1、引言：

       陶瓷材料、鎢合金、鈦合金和鎳基高溫合金等難加工材料在航空航天、生物醫(yī)療和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景．隨著國(guó)家航空裝備與智能制造等對(duì)高性能零部件高精密制造需求的發(fā)展，對(duì)零部件表面粗糙度、尺寸精度的要求也越來(lái)越高．這些材料具有優(yōu)異物理和化學(xué)性能的同時(shí)也給相關(guān)零部件的加工制造帶來(lái)了難題.

       磨削是獲得高性能零部件的重要加工工藝，廣泛應(yīng)用于難加工材料的精加工中．同時(shí)磨削是一種能夠獲得高表面完整性和高幾何精度產(chǎn)品較為實(shí)用和經(jīng)濟(jì)的加工方法．精密磨削通常也是加工高精度高表面質(zhì)量工件的最后一道工序.

       砂輪磨損是影響工件質(zhì)量和磨削效率的重要因素，涉及到材料的化學(xué)、物理性能、成分組成和微觀結(jié)構(gòu)等方面，并與磨削工況密切相關(guān)．在磨削過(guò)程中，由于作用在磨粒上的機(jī)械載荷和熱載荷，砂輪會(huì)發(fā)生變形和磨損．變形指砂輪的外形發(fā)生變化，磨損則會(huì)導(dǎo)致磨粒的鈍化和脫落．砂輪磨損會(huì)給磨削過(guò)程帶來(lái)一系列問(wèn)題：磨削過(guò)程中的磨削力和磨削熱會(huì)迅速增加，使磨削過(guò)程不穩(wěn)定；導(dǎo)致工件表面出現(xiàn)振紋和燒傷,使工件輪廓度下降，磨削表面粗糙度增大；砂輪磨損也會(huì)引起磨削噪聲的增大；降低生產(chǎn)效率；磨損嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致砂輪破裂引發(fā)事故.

       砂輪磨損的適時(shí)檢測(cè)是判斷砂輪是否需要修整、 補(bǔ)償和更換的重要手段．砂輪修整是影響磨削性能的重要因素之一，當(dāng)砂輪磨損較大使工件的精度不能滿足加工要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)砂輪進(jìn)行修整，或在磨削過(guò)程中根據(jù)檢測(cè)到的砂輪磨損對(duì)磨削軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償.當(dāng)砂輪磨損嚴(yán)重時(shí)需要更換砂輪，以保證穩(wěn)定的磨削過(guò)程．因此根據(jù)砂輪磨損情況合理確定砂輪修整時(shí)間，或?qū)崿F(xiàn)砂輪磨損的適時(shí)補(bǔ)償，這對(duì)提高磨削效率、保證磨削質(zhì)量的連續(xù)穩(wěn)定和實(shí)現(xiàn)磨削自動(dòng)化具有重要意義.除了對(duì)砂輪進(jìn)行修整和補(bǔ)償外，為選擇合適的工藝參數(shù)，需要獲得砂輪在不同加工參數(shù)下的磨損規(guī)律，或是研究磨削過(guò)程中不同砂輪對(duì)不同材料的去除機(jī)理和使用壽命，這都需要對(duì)砂輪磨損情況進(jìn)行定量評(píng)價(jià).

       砂輪磨損檢測(cè)技術(shù)作為磨削精度和磨削質(zhì)量的重要保障手段，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注.國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞砂輪磨損檢測(cè)技術(shù)和磨損預(yù)測(cè)方法開(kāi)展了大量研究, 有效促進(jìn)了砂輪磨損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展．但是由于研究時(shí)間相對(duì)較短，現(xiàn)有研究結(jié)果尚不完善，難以為磨削加工工藝中砂輪磨損的檢測(cè)和補(bǔ)償提供強(qiáng)有力的理論支撐，嚴(yán)重制約了砂輪磨損檢測(cè)技術(shù)在磨削加工中的應(yīng)用因此對(duì)砂輪磨損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分類研究，建立砂輪磨損評(píng)價(jià)策略，對(duì)提高工件的磨削效率和磨削質(zhì)量具有重要意義.

