焦 鋒 李成龍 牛 贏 馬曉三

河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，焦作，454000

0 引言

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，在軌道交通、通信電子、生物醫(yī)療、國防工業(yè)、航空航天等尖端技術(shù)領(lǐng)域中，高要求和高性能零部件的應(yīng)用逐漸增多。為了滿足零部件不斷提高的型面尺寸精度、表面粗糙度、表面完整性等生產(chǎn)制造要求，精密超精密加工技術(shù)被大量研究及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[1-2]。在精密超精密磨削過程中，砂輪與工件充分接觸逐漸磨出所需廓形。對于各種復(fù)雜型面零件和一些特殊回轉(zhuǎn)面工件，采用成形磨削加工既能提高產(chǎn)品質(zhì)量，又能提高生產(chǎn)效率，是一種成本低廉、工藝簡單的優(yōu)質(zhì)精密加工方法，因此成形磨削技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于葉片、軸承滾道、特殊型面的齒輪齒條、精密蝸桿、光學(xué)曲面螺旋轉(zhuǎn)子型面等復(fù)雜尖端精密加工制造領(lǐng)域[3-5]。

磨削加工雖可一次成形復(fù)雜型面，但砂輪在磨削一段時(shí)間后由于與工件表面相互作用，砂輪磨粒逐漸磨鈍出現(xiàn)磨粒堵塞砂輪氣孔的現(xiàn)象，磨鈍后的砂輪繼續(xù)磨削會(huì)導(dǎo)致磨削力增大，磨削溫度上升，影響磨削性能從而惡化工件的表面質(zhì)量，難以對工件進(jìn)行有效磨削[6]；砂輪型面不同位置線速度和材料去除率不同，易導(dǎo)致砂輪局部磨損，型面不同位置處的冷卻條件也不同，磨削溫度分布不均，易產(chǎn)生磨削燒傷[7-8]。在磨削過程中，為了使砂輪表面具有足夠的銳度和保證形狀精度，必須對砂輪定期修整。精密超精密磨削過程中砂輪的磨粒狀態(tài)、形狀尺寸精度是影響磨削性能和效果的重要因素，“磨削之關(guān)鍵是修整”已成為磨削界的普遍共識[9]。

為了實(shí)現(xiàn)高效精密超精密磨削，砂輪的修整既要保證砂輪型面良好的尺寸輪廓形貌及精度，又要實(shí)現(xiàn)磨料和結(jié)合劑的微量去除，因此實(shí)現(xiàn)砂輪高效高精度修整成為亟待解決的問題，也是國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注著重研究的重要方向。本文將國內(nèi)外學(xué)者對砂輪修整技術(shù)的研究分為機(jī)械修整法、特種修整法、復(fù)合修整法三類展開概述。

1 砂輪修整方法

1.1 機(jī)械修整法

機(jī)械修整法是目前應(yīng)用較廣泛的砂輪修整方法，主要包括車削修整法、杯形砂輪修整法、磨削修整法、點(diǎn)輪修整法、金剛石滾輪修整法[10-11]。

1.1.1車削修整

車削修整法主要以金剛石筆為刀具對砂輪進(jìn)行修整，金剛石筆以粉末冶金熱壓工藝來制備，具有耐磨性好、強(qiáng)度高、金剛石顆粒排布均勻難脫落、經(jīng)久耐用等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于砂輪修整工藝中[12-13]。該方法修整效率較高，砂輪表面光滑，適用于氧化鋁、碳化硅砂輪的整形修整。近年來以金剛石筆為主的車削修整法從單點(diǎn)向多點(diǎn)不斷發(fā)展，相關(guān)學(xué)者通過仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證不斷探索和提升車削修整法的修整精度和修整效率。

在單點(diǎn)金剛石筆車削修整砂輪的研究中，MUKHOPADHYAY等[14]發(fā)現(xiàn)單點(diǎn)金剛石筆修整可提升SiC砂輪的容屑空間。圖1所示為LIU等[15]建立的球形、圓臺、圓錐三種單顆磨粒模型，獲得的工件表面粗糙度實(shí)測值和模型預(yù)測值相差7%～11%。

圖1 三維單顆磨粒模型[15]Fig.1 3D model of single abrasive grain[15]

