砂輪修整技術的發展

崔仲鳴

(1. 河南工業大學 機電工程學院， 鄭州 450001)

(2. 河南省超硬磨料磨削裝備重點實驗室， 鄭州 450001)

河南工業大學機電學院磨削團隊成立于2004年，一直致力于磨削加工和磨料磨具制造技術領域的研究，是學校的優勢學科方向。2018年依托機電學院建立了河南省超硬磨料磨削裝備重點實驗室。目前團隊有12人，主要研究方向：砂輪修整技術、磨削工藝理論、精密超硬磨料工具制造和金剛石修整滾輪制造及應用技術等。近5年來獲得國家自然基金重點項目1項、面上項目4項、青年基金3項，發表相關論文120余篇。團隊成果金剛石約束形面超硬磨料砂輪修整技術、擠磨削技術、精密金剛石工具制造技術和高精度復雜形面金剛石修整滾輪制造應用技術等在制造行業中得到了廣泛的應用。

磨削屬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、加工能力強等優點，可以獲得高的加工精度和低的表面粗糙度，特別適合于加工高硬度、高強度的材料。磨削過程中砂輪表面的幾何形狀和表面磨粒切削刃分布、裸露情況是決定砂輪磨削性能、精度和工件表面質量的重要因素和前提條件，只有通過對砂輪的修整才能使砂輪具有精確的形狀、合適的表面磨刃狀態，以實現所希望的磨削結果。在磨削過程中，砂輪磨粒的磨損、脫落使砂輪工作形面發生不均勻磨損失去了原來正確的幾何形狀。同時隨磨削進程，砂輪工作表面發生磨鈍、堵塞等現象，造成砂輪鈍化、磨削性能下降，也須對砂輪進行定期修整，恢復砂輪工作形面上的正確幾何形狀，表面形成新的鋒利磨粒切削刃和新的容屑空間，恢復砂輪的磨削性能。所以修整技術是磨削加工技術的重要環節之一。

1 砂輪修整技術發展現狀

砂輪一般分為以氧化物系、碳化物系為磨料的普通磨料砂輪和以金剛石、立方氮化硼為磨料的超硬磨料砂輪2類。在普通磨料砂輪中，氧化物系普通磨料砂輪主要有棕剛玉磨具、白剛玉磨具、天然剛玉磨具、鋯剛玉磨具等；碳化物系砂輪主要有黑色碳化硅磨具、綠色碳化硅磨具、碳化硼磨具等。此外還有新型磨料如以陶瓷剛玉磨料、堆積磨料、煅燒磨料為代表的新型磨具。由于普通磨料的硬度和耐磨性都遠遠低于金剛石的，通常采用金剛石工具就可以對其高效精密修整。普通磨料磨具的發展歷史比較久遠，制造技術比較成熟，結合劑與磨粒能夠實現良好的結合，對磨粒的把持能力強，在修整過程中可以將磨料和結合劑同時去除，并且磨粒能夠通過局部破碎實現精確的砂輪形面和磨削微刃，使砂輪具有良好的磨削性能。目前普通磨料砂輪的修整主要采用金剛石修整筆和金剛石修整滾輪等修整工具，通過調整修整工具的形狀和修整工藝參數來實現砂輪達到要求的各種形狀和表面磨削性能。從應用情況看，普通砂輪修整技術已經比較完善，現有的砂輪修整技術對于普通磨料砂輪的修整來說，基本上滿足了砂輪修整的需要。

