表面結構化砂輪磨削加工技術研究進展

郭　兵，金錢余，趙清亮，吳明濤，曾昭奇

(1.哈爾濱工業大學 機電工程學院， 哈爾濱 150001； 2.北京控制工程研究所， 北京 100091)

表面結構化砂輪磨削加工技術研究進展

郭兵1，金錢余1，趙清亮1，吳明濤1，曾昭奇2

(1.哈爾濱工業大學 機電工程學院， 哈爾濱 150001； 2.北京控制工程研究所， 北京 100091)

摘要:針對表面結構化砂輪的磨削加工研究現狀，系統介紹了砂輪磨粒有序排布、磨粒幾何參數控制、砂輪結構設計、機械或激光修整砂輪等表面結構化方法，分析了表面結構化磨削工具的加工機理及其對加工表面質量的影響規律. 闡述表面結構化砂輪磨削加工規則紋理表面的原理，并介紹了運用表面結構化砂輪磨削規則表面紋理的不同方法. 論述了表面結構化砂輪磨削在特定材料加工領域的應用前景，對表面結構化砂輪制造技術的發展方向進行了展望.

關鍵詞:表面結構化砂輪；磨削加工；磨粒有序排布；幾何參數可控；溝槽結構化砂輪；規則紋理表面

高強度鋼、鈦合金等塑性難加工材料及碳化硅、光學玻璃等硬脆難加工材料在航空、航天、光學元件制造等領域應用廣泛，磨削加工是這些難加工材料主要的加工方法，在磨削加工過程中存在磨削力大、磨削亞表層損傷大、磨削溫度高、磨削工具磨損快、加工效率低等問題[1-3]，表面結構化砂輪磨削加工是應對這些問題的重要研究方向之一.

表面結構化砂輪磨削加工是在磨削工具制造或修整過程中對表面微觀或宏觀形貌進行控制，獲得規則的磨粒排布或溝槽結構，以改善磨削加工工藝性能或磨削加工規則紋理表面等. 目前，砂輪表面結構化方法主要分為兩類：一類是基于砂輪制造過程的結構化方法，即在制造過程中通過磨粒有序排布[4-20]、磨粒幾何參數精確控制[21-27]、砂輪表面結構設計[28-31]等實現結構化；另一類是對現有砂輪運用特殊修整方法進行后期表面結構化[32-45]，如在砂輪表面運用機械修整或激光去除等方法進行溝槽結構化等.

自2000年起，瑞士、德國等國家部分學者開始運用計算機仿真及實驗方法研究磨粒有序排布對磨削加工的影響，并應用于塑性難加工材料磨削加工. 2009年，英國Axinte等[24-26]，運用激光加工在CVD金剛石塊上制造了精確控制磨粒幾何參數的磨削工具,并磨削加工鈦合金. 1997～2011年，美國、德國、韓國、澳大利亞等國家部分學者發展了運用砂輪結構設計進行砂輪表面結構化的方法，磨削加工AISI4140鋼等塑性難加工材料. 2007年至今，運用機械或激光修整在傳統砂輪表面進行溝槽結構化成為磨削加工研究熱點，應用于磨削加工100Cr6鋼、光學玻璃等. 此外，巴西的學者于2007年開創性地運用表面結構化砂輪進行規則紋理表面磨削加工.

本文根據不同的砂輪表面結構化方法,對表面結構化砂輪磨削加工研究進展進行了綜述，并介紹了表面結構化砂輪在規則紋理表面加工中的應用.

1砂輪制造過程表面結構化及其磨削

砂輪制造過程表面結構化方法主要包括磨粒有序排布結構化,磨粒幾何參數精確控制結構化,砂輪結構創新設計結構化，如圖1所示.

圖1　表面結構化砂輪制造方法

1.1磨粒有序排布結構化

傳統砂輪與磨粒有序排布結構化砂輪差異如表1所示.

表1　傳統砂輪與磨粒有序排布砂輪比較

傳統砂輪或固定磨料磨削工具表面磨粒形狀、位置、分布密度等都是隨機的，砂輪表面不同位置有效磨粒數量、單個磨粒承受載荷、切屑流動方向等都存在極大的不確定性，制造過程中砂輪的不均勻制造和顆粒的不均勻分布造成砂輪磨削過程的不穩定性. 磨粒有序排布磨削工具能夠對磨粒粒度、分布、突出高度甚至磨粒切削刃方向進行控制，能夠保證砂輪足夠的切削刃長度、冷卻劑空間和切屑空間，尤其適用于需要較高材料去除速率的磨削加工[4].

1.1.1磨粒有序排布仿真研究

磨粒有序排布仿真能夠從理論上研究磨粒粒度、形狀、排布、磨損及突出高度等對磨削加工的影響，磨削加工過程動態變化.

Jacobson等[5]建立如圖2所示基于雙體磨料作用理論的數值仿真模型，能夠簡單預測磨粒尺寸、載荷與工件硬度對磨損速率、比磨削能、接觸磨粒數量等的影響. Koshy等[6]基于Jacobson的工作,以優化砂輪形貌獲得最佳磨削性能為目標,對數值模型進行了改進，對磨粒有序排布在磨削性能的改善進行仿真，結果表明：磨粒突出高度分布而不是磨粒突出高度最大值，決定了磨削表面粗糙度及其變化;合理控制磨粒突出高度分布能夠有效改善磨削表面質量；磨粒形狀對磨削表面粗糙度的影響程度與磨削工藝變化相近；磨粒有序排布砂輪磨削表面質量是磨粒排列軸向間距的函數，最好的表面質量是用與傳統砂輪磨粒排布相似的砂輪得到的.