MUKHOPADHYAY等[16]和HOLESOVSKY等[17]均發(fā)現(xiàn)多點(diǎn)金剛石修整工具具有較強(qiáng)的耐磨性和粒度保持性。前者通過研制的Ni-Cr合金、Ag-Cu-2Ti合金多點(diǎn)單層釬焊金剛石T形修整臺(圖2)對陶瓷結(jié)合劑氧化鋁砂輪進(jìn)行修整并分析了磨粒失效形式，圖3示出了Ni-Cr合金在結(jié)合劑層失效、Ag-Cu-2Ti合金在磨粒尖端出現(xiàn)微破碎的情況；后者發(fā)現(xiàn)與單點(diǎn)金剛石修整工具相比，多點(diǎn)金剛石修整砂輪后100Cr6軸承鋼加工表面更光滑。

(a)Ni-Cr合金(b)Ag-Cu-2Ti合金圖2 多點(diǎn)單層釬焊金剛石T形修整臺[16]Fig.2 T-shape dresser developed of multi-point singlelayer brazing diamond[16]

(a)Ni-Cr合金(b)Ag-Cu-2Ti合金圖3 磨粒失效形式[16]Fig.3 Failure type of abrasive grain[16]

雖然金剛石筆砂輪修整具有結(jié)構(gòu)簡單、耐磨性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但其修整后的砂輪一般需油石修銳后才能磨削工件，金剛石筆修整砂輪過程中由于修整力較大且不均勻，較難保證砂輪形狀精度；由于金剛石筆修整自身無修銳作用，易造成筆尖快速磨損；不規(guī)則的金剛石筆自身擁有一定的厚度易與砂輪發(fā)生干涉。

1.1.2磨削修整

磨削修整法通過修整工具與砂輪的相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磨削作用對砂輪進(jìn)行修整，常用的磨削修整工具有磨石、磨塊、磨棒等。油石修整是最常見、最簡便的CBN砂輪修整方法之一，但當(dāng)磨削用量較大時(shí)CBN砂輪經(jīng)修整后的容屑空間被限制[18]，OKUYAMA等[19]將磨石固定在工作臺上，磨床數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)砂輪沿其軸向圓弧插補(bǔ)軌跡以恒定的進(jìn)給速度往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使砂輪與磨石對磨，實(shí)現(xiàn)圓弧型普通磨料砂輪的修整。

謝晉等[20]發(fā)現(xiàn)圓弧插補(bǔ)軌跡中心與磨塊中心偏心距離越大，形狀誤差越大。王春輝等[21]使用W-Mo-Cr合金材料修整金剛石砂輪，獲得磨粒的突出高度趨于一致，等高性約提高60%。目前采用旋轉(zhuǎn)磨削修整工具修整成形砂輪可分為仿形修整和插補(bǔ)修整。仿形修整由于無法有效補(bǔ)償成形修整工具的磨損，導(dǎo)致修整精度保持性差；插補(bǔ)修整工具的插補(bǔ)軌跡可由數(shù)控機(jī)床補(bǔ)償，因此可獲得較高的修整精度。圖4所示為CHEN等[22-23]提出的基于旋轉(zhuǎn)GC磨棒的數(shù)控互磨修整方法，修整后圓弧型砂輪表面形狀誤差在1.4 μm /mm以內(nèi)，圓跳動(dòng)誤差在1～1.8 μm以內(nèi)，且通過改變GC磨棒插補(bǔ)圓弧半徑可實(shí)現(xiàn)不同圓弧半徑的砂輪修整，修整適用性強(qiáng)。

(a)修整方式 (b)修整運(yùn)動(dòng)軌跡 圖4 弧形金剛石砂輪互磨修形[22]Fig.4 Mutual wear dressing of arc diamondgrinding wheel[22]

ZHOU等[24]通過三軸聯(lián)控實(shí)現(xiàn)圓弧金剛石砂輪修整(圖5)，指出修整后的金剛石砂輪的圓弧誤差、徑向圓跳動(dòng)誤差和半徑波動(dòng)顯著降低，加工的非球面透鏡形狀誤差P-V小于4 μm。

圖5 GC修整輪修整原理[24]Fig.5 Dressing principle of GC dressing wheel[24]

杯形砂輪修整法是日本東京大學(xué)莊司克雄教授在傳統(tǒng)磨削修整基礎(chǔ)上研制而來，杯形砂輪在高速旋轉(zhuǎn)條件下以端面切入進(jìn)給方式展開修磨，從而使電鍍超硬砂輪表面高點(diǎn)磨粒產(chǎn)生微小破碎，形成鋒利磨削刃。CHANG等[25]采用二維杯形砂輪修整圓弧金剛石砂輪(圖6)，發(fā)現(xiàn)該方法可提高修整精度和效率，且加工表面質(zhì)量明顯改善。