超硬磨料砂輪出現于20世紀60年代。由于超硬磨料具有優異的物理化學性質，與普通磨粒相比具有極高的硬度和耐磨性，在高速磨削、深切緩進磨削、強力磨削和精密超精密磨削中得到了廣泛的應用。也是由于超硬磨粒的超高硬度，在磨削中砂輪的修整非常困難。研究表明超硬磨料砂輪難以修整的主要原因是：一方面超硬磨料的機械強度極高，破碎極其困難，且磨粒鑲嵌在結合劑中形成了軟硬結合的密實結構，采用傳統修整方法很難像修整普通砂輪那樣將結合劑和磨粒同時修除，所以造成整形效率低、修形困難等問題；另一方面由于超硬磨料具有高的表面結合能，不容易與結合劑形成強度高的結合，所以，修整過程中磨粒不容易通過磨粒局部破碎修除，往往是通過磨粒的整體脫落修除，使砂輪修整結果難以達到非常精密的修整精度。目前對超硬磨料砂輪的修整過程一般分為整形和修銳兩個階段。整形是指通過修整手段使砂輪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樣具有良好的自銳性，整形后的砂輪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輪還必須經過修銳將超硬磨粒周圍多余的結合劑除去，使磨粒裸露出理想的高度。

新的磨料磨具的出現也推動了修整工具和修整方法的發展。修整工具的發展經歷了從天然金剛石到人造金剛石，從單點金剛石到多點金剛石，再到金剛石修整輪等；在修整方法方面，開始時采用機械修整方法，隨著現代先進加工技術的出現，開發了聲光電及其復合修整技術，進一步提高了對砂輪的修整能力。

歸納起來，砂輪修整主要分為機械修磨法、電加工修整法和其他修整法幾類。機械法主要有：單點金剛石筆修整法(車削法)、磨削修整法、金剛石滾輪修整法、滾壓修整法、金剛石形面約束的自有磨粒擠磨修整法。電加工法主要有：電解修整法和電火花修整法。其他修整法包括超聲振動修整法、激光修整法、磨料射流修整法和復合修整方法等。

2 修整方法及應用

2.1 單點金剛石筆修整法

金剛石修整筆修整砂輪屬于單點修整，修整過程是模仿車床上車刀車削工件外圓表面的運動。金剛石修整筆的修整部分被刃磨成一定的形狀，以一定的修整吃刀深度切入砂輪，并沿砂輪軸向以一定的修整導程作均勻的低速進給運動。通過調節金剛石筆的進給運動的速度可以修整出不同的粗糙度的砂輪表面，通過調整修整軌跡可以修整出需要的砂輪形面。

金剛石修整筆采用的大多是天然金剛石、優等人造金剛石及聚晶體，其類型可分為單粒金剛石修整工具、片狀砂輪刀和多點金剛石修整器等。

金剛石修整筆修整砂輪具有修整方法簡單、使用方便等特點，可以修整平行形面和成形曲面。對于超硬磨料砂輪的修整，單點金剛石修整筆可以用于修整陶瓷結合劑類的超硬磨料砂輪。對于密實型結合劑超硬磨料砂輪如樹脂結合劑、金屬結合劑超硬磨料砂輪，單點金剛石修整筆車削法則不能修整，因為單點修整筆在修整這類砂輪過程中磨損很快，出現較大的平臺。隨平臺逐漸增大，修整力升高；當平臺達到一定面積時，修整力急劇增加，使修整不能繼續。

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輪。對于普通磨料砂輪修整，磨削法采用的修整工具是金剛石砂輪或磨輪等，可以取得高的效率、良好的修整精度，缺點是修整后砂輪形面鋒利度不夠。對超硬磨料砂輪修整，磨削法的修整工具則采用碳化硅砂輪，通過修除超硬磨料砂輪的結合劑使磨粒脫落實現對砂輪形面的修整。采用碳化硅砂輪修整超硬磨料砂輪的缺點是修整效率較低，而且作為修整工具的普通碳化硅砂輪磨損很快，修整精度難以保證。

為了克服這一缺點，學者們在這方面進行了深入研究，發展了一種采用杯形砂輪修整器，并將修整進給改為切入進給方式的修整方法，在一定程度上提高了砂輪的修整精度和修整效率。其修整機理為脫離砂輪基體的普通磨料以研磨的方式對超硬磨料砂輪修整，修整工具砂輪的磨損量仍然很大。