圖2　基于雙體磨料作用理論建立的仿真模型[5]

Pinto等[7]對磨削仿真模型進行了深化，數值仿真磨粒形狀及磨損模型分別如圖3、4所示，磨粒簡化為垂直磨削速度的最大投影幾何截面，圖4磨粒頂部淺色區域為磨粒磨損折斷部分，通過減小磨粒頂面部分面積模擬磨粒微小磨損. 數值分析與實驗研究發現，磨粒磨損導致的微觀幾何形貌變化是影響工件表面粗糙度的主要因素，破碎磨粒比例與工件表面粗糙度具有較高的相關度. 磨粒磨損會導致砂輪工作表面形貌的變化,并影響磨削表面粗糙度，考慮磨粒磨損因素的表面粗糙度數值仿真結果與實驗測量粗糙度更為接近. 磨粒切削區分布在磨粒磨損后發生改變，磨料層形貌的變化能夠通過砂輪表面磨粒切削區分布的變化進行觀察. 運用數值方法能夠分析磨粒有序排布砂輪表面磨粒切削區分布或有效磨粒比例等，還能分析磨削工藝適用性.

圖3　實際磨粒形狀類型及數值仿真磨粒形狀[7]

圖4　磨粒微觀折斷磨損模型[7]

1.1.2磨粒有序排布實驗研究

為了改善磨削工藝性,提高材料去除效率并保持較高的表面質量，Aurich等[8-9]通過運動學仿真,分析了砂輪表面磨粒形貌、數量及排布圖案等對磨削工藝的影響，基于仿真研究結果選擇最優磨粒排布,制造了磨粒有序排布大磨粒超硬磨料CBN電鍍砂輪，圖5為磨粒有序排布砂輪與普通砂輪形貌對比. 實驗研究發現，磨粒有序排布砂輪能夠顯著降低磨削力及磨削溫度.

圖5　磨粒有序排布砂輪原型與標準砂輪[8]

磨粒有序排布砂輪磨粒排布受到良好控制，磨粒以切削作用為主、犁耕作用減少，砂輪表面具有更大的容屑空間,切屑能夠有效排除，磨削液也能夠有效進入磨削區，因而能夠減小磨削力與磨削功率,降低磨削溫度. Aurich等[10]對比研究了磨粒有序排布及普通CBN砂輪磨削42CrMo4V，砂輪表面形貌分別如圖6(a)及(b)所示. 材料去除速率70 mm3/mm·s, 磨削速度100 m/s, 磨削深度1～4 m,進給速度1 050～4 200 mm/min. 磨粒有序排布砂輪較傳統砂輪，法向力與切向力分別下降30%～40%與20%～35%，主軸功率下降16%～27%，在較小的磨削深度時能夠有效降低磨削溫度，不過磨削表面粗糙度與傳統砂輪相比增大約30%. Aurich等[11]還研究了磨粒修整高度對磨削性能的影響，磨粒突出高度80～120 μm時,磨粒有序排布砂輪在干磨削與濕磨削中都具有穩定的磨削性能.

(a)磨粒有序排布砂輪

(b)傳統磨粒隨機排布砂輪

Heinzel等[4]研究了磨粒有序排布電鍍金剛石砂輪磨削光學玻璃BK7，磨削速度3 m/s,切向進給速度3 mm/min, 磨削深度20 μm，普通砂輪及磨粒有序排布砂輪表面如圖7所示. 在精細修整后，普通砂輪與磨粒有序排布砂輪磨削硬脆材料光學玻璃BK7都獲得低于Sa=20nm表面粗糙度. 表征磨粒與工件材料接觸面積大小的砂輪表面單位面積磨粒平面面積與砂輪表面單位面積磨粒平均切削刃寬度能夠描繪砂輪修整后形貌，可應用于磨粒有序排布砂輪磨削力及磨削表面粗糙度的控制.

圖7　傳統大磨粒金剛石砂輪與磨粒有序排布砂輪表面形貌[4]

為避免傳統磨削工具磨粒密度高, 突出高度有限及隨機分布等問題，Burkhard等[12]發展了如圖8所示的磨粒突出高度較高并有序排布的單層珩磨工具，磨削16MnCr5，磨削速度1～3 m/s, 進給速度3 m/min, 磨削深度0.04 mm. 磨削效率顯著提高,工具壽命明顯增加，節約加工時間超過1/3.

圖8　磨粒有序排布珩磨工具及其表面形貌[12]

湖南大學鄧朝暉等[13-14]研究了纖維狀聚晶金剛石復合片刀具的切削性能及磨損機理，并進一步制造了如圖9所示的金剛石纖維有序排布砂輪，磨削WC/12Co，砂輪轉速3 000 r/min，進給速度10～40 mm/s,磨削深度5～40 μm， 研究發現磨削表面完整性較好，宏觀裂紋和表面損傷相對減少，與普通金剛石砂輪相比表面粗糙度更低，表面殘余應力更小，磨削工具使用壽命更長.

