricating function can be generated on the surface; and only the carbon nanotube-containing electrolyte with stronger electrolytic capacity is sprayed in the abrasive particle abrasion stage of the grinding wheel, electrolytic parameters such as electrolytic voltage and electrolytic time are improved, the thickness of the oxide film is rapidly increased, the abraded abrasive particles fall off in time, and the sharpness and chip containing space of the large-particle-size multi-layer brazing grinding wheel are effectively ensured. The method effectively solves the problem that the large-granularity multilayer brazed diamond grinding wheel is difficult to repair, and can also achieve the effect that the large-granularity multilayer brazed diamond grinding wheel can achieve efficient and precise machining in the whole grinding process.)

一种大粒度多层钎焊金刚石砂轮电解氧化膜的成膜性能调控 方法

技术领域

本发明涉及高效精密加工领域中的电解修整成膜方法，具体涉及一种大粒度多层钎焊金刚石砂轮电解氧化膜的成膜性能调控方法。

背景技术

目前，细粒度金刚石砂轮在难加工材料的精密/超精密磨削过程中得到了广泛应用，特别是在加工表面质量要求高、加工过程要求平稳的在线电解修整精密磨削场合。细粒度砂轮的磨粒粒径通常在数微米或亚微米级，因而能够有效保证加工精度，但在此磨削过程中，由于磨粒粒径小，单颗磨粒去除材料量少，因此加工效率较低；且细粒度金刚石磨粒的耐磨性有限，磨粒容易磨损而影响砂轮整体性能及使用寿命。

大粒度多层钎焊金刚石砂轮的磨粒粒径较粗(一般为一百微米～数百微米)，磨粒单位时间去除的材料量大，砂轮的加工效率高；但与此同时，大粒径磨粒在磨削过程中造成的表面划痕更深，容易导致加工表面质量较差；特别是当磨粒磨损严重时，磨钝磨粒会挤压、刮擦加工表面，引起加工表面质量的严重降低。特别对于钎焊砂轮而言，其磨粒把持力大，磨损后很难脱落，此时的磨削力和磨削温度都会急剧增大，这无疑会严重影响到加工零件的使用性能。

如果要充分利用大粒度磨粒的高效性和较长使用寿命，我们期望当大粒度多层钎焊金刚石砂轮在磨粒锋利的时候有较好的自润滑性能，从而降低大粒径磨粒对加工表面的刮擦和耕犁，改善大粒度钎焊砂轮的加工表面质量；而当磨粒磨损严重时，又能确保砂轮工作面上的磨损磨粒及时脱落，有效保证砂轮的锋利性和容屑空间，这对提高大粒度多层钎焊金刚石砂轮在难加工材料的高效精密中的应用是极为有利的。

目前，电解修整技术已应用于金属结合剂砂轮的修整，该技术主要采用电化学反应中的阳极溶解效应将砂轮表层的金属结合剂进行电解腐蚀，生成一层绝缘性的氧化膜，该氧化膜一方面改变了磨粒的把持状态，磨粒由砂轮基体材料的高强度把持转变为了疏松氧化膜的包埋作用，磨粒在磨削过程中容易脱落；另一方面，该氧化膜在磨削过程中避免了砂轮结合剂与工件的直接接触，降低了砂轮对工件的振动和冲击作用。但常规电解液电解修整过程中，氧化膜的生成厚度较薄，一般为几微米～数十微米，这通常只能满足细粒度金刚石砂轮的要求，而极大地限制了其在大粒度多层钎焊砂轮电解修整中的应用。具体体现在大粒度多层钎焊砂轮的磨粒粒径大，包埋于砂轮基体材料中的深度大，普通电解过程中砂轮工作表面上的磨损磨粒底部仍被钎料金属致密化把持，磨损磨粒不能及时脱落，磨损磨粒的存在会引起加工表面质量的持续降低。因此，如何提高电解修整过程中电解液的电解能力，增大电解氧化膜的成膜速度和成膜厚度，并能实时调控磨粒锋利和磨损不同状况下的电解氧化膜成膜性能，实现大粒度多层钎焊金刚石砂轮在整个磨削过程中的高效精密加工，对于大粒度多层钎焊砂轮在电解修整中的应用具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大粒度多层钎焊金刚石砂轮电解氧化膜的成膜性能调控方法。该方法首先配制两种不同的电解液：一种电解液含有碳纳米管，另一种电解液含有碳微球。利用电解喷射装置精准控制电解砂轮磨削初期阶段，先短时喷射含碳纳米管电解液，碳纳米管具有良好的导电性能，在电解过程中吸附于阳极钎焊砂轮的氧化膜中，其长径比大、螺旋蜷曲的结构，使其与氧化膜呈“网状”连接，可显著提高氧化膜的吸附强度；然后喷射含碳微球电解液，使碳微球分布在外层氧化膜中，提高砂轮的自润滑性能，改善大粒度多层钎焊砂轮的磨削表面质量。随着磨削加工的进行，磨粒磨损逐渐变得严重，表现在磨削力的快速增大和磨削力的不平稳，这表明砂轮磨粒磨损已严重，需要将磨损磨粒及时脱落。考虑到碳纳米管比碳微球具有更好的电解能力，其螺旋卷曲的结构特点也使得其与氧化膜结合更好，此时通过PLC控制器关闭阀门停止喷射含碳微球电解液，改为喷射含碳纳米管电解液，并增大电解电压和延长电解时间，以有效提高电解氧化膜的成膜速度和氧化膜厚度，使砂轮磨粒在砂轮基体材料中的紧密把持状态转变为被疏松氧化膜包埋的状态，磨损磨粒能及时脱落，有效提高大粒度多层钎焊金刚石砂轮的高效精密磨削性能。