近年來隨著機械裝備精度的提高和數控技術的進步，為了提高修整精度，人們開始采用金剛石砂輪精密修磨超硬磨料砂輪，達到了微米級甚至亞微米級的修整精度，是目前修整超硬磨料砂輪獲得精度最高的方法之一。

2.3 金剛石滾輪修整法

金剛石修整滾輪是一種具有所要求幾何形面的單層金剛石回轉修磨輪，屬于精密旋轉金剛石修整工具。其與傳統的修磨工具的區別是采用單層金剛石構成工作形面，不但具有很高的回轉精度而且還可以具有復雜的高精度成形表面。金剛石修整滾輪的制造技術比較復雜，是多種技術的集合，制造方法分為電鍍法和粉末冶金法。

金剛石修整滾輪修整原理是通過金剛石修整滾輪和被修砂輪的旋轉運動之間所產生的相對運動來實現對砂輪的修磨。根據修整的運動方式可以將金剛石滾輪修整分為成形修整法和軌跡修整法。

成形修整法是修整滾輪采用切入磨削的方式修整砂輪，將金剛石滾輪的形面形狀精確復制到砂輪表面，即在砂輪上修整出精確的形面。成形修整法修整具有修整效率高、精度穩定性好的優點，修整精度全部依靠金剛石滾輪的形面形狀精度保證。主要應用于磨削中普通磨料砂輪的成形修整，主要的修整工藝參數有修整速比、修整切深和光修轉數等?？梢酝ㄟ^調整修整參數改變修整后砂輪表面磨刃的鋒利程度。目前金剛石修整滾輪形面制造精度可以達到2 μm之內，如在軸承溝道磨削中使用金剛石滾輪修整溝道的圓弧，圓弧曲率精度可以達到2 μm以下，溝道間距離精度在2.5 μm以內，磨削表面粗糙度Ra在0.2 μm以下；在航空發動機葉片根部榫槽對緩進磨削中，采用金剛石滾輪成形修整砂輪，砂輪榫槽形狀修整的廓精度可以達到5 μm以內，槽距誤差在2.5 μm以內。

軌跡法是采用數控技術或仿形機構控制金剛石滾輪做要修整的形面軌跡運動對砂輪進行修整。軌跡法修整柔性好，主要使用圓片狀金剛石修整滾輪，通過編程可以修整出各種砂輪形面形狀。采用片狀金剛石滾輪的軌跡修整法可以用于普通砂輪修整，也可以用于超硬磨料砂輪修整?？梢酝ㄟ^軌跡微細插補和誤差補償達到很高的修整精度，但批量生產中修整精度穩定性不好、修整效率低。

2.4 滾壓修整法

滾壓修整法是采用滾壓修整輪與旋轉的被修砂輪接觸，通過被修砂輪對修整輪的摩擦力帶動其滾動，利用被修砂輪與修整滾壓輪之間的滾壓作用和相對滑擦作用來實現修整。

修整工具滾壓輪的材質有普通磨料滾壓輪、硬質合金滾壓輪和淬火鋼滾壓輪等。普通磨料砂輪作為滾壓輪時一般采用陶瓷結合劑制作，粒度號一般較粗(F36～F80)，采用偏硬的硬度等級。采用普通砂輪作為滾壓修整輪優點是修整效率較高，缺點是磨損大。

以硬質合金制作的滾壓輪具有高的硬度和耐磨性，但是硬質合金難以加工，要制作帶有形面的修整滾壓輪比較困難。

淬火鋼用于滾壓輪修整時，為了抵抗滾壓力和磨損，滾壓輪采用低碳鋼表面滲碳工藝，表面硬度達50 HRC以上。采用淬火鋼制造滾壓修整輪，硬度和耐磨性雖然不如硬質合金滾壓輪的，但是容易制造成形滾壓輪，用于較為精密的成形修整。滾壓修整法優點是結構簡單，修整范圍廣，可以進行復雜形面成形修整。存在的不足是修整工具損耗過快，影響修形能力和修整精度。目前數控修整技術和金剛石滾輪等先進的修整方法的出現，很大程度上取代了這種傳統的方法，所以滾壓修整方法在應用中已很少采用。