圖9　有序排布金剛石纖維砂輪[14]

南京航空航天大學肖冰等[15]研究了有序排布釬焊金剛石磨盤磨削鋼Q345，磨粒以磨損失效為主，沒有出現整顆磨粒脫落，磨削效率約為樹脂砂輪1.5倍. 南京航空航天大學蘇宏華等[16]研究了單層釬焊有序排布金剛石砂輪磨削氧化鋯陶瓷，發現砂輪精細修整后能夠實現塑性域磨削并顯著降低磨削表面粗糙度. 沈陽理工大學王軍等[17]基于仿生學原理進行了磨粒有序排布砂輪研究，發現有序排布砂輪磨削性能更好, 磨削力顯著降低，不過表面粗糙度大于無序排布砂輪磨削的表面.

1.1.3磨粒群有序排布研究

運用細磨粒及結合劑構成的磨粒群代替大磨粒，則形成了磨粒群有序排布磨削工具. Luo等[18]運用類LIGA工藝制造了如圖10所示的由4～6 μm金剛石磨粒群顆粒組成的磨削工具，用其磨削硅晶片. 在晶片表面實現了塑性去除，獲得低于Ra0.05μm的表面粗糙度，磨粒群顆粒與基體具有較高的結合強度，甚至可在惡劣磨削條件下工作.

圖10類LIGA工藝制造金剛石磨粒群磨削工具原理及表面[18]

此外，大連理工大學高航等[19-20]運用如圖11所示CBN磨粒群顆粒可控排布砂輪干磨削碳纖維復合材料，主軸轉速7 200 r/min、進給速度600 mm/min,磨削深度0.02 mm. 研究發現,磨粒群間隙能夠有效轉移切屑并避免砂輪堵塞，磨削力穩定,工件表面質量完整性好. 單個磨粒群具有細磨粒砂輪磨削的優點，磨粒群之間又具有大磨粒砂輪容屑空間較大、磨削液容易進入的特點.

圖11　CBN磨粒群可控排布砂輪[20]

1.1.4磨粒有序排布磨削工具分析

磨粒有序排布砂輪表面磨粒或磨粒群有序排布，能夠有效控制砂輪表面磨粒間距、磨粒粒度及形狀、單位面積磨粒密度等. 砂輪表面單位面積磨粒數量顯著降低，磨削過程中犁耕或劃擦作用磨粒比例顯著降低,而切削作用磨粒比例增加，因而能夠有效降低磨削力，同時有序的磨粒排布確保了工件材料的有效去除. 磨粒數量的減少有效增大了砂輪表面的容屑空間，有利于磨削液的進入,以及充分冷卻、潤滑并排除磨屑，能夠避免砂輪表面堵塞，并有效減少磨削過程中可能出現的熱及其它損傷. 因此，磨粒有序排布砂輪能夠運用更高的磨削工藝參數以提高磨削加工效率. 綜上所述，磨粒有序排布砂輪能夠有效改善磨削工藝性能，提高磨削效率，降低磨削力及磨削溫度，減小磨削損傷.

1.2磨粒幾何參數精確控制磨削工具研究

1.2.1磨粒幾何參數精確控制磨削基礎研究

磨粒形狀是影響材料去除過程的重要因素，Axinte等[21]研究了如圖12所示圓形、方形、三角形磨粒刻劃塑性材料銅與脆性材料藍寶石時材料去除過程，刻劃深度1～3 μm. 不同形狀磨粒刻劃塑性材料劃痕形態沒有大的差異，劃痕能夠精確復制磨粒幾何輪廓. 方形磨粒比切削力最低，圓形磨粒比切削力最高,三角形磨粒比切削力比方形高28%. 不同形狀磨粒刻劃藍寶石材料去除機制不同，方形磨粒以斷裂為主，圓形磨粒以塑性變形為主，三角形磨粒則是這兩種機制共同作用. 圓形磨粒比切削力最大，方形磨粒與三角形磨粒比切削力分別比圓形磨粒低44%及66%. 此外，3種磨粒作用劃痕對磨粒輪廓的復制精度都較差.

圖12　激光制造不同幾何形狀磨粒[21]

在磨削過程中，工件表面的形成是多個磨粒連續作用的結果，多個磨粒連續刻劃更接近磨削過程中材料去除行為. Axinte等[22]進一步運用如圖13所示磨粒重疊排布刻頭刻劃銅及藍寶石，在重疊磨粒刻劃塑性材料時，后續磨粒材料作用會受到先行磨粒刻劃形成表面形貌的影響，磨粒形狀對刻劃表面側面與底面表面質量影響較小. 重疊磨粒刻劃脆性材料時，劃痕側面或底面的裂紋會導致材料去除面積大于重疊磨粒組合幾何輪廓. 后續磨粒作用的是先行磨粒作用后存在裂紋的殘留表面，因此與先行磨粒相比,后續磨粒刻劃形成表面裂紋減少.

圖13　激光制造不同幾何形狀重疊磨粒[22]

Butler-Smith等[23]運用電子能量耗散(EELS)與透射電子顯微鏡(TEM)研究了激光加工的CVD金剛石磨粒結構表面層材料在激光作用下的變化，分析發現,微結構表面金剛石存在石墨化，整個石墨層厚度約為2 μm. 金剛石到石墨的轉變層如圖14所示，金剛石與石墨之間存在高度確定的分界，金剛石材料結構保持了較好的完整性，因而能夠形成精確的切削刃.

