软固结气压砂轮磨粒磨损研究*

计时鸣，姜文雍，蔡东海，金明生，蔡姚杰，邱 毅

(浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，浙江杭州310014)

0 引言

对于自由曲面的光整加工，刚性研磨工具难以与工件曲面形成良好的面接触，因此，难以形成高效的加工;也难以把握各局部的加工力度和加工时间，因此，加工精密表面不但质量不稳定且加工效率低，浙江工业大学计时鸣等人［1-2］提出的软固结磨粒气压砂轮光整加工方法可以解决上述问题。

软固结磨粒群在磨削时能受到弹性支撑，其磨削特性既不同于砂带等固着磨粒，也不同于游离磨粒。软固结磨粒在宏观上不能自由移动，但在微观上由于受到邻近磨粒和粘结剂的弹性支撑，可发生局部微动，能与自由曲面形成较好的仿形接触。

在加工中，磨粒的磨损情况与磨削效率、加工精度、表面质量和生产成本等密切相关［3］。因此，研究软固结气压砂轮磨粒的磨损有重要意义。本研究开展软固结磨粒群磨粒的磨损过程及磨损机理分析。

1 气压砂轮磨粒磨损的基本形式

磨粒通过高聚物粘结剂，在气压砂轮橡胶基体上构成粘结磨粒混合层，以起到磨削加工作用。本研究通过控制橡胶基体内部气压以及调整混合层厚度和磨粒颗粒来改变弹性模量，使气压砂轮既具备气囊抛光中的柔性仿形能力，又具备刚性砂轮高强度的切削力，从而面对自由曲面和不同加工对象都能形成高效的加工，软固结磨粒气压砂轮示意图如图1所示。

图1 软固结磨粒气压砂轮示意图

磨粒在正常情况下有3 种磨损形式［4］:

(1)堵塞粘附。堵塞粘附是气压砂轮在加工时，磨粒通过磨削区，由于磨削高温和很大接触压力的作用，微细切屑粘附在磨粒上，严重削弱其磨削能力。

(2)脱落。磨粒群通过高聚物粘结剂粘结在气压砂轮上，粘结剂和磨粒结合处成为结合桥。磨削过程中，若磨粒与磨粒之间的结合桥发生断裂，则磨粒将从砂轮上脱落下来，并在原位置留下空穴。磨粒的脱落主要取决于粘结剂的强度。

(3)磨钝。磨削过程中，由于磨粒与被加工材料多次反复地滑擦作用，使磨粒逐渐变钝，形成磨损小平面或磨粒尖顶部的破断而无切刃。

在这3 种磨损形式中，堵塞粘附往往和被加工材料的性质有关，而且在加工前期影响较小，在后期影响变大;脱落则受磨削力大小和高聚物粘结剂选择的影响较大;而磨钝磨损则贯穿于整个加工过程之中［5］。

磨粒钝化又可以分为磨粒的磨耗磨损和破碎磨损。磨耗磨损是因为磨粒与工件之间做相对运动时的摩擦，以及磨粒之间相互挤压产生塑性变形，当施加的外力撤除或消失后磨粒表面不能恢复原状，进而发生磨损，使磨粒逐渐变钝，进而在磨粒上形成磨损小平面。破碎磨损则是因为磨粒受冲击作用，使作用在磨粒上的应力超过磨粒本身的强度导致磨粒顶尖破碎。这种钝化磨损是逐渐进行的。

虽然磨粒的破碎和脱落将导致加工的精度下降，但是磨粒适当地破碎和脱落却可以更新钝化的磨粒，从而在磨削的过程中不断产生新的磨削刃，因此，一般把这种磨粒破碎脱落称为砂轮的“自锐”作用［6］。

2 磨损期的划分

磨削过程中随着被磨材料磨除体积的增加，磨粒磨损逐渐增大［7］。为了寻找磨削过程中砂轮磨损的规律，首先需要了解磨粒高度变化情况。该试验采用间接测量方法［8］，通过测量每次进给工件厚度的实际去除量来判断砂轮磨粒高度的变化情况。

