金刚石磨具磨粒出刃高度的测试与调控研究进展

栗正新， 余 威， 王丽晶

(河南工业大学 材料科学与工程学院， 郑州450001)

金刚石是目前用量最大的超硬磨料，它具有硬度高、强度高、锋利性好、耐磨性好、导热性好等特性，是制备高性能磨具的重要原料[1]。金刚石磨具主要用于玻璃、陶瓷、硬质合金等硬脆材料的磨削加工，目前已经广泛应用于航空航天、模具制造、电子器件、光学材料、医疗器件、石材加工等领域[2]。

磨具中起磨削作用的是出露的磨粒，磨粒突出结合剂表面的高度称为出刃高度，出刃高度对磨具的使用性能有重要影响[3-4]。磨粒出露适度，则磨具锋利、加工效率高，而且还会降低磨削过程中的磨削力、磨削温度、磨削功率等；磨粒出刃高度过高，会导致部分磨粒过早脱落，磨具磨损过快，使用寿命缩短；磨粒的出刃高度过低，则磨具不锋利，甚至会导致无法正常磨削[5]。若出现磨粒出刃慢，磨削时磨粒出刃高度过低的情况，则需要借助于出刃技术来提高其出刃高度。

庄司克雄[6-7]提出一种用立体显微镜测量磨粒突出高度的“3D法”并研究了磨粒突出高度对磨削性能的影响。其结果表明磨粒突出高度较大时，磨削力的增加率较小，被加工表面的粗糙度及磨具磨损量较大，同时发现最佳磨粒突出高度与金刚石磨粒的种类、磨具硬度、加工效果等有关。因此，金刚石磨具出刃高度的检测、表征与调控是制备高性能金刚石磨具的关键，对精密及超精密磨具的制备工作具有指导意义[8]。

1 金刚石磨具出刃高度的评价参数

磨具中磨粒的出刃高度即磨粒顶端的最高点到底部结合剂之间的距离，其均匀性、一致性决定了工件表面的磨削效果。大量研究表明金刚石磨具的出刃高度主要与磨料粒度及形状[9-10]、磨料浓度[11-12]、磨料表面状态[13-14]、结合剂种类及性能[15]、修锐手段[16]、被加工材质[17]等有关。目前，金刚石磨具出刃情况的评价尚没有统一的标准,有些研究者提出通过磨粒出刃高度、有效磨粒出刃数目及有效磨粒出刃体积、磨粒出刃角度等来综合评价磨粒的出刃情况及使用性能。

柯明月等[18]认为金属结合剂金刚石工具中磨粒的出刃高度是指金刚石的顶点到包镶金刚石两侧胎体沟谷间的距离，通过对金刚石刀头面的出刃高度进行测定，得出镀铬金刚石磨粒的铬层能够实现金刚石与结合剂之间的冶金结合，提高了胎体对金刚石磨粒的把持力，与未镀覆的金刚石相比，平均磨粒出刃高度提高20 μm。BLUNT等[19-20]提出可以从磨粒顶点曲率、磨粒密度、粗糙度等方面对金刚石砂轮表面参数进行评价。谢晋等[21]对不同粒度的金刚石砂轮表面进行参数化评价分析，得出磨粒出刃前角大、出刃后角小、出刃高度高、出刃体积大、有效磨粒数多时可以减小工件表面的粗糙度，提高工件表面质量。TAHVILIAN等[22]研究切削深度从小到大变化时对工件表面质量的影响，提出较大的磨粒宽度可以更好地提高磨削效率。武明洲等[23]研究发现出刃高度差严重影响有序排布金刚石工具的切削力。

2 金刚石磨具出刃高度的检测方法

目前还没有直接的方法对磨粒出刃高度进行检测，主要是借助于微观出刃形貌的检测并利用计算机辅助系统来间接地进行观测与计算。磨粒微观出刃形貌的检测方法按是否与试样接触可分为接触式和非接触式2种。其中，接触式检测方法主要有滚动复印法、触针式轮廓仪法、划擦法等，非接触式检测方法主要有光学显微镜法、超景深显微镜法、扫描电镜法、激光法、白光干涉法等[24]。