圖14　激光去除石墨金剛石晶格結合面[23]

1.2.2磨粒幾何參數精確控制磨削工具實驗研究

Butler-Smith等[24-25]運用激光加工方法在CVD金剛石塊上制造了如圖15及圖16所示尺寸、間距與晶向可控的微小磨粒陣列磨削工具. 平面磨削Ti-6Al-4V，磨削速度20 m/s,磨削深度0.002 mm,進給速度300 mm/min. 磨粒幾何參數精確控制陣列磨削工具具有較好的切削作用與良好可控的切屑流動路徑，能夠有效去除工件材料，幾乎沒有表面堵塞；傳統電鍍磨削工具表面存在嚴重的切屑堵塞，尤其是在磨粒高度聚集的地方. 幾何參數精確控制磨粒陣列磨削工具相比傳統電鍍磨削工具，具有穩定且較低的磨削力，磨削表面質量改善3.5倍,平面度改善21.5倍. 單晶CVD金剛石磨粒陣列與聚晶金剛石陣列相比主切削力降低約55%，刀具磨損更低.

圖15　激光加工多種幾何參數精確控制磨粒陣列[24]

圖16　激光加工三角形磨粒陣列[25]

在幾何參數精確控制金剛石磨粒陣列研究基礎上，Butler-Smith等[26]研究了如圖17所示幾何參數與排布精確控制回轉微磨削工具. 磨削Ti-6Al-4V，磨削速度31.4 m/s,進給速度0.05 m/min,徑向磨削深度0.04 mm,軸向磨削深度0.1 mm. 相比傳統磨削工具，精密控制磨粒陣列能夠更為均勻的分布磨削載荷，能夠有效去除工件材料，具有一致的切屑流動方向，磨削表面質量顯著提高. 表面粗糙度Ra改善超過3倍，磨削成形精度Wa改善超過7倍，磨削加工具有更高的穩定性,磨削工具具有更長的工作壽命.

圖17　幾何參數精確控制磨粒旋轉陣列磨削工具[26]

幾何參數精確控制磨削工具也可以應用于化學機械拋光(CMP)拋光墊的修整，Tsai等[27]運用激光去除方法在燒結聚晶金剛石盤表面制造了如圖18所示的規則排列的磨粒陣列修整工具. 與傳統修整工具相比，修整率(拋光墊材料去除量)減小30%,從而增加了拋光墊使用壽命，拋光墊能夠更快形成穩定的表面紋理，表面一致性更高，隨著時間增加,拋光速率降低更快.

圖18　幾何參數精確控制修整工具形貌[27]

綜上所述，磨粒幾何形狀對材料去除過程尤其是硬脆材料去除過程有重要影響，磨削表面的形成由多個磨粒共同作用完成，運用激光方法能夠制造具有幾何參數可控的磨粒陣列，采用幾何參數精確控制磨削工具能夠獲得更為穩定的切削力,以及更好的加工表面質量.

1.2.3磨粒幾何參數精確控制磨削工具分析

磨粒幾何參數精確控制磨削工具制造是運用激光去除方法在CVD金剛石等超硬材料表面加工出具有相同幾何參數、磨粒排列規則的磨削工具的過程，能夠更為精確地控制磨削工具表面形貌. 在磨削過程中，磨粒與工件材料相互作用均勻而穩定，能夠均勻分布磨削載荷，形成非劃擦及犁耕作用的有效切削，最終降低磨削力并提高磨削表面質量.

1.3砂輪結構設計表面結構化方法

對砂輪結構進行創新設計以實現非連續磨削和改善磨削液進入磨削區能力能夠有效改善磨削工藝性能，這主要應用于普通磨削加工[28-31].

1.3.1砂輪結構設計表面結構化砂輪磨削研究

非連續磨削砂輪能夠減少砂輪與工件表面的接觸時間，增加磨削液進入磨削區的能力，因而能夠降低磨削溫度與熱損傷，改善磨削性能. Lee等[28]研究了非連續金剛石砂輪端面磨削Al2O3陶瓷，磨削速度15～30 m/s、磨削深度0.02～0.08 mm,進給速度1.2 m/s，研究發現材料去除速率增加，磨削溫度降低40%～80%，砂輪磨損減少，不過磨削表面更為粗糙. Kim等[29]通過控制砂輪不同部分氣孔率研究了如圖19所示的新型非連續磨削砂輪，砂輪表面含有65%孔隙部分磨損迅速, 而氣孔率低的部分磨損緩慢，從而在磨削過程中在砂輪表面形成溝槽并實現非連續磨削. 磨削速度24 m/s, 進給速度9.0 m/min, 磨削深度0.01～0.05mm，磨削Cu、Al6061、青銅等材料，非連續砂輪與傳統砂輪相比表面粗糙度改善在1.5～5.0倍之間且沒有磨削損傷，磨削SUS304鋼時雖然沒有改善表面粗糙度但沒有出現磨削損傷.

砂輪表面分段能夠減少靜態磨削刃數量，使得瞬時參與接觸切削刃數量減少,從而降低劃擦與犁耕作用磨粒數量，減小磨削力、比磨削能. Tawakoli等[30]運用如圖20所示T-型分段磨削工具，磨削陶瓷基復合材料，磨削速度30～120 m/s, 進給速度0.5～3.0 m/min, 磨削深度0.05～0.60 mm. 研究發現，與普通砂輪相比，法向力與切向力顯著減少，工件表面沒有殘余拉應力產生，能夠采用更高的材料去除速率而不出現磨削損傷.

