砂轮修整技术的发展

2021-12-06崔仲鸣

金刚石与磨料磨具工程 2021年3期

崔仲鸣

(1. 河南工业大学机电工程学院，郑州 450001)

(2. 河南省超硬磨料磨削装备重点实验室，郑州 450001)

河南工业大学机电学院磨削团队成立于2004年，一直致力于磨削加工和磨料磨具制造技术领域的研究，是学校的优势学科方向。2018年依托机电学院建立了河南省超硬磨料磨削装备重点实验室。目前团队有12人，主要研究方向：砂轮修整技术、磨削工艺理论、精密超硬磨料工具制造和金刚石修整滚轮制造及应用技术等。近5年来获得国家自然基金重点项目1项、面上项目4项、青年基金3项，发表相关论文120余篇。团队成果金刚石约束形面超硬磨料砂轮修整技术、挤磨削技术、精密金刚石工具制造技术和高精度复杂形面金刚石修整滚轮制造应用技术等在制造行业中得到了广泛的应用。

磨削属于精密加工方法之一，由于具有磨粒硬度高、切削速度高、加工精度高、加工能力强等优点，可以获得高的加工精度和低的表面粗糙度，特别适合于加工高硬度、高强度的材料。磨削过程中砂轮表面的几何形状和表面磨粒切削刃分布、裸露情况是决定砂轮磨削性能、精度和工件表面质量的重要因素和前提条件，只有通过对砂轮的修整才能使砂轮具有精确的形状、合适的表面磨刃状态，以实现所希望的磨削结果。在磨削过程中，砂轮磨粒的磨损、脱落使砂轮工作形面发生不均匀磨损失去了原来正确的几何形状。同时随磨削进程，砂轮工作表面发生磨钝、堵塞等现象，造成砂轮钝化、磨削性能下降，也须对砂轮进行定期修整，恢复砂轮工作形面上的正确几何形状，表面形成新的锋利磨粒切削刃和新的容屑空间，恢复砂轮的磨削性能。所以修整技术是磨削加工技术的重要环节之一。

1 砂轮修整技术发展现状

砂轮一般分为以氧化物系、碳化物系为磨料的普通磨料砂轮和以金刚石、立方氮化硼为磨料的超硬磨料砂轮2类。在普通磨料砂轮中，氧化物系普通磨料砂轮主要有棕刚玉磨具、白刚玉磨具、天然刚玉磨具、锆刚玉磨具等；碳化物系砂轮主要有黑色碳化硅磨具、绿色碳化硅磨具、碳化硼磨具等。此外还有新型磨料如以陶瓷刚玉磨料、堆积磨料、煅烧磨料为代表的新型磨具。由于普通磨料的硬度和耐磨性都远远低于金刚石的，通常采用金刚石工具就可以对其高效精密修整。普通磨料磨具的发展历史比较久远，制造技术比较成熟，结合剂与磨粒能够实现良好的结合，对磨粒的把持能力强，在修整过程中可以将磨料和结合剂同时去除，并且磨粒能够通过局部破碎实现精确的砂轮形面和磨削微刃，使砂轮具有良好的磨削性能。目前普通磨料砂轮的修整主要采用金刚石修整笔和金刚石修整滚轮等修整工具，通过调整修整工具的形状和修整工艺参数来实现砂轮达到要求的各种形状和表面磨削性能。从应用情况看，普通砂轮修整技术已经比较完善，现有的砂轮修整技术对于普通磨料砂轮的修整来说，基本上满足了砂轮修整的需要。

超硬磨料砂轮出现于20世纪60年代。由于超硬磨料具有优异的物理化学性质，与普通磨粒相比具有极高的硬度和耐磨性，在高速磨削、深切缓进磨削、强力磨削和精密超精密磨削中得到了广泛的应用。也是由于超硬磨粒的超高硬度，在磨削中砂轮的修整非常困难。研究表明超硬磨料砂轮难以修整的主要原因是：一方面超硬磨料的机械强度极高，破碎极其困难，且磨粒镶嵌在结合剂中形成了软硬结合的密实结构，采用传统修整方法很难像修整普通砂轮那样将结合剂和磨粒同时修除，所以造成整形效率低、修形困难等问题；另一方面由于超硬磨料具有高的表面结合能，不容易与结合剂形成强度高的结合，所以，修整过程中磨粒不容易通过磨粒局部破碎修除，往往是通过磨粒的整体脱落修除，使砂轮修整结果难以达到非常精密的修整精度。目前对超硬磨料砂轮的修整过程一般分为整形和修锐两个阶段。整形是指通过修整手段使砂轮具有要求的工作形面精度。但由于超硬磨料不像普通磨料那样具有良好的自锐性，整形后的砂轮工作表面磨粒刃口露出很低，不具有磨削所要求的磨粒裸露高度，磨削性能不好，因此整形后的超硬磨料砂轮还必须经过修锐将超硬磨粒周围多余的结合剂除去，使磨粒裸露出理想的高度。