由于金刚石磨粒的硬度较高，接触式检测易损伤探针而导致测量不准；此外，细粒度金刚石磨具的磨粒出刃高度较低，接触式检测无法采集完整的磨粒形貌。因此，目前金刚石磨具出刃高度的最佳检测手段是非接触式方法，尤其是近几年发展起来的能够在纳米尺度观测微观三维形貌的激光检测技术与白光干涉技术。下面就适用于出刃高度检测的方法及其原理进行了详细介绍。

2.1 光学显微镜法

光学显微镜法主要是利用带有分刻度值的调焦旋钮式反光显微镜,在出露的金刚石顶点及其沟谷两侧分别记录准焦后调焦旋钮的刻度值，所求出的高度差即为磨粒出刃高度。该方法也可以利用聚焦原理和三维图像重构技术，获取磨具表面的磨粒在不同高度上的序列图像并实现多层图像重构而求出其出刃高度。但该方法视野有限，无法实现全场观测。谢晋等[21]利用光学显微镜法得出有效磨粒出刃高度、磨粒出刃角、磨粒出刃同形度可作为金刚石砂轮修锐后微观出刃情况的评价参数。陈锋等[25]利用显微镜并借助于计算机系统实现了对开刃后的超硬磨具的出刃高度检测，并给出了磨粒近似为球形时的数学计算模型。

2.2 超景深显微镜法

超景深显微镜法是通过深度扫描分析二维图像并借助于三维重构系统迅速合成三维重构图像来实现磨粒出刃高度的测量。其原理是利用超景深显微系统在不同景深下的聚焦功能，通过微调旋钮将镜头聚焦到被测磨粒的最高点，图像由模糊变清晰，然后再将镜头以同样的方法聚焦到该磨粒的最低点位置，由此可以测出磨粒的出露高度范围，最后通过超景深显微系统里的3D分析软件计算出磨粒最低点到磨粒最高点的距离，该值即为磨粒的出露高度。赵金坠等[16]采用超景深显微镜的3D图形合成功能生成的三维形貌来检测磨粒的出刃高度分布情况，并将磨粒所在剖面的径向高度差定义为磨粒的出刃高度。王艳凤[26]利用超景深显微镜研究磨粒初始的出刃高度与磨粒磨损的关系，发现磨粒初始出刃高度值逐渐减小时，磨粒的磨损量趋于平缓。

2.3 扫描电子显微镜法

扫描电子显微镜法是将待测试样放置于样品仓中并利用聚焦电子束对试样的各点进行扫描，然后借助于3D重构技术来获得其三维立体图像并用画等高线的方法来计算磨粒的出刃高度。WOJCIEH等[27]使用SEM和图像分析技术研究金刚石砂轮表面磨粒的出刃形貌，其研究表明：该方法在借助于计算机辅助系统时可实现对磨粒出刃状况的观测和计算，但该检测方法中的高能电子束对样品有一定的损伤；另外，磨具中突出的结合剂及表面存在的凹坑也可能被重构到磨粒的轮廓图中而导致测量不精准。

2.4 激光法

利用激光法[28-29]测量磨粒的出刃高度主要有激光共聚法、激光聚焦法及激光三角法等。

激光共聚法是利用激光共焦扫描显微镜对样品表面进行扫描来检测，借助于光学切片功能获得的三维重构图可用于检测磨具表面的磨粒出刃高度[30-31]。其成像的最大特点是检测精度较高，对样品没有破坏性，能够实现高分辨率层析成像，不足之处是扫描速度较慢。

激光聚焦法[32-33]是以一个聚焦光点入射到被测表面上并通过对干涉条纹图像进行相位分析来获得样品表面各点的实际高度，该法可检测磨具表面磨粒的出刃高度、磨粒间距及密度，该法虽灵敏度较高，但振动对测量结果的影响较大。

激光三角法[34-35]的基本原理是由光源发出的一束激光照射在待测试样表面并最终在检测器上成像，当试样表面的高度位置发生改变时检测器上的图像也发生相应的位移，通过像移、实际位移之间的关系式可计算出真实的物体位移。