本发明采用的技术方案是：

一种大粒度多层钎焊金刚石砂轮电解氧化膜的成膜性能调控方法，包括如下步骤：

(1)分别配制含碳纳米管电解液(记为电解液A)和含碳微球电解液(记为电解液B)，电解液A由如下按质量百分比计的成分组成：氯化钠0.5～0.6％，三乙醇胺0.3～0.4％，聚二甲基硅氧烷有机消泡剂0.3～0.5％，烷基磺酸盐阴离子表面活性剂0.5～0.8％，碳纳米管0.15～0.2％，其余为水；氯化钠用于电解腐蚀钎焊砂轮表面的TiO₂钝化层，氯化钠含量相对较多，主要是因为钝化层均匀而致密，此时需要电蚀物浓度较大，具有较大的点蚀能力；三乙醇胺作为有机防锈剂，用于防止电解液对机床的腐蚀，三乙醇胺属于绿色环保型防锈剂；聚二甲基硅氧烷有机消泡剂为消泡剂，在电解过程中主要起到消泡、破泡的作用，防止氧化膜出现孔洞现象，其具有热稳定性好、消泡能力强、无毒害等特点；烷基磺酸盐阴离子表面活性剂作为分散剂，防止碳纳米管在电解液中的团聚，其具有水溶性好、表面活性强等特点；碳纳米管作为电解液添加物，用于提高电解液的电解能力；

电解液B由如下按质量百分比计的成分组成：氯化钠0.2～0.3％，硝酸钠3～4％，三乙醇胺0.3～0.4％，聚二甲基硅氧烷有机消泡剂0.3～0.4％，烷基磺酸盐阴离子表面活性剂0.3～0.4％，碳微球0.08～0.1％，余量为水；氯化钠作为主要电蚀成分，由于电解后阶段钎焊砂轮上的钝化层已经大部分被电解腐蚀，因此氯化钠的含量可适当减小；但由于电解前期生成了一定厚度的绝缘性氧化膜，因此需要适当添加辅助电解质硝酸钠，以提高电解液的导电性能；采用三乙醇胺作为有机防锈剂，用于防止电解液对机床的腐蚀；采用聚二甲基硅氧烷作为有机消泡剂，防止氧化膜孔洞过多而造成疏松易脱落；碳微球作为电解液添加物，用于提高电解氧化膜的自润滑性能；

(2)电解修整磨削初期，采用电解喷射装置交替喷射含碳纳米管电解液和含碳微球电解液，所采用的电解喷射装置包括ELID脉冲电源、第一水泵、第一电磁阀、阴极接线柱、阴极块、第二电磁阀、第二水泵、PLC控制器、第一电解槽、测力传感器、工件、钎焊砂轮和第二电解槽，ELID脉冲电源的正极连接钎焊砂轮，负极通过阴极接线柱与阴极块连接，第一水泵和第一电磁阀连接第一电解槽,并连通阴极块上的喷射口，实现对钎焊砂轮的喷射，第二水泵和第二电磁阀连接第二电解槽，并连通阴极块上的喷射口，实现对钎焊砂轮的喷射，第一电磁阀和第二电磁阀同时连接PLC控制器，工件连接测力传感器；