笔者设计的试验参数如表1所示，本研究针对激光强化模具表面(537HV)做了多组光整实验，在多次测量后取平均值，其结果如图2所示。

表1 光整实验参数设置

图2 90 s 时间内材料去除量变化情况

从图2 中可以看出，在加工前30 s，工件材料去除量很大，说明磨粒磨损严重。此时，磨粒磨损进入初期磨损阶段。该阶段磨粒磨损的形式主要表现为表层磨粒的破碎和整体脱落。其原因是由于气压砂轮成半球状曲面，表面的磨粒受到高聚物粘结剂的约束较小。加工初始，气压砂轮高速旋转，在和工作表面接触时，由于相对速度相差巨大，磨粒会受到较大的冲击力而产生裂纹，或者由于粘结剂和磨粒之间的结合桥强度不足，磨粒受到的力大于结合桥所能承受的极限，从而造成磨粒破碎和整体脱落。不过，尽管此时表层磨粒磨损较快，但是由于在磨削初期，气压砂轮磨粒刃形锋利，并且参加切削的磨粒数目也较多，虽然磨损率较大，但是该阶段气压砂轮的切削能力和材料切除效率却是最大。

而在30 s～90 s 期间，气压砂轮的材料去除率明显降低，逐渐趋于一个范围值。说明此时光整加工进入第2 期磨损阶段即正常磨损阶段。在该阶段，粘结剂磨粒混合层起切削作用，磨削在正常稳定状态下进行，磨削力也趋向稳定。尽管仍然有少量的磨粒会破碎，但主要是磨粒的切削钝化。磨粒在经过初期的顶尖破碎、折断或部分脱落以后，其锋利性降低，切削能力也相对减弱，导致材料切除效率变小，但减少不多。

在加工10 min 后，工件质量不再变化，气压砂轮已无切削效果，磨粒磨损进入第3 磨损阶段即严重磨损阶段。随着磨削时间的增加，砂轮工作面上钝化磨粒的比例不断变大，而且由于工件切削产生的切屑不断地粘附在磨粒切刃上，堵塞了磨粒间的孔隙，砂轮工作面的堵塞现象越来越严重，用肉眼可以明显看到砂轮加工表面上形成一层金属薄层或连带油泥的黑亮层，如图3所示。加之作用在磨粒上的力急剧增大又加剧上述现象的产生，导致磨粒产生大块碎裂、结合剂破碎及整个磨粒脱落，砂轮磨损加快，砂轮振动增加，磨削噪音加大，甚至导致工件表面粗糙度下降以及表面质量恶化，此时气压砂轮已处于非正常工作状态。因此，在实际光整加工中，一般在达到该阶段之前就需要更换气压砂轮。

图3 气压砂轮的黑亮层

经上述分析可知，软固结气压砂轮磨粒的磨损过程大致可分为3 个磨损期:初期磨损阶段、正常磨损阶段和严重磨损阶段。

3 影响磨损的主要因素

因为软固结磨粒是随机地分布在砂轮上，这使得磨粒的磨损机理非常复杂。影响软固结气压砂轮磨粒群磨损的因素有很多，重点分析气压砂轮自转速度ω、下压量d 及磨粒种类等对气压砂轮磨损过程的影响规律。

3.1 气压砂轮自转速度ω

在磨削深度恒定不变的情况下，磨粒与工件的接触弧长为一定值，当气压砂轮自转速度ω 升高时，单位时间内每个磨粒参加切削的次数增大，导致软固结磨粒的磨损加快。同时，气压砂轮的高速切削不可避免地引起对磨粒切削刃的冲击作用，虽然柔性气压砂轮与工件表面接触过程中产生的弹性非线性变形可缓和冲击作用，但是随着ω 的增加，会导致软固结磨粒与工件接触区的摩擦加剧，从而使磨损加剧。

为了研究气压砂轮自转速度ω 对磨粒群磨损的影响，在如表2所示的试验参数下，笔者选取气压砂轮多组不同转速，进行光整加工实验，经多次测量后取平均值，其结果绘制成图，砂轮不同转速的材料去除率如图4所示。

