4砂輪修整及表面形貌引言磨削是利用砂輪上粘結(jié)的磨粒進(jìn)行切削的過(guò)程。砂輪表面磨粒實(shí)際參與切削的部分是很少的。磨粒在砂輪表面的空間分布和形態(tài)構(gòu)成了砂輪地貌。除了某些重負(fù)荷磨削和切斷磨削，砂輪在使用前或使用一段時(shí)間后都需要對(duì)砂輪地貌或砂輪宏觀形狀進(jìn)行修整，這通常包括砂輪整形和修銳兩個(gè)階段。整形一般是指去除部分砂輪材料，從而消除砂輪形狀本身引起的不平衡跳動(dòng)，當(dāng)然整形也可將砂輪截面修成某一特定的形狀。修銳則為了獲得砂輪表面的良好切削性能。對(duì)于普通砂輪，整形和修銳是同時(shí)進(jìn)行的，一般統(tǒng)稱為修整。對(duì)于超硬砂輪，整形和修銳則分為兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行。前面提到砂輪地貌和磨削參數(shù)可影響到磨粒和工件的接觸作用。在后面的章節(jié)里將談到砂輪地貌和砂輪修整條件對(duì)磨削性能參數(shù)如磨削力、磨削功耗、磨削溫度和工件表面質(zhì)量的重要影響。因此首先了解砂輪修整的過(guò)程是必要的，這樣才能更有效地去控制修整過(guò)程，而這一點(diǎn)往往被人們所忽略。4.2普通砂輪的修整

普通砂輪的修整通常是利用修整器切入砂輪表面沿砂輪軸向進(jìn)給，平型砂輪的修整相當(dāng)于車床的車削，ad

是修整器在每一修整行程的半徑切入量。砂輪每轉(zhuǎn)一周修整器的軸向進(jìn)給量稱為修整導(dǎo)程，如下式表示：圖中vd為修整器沿砂輪軸向的進(jìn)給速度，vs為砂輪速度，ds為砂輪直徑。砂輪整形一般需要2到5個(gè)修整行程，特殊情況下可適當(dāng)增加行程次數(shù)。修整的最后一步是無(wú)火花光修，即修整器沿砂輪徑向不再進(jìn)給，每個(gè)修整行程只去除少量砂輪材料，主要是為了獲得光整的砂輪表面。

修整器通常分為一顆固定的（單點(diǎn)）天然金剛石和含一層或多層金剛石的金屬結(jié)合劑多點(diǎn)修整器（簇狀、尖筆狀、鑿狀和片狀）。單點(diǎn)金剛石修整器相對(duì)砂輪有一傾角d=10-15。單點(diǎn)修整器持續(xù)使用后會(huì)變鈍從而惡化砂輪地貌和磨削性能，此時(shí)必須更換修整器或更換金剛石顆粒。多點(diǎn)金剛石修整器的修整性能比較穩(wěn)定，適于自動(dòng)化生產(chǎn)。合成聚晶金剛石修整器也正得到越來(lái)越多地使用。

以下為砂輪修整導(dǎo)程和半徑修整深度的推薦值單點(diǎn)金剛石sd＜0.2mm10＜ad＜30μm多點(diǎn)金剛石（鑿狀）sd＜0.5mm10＜ad＜50μm多點(diǎn)金剛石（簇狀）sd＜2mm10＜ad＜50μm

