面向航空发动机核心零部件高质高效磨削的砂轮自锐技术研究进展

朱烨均，丁文锋，赵彪，钱宁，王科昌

1.南京农业大学 江苏南京 210032

2.南京航空航天大学 江苏南京 210016

3.中国航发南方工业有限公司 湖南株洲 412002

1 序言

航空发动机（见图1）是飞机的主要动力系统，是飞机的“心脏”，具有结构复杂、精密度高、服役工况恶劣和可靠性要求严苛等特征，被誉为“现代工业皇冠上的明珠”[1，2]。能否实现先进航空发动机自主制造是国家综合国力的重要体现，对于经济发展、国家安全等具有重要意义[3]。随着航空发动机推重比、燃油经济性以及可靠性要求的日益提高，发动机核心零部件恶劣的工作环境也对使用的材料提出了更加苛刻的要求，其核心部件的材料不仅广泛采用镍基高温合金、钛合金等典型难加工材料，而且金属基复合材料、金属间化合物等新型难加工材料的使用比例也逐渐提高。以热端部件为例，一方面，其采用的镍基高温合金是典型的高强韧性难加工材料，具有抗蠕变性能优异、耐氧化和耐蚀性能良好等优点；另一方面，为满足复杂热力环境下对可靠性的高要求，发动机叶片榫齿和涡轮盘榫槽形状复杂，加工精度和表面完整性要求高。采用硬质合金成形铣刀加工时，不仅极易产生刀具磨损，而且工件表面质量难以满足使用要求[4]。

图1 典型航空发动机剖面[2]

近年来，以缓进深切磨削、高速/超高速磨削以及高效深切磨削为代表的高效磨削技术（见图2）得到了极大的发展。这些加工技术不仅具有普通磨削加工精度高、表面质量好的优点，而且极大地提高了磨削加工的材料去除率，甚至可以将零件由毛坯一次精密加工成形，在以难加工材料为主的航空发动机加工中占有重要地位[4，5]。尽管先进磨削加工技术性能优势显著，但是实际应用中，工件的加工效率普遍处于较低水平。主要原因在于，常用砂轮磨钝后无法通过磨粒破碎的形式形成新的切削刃，使得切削过程主要集中在划擦、耕犁阶段，不仅材料难以被有效去除，而且磨削热量集中，极易引起烧伤，需要通过频繁的修整保持砂轮的锋利度，加工效率始终处于较低水平[6]。

图2 花键轴成形高效磨削工艺[4]

砂轮自锐是指参与磨削的磨粒磨损至一定程度后破碎或脱落，使新的磨粒或切削刃出露并参与磨削的现象[7]。该现象与砂轮修整时磨粒切削刃自生成过程相似，因此称为砂轮自锐[8]。当磨粒（见图3a）发生磨耗磨损与磨粒脱落时（见图3b、图3c），磨粒切削刃无法快速形成，砂轮性能快速下降；但当磨粒磨损主要以大块破碎，甚至微破碎为主时（见图3d、图3e）），砂轮参与切削的微刃数保持稳定，切削能力得以保持，砂轮具有自锐性。因此，开发具有优异自锐性能的先进砂轮有助于维持砂轮高锋利度的长时稳定，从而实现航空发动机难加工材料高质高效加工。

图3 单颗磨粒磨损类型[8]

本文旨在对航空发动机核心零部件高质高效磨削的砂轮自锐技术研究现状进行全面总结，着重于高性能砂轮发展现状、自锐表征方法、砂轮自锐机理和高性能砂轮运用等几方面的研究成果，并对该类高性能砂轮制备、控制技术难点及发展趋势进行展望。

2 具有自锐特征的高性能砂轮发展现状

传统砂轮主要由磨料、结合剂和气孔组成（见图4）。STETIU等[9]指出，可以通过调控结合剂强度，约束砂轮工作面磨粒脱落速率，最终实现切削磨粒的更新，具有一定自锐性。然而，该类砂轮通过整颗磨粒脱落发生自锐，形状精度难以长期保持，需要通过不断修整才能满足榫齿等型面精度要求较高的零件加工。此外，尽管在位机械修整磨削[11]、ELID磨削[12]等方法可以实现砂轮锋利度的长时稳定，但对设备要求较高，大规模推广存在一定局限性。因此，通过改善磨料性能，从而实现砂轮自锐，已成为研究热点。

