摘要　　針對(duì)電鍍砂輪制造過(guò)程中存在的磨粒等高性不好的問(wèn)題，采用白剛玉油石對(duì)其進(jìn)行修整。通過(guò)選擇合理的修整參數(shù)，使得砂輪和油石的相互作用力控制在一定的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)突出高度較高，結(jié)合強(qiáng)度差的磨粒的去除；而對(duì)等高性較好，結(jié)合強(qiáng)度較高的磨粒影響不大，從而達(dá)到修整的目的。為了對(duì)修整效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用激光掃描方法得到修整前后砂輪的地貌，并根據(jù)地貌的不同特征分析和驗(yàn)證修整效果，重點(diǎn)關(guān)注磨粒出刃高度和等高性。

　　關(guān)鍵詞 電鍍CBN砂輪 修整效果 剛玉油石 砂輪地貌

　　電鍍超硬磨料砂輪具有磨削比高、鋒利性好、結(jié)合強(qiáng)度高、成本低等特點(diǎn)，主要用于難加工材料的精密高速、超高速磨削加工[1]。電鍍砂輪一般只有一層磨粒，所以不太適合修整，通常只能通過(guò)坯體的制造精度和鍍層控制來(lái)保持其精度。由于不能在機(jī)修整，可實(shí)現(xiàn)的磨削精度難以提高。
　　根據(jù)砂輪在磨削過(guò)程中去除工件材料的機(jī)理，最先參與磨削的是砂輪上的最高點(diǎn)，如果砂輪在制造過(guò)程中高點(diǎn)較少，則極易產(chǎn)生砂輪鈍化。尤其針對(duì)結(jié)合強(qiáng)度較高的電鍍砂輪，高點(diǎn)在較小的磨削力的作用下很難去除掉，直到鈍化后產(chǎn)生了較大的磨削力，高點(diǎn)才有可能去除。而此時(shí)磨削溫度已經(jīng)很高，易于引起工件磨削表面的燒傷，降低磨削表面質(zhì)量。所以，在采用電鍍砂輪磨削之前應(yīng)該盡可能的使較多的磨粒高點(diǎn)在同一尺寸范圍內(nèi)，從而使得盡可能多的磨粒參與磨削，減小磨削力并降低磨粒的鈍化速度。國(guó)產(chǎn)的電鍍砂輪主要采用外鍍法制造[2]，其磨粒的突出高度存在圈套的差異，尤其存在少量的突出高度較高的磨粒，它們的存在大大降低了砂輪的磨削性能，應(yīng)該在磨削加工之前通過(guò)修整環(huán)節(jié)盡量多的去除突出高度較大的少量磨粒，盡量保持磨粒的等高性。
　　針對(duì)以上電鍍砂輪存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者在金屬結(jié)合劑砂輪的修銳方面做了大量的研究，提出了許多先進(jìn)的修整工藝和方法，如ＥＬＩＤ修銳[3]、電火花修銳[4]以及激光修銳等。這些方法對(duì)于提高電鍍砂輪的磨粒突出高度、增大容屑空間和提高砂輪的磨削效率等方面具有重要意義，但對(duì)于提高磨粒的等高性方面作用不大，而且這些方法較為復(fù)雜，成本較高，不太容易實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用。本文探討了采用剛玉油石進(jìn)行電鍍ＣＢＮ砂輪修整的可行性和效果，分析了油石對(duì)于電鍍砂輪表面磨粒“高點(diǎn)”的去除機(jī)理，并通過(guò)修整前后砂輪地貌的測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證以上分析結(jié)論。

　　1電鍍砂輪修整機(jī)理分析

　　電鍍砂輪由于其工藝上的特點(diǎn)，ＣＢＮ磨粒在砂輪表面的分布不均勻，且鍍層金屬對(duì)磨粒的包裹高度也有較大差異。主要原因是砂輪自身表面凸凹不平，在電鍍過(guò)程中各區(qū)域放電能量不同，針對(duì)磨粒的結(jié)合強(qiáng)度也不相同，易產(chǎn)生如圖1所示的效果。