另外一種修整工具為滾輪，特別適用于成形砂輪的修整。金剛石修整滾輪由軸對(duì)稱基體和外周的金屬結(jié)合劑金剛石磨?；螂婂兘饎偸チ＝M成。滾輪形狀與工件所要求的形狀相同，砂輪則被修整得到與之耦合的形狀。滾輪切線速度設(shè)為vf，徑向切入速度為vi，砂輪每轉(zhuǎn)一周對(duì)應(yīng)的切入深度為ar，這可看成是滾輪對(duì)砂輪的成形磨削過(guò)程。在滾輪和砂輪的接觸區(qū)，滾輪速度可與砂輪速度方向相同，也可相反。反向逆修時(shí)，滾輪速度可為砂輪速度的20－50％，而同向順修時(shí)滾輪速度可達(dá)到砂輪速度的80％。滾輪的切入進(jìn)給修整量一般取為砂輪每轉(zhuǎn)ar=10～30m，全部切深為50～200m。在滾輪退回之前不再切入進(jìn)給而進(jìn)行砂輪的光修，這類似于單點(diǎn)修整器的無(wú)火花光修階段。砂輪的滾輪修整4.3超硬砂輪的整形和修銳超硬砂輪的修整通常分為整形和修銳兩個(gè)階段，這包括除電鍍砂輪以外的所有超硬磨料砂輪，電鍍砂輪一般僅需要用油石對(duì)砂輪表面磨粒進(jìn)行清理或銳化即可。整形的主要目的是為了得到所需要的宏觀砂輪幾何形狀，也對(duì)砂輪的微觀地貌產(chǎn)生影響。同樣修銳過(guò)程也能一定程度消除砂輪的偏心或跳動(dòng)。金剛石砂輪的一種常用整形方法是通過(guò)安裝在制動(dòng)裝置上的陶瓷結(jié)合劑碳化硅砂輪來(lái)實(shí)現(xiàn)的。修整輪可通過(guò)與金剛石砂輪的直接接觸獲得動(dòng)力旋轉(zhuǎn)，修整輪主軸上安有離心制動(dòng)器阻礙其轉(zhuǎn)動(dòng)，由此在兩輪間產(chǎn)生了相對(duì)滑動(dòng)速度。如圖所示修整輪和平型砂輪軸線互相平行，修整輪象是在縱向磨削金剛石砂輪。這種方法和裝置可同樣應(yīng)用于其它如杯型砂輪等的修整。一個(gè)新的整形輪一般在120mm左右，但砂輪的磨損實(shí)際上非常快，但碳化硅的成本相對(duì)于金剛石砂輪來(lái)講是較低的。制動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速一般為1400～1500r/min，相當(dāng)于新修整輪周線速度為8~9m/s，當(dāng)然還可以根據(jù)具體的修整裝置和接觸修整壓力進(jìn)行調(diào)整?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整修整輪軸線方向使修整輪和砂輪在接觸點(diǎn)上的速度不在同一條直線上從而獲得修整輪和砂輪間的附加滑動(dòng)速度。這種方式有時(shí)也應(yīng)用于自由旋轉(zhuǎn)而非制動(dòng)的碳化硅砂輪修整金剛石砂輪的場(chǎng)合。圖示為典型的制動(dòng)型整形每行程的修形深度為ab=10~20m，修整進(jìn)給速度為sb=0.1~0.2mm/r。整形過(guò)程直到全部的金剛石砂輪表面與整形輪接觸，這樣砂輪的跳動(dòng)量可控制在3－5m以下。金剛石砂輪的整形深度視砂輪的跳動(dòng)量而定，一般不超過(guò)10m。除了制動(dòng)型整形裝置以外，有時(shí)也使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)碳化硅砂輪來(lái)“磨削”整形金剛石砂輪。超硬砂輪的供應(yīng)商在出廠前也對(duì)砂輪進(jìn)行整形，這樣預(yù)整形后的砂輪在精密安裝在機(jī)床上之后就不再進(jìn)行另外的整形了。4.4普通砂輪的砂輪地貌的組成單點(diǎn)金剛石修整器沿砂輪表面縱向進(jìn)給的速度對(duì)普通砂輪進(jìn)行修整時(shí)，修整器相當(dāng)于在磨粒表面刻劃出間距為sd的溝槽。設(shè)修整器尖端金剛石刃口半徑為rd，則砂輪表面的理論粗糙度可寫(xiě)為：◆修整后脫落磨粒尺寸累積分布◆磨粒破碎和結(jié)合劑斷裂◆修整中結(jié)合劑斷裂比和有效切刃比的關(guān)系陶瓷結(jié)合劑氧化鋁砂輪精修整和粗修整后照片4.5超硬磨料砂輪地貌生成對(duì)普通砂輪的討論也適用于超硬砂輪。雖然人們對(duì)超硬砂輪的整形和修銳已經(jīng)作了大量的研究，但對(duì)其地貌生成的機(jī)理探討還較少。用碳化硅砂輪制動(dòng)修整樹(shù)脂或金屬結(jié)合劑金剛石砂輪通常會(huì)因侵蝕結(jié)合劑材料而導(dǎo)致金剛石脫落。降低金剛石砂輪速度減少砂輪和滾輪間的滑移速度就會(huì)引起磨粒的破碎。砂輪若全速運(yùn)轉(zhuǎn)，則砂輪磨粒脫落現(xiàn)象較嚴(yán)重，至少對(duì)于磨硬脆性材料的金剛石砂輪是這樣。這時(shí)因?yàn)榻Y(jié)合劑破碎率接近100％。CBN的情況與金剛石差別很大。用碳化硅砂輪制動(dòng)整形樹(shù)脂CBN砂輪引起磨粒尖部變平，就象CBN磨粒被拋光了一樣。下圖為經(jīng)制動(dòng)整形后的CBN砂輪SEM地貌照片。這似乎讓人難以理解是因?yàn)镃BN硬度幾乎是碳化硅硬度的兩倍。許多被修平的CBN磨粒也被擊碎了一些(圖b)。盡管在磨削初始階段磨粒脫落是個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題（第5章），但修整中磨粒很少脫落。這很好地解釋了修整后CBN砂輪單位面積上的有效切刃數(shù)與理論切刃密度基本相等的原因。多點(diǎn)金剛石工具整形樹(shù)脂CBN砂輪也造成磨粒尖部磨平和磨粒的破碎，但其修平的磨粒比制動(dòng)整形的結(jié)果要多少粗糙一些。經(jīng)制動(dòng)整形后的樹(shù)脂結(jié)合劑CBN砂輪SEM地貌照片（a）磨粒磨平現(xiàn)象（b）磨粒磨平和破碎現(xiàn)象

陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪也出現(xiàn)了磨粒尖部修平的情況，但更多地是結(jié)合劑破碎造成磨粒脫落，有效磨粒數(shù)遠(yuǎn)小于。陶瓷結(jié)合劑砂輪比樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪要鋒利，盡管在后續(xù)的磨削中磨鈍也是需要注意的問(wèn)題。整形后用砂條修銳金剛石和CBN砂輪是為了去除結(jié)合劑或樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪磨粒外層的金屬衣，使得磨粒暴露出來(lái)，這對(duì)于金剛石、CBN磨粒本身影響不大。砂條修銳是獲得容屑空間以及增加磨削液進(jìn)入磨削區(qū)的機(jī)會(huì)，同時(shí)減少結(jié)合劑和工件之間的摩擦。

以上修整方法對(duì)金剛石砂輪已經(jīng)足夠了，而對(duì)于樹(shù)脂CBN砂輪則需另外的修銳方式使磨粒鋒利。下圖示出其中一個(gè)例子，就是用在制動(dòng)修整裝置上安裝的鋼絲刷實(shí)現(xiàn)的，銳化后的砂輪切削輕快，磨削力和磨削功率低，此時(shí)磨削表面粗糙度也較低了（見(jiàn)第7章）。CBN砂輪磨粒在鋼絲刷銳化后的SEM照片注意磨料上的多點(diǎn)鋒刃4.6砂輪地貌測(cè)量測(cè)量和描述砂輪地貌的方法很多，包括：形狀測(cè)量?jī)x、復(fù)印法、劃擦法、動(dòng)態(tài)測(cè)量法、熱電偶法和顯微鏡法等。在精度、測(cè)量深度、使用宜人性、數(shù)據(jù)分析和解釋等方面，每種測(cè)量技術(shù)都有自己的優(yōu)勢(shì)和局限性，沒(méi)有一種方法可完成對(duì)砂輪三維地貌的完整描述。本章后面將介紹砂輪地貌測(cè)量的幾種方法。為了說(shuō)明和比較一些技術(shù)方法，本文引用了CIRP合作研究的內(nèi)容，即在不同的實(shí)驗(yàn)室對(duì)用同一種工具和同一種修整方法得到的砂輪進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行比較。4.6.1輪廓測(cè)量?jī)x法輪廓測(cè)量?jī)x法對(duì)砂輪表面的測(cè)量在原理上與表面粗糙度儀一樣，利用安裝在一個(gè)位移傳感器上的探針在砂輪表面拖動(dòng)以獲得砂輪形面軌跡。下圖為砂輪地貌實(shí)例。為方便計(jì)算機(jī)處理，將圖形數(shù)字化便于保存以免丟失。磨粒和切刃的評(píng)價(jià)是根據(jù)截面圖形設(shè)定閾值來(lái)進(jìn)行。例如，形面上的尖峰只有高出相鄰谷底至少5m才能算為一個(gè)切刃。若兩切削刃相距小于一個(gè)磨粒直徑，則作為一個(gè)磨粒處理。輪廓特征可分為兩部分：平均磨粒間距和切刃間距。修整后砂輪的輪廓軌跡