圖19　多孔磨料溝槽非連續砂輪[29]

圖20　T-型磨削工具[30]

通過創新的砂輪結構設計改善磨削液進入磨削區的能力，也是優化磨削性能的重要方法. Nguyen等[31]設計了如圖21所示的徑向磨削液供應通道的分段砂輪系統，砂輪表面為非連續分段結構，磨削液通過砂輪內部微孔從砂輪徑向直接作用于磨削區. 磨削AISI4104鋼，磨削速度23 m/s,進給速度400 mm/min, 磨削深度0.01～0.05 mm. 新的磨削系統與傳統砂輪相比，能夠有效維持切削刃鋒利度，砂輪表面清潔能力得到改善，砂輪表面沒有切屑堵塞，磨削表面質量更好，沒有拉伸殘余應力，比磨削能更低，磨削液消耗更少.

圖21　Nguyen等設計優化磨削液供應的分段砂輪[31]

1.3.2砂輪結構設計表面結構化磨削分析

砂輪結構設計表面結構化方法獲得的非連續磨削砂輪，由于表面的不連續性,降低了單位時間內砂輪表面與工件表面接觸面積，有效減少劃擦及犁耕作用磨粒數量. 不連續的砂輪表面有利于磨削液更為充分的進入磨削區，進行有效地潤滑與冷卻. 因此，非連續磨削砂輪能夠降低磨削作用力并減輕磨削損傷. 此外，在砂輪內部布置磨削液輸送微孔通道，能夠進一步促進磨削液進入磨削區，清潔砂輪工作表面,減少磨屑粘附,保持切削刃的鋒利度,降低砂輪表面堵塞，因而也能夠減小磨削力及磨削損傷. 創新的砂輪表面結構設計實現非連續磨削及磨削液內部供應,是改善磨削工藝性能的重要方法.

2傳統砂輪表面結構化及其磨削

2.1細磨粒砂輪溝槽結構化磨削

Rabiey[32]對表面溝槽結構化砂輪磨削進行了理論研究，發現磨削過程中的能量消耗主要與磨粒與工件表面的摩擦及犁耕作用有關，表面結構化砂輪磨削能夠顯著減少摩擦及犁耕作用,進而減少熱量的產生，最終降低磨削溫度及熱損傷. 此外，理論研究還發現: 表面粗糙度主要受到有效切削刃密度影響，磨削工藝參數的影響相對小一些，砂輪表面結構化會導致表面粗糙度增大，且砂輪表面接觸面積越小,磨削表面粗糙度越大. 相比非結構化砂輪，表面結構化砂輪磨削能夠不同程度降低磨削力. Rabiey運用接觸面積25%的表面結構化砂輪磨削100Cr6,磨削力減少超過35%. Tawakoli等[33-35]運用如圖22所示結構化CBN砂輪，干磨削100Cr6，磨削速度60 m/s、進給速度500～2 500 mm/min,磨削深度0.005～0.025 mm，在相同材料去除率下,表面結構化砂輪磨削力顯著降低. 表面結構化砂輪干磨削能夠有效改變磨削表面殘余應力狀態，在磨削表面形成殘余壓應力，而傳統砂輪磨削加工表面主要是殘余拉應力. 表面結構化砂輪磨削幾乎沒有磨削燒傷或其它熱損傷，因而能夠使用更大的材料去除速率以提高磨削加工效率. 不過，表面結構化會導致單個磨粒承受的平均載荷增大，因此結構化砂輪的磨損速度略快于傳統砂輪；結構化還會導致磨削表面粗糙度上升,但在可以接受范圍內，增加清磨工藝等能顯著降低表面粗糙度.

Willem等[36]首先提出在砂輪表面加工交替排列溝槽以改善砂輪磨削工藝性，溝槽結構能夠有效聚集并將磨削液輸送到磨削區實現冷卻與潤滑，在緩進給磨削時有效減少磨削燒傷. Mohamed等[37]運用如圖23所示螺旋溝槽結構化氧化鋁砂輪，緩進給磨削AISI4140，磨削速度22.4 m/s、進給速度1.7 mm/s、磨削深度1～4 mm. 結構化砂輪與傳統砂輪相比，在砂輪失效前材料去除量增加2倍以上,而能量消耗減少接近61%，當限制表面粗糙度低于0.3 μm及1.6 μm時，材料去除量分別增加37%及120%，砂輪結構化并沒有明顯加快砂輪的磨損，而且砂輪表面接觸面積越小，磨削工藝改善效果越好.

(a)砂輪表面規則結構陣列結構化

(b)砂輪表面螺旋溝槽結構化

圖23　表面溝槽結構化緩進給磨削砂輪[37]

砂輪表面結構化結構類型不同，對磨削工藝的影響也不同. Walter等[38]運用激光去除方法在金屬-陶瓷混合結合劑CBN砂輪表面加工如圖24所示不同類型溝槽結構，V-型溝槽結構化的實際砂輪表面如圖25所示，獲得接觸面積均為63%的結構化砂輪，磨削100Cr6，磨削速度60 m/s,進給速度1 000～3 000 mm/min,磨削深度0.06～0.18 mm. 砂輪表面激光結構化后磨削力下降25%～54%不等，磨削力穩定性明顯大于非結構化砂輪，不同材料去除速率下表面結構化砂輪磨削力基本保持恒定. 不過，與未結構化砂輪相比,工件表面粗糙度除小尺寸V-型外都略有增大. 隨著材料去除速率增加,不同類型結構化砂輪磨削表面粗糙度都將增大，但增大程度不同. 此外，結構化砂輪平均徑向輪廓沒有明顯變化，即表面結構化砂輪磨損速度并沒有明顯增加.