　　針對(duì)圖1所示電鍍后的砂輪表面，需要進(jìn)行修整去除結(jié)合強(qiáng)度較低的高點(diǎn)后，砂輪的磨削性能才具有一定的持久性，否則極易引起少量高點(diǎn)參與磨削，造成磨削力過(guò)大、磨削溫度過(guò)高而產(chǎn)生磨削燒傷等不良后果。突出的高點(diǎn)被結(jié)合劑包裹的高度較小，相應(yīng)的結(jié)合強(qiáng)度較低，所以采用油石與電鍍砂輪對(duì)磨時(shí)產(chǎn)生的一定大小的磨削力去除突出較高的磨粒，從而提高電鍍砂輪的等高性是可行的。
　　鍍層金屬和磨粒以及和砂輪基體之間并不是化學(xué)冶金結(jié)合，而是鍍層金屬對(duì)磨粒的包裹鑲嵌作用，因而把持力相對(duì)較小。在電鍍砂輪與油石相互作用時(shí)，作用力可以分解為法向作用力和切向作用力，根據(jù)已有修整力實(shí)驗(yàn)結(jié)果，切向修整力起主要作用，所以選擇合理的修整參數(shù)范圍，使得產(chǎn)生的修整力在一定的范圍內(nèi)，可以修整掉突出高度較高、結(jié)合強(qiáng)度較小的磨粒，但修整力不足以去除等高性較好、結(jié)合強(qiáng)度高的磨粒，從而達(dá)到電鍍砂輪修整的目的。

　　2修整及地貌測(cè)量實(shí)驗(yàn)

　　修整實(shí)驗(yàn)所采用的砂輪為10mm直徑電鍍ＣＢＮ砂輪。國(guó)產(chǎn)電鍍砂輪工藝不夠成熟和穩(wěn)定，磨粒的等高性較差，如果不進(jìn)行修整而直接用于磨削加工，則易產(chǎn)生較大的磨削力和高的磨削溫度，砂輪的磨削性能較差。工程應(yīng)用中應(yīng)該采用效率較高且性能可靠的方式進(jìn)行電鍍砂輪修整。因此，根據(jù)上述的修整機(jī)理選擇普通磨料油石對(duì)超硬磨料電鍍砂輪進(jìn)行修整，本修整實(shí)驗(yàn)所采用的是白剛玉油石。
根據(jù)電鍍的參數(shù)和已有的修整實(shí)驗(yàn)成果設(shè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，單次修整深度為磨粒平均直徑的1/10，這樣可以得到大小適中的修整力，從而達(dá)到去除砂輪上的高點(diǎn)而提高電鍍砂輪等高性的目的。修整實(shí)驗(yàn)所采用的修整參數(shù)如表1所示。

　　修整實(shí)驗(yàn)在課題組自主研發(fā)的三軸立式磨削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速為15000r/min，修整實(shí)驗(yàn)采用的磨削液為10%水基乳化液，修整實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。
　　為了評(píng)價(jià)油石對(duì)電鍍砂輪的修整效果，本文采用修整前后電鍍砂輪的地貌特征進(jìn)行對(duì)比和評(píng)價(jià)。砂輪地貌的測(cè)量采用自主開(kāi)發(fā)的激光掃描測(cè)量平臺(tái)，測(cè)量原理和測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。其中激光傳感器的光源為點(diǎn)光源，光源直徑為50μm，三軸移動(dòng)平臺(tái)的分辨率為0.1μm。根據(jù)已有的關(guān)于激光掃描測(cè)量砂輪地貌的研究成果[6]，選擇50μm作為采樣步長(zhǎng)。

　　3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

　　對(duì)修整前后電鍍砂輪上幾乎相同區(qū)域內(nèi)砂輪地貌進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)上述合理的測(cè)量參數(shù)得到砂輪地貌的數(shù)據(jù)點(diǎn)文件并對(duì)其進(jìn)行分析處理，主要通過(guò)的修整前后砂輪的地貌等高線圖、沿砂輪軸向的輪廓線和圓周方向的輪廓線圖，以及三維地貌的統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行評(píng)判。
　　3.1等高線圖
　　根據(jù)測(cè)量得到的地貌數(shù)據(jù)，采用Origin8軟件對(duì)其進(jìn)行處理，為了表示修整前后磨粒突出高度的總體分布情況，首先采用砂輪地貌的等高線圖進(jìn)行分析，電鍍砂輪在采用油石修整前后的三維地貌等高線圖如圖4、圖5所示。