由形狀測(cè)量?jī)x測(cè)得的結(jié)果可作為磨削模擬的輸入。磨粒和切刃的徑向分布如后圖所示，橫坐標(biāo)是進(jìn)入砂輪的徑向深度，縱坐標(biāo)是沿砂輪周線的單位長(zhǎng)度上的切刃累計(jì)數(shù)（單位長(zhǎng)度切刃數(shù)的倒數(shù)也就是切刃間距L）。如圖，和分別為單位長(zhǎng)度切刃和磨粒的靜態(tài)數(shù)目；和分別表示單位長(zhǎng)度切刃和磨粒的動(dòng)態(tài)數(shù)目，它考慮了實(shí)際磨削條件下連續(xù)切刃的動(dòng)態(tài)軌跡（見(jiàn)3.6節(jié)）。

沿砂輪徑向的單位長(zhǎng)度累積切刃數(shù)目C’stat沿砂輪徑向的單位長(zhǎng)度累積磨粒數(shù)目G’stat4.6.2復(fù)印法復(fù)印法通常是把砂輪表面狀態(tài)復(fù)印到另一個(gè)物體上。早期報(bào)導(dǎo)之一的碳黑痕跡法就是利用測(cè)得的單位面積上的切刃數(shù)計(jì)算未變形切屑厚度。此法是讓砂輪滾過(guò)沾滿碳黑的玻璃板，認(rèn)為每個(gè)切刃去除了一個(gè)碳黑點(diǎn)。這樣數(shù)一數(shù)去除了多少碳黑點(diǎn)就可估計(jì)出單位面積的切刃數(shù)目。M.C.Shaw等人測(cè)試了砂輪（32A46H8VBE），發(fā)現(xiàn)每平方毫米上有3個(gè)切刃。也可以用顏料和復(fù)寫(xiě)紙代替碳黑進(jìn)行砂輪切刃的復(fù)印。利用復(fù)印法測(cè)量砂輪表面切刃另一種測(cè)量砂輪徑向分布的方法是將砂輪與一個(gè)裝在平行自由軸上的錐形塑料滾輪對(duì)滾。由于錐度為1°，砂輪表面進(jìn)入軟的塑料輪的深度沿砂輪寬度由淺至深。兩輪間的復(fù)印紙就將磨粒尖部的接觸痕跡復(fù)印到白紙上。通過(guò)數(shù)點(diǎn)就可得到單位面積或單位長(zhǎng)度上的磨粒數(shù)目。NAKAYAMA在1972年采用這種方法測(cè)量了砂輪表面的切刃數(shù)。采用塑料錐輪測(cè)量砂輪表面切刃數(shù)復(fù)印方法得到的結(jié)果究竟是磨粒密度還是切刃密度或是二者兼而有之并沒(méi)有表述清楚。CIRP研究小組通過(guò)在不同的實(shí)驗(yàn)室對(duì)同一種砂輪用不同的觸針和錐體復(fù)印法的結(jié)果進(jìn)行了比較。下圖中表明錐體復(fù)映法測(cè)得的密度值很低，這應(yīng)當(dāng)是磨粒的數(shù)目而不是切刃數(shù)目。而且不同實(shí)驗(yàn)室觸針?lè)y(cè)得的結(jié)果也有相當(dāng)大的分散性，這很大程度上歸因于輪廓分析時(shí)取的閾值的不同。例如實(shí)驗(yàn)室3的結(jié)果（數(shù)據(jù)點(diǎn)未給出）如果在分析時(shí)將測(cè)得的點(diǎn)都包括在內(nèi)（）其累積切刃密度大大高于波峰高于峰底閾值（）或更多的情況。