Tsuchiya等[39]運用螺旋溝槽結構化超細磨粒固定磨料工具精密磨削鋁，主軸轉速8 000 r/min,進給速度0.4 mm/s,磨削深度1 mm，螺旋溝槽能夠連續排除磨屑，避免或減少磨屑對工具表面容屑空間的堵塞，能夠有效改善磨削表面質量. 結構化磨削工具表面幾乎沒有磨屑堵塞，而傳統磨削工具表面很容易發生表面堵塞. 不同磨削工具磨削工件表面如圖26所示，用結構化固定磨料工具磨削粗糙度為Ra32nm的表面,實現了鏡面級表面質量，而傳統固定磨料工具磨削表面粗糙度為Ra=0.26μm.

圖24　不同砂輪表面結構化結構類型[38]

圖25　砂輪表面結構化實際形貌[38]

圖26　螺旋溝槽結構化超細磨粒磨料工具磨削鋁表面[39]

運用特殊的修整方法在砂輪表面加工規則溝槽結構是砂輪結構化的重要方法，溝槽結構能夠降低磨削力和磨削溫度，促進磨削液進入磨削區，在干磨削、緩進給磨削、難切削材料磨削等方面有重要應用，既適用于普通磨削,也適用于精密磨削.

2.2大磨粒金剛石砂輪微結構化磨削研究

精密光學元件在航空航天、半導體及通信等行業應用廣泛，其精密磨削要求實現納米級表面粗糙度、亞微米級尺寸精度、低的亞表層損傷、高的生產效率等.

為了解決傳統細磨粒金剛石砂輪磨削光學玻璃等硬脆材料時，容屑空間小,表面容易堵塞,砂輪磨損快,需頻繁整形與修銳等問題，Brinksmeier等[40]發展大磨粒金剛石砂輪磨削. 趙清亮等[41-43]結合大磨粒金剛石砂輪磨削特點，對大磨粒金剛石砂輪定義如圖27所示創新性修整要求. 利用精密修整大磨粒金剛石砂輪磨削光學玻璃BK7和微晶玻璃，兩種材料實現超精密磨削范疇并獲得納米級表面粗糙度，其中光學玻璃亞表面損傷深度小于3 μm，但磨削表面亞表層損傷深度明顯大于細磨粒金剛石砂輪.

圖27　大磨粒金剛石砂輪修整[43]

郭兵等[44-46]發展了激光微結構化方法對大磨粒電鍍金剛石砂輪表面進行微結構化，激光微結構化原理如圖28所示.

圖28　砂輪表面激光結構化原理及結構化磨粒[46]

電主軸軸端的磨削砂輪以一定轉速旋轉，固定于PI平臺的皮秒激光器發射高脈沖激光照射旋轉砂輪，在砂輪表面加工不同的微溝槽平行陣列，每個金剛石磨粒加工出2～3個寬度為10～15 μm的溝槽，微結構化溝槽寬度小于磨粒尺寸，亞磨粒尺度的微結構化使得砂輪表面單位面積上有效切削刃數量增加，從而單個切削刃未變形切屑厚度降低，有利于實現塑性域磨削.

基于以上理論分析，加工圖29所示5種微結構砂輪，分別代表無微溝槽、70 μm平行間隔(半個砂輪)、30 μm平行間隔、90 μm平行間隔和150 μm平行間隔. 砂輪磨削光學玻璃參數：砂輪轉速3 000 r/min, 進給速度2 mm/min, 磨削深度2 μm. 微結構砂輪磨削光學玻璃亞表面損傷深度比無微結構砂輪的小2～3 μm，同時隨著平行微溝槽間隔減小，損傷深度呈現減小的趨勢.

圖29　加工5種微結構砂輪[46]

表面微結構化砂輪與非結構化砂輪相比，磨削光學玻璃BK7亞表層損傷深度由8 μm減少到1.5～5.0 μm. 但是，微結構化不能改善磨削表面粗糙度，當溝槽間距較大時表面粗糙度甚至明顯增大. 此外，表面粗糙度與亞表層損傷深度均隨著溝槽間距的降低而下降.

大磨粒金剛石砂輪微結構化創新性地在亞磨粒尺度進行結構化，保留了傳統砂輪磨粒排布的隨機性，并有效地增加了切削刃密度，特別適用于光學玻璃、碳化硅等硬脆材料精密磨削.

2.3砂輪表面微結構化磨削方法分析

傳統砂輪表面結構化是磨削工藝優化的重要方法，根據溝槽結構寬度與砂輪表面磨粒粒度的相對大小不同其影響機理也不相同.

細磨粒砂輪或普通砂輪結構化，微結構寬度一般明顯大于磨粒粒度，砂輪表面結構化能夠減少單位時間內砂輪表面與工件表面接觸面積，進而減少相互作用特別是劃擦、犁耕作用磨粒數量，進而降低磨削作用力及能量消耗. 表面溝槽結構化能夠有利于磨削液進入磨削區，進行有效的冷卻與潤滑，有利于降低磨削溫度及相應的熱損傷，能夠采用更高的磨削工藝參數以提高磨削加工效率. 大磨粒砂輪主要應用于硬脆材料等難切削材料磨削，磨削力大,磨削亞表層損傷較大[43]，進行亞磨粒尺度的微結構化增加了單位面積切削刃數量，并部分降低磨粒與工件表面接觸頂面面積，有利于塑性切削的形成并降低磨削作用力，減輕亞表層損傷深度.