XIE 等[36-38]采用3D激光显微技术对金刚石工具的表面微观出刃形貌参数进行评价，并对其同加工后的工件表面粗糙度的相关关系进行了研究，建模分析了修整后的金刚石砂轮表面磨粒数目、出刃高度、磨粒前角、磨粒间隙等参数的变化量，得出有效磨粒出刃数目及磨粒体积是影响砂轮磨削性能的关键参数。LIU等[39-40]采用激光扫描法获得砂轮表面形貌并借助Origin8软件绘制形貌等高线图，分析修整前后磨粒突出高度的总体分布情况。

2.5 白光干涉法

白光干涉法是以白光为光源，利用白光干涉条纹的固有性质来进行表面微观形貌的测量,其测定原理是根据最佳干涉位置的白光干涉条纹明暗度获得磨粒出刃高度。CUI等[41-44]开发了基于白光干涉原理的金刚石砂轮表面信息专用测量系统，并实现了对金刚石磨粒出刃形貌及出刃高度的精密测量。

3 金刚石磨具出刃高度的调控技术

金刚石磨具在磨削过程中，磨粒会逐渐被磨损或者脱落。当磨粒被磨钝以后，锋利度急剧下降，导致磨削力增大，磨削温度升高，损伤被加工工件表面；此外，磨削过程中产生的磨屑充斥并黏附在磨具容屑空间里，使磨粒被磨屑包埋，大大降低了其磨削性能。因此，为了使磨具既保持完整的几何外形又具有一定的锋利度，需要对其进行修锐来获得新的磨削刃。调整金刚石磨具出刃高度主要是通过修锐过程来实现，该方法可以使磨具长时间保持微刃性且具有良好的切削性能；此外，出刃技术也可以使磨削过程中的磨削力减小，更有利于磨削正常进行。目前主要通过金刚石工具法、磨削法、软弹性法、电解法、电火花法、激光法等修锐方式使金刚石磨具露出锋利的磨削刃[45]。

3.1 金刚石工具法

金刚石工具法是用单颗粒或多颗粒金刚石笔、修整片、修整刀等对磨具进行切削加工，从而实现对磨具的修整，其装置简单、修整效率较高并且可以改善磨具的形状精度，但磨具中的磨粒突出高度较低且切削刃很少，影响到被加工工件的表面精度。王帅[46]采用金刚石笔为修整工具对树脂结合剂金刚石砂轮进行修锐处理，得到的磨粒出刃等高性较好。

3.2 磨削修整法

磨削法是获得磨具高精度表面的重要方法之一。通过使用碳化硅、刚玉等磨块与金刚石磨具对磨，普通磨粒发生破碎的同时会形成微切削刃，去除金刚石磨具中的结合剂，使磨粒突出高度增加。此方法不仅修整效率高而且磨具表面形貌较好，但修整工具的损耗较大[47]。庄司克雄[48]用杯型砂轮修整陶瓷结合剂砂轮，并获得良好的效果。

3.3 软弹性法

利用软弹性法修整金刚石磨具时，金刚石磨具高速旋转而砂带缓慢转动，利用砂带与磨具的接触力有效地去除金刚石磨具表面磨粒间的结合剂，此方法由王先逵最先提出[49]。与普通的超硬磨料修整工具相比，砂带作为修整工具时其磨粒载体较软且具有一定弹性。

3.4 电解法

电解法采用电解池装置对磨具进行修锐处理。其中，磨具与直流电源正极相接为电解阳极，工具电极与直流电源负极相接为电解阴极，在阳极和阴极之间喷入具有电解作用的磨削液为电解液。该法主要用于金属结合剂金刚石磨具中，原理是金属结合剂的金属在电解的过程中会生成金属阳离子，与电解液中的氢氧根离子化合形成微小水溶性固体而被流动的电解液带走，磨粒充分露出使磨具达到较好的磨削效果。OHMORI等[50]用在线电解技术对铸铁基砂轮进行修锐后，加工工件可达到镜面效果。