幾種切刃測(cè)量結(jié)果對(duì)比4.6.3刻畫(huà)法刻劃方法是用平型砂輪單行程磨削一個(gè)平板工件得到刻劃痕跡。為了得到孤立的刻痕而不是疊加痕跡的磨削面，工件進(jìn)給很快而砂輪旋轉(zhuǎn)較慢。早些時(shí)候還試圖將工件平面沿砂輪寬度微微傾斜一個(gè)角度（類似于錐體復(fù)?。畲蟮睦щy是如何準(zhǔn)確地表征這一極小的角度。另一種方法與之類似，但不必傾斜工件。每個(gè)切刃的徑向高度是由劃痕的長(zhǎng)度計(jì)算得到。

4.6.4測(cè)力計(jì)和熱電偶法測(cè)力計(jì)和熱電偶法是基于對(duì)切刃磨削過(guò)程中產(chǎn)生的力和熱脈沖的識(shí)別。測(cè)力計(jì)法是通過(guò)把極小的工件裝在高頻壓電測(cè)力計(jì)上來(lái)接收磨削力信號(hào)。磨削工件是用一剃須刀片或盡量薄的長(zhǎng)方塊，來(lái)獲得磨粒與工件刻劃接觸的每個(gè)切刃產(chǎn)生的力脈沖。熱電偶法的原理與此相同，是通過(guò)接收磨粒切刃與埋在工件中的電偶的劃擦產(chǎn)生的熱脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。沿刀片長(zhǎng)度磨削測(cè)量力脈沖的方法實(shí)際上相當(dāng)于切入磨削窄工件，其磨削寬度等于刀片厚度。磨薄的矩形工件時(shí)砂輪以旋轉(zhuǎn)，切入工件后以進(jìn)給。上述動(dòng)態(tài)條件就確定了恒定的進(jìn)給角，力脈沖信號(hào)就成為進(jìn)給角的函數(shù)，前面的章節(jié)曾提到這個(gè)參數(shù)，它唯一地決定了給定砂輪地貌的動(dòng)態(tài)切刃密度。測(cè)力計(jì)法測(cè)量的砂輪表面切刃數(shù)4.6.5

顯微鏡法顯微鏡法是利用光學(xué)顯微鏡或掃描電鏡（SEM）來(lái)觀察和測(cè)量砂輪表面地貌特征。最為簡(jiǎn)單的是利用帶有垂直照明光源的金相光學(xué)顯微鏡。為方便計(jì)，顯微鏡可直接安裝在機(jī)床上，這樣在觀察時(shí)可不必挪動(dòng)砂輪。當(dāng)直接觀察砂輪表面時(shí)（一般放大倍數(shù)為50～250倍），磨粒尖部在暗的背景環(huán)境映襯下反光非常明顯，這些小