新的磨料磨具的出现也推动了修整工具和修整方法的发展。修整工具的发展经历了从天然金刚石到人造金刚石，从单点金刚石到多点金刚石，再到金刚石修整轮等；在修整方法方面，开始时采用机械修整方法，随着现代先进加工技术的出现，开发了声光电及其复合修整技术，进一步提高了对砂轮的修整能力。

归纳起来，砂轮修整主要分为机械修磨法、电加工修整法和其他修整法几类。机械法主要有：单点金刚石笔修整法(车削法)、磨削修整法、金刚石滚轮修整法、滚压修整法、金刚石形面约束的自有磨粒挤磨修整法。电加工法主要有：电解修整法和电火花修整法。其他修整法包括超声振动修整法、激光修整法、磨料射流修整法和复合修整方法等。

2 修整方法及应用

2.1 单点金刚石笔修整法

金刚石修整笔修整砂轮属于单点修整，修整过程是模仿车床上车刀车削工件外圆表面的运动。金刚石修整笔的修整部分被刃磨成一定的形状，以一定的修整吃刀深度切入砂轮，并沿砂轮轴向以一定的修整导程作均匀的低速进给运动。通过调节金刚石笔的进给运动的速度可以修整出不同的粗糙度的砂轮表面，通过调整修整轨迹可以修整出需要的砂轮形面。

金刚石修整笔采用的大多是天然金刚石、优等人造金刚石及聚晶体，其类型可分为单粒金刚石修整工具、片状砂轮刀和多点金刚石修整器等。

金刚石修整笔修整砂轮具有修整方法简单、使用方便等特点，可以修整平行形面和成形曲面。对于超硬磨料砂轮的修整，单点金刚石修整笔可以用于修整陶瓷结合剂类的超硬磨料砂轮。对于密实型结合剂超硬磨料砂轮如树脂结合剂、金属结合剂超硬磨料砂轮，单点金刚石修整笔车削法则不能修整，因为单点修整笔在修整这类砂轮过程中磨损很快，出现较大的平台。随平台逐渐增大，修整力升高；当平台达到一定面积时，修整力急剧增加，使修整不能继续。

2.2 磨削修整法

磨削修整法是采用修整工具以磨削的方式修整被修砂轮。对于普通磨料砂轮修整，磨削法采用的修整工具是金刚石砂轮或磨轮等，可以取得高的效率、良好的修整精度，缺点是修整后砂轮形面锋利度不够。对超硬磨料砂轮修整，磨削法的修整工具则采用碳化硅砂轮，通过修除超硬磨料砂轮的结合剂使磨粒脱落实现对砂轮形面的修整。采用碳化硅砂轮修整超硬磨料砂轮的缺点是修整效率较低，而且作为修整工具的普通碳化硅砂轮磨损很快，修整精度难以保证。

为了克服这一缺点，学者们在这方面进行了深入研究，发展了一种采用杯形砂轮修整器，并将修整进给改为切入进给方式的修整方法，在一定程度上提高了砂轮的修整精度和修整效率。其修整机理为脱离砂轮基体的普通磨料以研磨的方式对超硬磨料砂轮修整，修整工具砂轮的磨损量仍然很大。

近年来随着机械装备精度的提高和数控技术的进步，为了提高修整精度，人们开始采用金刚石砂轮精密修磨超硬磨料砂轮，达到了微米级甚至亚微米级的修整精度，是目前修整超硬磨料砂轮获得精度最高的方法之一。

2.3 金刚石滚轮修整法

金刚石修整滚轮是一种具有所要求几何形面的单层金刚石回转修磨轮，属于精密旋转金刚石修整工具。其与传统的修磨工具的区别是采用单层金刚石构成工作形面，不但具有很高的回转精度而且还可以具有复杂的高精度成形表面。金刚石修整滚轮的制造技术比较复杂，是多种技术的集合，制造方法分为电镀法和粉末冶金法。

金刚石修整滚轮修整原理是通过金刚石修整滚轮和被修砂轮的旋转运动之间所产生的相对运动来实现对砂轮的修磨。根据修整的运动方式可以将金刚石滚轮修整分为成形修整法和轨迹修整法。