3表面結構化砂輪磨削規則紋理表面

規則紋理表面能夠減少流體或邊界潤滑摩擦系數,吸附潤滑液中的微小硬質顆粒,增強涂層粘附及結合強度,改善靜態或動態結合面密封性等，在流體動壓軸承等方面有重要運用[47-53]. 研究規則紋理表面的磨削加工具有重要價值.

3.1結構化砂輪磨削規則紋理表面理論基礎

在磨削過程中，砂輪表面形貌會一定程度復印到工件磨削表面上，這為運用磨削方法進行規則紋理表面制造提供了可能. 規則表面紋理磨削原理如圖30所示[54]，表面溝槽結構化的砂輪當以恒定的磨削速度與進給速度比值進行磨削加工時，溝槽結構部分由于磨粒被去除，在磨削過程中不會去除工件表面材料，而非溝槽結構部分表面磨料層能夠有效去除工件材料，從而能夠在工件表面穩定的形成規則分布的紋理，使用不同速度比率或溝槽結構圖案能夠獲得不同的表面紋理. 磨削表面紋理包含兩部分：確定性部分，砂輪表面溝槽結構分布及磨削與進給速度比值，決定了工件磨削表面紋理分布的形狀；隨機部分，來源于砂輪非溝槽結構化部分磨料層隨機的磨粒形狀與分布，隨機的磨粒作用構成了規則紋理表面溝槽表面微觀形貌. 磨削表面紋理主要受確定性部分影響，確定性部分決定了表面紋理的形狀、尺寸及排布等. 隨機部分對工件表面溝槽尺寸、形狀及排列影響極小，主要影響局部溝槽底部粗糙度. 因此，復制機制相對于隨機性而言更多是確定性的.

圖30　砂輪結構化磨削規則表面紋理原理[54]

3.2結構化砂輪磨削規則紋理表面實驗研究

Stepien等[54-56]采用單點金剛石修整工具在砂輪表面修整獲得規則排列的深度大于磨削深度的螺旋溝槽，并運用表面溝槽結構化的砂輪進行磨削. 磨削速度31.39 m/s,進給速度0.326 m/s,磨削深度0.02 mm，成功將砂輪表面紋理復制到工件表面上而獲得規則表面紋理，圖31為磨削紋理局部溝槽形貌. 磨削加工獲得的規則紋理表面溝槽對砂輪表面進行有效磨削的非結構化部分復制輪廓偏差極小.

圖31　磨削表面紋理溝槽局部3D形貌[56]

Oliveira等[57]設計了如圖32所示的砂輪表面結構化修整系統，能夠在砂輪表面上修整形成所需紋理圖案，在磨削過程中保持砂輪與工件速度比10.0∶1～10.3∶1，獲得規則紋理表面如圖33所示,具有不同的復雜紋理表面. 研究結果表明,不僅能夠根據所需的表面紋理設計相應的砂輪表面溝槽結構分布以獲得不同的紋理表面，還能夠使用相同的砂輪表面紋理運用不同的工件與砂輪速度比值獲得不同的表面紋理. Silvae等[58]基于Oliveira等的工作對規則表面紋理磨削進行了深入研究，運用不同的軸向進給速度，獲得如圖34所示的具有不同比例復制的表面紋理. 因此，選擇合適的砂輪與工件速度比值，能夠改變紋理參數,增加了工藝靈活性. 此外，具有規則紋理表面的砂輪能夠顯著減少磨削功率消耗,并獲得可接受的表面質量，且除表面紋理描述參數以外的磨削表面質量(如粗糙度、磨削燒傷)仍然主要受傳統修整及磨削工藝參數影響，如修整重復率與磨削條件.

圖32　磨削砂輪紋理結構化方法[57]

新的砂輪表面紋理修整裝置能夠解決砂輪復雜表面紋理修整的問題，不過機床動態性能及高頻移動修整裝置對能量變換器輸出波形響應不可能完全理想，會對修整獲得的實際砂輪表面紋理尺寸及形貌、工件幾何形狀精度等產生一定的不利影響. Oliveira等[59]為了解決這一問題提出了兩種不同的磨削工藝路線：對砂輪表面紋理化，并對砂輪表面進行精細修整獲得理想的砂輪形狀精度，最后磨削工件表面獲得所需表面紋理；先進行砂輪表面紋理化，再磨削工件表面初步獲得存在形狀精度誤差的規則紋理表面，再對獲得的規則紋理表面進行精細磨削，獲得所需的形狀精度. 兩種磨削工藝能夠良好控制如頂部與底部粗糙度與微結構高度紋理特征等，以改善規則紋理表面的表面質量與形狀精度，圖35為運用兩種磨削工藝磨削得到的規則紋理表面局部形貌.

圖33　磨削加工不同表面紋理[57]

圖34　不同速度比磨削聲發射監測及表面紋理[58]

圖35　磨削獲得規則紋理表面形貌[59]

砂輪表面結構化磨削能夠簡單、高效、經濟的進行規則表面紋理面制造，是經濟高效的進行規則表面紋理制造的新方法，對于推動規則紋理表面的應用具有重要意義.

4表面結構化砂輪應用及研究趨勢

表面結構化砂輪磨削加工目前還處于研究階段，當前研究工作主要集中于塑性難切削材料如鈦合金、高強度鋼的磨削加工研究，而硬脆材料磨削加工研究較少，不同結構化方法的比較研究還處于起步階段. 因此，目前表面結構化砂輪還未有效地在不同行業中運用. 表面結構化砂輪在行業中的應用前景基于現有國內外研究工作簡要分析如下.