图4 普通砂轮示意[9，10]

20世纪80年代，3M公司首先采用溶胶-凝胶法合成了Seed-Gel陶瓷刚玉磨料（简称SG磨料），该磨料由亚微米级的微晶颗粒组成，磨钝的磨粒会在载荷的作用下沿微晶晶界发生沿晶断裂，使新的微切削刃持续出露，如图5所示。独特的材料性能使得使用SG磨料制备的砂轮可以通过持续不断的微破碎保持砂轮的高锋利度，具有良好的自锐性[13，14]。

图5 SG磨料与普通刚玉磨料磨损表面形貌对比[14]

以金刚石、立方氮化硼（CBN）为代表的超硬磨料具有硬度高、耐磨性好、导热性能优异等优势，在航空发动机难加工材料高效加工中具有独特的优势。但是，由于其各向异性的材料特性，传统超硬磨料磨钝后易沿解理面发生大块破碎，使得磨粒的性能优势无法充分发挥。该现象在单层电镀砂轮和单层钎焊砂轮等高性能砂轮中尤为显著[10，15]。

在众多探索超硬磨粒自锐性的工作中，湖南大学万隆教授和日本宇都宫大学ICHIDA博士所在团队的研究成果尤其引人注意。万隆教授团队通过化学腐蚀方法在传统金刚石表面制备出微孔结构，从而形成数量众多的微刃（见图6）[16]。一方面，该磨粒在磨削工件材料时，单颗磨粒切厚由于微刃数量的增加而急剧降低，使得硬脆材料主要以塑性的形式被去除，减小了应力集中造成的亚表面损伤（见图7）。相反地，常规金刚石磨粒主要以单切削刃去除材料，在相同磨削参数下，单颗磨粒切厚较大，材料的脆性去除无法完全避免，表面/亚表面损伤大。另一方面，在磨削过程中，磨粒表面众多的微刃首先参与切削，并逐渐发生磨损。在磨削力、热作用下，磨钝的微刃发生微破碎，使得磨粒内部的微刃出露，并继续参与磨削。脱落的磨粒微刃则因磨削液的高压冲击与快速流动被迅速移出磨削弧区，不会影响磨削表面质量。该现象显著提高了磨粒的利用率与服役寿命，有利于从源头增强多孔金刚石超硬磨料砂轮的锋利度与耐磨性。

图6 多孔金刚石磨粒[16]

图7 常规金刚石磨粒与多孔金刚石超硬磨粒磨削对比

日本宇都宫大学ICHIDA博士所在团队则研发了一种由超细微晶CBN颗粒烧结而成的新型聚晶CBN磨粒，如图8所示[17]。凭借其特殊的微观结构，该磨粒具有宏观层面各向同性的力学性能。当磨粒的切削刃磨钝后，磨粒切削刃会在载荷的作用下发生沿晶断裂，磨钝的微晶颗粒自行脱落，使磨粒内部新的微晶颗粒出露，并参与磨削，砂轮锋利度得到有效保持，从而实现砂轮的自锐。南京航空航天大学赵彪等人[18]和上海工程技术大学孙涛等人[7，19]则相继采用微晶CBN和微晶金刚石开发了具有相似自锐性质的团聚CBN磨料和团聚金刚石磨料，取得了良好的磨削效果。

图8 聚晶CBN磨粒SEM图[17]

以上研究表明，通过制备具有特殊微结构的磨粒，可以实现砂轮自锐。该方法也可有效避免砂轮快速磨损，以及对原有设备的大幅改装，对于航空发动机关键零部件高质高效磨削加工具有重要意义。

3 砂轮自锐性能表征研究现状

建立砂轮自锐性能表征方法，对揭示砂轮自锐机理，实现砂轮自锐过程稳定可控，以获得砂轮锋利度的长时稳定具有重要意义。因此，众多学者重点探讨了砂轮自锐性能的定性表征与定量表征方法。