2.5 金剛石形面約束的自由磨粒擠磨修整法

金剛石形面約束的自由磨粒擠磨修整方法是基于金剛石、普通磨料和結合劑三者之間在強度上存在巨大差異的特性提出的一種修磨砂輪形面的方法。其基本原理是表面有精密形狀的金剛石工具通過高速旋轉生成具有約束能力的高強度金剛石約束形面，約束自由磨粒對被修砂輪產生擠壓劃擦作用，破壞砂輪結合劑使磨粒脫落完成砂輪的高效整形；整形之后再通過修整工具高強度金剛石磨料的微研削作用對被修砂輪形面進行修磨，進一步提高砂輪形面的修磨精度。

試驗和應用表明，對于陶瓷結合劑和樹脂結合超硬磨料砂輪或磨盤，修整效率顯著提高，同時也可以取得磨削精度級的修整精度。修整的工藝參數有自由磨粒粒徑、濃度、擠磨力及擠磨速比?；疽幝蔀榧s束形面的金剛石粒度要大于自由磨粒的粒度，使用的自由磨粒大小應與被修砂輪磨粒粒度相當或偏小以獲得平穩的修整效果和較好的修整效率；隨自由磨粒濃度的增加，擠磨修整效率呈線性增加。

2.6 電解修整法

電解修整法應用于修整金屬結合劑金剛石砂輪，修整原理是以電化學作用為主、機械作用為輔。砂輪作為陽極，修整砂輪用的修整塊為陰極，調整砂輪與修整塊兩極間的間隙，使其保持合適的電解間隙。電解液經噴嘴噴入間隙中，電流從砂輪通過電解液而流向修整塊，形成通路，砂輪工作層的金屬結合劑表面在電流和電解液作用下發生電解，使磨粒裸露修銳，甚至在修整力的作用下使磨粒脫落實現整形。

在線電解修整(electrolytic in-process dressing, ELID)技術是以金屬結合劑微細超硬磨料砂輪作為陽極，通過電解使砂輪磨粒露出、突出顆粒脫落，形成鋒利、等高的切削刃和容屑空間，同時電解液在砂輪表面形成鈍化膜阻止砂輪進一步電解損失，從而實現微細磨料砂輪的精細修整。該方法優點是修整力小、效率高、工藝簡單、修銳質量好等。該方法很好地解決了金屬結合劑微細粒度超硬磨料砂輪容屑空間和砂輪鋒銳性的保持問題。應用ELID磨削技術可對工程陶瓷等硬脆材料實現高效率磨削和超精密鏡面磨削，磨削表面粗糙度可達幾納米，在超精密磨削中得到很好的應用。

2.7 電火花修整法

電火花修整砂輪的原理是利用電弧放電燒蝕去除實現修整。在電火花整形過程中，采用正極性加工，金屬結合劑金剛石磨料砂輪接電源正極，修整工具電極接電源負極，砂輪以一定的速度旋轉。通過修整工具電極和砂輪之間的間隙放電，電弧產生瞬間高溫將結合劑和金剛石磨料氣化、碳化蝕除。

該方法具有修整工具電極制造容易，砂輪表面受熱影響范圍小和可以實現連續進行粗、半精和精修整工作等特點。采用成形電極修整砂輪，可以取得較高的砂輪形狀精度、整形效率和磨削表面質量，一定程度上解決了金屬結合劑細粒度金剛石磨料砂輪的修整問題，可以應用于金屬結合劑超硬磨料砂輪的復雜形面成形精密磨削之中。