       本文以砂輪磨損檢測(cè)技術(shù)為研究對(duì)象，首先分析了砂輪的主要磨損形式及原因，其次在總結(jié)現(xiàn)有砂輪磨損檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上探討了砂輪磨損檢測(cè)過(guò)程中尚未解決的技術(shù)難題，最后對(duì)未來(lái)砂輪磨損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望.文章整體結(jié)構(gòu)框架如圖1所示.

       2、砂輪磨損形式研究：

       磨削過(guò)程尤其是高速磨削中砂輪和工件之間的磨削區(qū)域具有接觸應(yīng)力高、摩擦溫度高、摩擦表面不斷變化、摩擦區(qū)域多的特點(diǎn)，在磨削界面間復(fù)雜的力-熱環(huán)境下，砂輪磨損往往是各種磨損形式綜合作用的結(jié)果．根據(jù)Malkin的研究，本文將砂輪磨損形式分為兩大類，即機(jī)械(物理)磨損形式和化學(xué)磨損形式，如表1所示.

       2.1、機(jī)械(物理)磨損：

       機(jī)械磨損包括磨耗磨損、破碎磨損、黏附堵塞等形式，如圖2所示.磨耗磨損指在磨削中隨著工件材料與磨粒接觸并發(fā)生材料去除，由于磨削力使得 磨粒鈍化，并逐漸在頂端形成小的磨損面．當(dāng)磨削過(guò)程中磨粒所受的瞬時(shí)力-熱載荷不均勻時(shí)將導(dǎo)致破碎磨損：當(dāng)磨削力使得作用在磨粒上的應(yīng)力超過(guò)磨粒材料強(qiáng)度時(shí)，磨粒將會(huì)產(chǎn)生裂紋，并產(chǎn)生碎片，發(fā)生碎裂脫落,剩下的磨粒由于表面破碎再生成鋒利的磨削刃，砂輪表現(xiàn)出自銳特性；結(jié)合劑破碎包括結(jié)合劑的磨損、開(kāi)裂、破碎和脫落．當(dāng)磨粒從結(jié)合劑上大塊脫落時(shí)，剩下的結(jié)合劑與工件表面將直接接觸，發(fā)生結(jié)合劑磨損.磨粒與結(jié)合劑結(jié)合區(qū)域可能存在空穴等缺陷，這種缺陷在加工時(shí)受力容易開(kāi)裂，或當(dāng)磨粒與結(jié)合劑結(jié)合強(qiáng)度較高時(shí)，磨粒與結(jié)合劑接觸區(qū)域受拉應(yīng)力作用發(fā)生開(kāi)裂．裂紋擴(kuò)展將造成結(jié)合劑的破碎、脫落，磨粒的破碎脫落也會(huì)從砂輪表面帶走一部分結(jié)合劑，導(dǎo)致結(jié)合劑破碎.這種磨損形式對(duì)砂輪輪廓有很大影響.

       當(dāng)磨粒通過(guò)磨削區(qū)時(shí)，在局部高溫高壓環(huán)境下，工件上被磨除材料將會(huì)附著在磨粒與結(jié)合劑上，此時(shí)磨屑附著在砂輪上，可通過(guò)磨削液沖洗作用從砂輪表面去除．當(dāng)黏附嚴(yán)重時(shí)磨屑將堵塞在磨粒與磨粒之間的空隙或者砂輪的氣孔中，如圖2所示，這將造成磨削狀態(tài)的惡化.

       2.2、化學(xué)磨損：

       化學(xué)磨損包括氧化磨損、擴(kuò)散磨損、反應(yīng)磨損等，與磨粒和工件的材料性質(zhì)直接相關(guān)，也與磨削參數(shù)有關(guān).在磨削區(qū)域局部高溫作用下，磨粒直接與空氣中氧元素發(fā)生反應(yīng)，減弱磨粒的切削能力，此時(shí)砂輪將發(fā)生氧化磨損.在磨削過(guò)程中的高溫高壓條件下，工件材料與磨粒間將會(huì)發(fā)生元素?cái)U(kuò)散，導(dǎo)致磨粒與工件接觸區(qū)域發(fā)生弱化，繼而產(chǎn)生擴(kuò)散磨損.