圖6 修整工具與砂輪運(yùn)動(dòng)關(guān)系[25]Fig.6 Movement relationship between the grindingwheel dresser and the grinding wheel[25]

相關(guān)學(xué)者從磨削修整工具方面不斷探索與創(chuàng)新，修整工具從靜止到旋轉(zhuǎn)，從單軸聯(lián)動(dòng)到多軸聯(lián)動(dòng)，不斷擴(kuò)大磨削修整的應(yīng)用范圍并提高修整精度。磨削修整主要依靠磨粒間的擠磨作用去除磨粒和結(jié)合劑，對砂輪突出高度較高、結(jié)合強(qiáng)度差的磨粒修整效果較好; 而對等高性較好、結(jié)合強(qiáng)度較高的磨粒修整效果較差，且磨削修整效率較低。

1.1.3金剛石滾輪修整

金剛石滾輪修整是金剛石滾輪與待修整砂輪旋轉(zhuǎn)相對運(yùn)動(dòng)，滾輪對待修整砂輪的表面進(jìn)行擠壓破碎和修磨，去除粘附在磨鈍砂輪上的磨屑、磨粒及結(jié)合劑，使待修整砂輪達(dá)到最佳磨削狀態(tài)[26-27]。

早期金剛石滾輪修整研究主要針對修整參數(shù)對磨削力及磨削表面粗糙度的影響，并沒有涉及砂輪的磨損及耐用度。后來DANESHI等[28]采用電鍍玻璃化黏結(jié)成形砂輪和杯形修整輪對CBN和白剛玉進(jìn)行修整，發(fā)現(xiàn)CBN砂輪沒有明顯磨損。ALEKSANDROVA[29]基于遺傳算法對金剛石滾輪修整進(jìn)行修整參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化獲得最優(yōu)參數(shù)組。XU等[30]提出新型視覺砂輪輪廓表征方法，并開發(fā)一種量化砂輪磨損方法，可在線快速表征砂輪輪廓誤差和砂輪修整狀況，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測修整誤差。

金剛石滾輪修整具有修整時(shí)間短、修整力較小且均勻、修整效率高、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但制造復(fù)雜、造價(jià)高且損耗快，仍需進(jìn)一步研究以延長滾輪使用壽命，降低滾輪制造成本。

1.1.4點(diǎn)輪修整

點(diǎn)輪修整工具主要有外環(huán)形、內(nèi)環(huán)形、杯形、碗形、蝶形等，修整工具寬度多在0.2～2.0 mm。點(diǎn)輪修整可實(shí)現(xiàn)圓柱面、錐面、端面等簡單型面砂輪修整，也可通過多軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面砂輪修整，具有精度高、壽命長、靈活實(shí)用等特點(diǎn)，特別適合于陶瓷結(jié)合劑超硬砂輪修整。

ZHANG等[31]采用碟輪多次修整單層釬焊金剛石砂輪，由于金剛石磨粒在修整時(shí)出現(xiàn)斷裂和裂紋產(chǎn)生新的切削刃，因此多次修整后單層釬焊金剛石砂輪無鈍化現(xiàn)象。黃武等[32]以碳鋼碟輪為修整工具,研究發(fā)現(xiàn)隨著砂輪和修整碟輪的相對速度降低，金剛石磨粒的磨損高度顯著減小。為解決單層釬焊金剛石砂輪難以滿足加工表面橫向粗糙度質(zhì)量要求的問題，SU等[33]使用碟輪對單層釬焊金剛石砂輪進(jìn)行修整，通過微量去除過度突出的磨粒，橫向表面粗糙度Ra值減小到最小值0.086 μm。以上研究均發(fā)現(xiàn)點(diǎn)輪修整可改善砂輪磨削性能，降低工件表面粗糙度。點(diǎn)輪修整不僅具有單點(diǎn)金剛石筆修整工藝簡單、成本低廉的特點(diǎn)，還具有金剛石滾輪修整點(diǎn)面積恒定、重疊率不變、修整過程穩(wěn)定等優(yōu)勢。

機(jī)械修整法在砂輪修整過程中，雖然工藝簡單、技術(shù)成熟、修整精度穩(wěn)定等，但是修整刀具易磨損、壽命短，修整后砂輪磨粒突出高度不易控制，砂輪輪廓單一且修整過程中還會(huì)產(chǎn)生大量粉塵和磨削廢液等污染問題。