2.8 超聲振動修整法

目前采用超聲波修整砂輪的方法主要有金剛石筆輔助修整和游離磨料超聲修整。

金剛石筆輔助修整是在單點和多點金剛石筆車削修整法的基礎上附加超聲振動，從而提高了修整效率和修整后砂輪的磨削性能，并且可以利用超聲空化沖擊效果在整形的同時進行修銳。

游離磨料進行超聲修整方法是將變幅桿輸出端連接修整板，在修整板與金剛石砂輪之間設置一定間隙，在此間隙中注入混有磨料的液體。在超聲波聲壓的拉壓作用下，在液體內持續形成空腔并在瞬間產生脈沖爆炸，這些沖擊促使懸浮液滲入金剛石砂輪表面的細微裂紋中，進一步加劇結合劑的碎除作用。

超聲振動修整超硬磨料砂輪不但可以提高修整效率，被修砂輪表面還可以獲得良好的形貌。應用表明，超聲振動修整后的砂輪表面形貌有了很大改善，能夠滿足精密磨削要求，修整后的砂輪工作表面磨粒之間有足夠的間隔和突出高度，砂輪可以獲得降低磨削力和磨削溫度的效果。

2.9 激光修整法

激光通過聚焦形成極高的能量，能在數毫秒甚至更短的時間內使各種材料熔化或氣化，達到去除材料的目的。激光修整法是采用一定強度的激光照射超硬磨料砂輪表面，根據結合劑與磨粒瞬間耐熱性的較大差異，去除結合劑實現砂輪形面修銳；如果激光功率密度足夠高，也可同時去除砂輪表面的磨粒，并通過控制砂輪的運動參數，使砂輪獲得要求的幾何形狀，達到整形的目的。激光修整砂輪具有高能量密度、高注入速度、高加工效率、無工具損耗、非接觸、易控制和無公害等特點。

激光修整技術發展迅速，目前在砂輪修整中采用了高能量脈沖激光修整的先進技術，由于脈沖激光占空比小，燒蝕時有利于散熱，熱影響小，能減小對燒蝕磨料的損傷，獲得較好的表面形貌。目前通過控制單脈沖能量，激光脈沖燒蝕深度可以控制在微米數量級，甚至更小，在砂輪表面細微形面的修整方面已經超過了機械法修整的精度，是一種極具潛力的超硬磨料砂輪精密修整方法。

3 展望

3.1 普通磨料砂輪的修整技術

普通磨料砂輪具有良好的自銳性、材料去除能力和形狀保持性，經過了長時間的發展，其砂輪制造和應用技術都非常成熟。隨著技術進步，剛玉和碳化硅磨料砂輪制造技術也在不斷進步，新型的普通磨料砂輪不斷出現。有許多應用場合普通磨料砂輪與超硬磨料砂輪相比具有非常顯著的價格優勢，也有些場合只能采用普通磨料砂輪磨削。因此普通磨料砂輪仍具有長久的應用市場，普通砂輪的修整技術也需要不斷發展進步。

從目前技術看，普通磨料砂輪修整主要是采用金剛石工具機械修整法。隨著磨削智能化發展，提高修整精度和自動化程度是發展方向，金剛石修整滾輪修整技術具有良好的應用前景。

3.2 超硬磨料砂輪的修整技術

超硬磨料砂輪應用領域不斷急速擴展，砂輪修整問題是困擾其應用的主要問題之一。如何提高修整精度，并同時提高修整效率，是亟待解決的問題。傳統的機械修整方法已經不能適應要求，采用現代先進的光電修整方法是必然的發展方向。

3.3 精密超精密磨削修整技術

超硬磨料是發展精密超精密磨削的基礎，精密超精密磨削或研磨都需要磨具表面具有微細、等高的切削刃。等高微刃的形成一方面可以通過采用微細磨料超硬磨料砂輪，另一個途徑是將超硬磨料砂輪表面略粗的磨粒修整成等高微刃。所以說超硬磨料磨具的微細切削刃精細修整是進行精密超精密磨削需要解決的關鍵問題之一。