3.5 电火花法

电火花法在修整金刚石磨具的过程中，需要在金刚石磨具和工具电极之间喷入磨削冷却液，电压加在工具电极与磨具之间，利用火花放电使黏结剂发生气化而除去磨具表面的结合剂，从而使金刚石磨粒暴露出来。但放电温度过高会导致磨粒的性能发生改变，有效控制磨具表面的温度是电火花修整金刚石磨具的关键。干为民等[51]利用电火花修锐技术得到精度高、加工表面光滑、磨削效果好且去除量小的磨头，并将其圆跳动误差修整到0.003 mm。

3.6 激光法

激光法[52]是利用光学系统把激光光束聚焦成很小的光斑作用在磨具表面，除少部分激光被反射外,绝大部分激光被黏结剂吸收,温度迅速升高而使黏结剂气化后被去除。此方法不仅可以通过调整激光加工参数选择性地去除结合剂材料而使磨粒具有一定的突起高度,达到修锐的目的，还可以同时去除磨具表面的金刚石磨粒达到整形的目的。该方法在修整时既没有机械作用力也没有修整工具的损耗，且激光作用时间短，作用面积小，对磨粒和黏结剂均无损伤，既提高了修整效率也保证了磨具的磨削性能，但修整工艺较复杂，成本较高。

金刚石磨具磨粒的出刃技术是其实现高效磨削、精密及超精密磨削的关键所在，其出刃手段种类繁多且各具优势，在实际应用中需要综合考虑被加工工件、 加工精度、材料去除率等因素来优选出刃方案并获得最佳的出刃效果。

4 磨粒出刃高度分布研究

磨粒出刃高度是评价磨削性能的一项重要参数，工件的表面粗糙度、亚表面损伤及磨具的磨损情况等都和磨粒出刃高度有着十分紧密的关系。磨具的磨削性能不仅仅取决于其磨削条件，也取决于磨具中磨粒的出刃高度。

李厦等[53]研究砂轮表面上磨粒高度的平均值，发现磨削前后的磨粒出刃高度分布均近似为正态分布。DOMAN等[54-58]根据磨粒形状、大小和分布密度得出磨粒出刃高度服从高斯分布(μ，σ2)。梅益铭等[59-60]在基于磨粒出刃高度成正态分布的基础上做了大量的建模方法及模拟仿真实验，验证了仿真方法的正确性和有效性。

也有研究表明：磨粒出刃高度不服从正态分布。CHOU等[61]对所测磨粒高度值进行正态性检验，发现其不符合正态分布，而Johnson变换可以将非正态分布的数据转换为符合正态分布的数据。NGUYEN等[62]认为磨粒高度服从非高斯随机分布，当采用Johnson变换、小波变换及逆变换处理时[63]可实现高斯域和非高斯域的转化。HECKER等[64-66]假定磨粒高度服从瑞利分布，推导了未变形磨屑厚度的计算表达式并基于硬度测试的定义建立了磨削力预测模型。郎献军等[67]根据磨粒形状为圆锥形且突出高度服从瑞利分布的假设下，推导出平面磨削过程中未变形磨屑厚度的计算表达式。KOSHY等[68]建立了磨粒间距为Gamma分布且磨粒出刃高度相同的砂轮模型。综上所述，可以利用统计学原理来研究磨具表面磨粒出刃高度的分布规律。

5 存在的问题及展望

国内外研究者经过大量的研究和分析,得出了磨具表面磨粒的特征主要有磨粒数量、磨粒的几何形状及分布[69]、磨粒的切削刃及其出刃高度[70-72]、磨粒间距等[73]。从传统的图像观测手段[74-75]到计算机辅助系统下的新型检测技术，再到磨粒识别与匹配技术[76-77]以及图像拼接技术[78]等均可有效重构出磨粒的三维形貌[79]并观测磨粒出刃高度的变化。然而，这些研究并没有涉及结合剂性能、磨具硬度、磨削参数等与金刚石磨具中磨粒出刃高度的相关关系，因此综合此类参数进行研究并对磨粒出刃高度进行调控是未来的研究趋势，研究结果对于研制高性能磨具，实现高效高速高精磨削都有着积极的作用。