成形修整法是修整滚轮采用切入磨削的方式修整砂轮，将金刚石滚轮的形面形状精确复制到砂轮表面，即在砂轮上修整出精确的形面。成形修整法修整具有修整效率高、精度稳定性好的优点，修整精度全部依靠金刚石滚轮的形面形状精度保证。主要应用于磨削中普通磨料砂轮的成形修整，主要的修整工艺参数有修整速比、修整切深和光修转数等。可以通过调整修整参数改变修整后砂轮表面磨刃的锋利程度。目前金刚石修整滚轮形面制造精度可以达到2 μm之内，如在轴承沟道磨削中使用金刚石滚轮修整沟道的圆弧，圆弧曲率精度可以达到2 μm以下，沟道间距离精度在2.5 μm以内，磨削表面粗糙度Ra在0.2 μm以下；在航空发动机叶片根部榫槽对缓进磨削中，采用金刚石滚轮成形修整砂轮，砂轮榫槽形状修整的廓精度可以达到5 μm以内，槽距误差在2.5 μm以内。

轨迹法是采用数控技术或仿形机构控制金刚石滚轮做要修整的形面轨迹运动对砂轮进行修整。轨迹法修整柔性好，主要使用圆片状金刚石修整滚轮，通过编程可以修整出各种砂轮形面形状。采用片状金刚石滚轮的轨迹修整法可以用于普通砂轮修整，也可以用于超硬磨料砂轮修整。可以通过轨迹微细插补和误差补偿达到很高的修整精度，但批量生产中修整精度稳定性不好、修整效率低。

2.4 滚压修整法

滚压修整法是采用滚压修整轮与旋转的被修砂轮接触，通过被修砂轮对修整轮的摩擦力带动其滚动，利用被修砂轮与修整滚压轮之间的滚压作用和相对滑擦作用来实现修整。

修整工具滚压轮的材质有普通磨料滚压轮、硬质合金滚压轮和淬火钢滚压轮等。普通磨料砂轮作为滚压轮时一般采用陶瓷结合剂制作，粒度号一般较粗(F36～F80)，采用偏硬的硬度等级。采用普通砂轮作为滚压修整轮优点是修整效率较高，缺点是磨损大。

以硬质合金制作的滚压轮具有高的硬度和耐磨性，但是硬质合金难以加工，要制作带有形面的修整滚压轮比较困难。

淬火钢用于滚压轮修整时，为了抵抗滚压力和磨损，滚压轮采用低碳钢表面渗碳工艺，表面硬度达50 HRC以上。采用淬火钢制造滚压修整轮，硬度和耐磨性虽然不如硬质合金滚压轮的，但是容易制造成形滚压轮，用于较为精密的成形修整。滚压修整法优点是结构简单，修整范围广，可以进行复杂形面成形修整。存在的不足是修整工具损耗过快，影响修形能力和修整精度。目前数控修整技术和金刚石滚轮等先进的修整方法的出现，很大程度上取代了这种传统的方法，所以滚压修整方法在应用中已很少采用。

2.5 金刚石形面约束的自由磨粒挤磨修整法

金刚石形面约束的自由磨粒挤磨修整方法是基于金刚石、普通磨料和结合剂三者之间在强度上存在巨大差异的特性提出的一种修磨砂轮形面的方法。其基本原理是表面有精密形状的金刚石工具通过高速旋转生成具有约束能力的高强度金刚石约束形面，约束自由磨粒对被修砂轮产生挤压划擦作用，破坏砂轮结合剂使磨粒脱落完成砂轮的高效整形；整形之后再通过修整工具高强度金刚石磨料的微研削作用对被修砂轮形面进行修磨，进一步提高砂轮形面的修磨精度。

试验和应用表明，对于陶瓷结合剂和树脂结合超硬磨料砂轮或磨盘，修整效率显著提高，同时也可以取得磨削精度级的修整精度。修整的工艺参数有自由磨粒粒径、浓度、挤磨力及挤磨速比。基本规律为约束形面的金刚石粒度要大于自由磨粒的粒度，使用的自由磨粒大小应与被修砂轮磨粒粒度相当或偏小以获得平稳的修整效果和较好的修整效率；随自由磨粒浓度的增加，挤磨修整效率呈线性增加。

2.6 电解修整法

电解修整法应用于修整金属结合剂金刚石砂轮，修整原理是以电化学作用为主、机械作用为辅。砂轮作为阳极，修整砂轮用的修整块为阴极，调整砂轮与修整块两极间的间隙，使其保持合适的电解间隙。电解液经喷嘴喷入间隙中，电流从砂轮通过电解液而流向修整块，形成通路，砂轮工作层的金属结合剂表面在电流和电解液作用下发生电解，使磨粒裸露修锐，甚至在修整力的作用下使磨粒脱落实现整形。