3.1 砂轮自锐性能定性表征

砂轮自锐现象本质上是砂轮磨损的一种类型，众多学者首先从磨损的角度对砂轮自锐性能开展定性表征。早在20世纪70年代，STETIU和LAL[9]就尝试对砂轮磨削后脱落的磨粒进行分类统计，讨论砂轮硬度与磨粒磨损类型的关系。孙方宏等[20]则采用扫描电子显微镜（SEM）等设备统计小尺寸砂轮磨损后各种磨损类型所占比例，用于评价金刚石磨粒类型的耐磨性。WU等[21]采用光学显微镜对砂轮工作面的磨粒形貌进行了离线跟踪，通过跟踪典型磨粒的磨损过程，表征砂轮自锐性能。上述几种方法适用范围广，但存在工作量大、效率低等问题，同时，受限于SEM设备真空腔尺寸以及光学显微镜较低的分辨力，使磨粒磨损的局部区域磨损特征（如微裂纹等）仍难以观察。为此，南京航空航天大学陈珍珍博士等[22]设计制备了对称结构的镶块式砂轮（见图9），可以将磨削后的镶块单独拆卸并采用SEM观察，有效提升了分辨力。BUHL等[23]和戴晨伟等[24]的单颗磨粒磨削试验装置与之相似（见图10），都是将磨削工具设计为部件可单独拆卸结构，方便放置在SEM设备的真空腔或共聚焦显微镜设备中开展形貌跟踪。然而，上述方法均无法实现砂轮自锐的在线、甚至在机检测。为此，Zeng等[25]提出使用复形胶制作磨损砂轮工作面的掩膜，并使用SEM观察掩膜块上磨粒形貌演变过程，从而实现间接的在机检测。

图9 镶块式砂轮[22]

图10 单颗磨粒磨削试验装备[24]

形貌跟踪方法虽然实现了磨粒磨损过程的定性表征，但仅能辨认出磨粒各阶段的典型磨损特征，且受人员操作影响较大。戴晨伟等[24]使用共聚焦显微镜对金刚石磨粒切削刃的磨损过程进行跟踪，并借助共聚焦显微镜的三维成像功能成功提取了切削刃的轮廓，直观展示了磨粒切削刃磨损的过程，如图11所示。除此之外，还有文献[26]提及了借助磨削力信号以及声发射信号等间接表征砂轮磨损的过程。

图11 磨粒三维形貌表征[24]

在上述定性表征方法中，磨粒磨损形貌的检测、自锐性能的评价易受检测条件、人员素质以及判别标准等影响，各种磨损形式的评估误差比较大。磨削力信号以及声发射信号虽然可以反应砂轮整体磨损特征，但却无法表征砂轮磨削中最基本的磨粒磨损行为[27]。因此，砂轮磨损定性表征仍存在局限性。

3.2 砂轮自锐性能定量表征

磨耗磨损是砂轮磨损的重要类型之一，对砂轮磨削性能影响显著。吕玉山等[28]采用二值化处理方法提取了磨粒顶部磨耗平台面积比例，并探明了磨耗磨损与磨粒排布之间的影响机制。GOMES[29]和WIEDERKEHR等[30]提出采用机器学习方法，研究工具切削的磨损行为，并实现砂轮表面磨粒的高精度分辨（见图12）。MAHATA等[31]结合支持向量机，提出采用自适应时域分析技术（Hilbert Huang transform方法）用于提取时域-频域中的工具磨损特征。

图12 基于深度学习的磨粒磨损形貌识别[30]

清华大学李学崑等[32]将不同磨损阶段的砂轮形貌复形至石墨表面，通过测量磨痕深度，间接获得了砂轮的径向磨损，从而实现砂轮磨损时变特征的研究（见图13）。然而，基于上述方法仅能得到砂轮宏观层面的磨损信息。戴晨伟等[33]基于复形方法获取了砂轮工作面三维形貌，并提出磨粒各阶段的高度信息，从而为预测工件磨削表面形貌提供数据支撑。但是，该方法将磨粒简化为垂直的圆锥，未考虑到实际磨粒形状、位姿差异对结果的影响。CUI等[34]则采用光学设备逐层采集、拟合砂轮工作面形貌，并提出磨粒等效直径、横截面面积等磨粒磨损参数。XIE等[35]则采用探针法开展相似的工作。