　　根據(jù)等高線圖可以得到，修整后其磨粒高點(diǎn)的分布在軸線方向表現(xiàn)出更大的一致性，同時(shí)接近最高點(diǎn)部分面積較大，表明沿著電鍍砂輪的圓周方向磨粒的等高性得到改善。而修整前高點(diǎn)的分布則很不均勻，說(shuō)明油石修整對(duì)于去除電鍍ＣＢＮ砂輪的高點(diǎn)具有一定的效果。

　　3.2輪廓圖
　　為了對(duì)油石修整前后電鍍砂輪的地貌特征進(jìn)行進(jìn)一步的分析和驗(yàn)證，針對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)采用Origin軟件繪制了不同截面內(nèi)磨粒突出高度的分布曲線，主要關(guān)注的是沿著砂輪圓周和砂輪軸線兩個(gè)方向，分析結(jié)果如圖6、圖7所示。鑒于砂輪表面磨粒分布的隨機(jī)性特征，驗(yàn)證采用修整前后兩個(gè)方向上輪廓曲線的統(tǒng)計(jì)特征。

　　根據(jù)修整前后砂輪地貌的輪廓圖可以得到，沿著軸線方向磨粒的突出高度在油石修整后明顯變化趨于平緩，在2.5mm的范圍內(nèi)一致性較好，基本保持在0.1mm的范圍之內(nèi)（80#砂輪的平均磨粒直徑約為0.2mm），為磨粒平均直徑的50%左右。而在修整前，沿著軸線方向的輪廓變化幅度較大，已經(jīng)超過(guò)0.15mm范圍，一致性較差，說(shuō)明有突出高度較高的磨粒存大，主要還是因?yàn)殡婂兩拜喼圃斓膯?wèn)題。同樣，通過(guò)沿著圓周方向的輪廓也可以看到，修整后的輪廓更加接近圓，其“圓跳動(dòng)”要遠(yuǎn)小于修整前的值。所以通過(guò)輪廓圖可以進(jìn)一步說(shuō)明油石修整對(duì)于改善電鍍ＣＢＮ砂輪的磨粒等高性具有比較明顯的效果。

　　3.3三維地貌對(duì)比

　　為了對(duì)油石修整在提高電鍍砂輪等高性方面的作用做更加直觀的說(shuō)明，繪制了修整前后的三維地貌，分別如圖8、圖9所示。

　　通過(guò)圖8、圖9所示的修整前后電鍍砂輪三維地貌對(duì)比圖可以直觀地得到油石的修整效果。在同樣是0.1mm的高度范圍內(nèi)，修整后的三維地貌更加平整，尤其在接近最高點(diǎn)附近，因?yàn)樵谧罡唿c(diǎn)附近所測(cè)得的磨粒高度最接近真實(shí)的突出高度，修整后接近最高點(diǎn)的三維地貌要比修整前的地貌平整。

　　3.4地貌評(píng)價(jià)指標(biāo)定量分析

　　根據(jù)已經(jīng)提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)[6]對(duì)電鍍砂輪修整前后磨粒出刃高度和等高性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析結(jié)果如表2所示。其中出刃高度增大8%，等高性46%，修整對(duì)于改善電鍍砂輪的等高性影響較大。

　　根據(jù)砂輪地貌評(píng)定指標(biāo)的分析結(jié)果可以看出油石修整法對(duì)于提高電鍍砂輪的等高性作用比較明顯，同時(shí)對(duì)于鍍層金屬結(jié)合劑具有一定的去除作用，可以增大電鍍ＣＢＮ砂輪的出刃高度。

　　4結(jié)論

　　（1） 根據(jù)電鍍砂輪的結(jié)構(gòu)特性分析了剛玉油石去除電鍍砂輪磨粒高點(diǎn)以增加磨粒等高性的可行性。合理的修整參數(shù)的選取可以實(shí)現(xiàn)電鍍砂輪的修整。
　　（2） 通過(guò)修整前后砂輪地貌的測(cè)量結(jié)果分析可以知道，在本文所選擇的修整參數(shù)下，電鍍砂輪的修整效果是比較明顯的，其中等高性提高46%，出刃高度也有8%的提高，對(duì)于改善電鍍ＣＢＮ砂輪的磨削性能具有重要意義。

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　　作者簡(jiǎn)介
　　劉佳（1985年），男，北京航空航天大學(xué)在讀博士，主要從事航空合金精密高效切削、磨削技術(shù)研究。