軸承鋼專用ELID磨削液電解成膜性和防銹性研究

關(guān)佳亮，路文文，孫曉楠，戚澤海

（北京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，北京 100124）

軸承鋼是滾動軸承加工中應(yīng)用最普遍的材料，主要用于加工球、滾子和套圈等，其具有良好的抗磨性、淬透性、尺寸穩(wěn)定性和抗腐蝕性，熱處理后可獲得較高且均勻的硬度，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、鐵路運(yùn)輸和國防工業(yè)等領(lǐng)域[1]。然而，上述良好的物理性能也相應(yīng)為其精密高效的加工制造帶來加工效率低、磨削狀態(tài)差、砂輪易堵塞、加工表面易產(chǎn)生燒傷及裂紋等系列問題。在線電解修整（ELID）磨削技術(shù)是解決軸承鋼加工難題的新技術(shù)，磨削液是ELID磨削技術(shù)的重要組成模塊之一。新研制的軸承鋼專用ELID磨削液HDMY-30除了通用磨削液HDMY-20所具有的潤滑性、冷卻性和清洗滲透性外，還應(yīng)具有較強(qiáng)的電解成膜性，減少工件及機(jī)床設(shè)備的銹蝕是決定其能否推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。針對這一問題，對磨削液HDMY-30的電解成膜性和防銹性進(jìn)行了分析和優(yōu)化，驗證了該磨削液滿足使用要求。

1 ELID磨削技術(shù)原理

ELID磨削技術(shù)原理如圖1所示。金屬結(jié)合劑砂輪通過電刷接電源正極作為電解陽極，根據(jù)砂輪形狀制成的工具電極接電源負(fù)極作為電解陰極，在陽極與陰極之間注入專用電解磨削液。利用陽極溶解效應(yīng)，砂輪表面金屬結(jié)合劑被電解去除，使新的磨粒露出砂輪表面，始終保持砂輪的銳利性。隨著電解過程的進(jìn)行，在砂輪表面形成一層氧化膜，有效抑制砂輪過度電解。當(dāng)砂輪表面的磨粒磨鈍后，氧化膜被工件材料刮擦去除，電解過程繼續(xù)進(jìn)行，對砂輪表面進(jìn)行修銳。上述過程不斷重復(fù)進(jìn)行并達(dá)到動態(tài)平衡，從而實現(xiàn)穩(wěn)定且高效的最佳磨削過程[2-3]。

圖1 ELID磨削技術(shù)原理Fig.1 Principle of ELID grinding technology

2 磨削液的電解成膜性

2.1 電解成膜作用及過程

氧化膜在ELID磨削中起至關(guān)重要的作用。精磨階段的進(jìn)給量很小，在砂輪表面形成的良好柔性氧化膜厚度遠(yuǎn)大于磨粒的出刃高度，使砂輪基體表層磨料不直接與工件接觸，砂輪上覆蓋的氧化膜將代替金屬基砂輪參與真正的磨削過程。通過氧化膜對工件進(jìn)行光磨，從而實現(xiàn)磨、研、拋于一體的ELID精密鏡面磨削[4]。

在電解過程中鑄鐵結(jié)合劑砂輪作為陽極的鐵基會失去電子變成鐵離子進(jìn)入磨削液中，然后與陽極周圍的氫氧根離子結(jié)合生成淺綠色氫氧化亞鐵，氫氧化亞鐵被進(jìn)一步氧化生成紅褐色氫氧化鐵，氫氧化鐵失水而生成氧化鐵。反應(yīng)式為

因此，陽極生成的致密均勻的氧化膜應(yīng)是氫氧化鐵和氧化鐵的混合物[5]。陰極發(fā)生水電解反應(yīng)，氫離子得到電子生成氫氣，構(gòu)成得失電子的閉合回路，即

2.2 電解成膜試驗

磨削液HDMY-20能滿足大多數(shù)材料的ELID磨削要求，實現(xiàn)砂輪的電解修銳及表面鈍化成膜[6]。由于軸承鋼在磨削過程中磨削力大、磨削溫度高、砂輪黏附率大，導(dǎo)致工件表面燒傷嚴(yán)重，這就要求磨削液具有較強(qiáng)的電解去除能力，即在滿足砂輪電解修銳的同時，能快速電解去除黏附在砂輪表面的磨屑，保證砂輪在磨削軸承鋼時狀態(tài)良好，因此磨削液HDMY-20已不能滿足軸承鋼材料的ELID磨削[7]。磨削液HDMY-30是在HDMY-20的基礎(chǔ)上，為解決軸承鋼加工中砂輪表面黏附率大，磨屑不易排出等加工難題而研制。通過靜態(tài)模擬試驗對上述2種磨削液的電解成膜性進(jìn)行對比分析。