在线电解修整(electrolytic in-process dressing, ELID)技术是以金属结合剂微细超硬磨料砂轮作为阳极，通过电解使砂轮磨粒露出、突出颗粒脱落，形成锋利、等高的切削刃和容屑空间，同时电解液在砂轮表面形成钝化膜阻止砂轮进一步电解损失，从而实现微细磨料砂轮的精细修整。该方法优点是修整力小、效率高、工艺简单、修锐质量好等。该方法很好地解决了金属结合剂微细粒度超硬磨料砂轮容屑空间和砂轮锋锐性的保持问题。应用ELID磨削技术可对工程陶瓷等硬脆材料实现高效率磨削和超精密镜面磨削，磨削表面粗糙度可达几纳米，在超精密磨削中得到很好的应用。

2.7 电火花修整法

电火花修整砂轮的原理是利用电弧放电烧蚀去除实现修整。在电火花整形过程中，采用正极性加工，金属结合剂金刚石磨料砂轮接电源正极，修整工具电极接电源负极，砂轮以一定的速度旋转。通过修整工具电极和砂轮之间的间隙放电，电弧产生瞬间高温将结合剂和金刚石磨料气化、碳化蚀除。

该方法具有修整工具电极制造容易，砂轮表面受热影响范围小和可以实现连续进行粗、半精和精修整工作等特点。采用成形电极修整砂轮，可以取得较高的砂轮形状精度、整形效率和磨削表面质量，一定程度上解决了金属结合剂细粒度金刚石磨料砂轮的修整问题，可以应用于金属结合剂超硬磨料砂轮的复杂形面成形精密磨削之中。

2.8 超声振动修整法

目前采用超声波修整砂轮的方法主要有金刚石笔辅助修整和游离磨料超声修整。

金刚石笔辅助修整是在单点和多点金刚石笔车削修整法的基础上附加超声振动，从而提高了修整效率和修整后砂轮的磨削性能，并且可以利用超声空化冲击效果在整形的同时进行修锐。

游离磨料进行超声修整方法是将变幅杆输出端连接修整板，在修整板与金刚石砂轮之间设置一定间隙，在此间隙中注入混有磨料的液体。在超声波声压的拉压作用下，在液体内持续形成空腔并在瞬间产生脉冲爆炸，这些冲击促使悬浮液渗入金刚石砂轮表面的细微裂纹中，进一步加剧结合剂的碎除作用。

超声振动修整超硬磨料砂轮不但可以提高修整效率，被修砂轮表面还可以获得良好的形貌。应用表明，超声振动修整后的砂轮表面形貌有了很大改善，能够满足精密磨削要求，修整后的砂轮工作表面磨粒之间有足够的间隔和突出高度，砂轮可以获得降低磨削力和磨削温度的效果。

2.9 激光修整法

激光通过聚焦形成极高的能量，能在数毫秒甚至更短的时间内使各种材料熔化或气化，达到去除材料的目的。激光修整法是采用一定强度的激光照射超硬磨料砂轮表面，根据结合剂与磨粒瞬间耐热性的较大差异，去除结合剂实现砂轮形面修锐；如果激光功率密度足够高，也可同时去除砂轮表面的磨粒，并通过控制砂轮的运动参数，使砂轮获得要求的几何形状，达到整形的目的。激光修整砂轮具有高能量密度、高注入速度、高加工效率、无工具损耗、非接触、易控制和无公害等特点。

激光修整技术发展迅速，目前在砂轮修整中采用了高能量脉冲激光修整的先进技术，由于脉冲激光占空比小，烧蚀时有利于散热，热影响小，能减小对烧蚀磨料的损伤，获得较好的表面形貌。目前通过控制单脉冲能量，激光脉冲烧蚀深度可以控制在微米数量级，甚至更小，在砂轮表面细微形面的修整方面已经超过了机械法修整的精度，是一种极具潜力的超硬磨料砂轮精密修整方法。

3 展望

3.1 普通磨料砂轮的修整技术

普通磨料砂轮具有良好的自锐性、材料去除能力和形状保持性，经过了长时间的发展，其砂轮制造和应用技术都非常成熟。随着技术进步，刚玉和碳化硅磨料砂轮制造技术也在不断进步，新型的普通磨料砂轮不断出现。有许多应用场合普通磨料砂轮与超硬磨料砂轮相比具有非常显著的价格优势，也有些场合只能采用普通磨料砂轮磨削。因此普通磨料砂轮仍具有长久的应用市场，普通砂轮的修整技术也需要不断发展进步。

从目前技术看，普通磨料砂轮修整主要是采用金刚石工具机械修整法。随着磨削智能化发展，提高修整精度和自动化程度是发展方向，金刚石修整滚轮修整技术具有良好的应用前景。