电解修整过程中，首先由PLC控制器启动第一水泵喷射第一电解槽中的含碳纳米管电解液A，并控制第一电磁阀调节电解液流速为2～3升/分钟，ELID脉冲电源的电解参数为：电解电压60～70V，占空比50～60％；利用测力传感器实时检测电解磨削力，并将磨削力数值反馈给PLC控制器，PLC控制器预先设置磨削力阈值，当磨削力小于阀值时，由PLC控制器控制喷射含碳纳米管电解液A，喷射时间为3～5分钟，然后关闭控制含碳纳米管电解液A的第一电磁阀，同时启动第二水泵喷射第二电解槽中的含碳微球电解液B，喷射时间为5～8分钟，并控制第二电磁阀调节电解液流速为0.5～1升/分钟，如此操作，大粒度多层钎焊砂轮表面能够生成一层里层包含有碳纳米管、粘附性强，而外层包含碳微球，具有自润滑性能的复合氧化膜。此时的氧化膜类似于不易脱落的抛光垫，稳定发挥抛光效果，降低了大粒度磨粒刮擦形成的划痕和损伤，保证加工表面质量；

(3)随着磨削的进行，磨粒逐渐磨损严重，磨削力也持续增大，当测力传感器实时检测的磨削力大于设置磨削力阈值时，关闭控制含碳微球电解液B的第二电磁阀，并快速启动控制含碳纳米管电解液A的第一电磁阀，电解液流速调整为5～6升/分钟，并调整电解参数为：电解电压100～120V，占空比70～80％，喷射时间15～18分钟；此时增大电解参数和电解液的流速，能够提高电解反应作用剧烈程度，提高成膜速度和厚度，从而使得大粒度多层钎焊砂轮表面生成一层厚度较厚且疏松的氧化膜。其对磨粒的包埋作用力小，很容易在加工过程中顺利脱落，从而保持了砂轮的锋利性和容屑空间，提高加工性能。

值得说明的是，上述的磨削力阈值采用如下方法确定：磨削初期，磨削力信号比较平稳，出现磨损时，则会出现磨削力信号特征明显波动，因此，通过测取磨削过程中出现磨削力信号特征波动明显，且数值急剧增大时的磨削力临界数值，并利用三维视频显微镜观测此时砂轮表面磨粒磨损情况，以砂轮表面出现堵塞和大多磨粒出现大块破碎的地貌特征作为辅助依据，共同确定磨损情况。重复3～5次磨削实验，取其平均值作为磨削力参考值F₂。考虑到误差的影响，取安全系数0.8～0.9，目的是尽量避免由于磨削误差的影响导致设置的阈值较大，磨损磨粒不能及时电解脱落而影响加工性能。因此，设置0.8～0.9F₂作为磨削力阈值F₁。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过精准控制在砂轮前期磨削阶段，喷射含碳纳米管电解液，碳纳米管长径比大、螺旋蜷曲的结构使其与氧化膜呈“网状”连接，提高了氧化膜的吸附强度；然后喷射含碳微球电解液，使外层氧化膜中均匀分布有碳微球，提高砂轮的自润滑性能，改善大粒度多层钎焊砂轮的磨削表面质量。而当砂轮磨粒磨损严重时，仅喷射电解能力更强的含碳纳米管电解液，并增大电解电压和延长电解时间以增大电解氧化膜的成膜速度和氧化膜厚度，使磨损磨粒顺利脱落，下层锋利磨粒及时更新继续发挥切削性能。因此，本发明可有效实现大粒度多层钎焊金刚石砂轮在整个磨削过程中平稳且高效地精密磨削加工，在工程陶瓷等难加工材料的高效精密加工中具有较大的应用前景。

附图说明

图1为本发明所采用的电解喷射装置的结构示意图。

图2为砂轮磨粒锋利时的电解氧化膜结构示意图。

图3为磨粒磨损严重时的电解氧化膜结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明，但本发明并不限于此。

如图1所示，本发明所采用的电解喷射装置包括ELID脉冲电源1、第一水泵2、第一电磁阀3、阴极接线柱4、阴极块5、第二电磁阀6、第二水泵7、PLC控制器8、第一电解槽9、测力传感器10、工件11、钎焊砂轮12和第二电解槽13，ELID脉冲电源1的正极连接钎焊砂轮12，负极通过阴极接线柱4与阴极块5连接，第一水泵2和第一电磁阀3连接第一电解槽9,并连通阴极块5上的喷射口，实现对钎焊砂轮12的喷射，第二水泵7和第二电磁阀6连接第二电解槽13，并连通阴极块5上的喷射口，实现对钎焊砂轮12的喷射，第一电磁阀3和第二电磁阀6同时连接PLC控制器8，工件11连接测力传感器10。