2.2.1 試樣的制備

2種磨削液的成分見表1。按表1配置2種磨削液各250 g，再按1∶20用水稀釋后備用。

表1 2種磨削液的成分Tab.1 Composition of two kinds of grinding fluids w，%

2.2.2 試驗設(shè)備和方法

靜態(tài)模擬試驗裝置如圖2所示。采用鑄鐵基金剛石砂輪作為電解陽極，將根據(jù)砂輪形狀制成的導(dǎo)電性良好的弧形銅塊作為電解陰極，分別用導(dǎo)線連接至ELID磨削專用電源的正、負(fù)極上，再把砂輪和電極依次放入上述稀釋后的磨削液中，分別記錄電源顯示器顯示的電流變化規(guī)律，并觀察砂輪表面電解成膜效果。

圖2 靜態(tài)模擬試驗裝置Fig.2 Device for static simulation experiment

2.2.3 試驗結(jié)果與分析

2種磨削液的電流變化曲線如圖3所示。磨削液HDMY-30和HDMY-20的電流變化趨勢大體相同，但比HDMY-20的電流變化更明顯，最大電解電流高2 A，電解成膜時間也縮短約2 min，由此可得出磨削液HDMY-30比HDMY-20的電解去除能力更強(qiáng)，生成氧化膜的時間更短。這是由于磨削液HDMY-30中電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，電解速度加快，最大電解電流增大，但會造成成膜困難，電解損耗過大。通過提高成膜劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，加快砂輪成膜速度，阻止砂輪過度電解，使砂輪的電解和成膜達(dá)到動態(tài)平衡，從而保證砂輪的尺寸精度。

圖3 2種磨削液的電流變化曲線Fig.3 Variation curve of current of two kinds of grinding fluids

2種磨削液在靜態(tài)模擬試驗中砂輪表面生成氧化膜的效果如圖4所示。磨削液HDMY-30與HDMY-20相比，砂輪表面生成氧化膜的致密性和均勻性都更好，氧化膜較厚，說明磨削液HDMY-30的電解成膜性優(yōu)于HDMY-20，使氧化膜在ELID磨削中的光磨階段對已加工表面進(jìn)行高速研、拋作用得到更充分的發(fā)揮。

圖4 2種磨削液的電解砂輪成膜效果Fig.4 Electrolytic grinding wheel film-forming effect of two kinds of grinding fluids

3 磨削液的防銹性

3.1 防銹作用原理

為使磨削液HDMY-30能在生產(chǎn)中推廣使用，必須對其防銹性進(jìn)行準(zhǔn)確評價和優(yōu)化，使其滿足不銹蝕機(jī)床設(shè)備的使用要求。

ELID磨削液大多為水基磨削液，磨削液中的防銹劑大致可分為水溶性有機(jī)緩蝕劑和水溶性無機(jī)緩蝕劑。三乙醇胺是常用的有機(jī)緩蝕劑，防銹作用機(jī)理是吸附在金屬表面，阻止金屬進(jìn)一步溶解，起到緩蝕防銹作用；磷酸鈉是常用的無機(jī)緩蝕劑，防銹作用機(jī)理是使金屬表面形成不溶性鈍化膜或反映膜層，防止金屬腐蝕[8]。

3.2 防銹試驗

磨削液HDMY-30電解去除能力強(qiáng)的同時防銹性也隨之增強(qiáng)，合理的防銹劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)可提高磨削液的防銹性。由前期試驗可知：磨削液HDMY-30中防銹劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～20%時對電解成膜性影響很小，所以在保證磨削液HDMY-30具有強(qiáng)電解成膜性的同時，探究防銹劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時磨削液的防銹效果。

3.2.1 試樣的制備

在確保磨削液中其他成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和性能不變的前提下，改變防銹劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)后磨削液的防銹效果見表2。按表2用水配置4種電解修整磨削液各20 mL備用。

表2 防銹劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同時磨削液的防銹效果Tab.2 Anti-rust effect of grinding fluid with different mass fractions of anti-rust agents

3.2.2 試驗設(shè)備與方法

將1塊打磨光滑的35＃低碳鋼平板均勻分成4塊，在每塊區(qū)域內(nèi)分別滴入等量的4種磨削液，在室溫下放置24 h后用高倍顯微鏡MK670（變倍比12∶1）觀察其銹蝕情況。

3.2.3 試驗結(jié)果與分析

磨削液HDMY-30中電解質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持5%時低碳鋼平板各區(qū)域銹蝕情況如圖5所示。防銹劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為16%時，低碳鋼平板有大量銹蝕；防銹劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%時，有少量銹蝕；防銹劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為19%時，在保證良好電解成膜性的同時，幾乎無銹蝕，防銹效果良好，達(dá)到了GB／T 6144—2010《合成切削液》的單片防銹性試驗要求。

圖5 低碳鋼平板各區(qū)域銹蝕情況Fig.5 Rust effects of each region of low-carbon steel plate

4 結(jié)論

1）磨削液HDMY-30比HDMY-20具有更強(qiáng)的電解成膜性，有利于克服軸承鋼加工中磨屑不易去除導(dǎo)致砂輪堵塞的缺陷。

2）磨削液HDMY-30比HDMY-20的最大電解電流高出2 A，同時成膜時間縮短約2 min，提高了軸承鋼加工效率，為ELID技術(shù)在軸承加工領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

3）在保證磨削液HDMY-30強(qiáng)電解成膜性的基礎(chǔ)上，可得磨削液中防銹劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)19%時，防銹效果最佳。