图13 砂轮磨损时变特征研究示意[32]

由于设备尺寸和软件效率的限制，磨粒工作面上成千上万颗磨粒的高效表征仍然是困扰学者的难题。为此，数学分析方法已逐渐引入砂轮自锐研究。以分形几何学为例，该方法是Mandelbrot教授于1975年提出并建立的数学分支，用于研究不规则离散型面以及多尺度下结构几何学中整体与局部特征的关系[36]。其核心思想即为物理的自相似性，也就是物体形貌在经历多次放大后，仍然能保持与原形貌较好的相似性特征。这种整体与局部通过某种方式的相似的特征称为分形。具有分形特征的物体均可使用分形理论表征其形貌的内在联系，如图14所示。

图14 具有分形特征的结构构建过程[36]

FUJIMOTO等[37]基于分形理论，将光学显微镜采集的磨粒三维形貌信息数值化，并建立磨粒切削刃区域形貌分形维数的计算模型，结果表明，可以使用磨粒形貌分形维数数值表征磨粒磨损形态。当磨粒表面磨耗平台较多时，磨粒的分形维数数值较低；而当磨粒磨损以微破碎为主时，磨粒的分形维数数值较高（见图15）。因此，分形维数可以用于定量评价磨粒的形貌变化过程，从而反映砂轮的磨损行为。基于上述理论，WANG等[38]将分形维数应用于金刚石砂轮磨损过程研究，验证了分形维数用于表征砂轮自锐过程的可行性。李灏楠等[39]在开展团聚刚玉磨粒砂带磨削钛合金研究时，成功将分形理论应用于砂轮自锐性能、材料去除率以及磨削参数之间的关系分析，并取得了良好的效果。

图15 三维分形分析示意[39]

上述学者通过试验测试、数学分析、理论建模等多方面建立了可用于表征磨粒自锐过程的方法，进一步揭示了磨粒自锐机理，从而实现磨粒自锐过程有效控制，最终实现“依材制刀，依材设刀”的高质高效加工。

4 砂轮自锐机理研究现状

砂轮自锐表征方法可以为砂轮自锐过程研究提供工具支持，但是，只有阐明砂轮自锐机理，才能为实现砂轮自锐过程可控、提高磨削性能提供理论支撑。

FUJIMOTO等[37]探讨了陶瓷结合剂CBN砂轮磨损形貌与材料去除量的关系，并指出砂轮磨损存在初期磨损与稳定磨损两个阶段，而磨粒脱落与微破碎是该类砂轮自锐的主要表现形式。SHI和MALKIN等[40]将磨耗平台面积比例作为电镀CBN砂轮磨损的评价指标，并发现砂轮实际磨耗平台面积比例远低于理论值。其主要原因在于，过大的磨耗平台面积比例引起了较高的磨削载荷，导致磨钝的磨粒发生破碎而形成新的切削刃，从而降低了理论磨耗平台面积的比例。由此表明，砂轮自锐性能已经是建立磨削模型时不可忽视的因素。此外，这两位学者也以磨粒径向磨损量为判定标准，提出了砂轮失效的判定准则。

于天宇等[41]发现电镀CBN砂轮磨削时存在疲劳失效与磨损失效两种失效形式，基于Paris模型和Preston-type模型对上述两种失效形式分别建模，成功预测了高速磨削以及高效深切磨削工艺中砂轮的使用寿命。该模型综合考虑了磨削力与磨削温度等因素，并指出高效深切磨削中，磨削温度引起的应力损伤是造成磨粒损伤的主要原因，同时，工件进给速度对砂轮磨损速率的影响也高于砂轮线速度。

李学崑等[42]通过研究认为，原子间结合键的断裂是引起磨粒磨损的主要原因，主要受导入磨粒能量高低的影响。当砂轮线速度超过阈值时，大量导入磨粒的能量激发了磨粒表面的结合键，从而使表层原子逐层脱落，形成以磨耗磨损为主的磨损形貌；当砂轮线速度低于阈值时，产生的能量不足以激发结合键，因此，磨粒内部优先产生裂纹扩展，从而形成以微破碎/大块破碎为主的磨粒形貌，如图16所示。