本发明的大粒度多层钎焊金刚石砂轮电解氧化膜的成膜性能调控方法，包括如下步骤：

(1)分别配制含碳纳米管电解液(记为电解液A)和含碳微球电解液(记为电解液B)，电解液A由如下按质量百分比计的成分组成：氯化钠0.5～0.6％，三乙醇胺0.3～0.4％，聚二甲基硅氧烷有机消泡剂0.3～0.5％，烷基磺酸盐阴离子表面活性剂0.5～0.8％，碳纳米管0.15～0.2％，其余为水；氯化钠为主要电蚀成分，用于电解腐蚀钎焊砂轮表面的TiO₂钝化层，氯化钠含量相对较多，主要是因为钝化层均匀而致密，此时需要电蚀物浓度较大，具有较大的点蚀能力；三乙醇胺作为有机防锈剂，用于防止电解液对机床的腐蚀，三乙醇胺属于绿色环保型防锈剂；聚二甲基硅氧烷有机消泡剂为消泡剂，在电解过程中主要起到消泡、破泡的作用，防止氧化膜出现孔洞现象，其具有热稳定性好、消泡能力强、无毒害等特点；烷基磺酸盐阴离子表面活性剂作为分散剂，防止碳纳米管在电解液中的团聚，其具有水溶性好、表面活性强等特点；碳纳米管作为电解液添加物，用于提高电解液的电解能力；

电解液B由如下按质量百分比计的成分组成：氯化钠0.2～0.3％，硝酸钠3～4％，三乙醇胺0.3～0.4％，聚二甲基硅氧烷有机消泡剂0.3～0.4％，烷基磺酸盐阴离子表面活性剂0.3～0.4％，碳微球0.08～0.1％，余量为水；

氯化钠作为主要电蚀成分，由于电解后阶段钎焊砂轮上的钝化层已经大部分被电解腐蚀，因此氯化钠的含量可适当减小；但由于电解前期生成了一定厚度的绝缘性氧化膜，因此需要适当添加辅助电解质硝酸钠，以提高电解液的导电性能；采用三乙醇胺作为有机防锈剂，用于防止电解液对机床的腐蚀；采用聚二甲基硅氧烷作为有机消泡剂，防止氧化膜孔洞过多而造成疏松易脱落；碳微球作为电解液添加物，用于提高电解氧化膜的自润滑性能；

(2)电解修整磨削初期，采用上述电解喷射装置交替喷射含碳纳米管电解液和含碳微球电解液，电解修整过程中，首先由PLC控制器8启动第一水泵2喷射第一电解槽9中的含碳纳米管电解液A，并控制第一电磁阀3调节电解液流速为2～3升/分钟，ELID脉冲电源1的电解参数为：电解电压60-70V，占空比：50％～60％；利用测力传感器10实时检测电解磨削力，并将磨削力数值反馈给PLC控制器8，PLC控制器8预先设置磨削力阀值，当磨削力小于阀值时，由PLC控制器8控制喷射含碳纳米管电解液A喷射时间为3-5分钟，然后关闭控制含碳纳米管电解液A的第一电磁阀3，同时启动第二水泵7喷射第二电解槽13中的含碳微球电解液B，喷射时间为5-8分钟，并控制第二电磁阀6调节电解液流速为0.5～1升/分钟，如此操作，大粒度多层钎焊砂轮表面能够生成一层里层包含有碳纳米管、粘附性强，而外层包含碳微球，具有自润滑性能的复合氧化膜，如图2所示(其中，101-碳微球；102-锋利磨粒；103-碳纳米管；104-氧化膜；105-砂轮基体材料；106-下层锋利磨粒)。此时的氧化膜类似于不易脱落的抛光垫，稳定发挥抛光效果，降低了大粒度磨粒刮擦形成的划痕和损伤，保证加工表面质量；

(3)随着磨削的进行，磨粒逐渐磨损严重，磨削力也持续增大，当测力传感器10实时检测的磨削力大于设置阈值时，关闭控制含碳微球电解液B的第二电磁阀6，并快速启动控制含碳纳米管电解液A的第一电磁阀3，电解液流速调整为5～6升/分钟，并调整电解参数为：电解电压100～120V，占空比70～80％，电解时间：15～18分钟；此时增大电解液的流速，能够增大电解液喷射量，提高电解反应作用剧烈程度，提高成膜速度和厚度，从而使得大粒度多层钎焊砂轮表面生成一层厚度较厚且疏松的氧化膜，如图3所示(其中，201-磨损磨粒；202-碳纳米管；203-氧化膜；204-锋利磨粒；205-砂轮基体材料)。其对磨粒的包埋作用力小，很容易在加工过程中顺利脱落，从而保持了砂轮的锋利性和容屑空间，提高加工性能。