       此外在磨削條件下，工件材料、磨粒、磨削液及結(jié)合劑之間可能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)金剛石磨粒磨削鐵、鎳、鉻、鈦等元素時(shí)，會(huì)發(fā)生石墨化而產(chǎn)生劇烈磨損．由于磨粒、結(jié)合劑材料和工件材料的不同， 各元素之間相互作用生成的產(chǎn)物也可能引發(fā)多種次級(jí)化學(xué)反應(yīng)．其中磨粒與工件材料的化學(xué)反應(yīng)是砂輪磨削過(guò)程中發(fā)生磨損的主要因素.

       相較于化學(xué)磨損，機(jī)械磨損磨損量大，對(duì)磨削精度、磨削效率有重要影響．本文所述砂輪磨損檢測(cè)技術(shù)主要考慮機(jī)械磨損．化學(xué)磨損對(duì)機(jī)械磨損起促進(jìn)作用，但在表現(xiàn)形式上仍體現(xiàn)為砂輪磨粒的破碎、脫落和黏附堵塞等。對(duì)于砂輪的化學(xué)磨損可通過(guò)砂輪與工件表面的理化特性和成分分析等方法檢測(cè).

       2.3、砂輪磨損階段：

       在磨削加工中隨著砂輪種類、工件材料、磨削參數(shù)和磨削階段的不同，砂輪磨損速率也不一樣.一般來(lái)說(shuō)，砂輪磨損在宏觀上一般表現(xiàn)為機(jī)械磨損.磨削過(guò)程中隨著砂輪與工件材料的相互作用，砂輪的磨損速率將發(fā)生變化，根據(jù)砂輪磨損速率的不同可以把砂輪磨損過(guò)程分為三個(gè)階段，如圖3所示．不同階段砂輪磨損規(guī)律和磨損形式會(huì)發(fā)生變化.

       砂輪的磨損尤為復(fù)雜，因?yàn)樵谏拜喩夏チ３孰S機(jī)分布，磨粒的露出高度也呈現(xiàn)隨機(jī)性．因此在磨削加工時(shí)砂輪表面磨粒也會(huì)呈現(xiàn)出不同的磨損形式，如上文提及的機(jī)械(物理)磨損和化學(xué)磨損等．這都給砂輪磨損的準(zhǔn)確檢測(cè)帶來(lái)了挑戰(zhàn)．在磨削加工中，由于磨削方式的不同，砂輪磨損對(duì)工件精度的影響也有所不同．當(dāng)砂輪沿砂輪軸向進(jìn)給時(shí)會(huì)發(fā)生軸向磨損，如圖 4(a)所示；而當(dāng)砂輪進(jìn)給方向垂直于砂輪軸時(shí)還會(huì)發(fā)生徑向磨損，如圖4(b)所示.

       砂輪形狀對(duì)磨損的影響如圖5所示，隨著磨削的逐漸進(jìn)行，砂輪的圓角會(huì)變鈍、直角銳邊會(huì)變鈍，分別如圖5(a)~(e)中箭頭所示．當(dāng)磨損嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致砂輪燒傷、破碎，導(dǎo)致生產(chǎn)事故.

       砂輪磨損的準(zhǔn)確補(bǔ)償一直是精密磨削加工中的難點(diǎn)，砂輪補(bǔ)償量與砂輪磨損量密切相關(guān)，所以選取砂輪磨損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)，以獲得準(zhǔn)確的砂輪磨損規(guī)律，是后續(xù)對(duì)砂輪磨損進(jìn)行補(bǔ)償?shù)谋匾侄危拜喣p程度可以直接對(duì)砂輪的微觀形貌進(jìn)行觀測(cè)，也可采用直接或間接的表征參數(shù)來(lái)表征．常用的砂輪磨損檢測(cè)表征參數(shù)如表2所示.

       對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)中不同的加工需求，可以將常用的砂輪磨損檢測(cè)技術(shù)分為離線測(cè)量技術(shù)和在線測(cè)量技術(shù)，如圖6所示．離線測(cè)量技術(shù)指加工完成之后將砂輪拆卸在測(cè)量間進(jìn)行測(cè)量，加工和測(cè)量是分離的.在線測(cè)量技術(shù)原指在工業(yè)生產(chǎn)線上直接進(jìn)行的測(cè)量，現(xiàn)多指實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)量，是一種動(dòng)態(tài)測(cè)量過(guò)程.