表2 实验参数设置

图4 砂轮不同转速的材料去除率

从图4 中可以看出，在一定转速范围内，材料去除率随砂轮转速的增加而增加，但砂轮的转速超过2 000 r/min时，材料去除率却减小。这是由于随着转速的增加，单位时间内经过磨削区的磨粒数目增加，即有效切削刃数增加;随着转速的增加，磨粒切刃在磨削区的驻留时间缩短，软固结磨粒群由于橡胶基体的弹性支承，导致磨粒不足以切入工件表面，磨粒只能产生滑擦、耕犁等作用［9］，工件表面粗糙度变化很小。两种划痕如图5所示，磨粒磨削产生的划痕(呈同心圆分布)比原有的划痕(随机分布)还浅。因此，过高的转速反而会导致材料去除率和磨粒群磨损率的下降。

3.2 下压量d

有研究表明［10］，当d 在一定范围内时，下压量d基本与压力p 成线性关系，即使超出这个范围，下压量d 也与压力p 成正比关系，说明可以采用控制下压量的方式来实现压力控制。砂轮下压量d 增加时，压力p 也增加，导致工件切深增加，磨粒的磨削厚度和磨削力增大，引起高温摩擦，磨钝磨损趋于恶化。另外，p增大，磨粒切削工件时的接触弧长和摩擦时间增长，磨粒热量增加，使磨损加剧。

图5 磨料磨削产生的划痕与工件原有的划痕

为了验证下压量d 对磨粒群磨粒磨损的影响，本研究选取的实验参数如表3所示，并对材料去除率Mrr即磨粒磨损情况进行分析，实验结果如图6所示。

表3 实验参数设置

图6 不同下压量下的材料去除率

从图6 中可以看出，随着气压砂轮下压量d 增加，工件材料去除率增大，磨粒群磨损趋于恶化。

3.3 不同磨粒种类

不同种类的磨粒，其在微观结构、抗破碎性和磨损机理方面有较大的差异。目前较为常见的磨粒材料有刚玉、碳化硅、金刚石和立方氮化硼等［11］。本研究取刚玉和碳化硅这两类较为常用的磨粒为分析对象。

磨削后的刚玉磨粒顶尖部分形状极不规则，并且残留了大量细小的碎片。在磨削过程中，Al2O3刚玉磨粒的顶部会首先钝化成小平面，并且随着磨削过程的持续进行，钝化的小平面逐渐扩展变大，刚玉磨粒群磨损前后的表面微观对比图如图7所示。

图7 刚玉磨粒群磨损前后的表面微观对比图

碳化硅磨料在磨削后，磨粒顶部几乎都出现较大的磨损小平面，并且在磨损小平面周围出现有少量的磨粒脱落和破碎现象，还可以发现小平面被黏附物覆盖，碳化硅磨粒群磨损前后的表面微观对比图如图8所示，表明碳化硅磨料在磨削过程中出现了较严重的堵塞粘附磨损。

图8 碳化硅磨粒群磨损前后的表面微观对比图

4 结束语

(1)与砂带磨损只有两个磨损阶段不同，软固结气压砂轮磨粒群在磨削过程具有明显的初期磨损阶段、正常磨损阶段和严重磨损阶段等3 个磨损阶段。

(2)软固结磨粒群磨粒磨损受到气压砂轮自转速度ω、下压量d 及磨粒种类等的影响较大。其中，气压砂轮下压量越大，磨粒磨损越严重;随着砂轮自转速度ω 增加，软固结磨粒的磨损先增大后减小。同时，分析结果表明，不同种类磨粒磨损后的表面微观结构有所差异:刚玉磨粒以磨钝磨损为主，而碳化硅磨粒的堵塞粘附现象比刚玉磨粒严重。

［1］计时鸣，金明生，张 宪，等.应用于模具自由曲面的新型气囊抛光技术［J］.机械工程学报，2007，43(8):2-6.

［2］计时鸣，丁洁瑾，金明生，等.软固结气压砂轮的质量评价及试验研究［J］.机电工程，2013，30(1):21-25.

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［10］曾 晰.软固结磨粒气压砂轮设计方法及材料去除特性研究［D］.杭州:浙江工业大学机械工程学院，2013.

［11］丁洁瑾.软固结磨粒气压砂轮的优化设计及性能试验［D］.杭州:浙江工业大学机械工程学院，2012.