1)塑性難加工材料在航空、航天、深海探測等領域有著廣泛運用，如航空發動機葉片及機匣、深海探測器、衛星承力部件、承壓部件等都使用鈦合金制造. 表面結構化砂輪能夠有效地降低磨削力及磨削燒傷,提高塑性難加工材料磨削加工效率，因此在航空、航天、深海探測等領域有著巨大的應用前景.

2)碳化硅、碳化鎢、光學玻璃等硬脆材料是模具制造、大型光學元件制造等領域的主要加工材料，現有硬脆材料主要使用細磨粒砂輪磨削及后續拋光等工藝實現超精密加工，存在加工效率低, 砂輪磨損快, 磨削形狀精度低, 砂輪需頻繁修整等問題，大磨粒砂輪磨削雖然能夠提高磨削加工效率,但磨削亞表層損傷深度較大. 表面結構化大磨粒砂輪磨削加工相比傳統砂輪能夠獲得更低的亞表層損傷深度，而磨削表面質量不存在顯著的降低，因此在高效超精密磨削加工硬脆材料方面的研究與應用具有重要意義.

3)表面紋理結構能夠有效提高流體動壓力,吸附流體中的硬質顆粒以減少結合面磨損，紋理表面在流體動壓軸承、液體密封中的應用具有重要的意義，表面結構化砂輪磨削能夠經濟高效地進行規則紋理表面制造，因而具有廣泛的應用前景.

5展望

砂輪表面結構化技術能夠不同程度影響砂輪表面宏觀或微觀形貌，進而影響磨削過程中砂輪與工件材料的相互作用過程，以及砂輪磨削性能或磨削表面形成過程. 綜合分析表面結構化砂輪磨削國內外研究現狀，可以預計砂輪結構化磨削在未來還需要在以下方向進行進一步的深入研究.

1)進一步優化磨粒有序排布砂輪磨粒排布圖案，以實現工件磨削表面材料的均勻去除；進一步研究能夠適用于不同工件材料與磨粒并考慮磨粒磨損機制變化的數值仿真方法.

2)不同磨粒形狀及排布對幾何參數精確控制磨削工具磨削性能的影響，較大直徑幾何參數與排布精確控制精密旋轉磨粒陣列磨削工具及其在硬脆材料磨削中的應用.

3)砂輪表面結構設計創新,以進一步減少磨削液使用并提高磨削性能,提高切屑排除能力,避免砂輪表面堵塞，及其在精密磨削中的應用.

4)溝槽結構及尺寸對細磨粒砂輪表面溝槽結構化磨削性能的影響，多種溝槽結構結合進行砂輪表面結構化，磨粒粒度對砂輪結構化的影響，細磨粒砂輪溝槽結構化在精密磨削中的應用.

5)磨粒粒度對大磨粒金剛石砂輪亞磨粒尺度砂輪表面微結構化性能的影響，微結構形式與排布對結構化大磨粒砂輪磨削性能的影響.

6)磨削規則表面紋理過程中具有規則紋理表面結構化砂輪在線修整以進行連續磨削，運用大磨粒砂輪進行表面紋理磨削的可行性，表面紋理溝槽尺寸的精確控制及其在微傳感器制造中的應用.

砂輪表面結構化能夠有效的提高磨削加工效率，降低磨削力及磨削過程能量消耗，增大砂輪表面容屑空間，改善冷卻潤滑條件，降低磨削溫度及磨削表面損傷，在高效干磨削、緩進給磨削、硬脆材料精密磨削、難切削材料磨削、規則紋理表面制造等方面具有重要意義. 表面結構化砂輪磨削加工既適用于塑性難加工材料的普通磨削也能夠應用于硬脆材料的精密磨削，是磨削加工技術的重要研究方向，具有巨大的研究價值與應用前景.

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(編輯楊波)

Research progress of grinding technology with surface structured wheels

GUO Bing1，JIN Qianyu1，ZHAO Qingliang1，WU Mingtao1，ZENG Zhaoqi2

(1.School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China；2.Beijing Institute of Control Engineering， Beijing 100091, China)

Abstract:Based on present research status of grinding with surface structured wheels, different methods of structuring wheel surface, including wheels with defined grain pattern, precise controlling grain geometries, innovative grinding wheel structure design and structuring conventional grinding wheels through particular mechanical or laser dressing method are introduced, and the machining mechanism and the influence of grinding with surface structured wheels on the quality of machined surface are analyzed. The mechanism of machining regular texture surface by surface structured wheels is stated, simultaneously the different methods of obtaining regular texture surface are presented. Moreover, the application prospect in the field of special material machining by surface structured wheel is discussed, the development directions of grinding wheel surface structured technology are further forecasted.

Keywords:surface structured wheels; grinding processing; defined grain pattern; precise controlled grain geometries; grooving structured wheels; regular texture surface

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.07.001

收稿日期:2015-11-20

基金項目:國家自然科學基金(51405108)；

作者簡介:郭兵(1983—)，男，講師，碩士生導師; 趙清亮(1968—)，男，教授，博士生導師，德國亞歷山大·馮·洪堡學者，新世紀優秀人才

通信作者:趙清亮，zhaoqingliang@hit.edu.cn

中圖分類號:TG580.61

文獻標志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)07-0001-13

中國博士后科學基金(2015T80337)