       3、砂輪磨損離線測(cè)量技術(shù)：

       砂輪磨損離線測(cè)量技術(shù)根據(jù)檢測(cè)方法和測(cè)量參數(shù)的不同可分為接觸式測(cè)量技術(shù)和非接觸式測(cè)量技術(shù)，如表3所示.

       3.1、離線接觸式測(cè)量技術(shù)：

       常用的離線接觸式測(cè)量技術(shù)如圖7所示，(1）臺(tái)階輪廓法．臺(tái)階輪廓法指磨削前，在砂輪上修整出一個(gè)特定的臺(tái)階面作為測(cè)量基準(zhǔn)，待砂輪磨削 一段時(shí)間后測(cè)量砂輪磨損面到基準(zhǔn)的高度差作為砂輪的磨損量，如圖7(a)所示.(2）觸針檢測(cè)法．觸針式測(cè)量法如圖7(b)[48]所示. 當(dāng)觸針在砂輪的工作面上劃過(guò)時(shí)觸針會(huì)發(fā)生上下移動(dòng)，由傳感器把砂輪表面磨粒的高度差值轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)進(jìn)行記錄.(3）仿形與復(fù)印法.仿形法與臺(tái)階法相似，不同之處在于測(cè)量時(shí)不是直接測(cè)量砂輪本身，而是將砂輪的磨損輪廓復(fù)制到仿形材料上，通常為石墨片或金屬薄片．通過(guò)測(cè)量仿形材料輪廓間接得到砂輪磨損值. 也可將砂輪形貌用樹(shù)脂等材料直接復(fù)印成型保存，留待后續(xù)觀察，現(xiàn)在的復(fù)印技術(shù)幾乎能夠?qū)⑸拜喌奈⒂^形貌完整展現(xiàn)出來(lái)，如圖7(c)所示.

       臺(tái)階輪廓法的優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)單，能夠直接得到 砂輪磨損值，但臺(tái)階法測(cè)量砂輪磨損需要事先將砂輪修整成特定形狀，采用臺(tái)階法測(cè)量時(shí)需要停止加工， 效率較低，而且重復(fù)測(cè)量會(huì)引入測(cè)量誤差.

       利用觸針?lè)芍苯拥玫缴拜喌膹较蚰p量，檢測(cè)磨粒的磨損形狀及分布和容屑空間大小．進(jìn)一步通過(guò)概率密度函數(shù)、累積分布函數(shù)、自相關(guān)函數(shù)和功率譜分析還可鑒別砂輪的磨損形式．但該方法易使觸針發(fā)生磨損，影響測(cè)量結(jié)果．觸針頂角、觸針圓角半徑、 觸針與砂輪的接觸壓力、測(cè)量?jī)x器動(dòng)態(tài)特性、接觸剛度等均影響檢測(cè)結(jié)果的可靠性觸針形狀不同也會(huì)使磨削刃密度的檢測(cè)結(jié)果存在差異.

       仿形與復(fù)印法在臺(tái)階法的基礎(chǔ)上克服了效率低的問(wèn)題，簡(jiǎn)單易行.在磨削過(guò)程中可以根據(jù)需要使砂輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并復(fù)印砂輪磨損高度和磨損形貌，而不需要拆卸砂輪.適用于砂輪磨損量較大的測(cè)量需求.

       3.2、離線非接觸式測(cè)量技術(shù):