图16 基于磨削能量理论的磨粒磨损机理示意[42]

GRAHAM等[43]则基于Griffiths脆性断裂准则建立了刚玉磨料磨损模型，并指出磨粒切削刃存在两处易磨损区域，分别是前刀面上距离磨粒顶部2～3倍切削接触长度区域，以及磨粒切削刃区域。宿崇[44]基于光滑粒子流体动力学建立了CBN磨损模型，并指出磨粒破碎的主要原因是磨粒内部的应力超出了磨粒的强度极限，同时磨粒顶部易出现磨耗磨损，而微破碎则易出现在磨粒棱边处。在此基础上，余中华等[45]基于强度极限理论建立了磨粒切削过程磨损模型，研究表明，磨粒断裂的主要原因是磨粒内部承受的最大主应力，该模型也间接预测了磨粒的磨损演变。王子琨等[46]依据赫兹接触理论，综合考虑固结聚集体金刚石垫的结构特征，建立了固结聚集体金刚石垫与工件微观接触的模型，并结合强度模型，建立了聚集体金刚石微破碎条件。

磨粒自身的微观结构是决定磨粒自锐特性的内在原因，磨削复合的作用是导致磨粒自锐的外在因素，通过构建磨粒微观结构模型，进而阐明磨粒自锐过程是一条有效途径。具有典型自锐性的磨粒普遍具有微晶结构（例如SG磨粒、聚晶CBN磨粒），以及类微晶结构（例如多孔金刚石磨粒）。ZHOU等[47]建立了磨粒内部应力分布的仿真模型，并研究了砂轮参数（磨粒出露高度、磨粒磨损体积和结合剂磨损量）对磨粒内部残余应力分布的影响，进而提出了可有效抑制磨粒磨损的策略。饶志文等[48]基于Voronoi模型构建了PCBN磨粒的微观结构模型，实现了聚晶CBN磨粒裂纹扩展的预测，并探明了材料性能与裂纹形成间的关系。

5 基于砂轮自锐特性的航空发动机高质高效磨削应用现状

大连理工大学康仁科等学者[49]将SG砂轮应用于钛合金磨削加工中，结果表明使用微晶刚玉砂轮磨削时，砂轮堵塞程度显著好转，同时工件表面完整性得到了明显改善，热影响层厚度降低40%，提高了砂轮寿命和加工效率。

湖南大学万隆等[50]将多孔金刚石磨粒应用于难加工材料磨削后，发现磨削比降低了15.5%，表面粗糙度值降低了27.5%，砂轮具有极大的优势。南京航空航天大学赵彪等[51]将团聚CBN磨粒应用于钛合金TC4的缓磨中，发现砂轮的磨削力降低了7.2%～30.4%，同时可以获得更好的表面质量。

南京航空航天大学丁文锋等[52]研制了具有磨粒自锐功能的钎焊聚晶CBN超硬磨料砂轮，结合单颗磨粒磨削负荷与应力，提出通过调控单颗磨粒切厚进而主动控制砂轮自锐行为的工艺策略，并将其应用于航空发动机导向叶片橼板外型面磨削，结果表明加工精度满足要求，工件表面纹理清晰，无褶皱、撕裂和振纹等现象，工件表面粗糙度值Ra为0.7μm，同时，加工效率提升了12.5%，实现了航空发动机导向叶片的高质高效加工。

6 结束语

随着对航空发动机推重比、可靠性等要求的不断提高，对发动机零部件的磨削加工技术和加工效率要求也不断上升。如何实现砂轮长时稳定的高锋利度已经成为发动机高质高效加工的关键。尽管众多学者在新型磨粒开发、砂轮磨损表征以及砂轮自锐机理等方面开展了卓有成效的研究，但依然无法完全满足高性能航空发动机核心零部件的加工需求。为此，有必要进一步挖掘磨粒改性与砂轮制备技术、砂轮磨损表征技术，并深入探索砂轮自锐机理，为先进航空发动机核心零部件高质高效磨削加工提供理论支撑。