       常用的離線非接觸式測(cè)量法如圖8所示.(1）顯微觀察法.顯微觀察法指直接通過(guò)顯微鏡對(duì)砂輪磨損部位進(jìn)行觀測(cè)，如圖8(a)所示.可根據(jù)磨損量的大小和測(cè)量目的選擇不同的測(cè)量?jī)x器，如光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、白光干涉儀等．顯微觀察法能夠清晰直觀地觀察砂輪磨損的微觀形貌，并獲得砂輪磨粒的磨損形態(tài)和磨削機(jī)理.(2)計(jì)算機(jī)圖像檢測(cè)法.為了使檢測(cè)結(jié)果客觀、精確以及能夠?qū)崿F(xiàn)快速檢測(cè)，計(jì)算機(jī)檢測(cè)法應(yīng)運(yùn)而生，如圖8(b)所示．計(jì)算機(jī)檢測(cè)法是指通過(guò)高速攝像機(jī)或顯微鏡對(duì)磨損前后的砂輪進(jìn)行拍攝，并采用一定的處理方法對(duì)圖片進(jìn)行識(shí)別。通過(guò)對(duì)磨損前后同一部 位的砂輪狀態(tài)進(jìn)行跟蹤觀察以得到砂輪磨損的變化情況。(3激光點(diǎn)測(cè)量法.磨粒會(huì)因?yàn)槟ズ哪p形成磨損平面，當(dāng)激光照射到磨損平面上時(shí)將發(fā)生發(fā)射，進(jìn)而被激光傳感器識(shí)別，可以據(jù)此獲得砂輪的輪廓磨損量，如 圖8(c)所示.通過(guò)對(duì)反射光進(jìn)行連續(xù)采集可以得到砂輪表面磨粒的磨損形式和磨損規(guī)律.(4)輪廓面掃描法.輪廓面掃描法是指通過(guò)輪廓掃描儀掃描砂輪表面以獲得砂輪輪廓數(shù)據(jù)，并構(gòu)造砂輪表面數(shù)字化輪廓模型，在此基礎(chǔ)上計(jì)算砂輪磨損量，如圖8(d))所示.首先在磨削加工前對(duì)砂輪進(jìn)行坐標(biāo)掃描，建立參考面作為定位面，以保證被測(cè)表面的重復(fù)定位精度．然后將磨削后且表面經(jīng)過(guò)清潔處理的砂輪按照前一步驟定位掃描，得到砂輪磨損面．在相同的參考基準(zhǔn)下對(duì)不同磨削階段砂輪磨損面數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以獲得砂輪磨損量．

       顯微觀察法可以獲得直觀清晰的顯微圖像，以分辨磨粒磨削刃的修整、磨損痕跡及磨削過(guò)程產(chǎn)生的破碎缺陷等情況；便于對(duì)磨損部位、磨損形式及磨削機(jī)理進(jìn)行綜合研究．但要進(jìn)行對(duì)比研究則需要準(zhǔn)確找到磨削前后的同一部位．若采用掃描電鏡進(jìn)行觀察，樣件要做導(dǎo)電處理，需要噴金、復(fù)制樣件或采用組合砂輪，制作麻煩，成本較高.

       計(jì)算機(jī)檢測(cè)法測(cè)量結(jié)果較為直觀，檢測(cè)效率高，可實(shí)現(xiàn)在線的連續(xù)檢測(cè)，并可通過(guò)數(shù)值變換提取磨損特征值進(jìn)一步研究砂輪磨損規(guī)律。但由于磨削情況較為復(fù)雜，存在較多的雜質(zhì)顆粒和圖像背景干擾，而且磨粒之間的重疊等也將給檢測(cè)結(jié)果帶來(lái)誤差.

       激光點(diǎn)測(cè)量法可以連續(xù)檢測(cè)砂輪圓周上不同位置的磨粒形狀及數(shù)量，確定磨粒的形狀、組成及分布狀態(tài)；也能夠在磨削過(guò)程中定期檢測(cè)砂輪同一位置的磨粒形狀變動(dòng)情況，進(jìn)而研究磨粒磨耗破碎、脫落及新磨粒露出等磨損規(guī)律．通過(guò)分析光電信號(hào)也可得到磨粒磨損面積變化情況．但得到磨粒分布的算法實(shí)現(xiàn)較為困難，且對(duì)測(cè)量環(huán)境要求較高.

       輪廓面掃描法不僅可以獲得砂輪的徑向磨損量， 還可得到砂輪體積磨損量以及砂輪表面的磨損分布情況；采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，有利于制造檢測(cè)的集成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)磨削自動(dòng)化現(xiàn)代.但該方法受磨削環(huán)境影響較大，適用于磨削條件較好的加工環(huán)境，其測(cè)量精度直接取決于采用的表面輪廓擬合算法，對(duì)測(cè)量算法要求較高.（未完待續(xù)）

       本文數(shù)據(jù)來(lái)源:中國(guó)科學(xué)2024年第54卷第7期，由大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，高性能精密制造全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室供稿，作者：李干，鮑巖，王中旺，康仁科，董志剛