1.2 特種修整法

特種修整法基于特種加工技術(shù)發(fā)展而來，主要包括激光修整、電火花修整、在線電解修整、水射流、超聲振動(dòng)修整。

1.2.1激光修整

激光修整不僅適用于普通砂輪、復(fù)雜型面成形砂輪修整，還可用于超薄砂輪切割片等各種類型砂輪的精密修整。激光修整將激光束聚焦成極小光斑作用于砂輪表面，在極短時(shí)間內(nèi)以蒸發(fā)汽化和熔融濺射的形式去除待修整砂輪材料[34-35]，如圖7所示。

圖7 激光修整原理圖[34]Fig.7 Principle of laser dressing[34]

如圖8所示，湖南大學(xué)陳根余團(tuán)隊(duì)[36]采用激光修整裝置將砂輪表面的圓跳動(dòng)誤差和平行度誤差分別從83.1 μm、324.6 μm降低到11.3 μm、3.5 μm，發(fā)現(xiàn)激光修整后砂輪在磨削中產(chǎn)生的法向磨削力和切向磨削力均小于常規(guī)傳統(tǒng)機(jī)械砂輪修整。

圖8 脈沖激光修整[36]Fig .8 Pulse laser dressing[36]

鄧輝[37]采用激光對粗粒度青銅金剛石砂輪進(jìn)行切向整形和徑向修銳,與碳化硅砂輪修整相比,激光修整砂輪表面磨粒脫落較少且等高性更好。DENG等[38]采用激光修整弧形樹脂基金剛石砂輪(圖9)，獲得圓弧砂輪截面輪廓圓形跳動(dòng)誤差約為22.1 μm，圓度誤差約為17.4 μm，修整后砂輪表面約90%的磨粒突出高度在合理范圍內(nèi)。

(a)激光仿形 (b)表面測量

(c)激光成形圖9 激光修整試驗(yàn)[38]Fig.9 Experiment of laser dressing[38]

激光修整不同于機(jī)械修整直接接觸，具有修整溫度低、無修整工具損耗、適用范圍廣等特點(diǎn)，因此進(jìn)一步探索與研究激光修整具有重要意義，尤其是在提高激光修整穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)監(jiān)測與處理、在線調(diào)控修整狀態(tài)等方面。

1.2.2電解修整

電解修整主要是針對導(dǎo)電砂輪進(jìn)行修整，特別是金屬結(jié)合劑砂輪。修整時(shí)砂輪廓形主要取決于工具電極形狀，因此工具電極的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。電解修整經(jīng)歷電極從有到無的發(fā)展過程，為了簡化工序,QIAN等[39]提出無電極電解修整，將電源兩極連接起來分別對砂輪和工件進(jìn)行修整，工件作為修整電極，在電極間產(chǎn)生火花放電使工件表面產(chǎn)生燒蝕凹坑。為了解決砂輪與電刷接觸困難的問題，OHMORI等[40]開發(fā)了電解修整噴嘴，使金屬結(jié)合劑砂輪發(fā)生化學(xué)溶解實(shí)現(xiàn)材料去除，與帶有電極的電解修整相比，使用噴嘴工具修整的砂輪表面粗糙度更小。伍俏平[41-42]采用電解修整使磨鈍磨粒及時(shí)脫落，砂輪始終保持鋒利性，電解修整磨削表面粗糙度僅為82.1 nm，且磨削表面沒有出現(xiàn)表面、亞表面裂紋等缺陷，如圖10所示。

圖10 電解修整釬焊金剛石砂輪表面[41]Fig.10 The surface of the brazed diamond wheelafter electrolytic dressing[41]

電解液是影響電解修整效果的關(guān)鍵因素，與普通電解液相比，含碳納米管電解液修整后磨削力降低30%以上。學(xué)者通過改進(jìn)電解修整工具、探索高效電解液、優(yōu)化電解修整工藝等方面的研究不斷提升電解修整效果。

1.2.3電火花修整

電火花修整是電火花放電脈沖重復(fù)放電時(shí)在砂輪表面形成相互重疊放電凹坑，逐漸將砂輪修整成特定形狀。由于修整時(shí)砂輪與工具電極無接觸，避免了接觸式修整振顫現(xiàn)象出現(xiàn)，保證修整精度的同時(shí)也能保證砂輪磨粒完整性[43]。XIE等[44]發(fā)現(xiàn)放電介質(zhì)類型是電火花修整效果的主要影響因素，與濕介質(zhì)相比，干介質(zhì)在砂輪與導(dǎo)電修整器之間具有更窄的脈沖放電間隙。

LU等[45]和余劍武等[46]均研究發(fā)現(xiàn)電火花修整可提高磨粒突出高度，促使磨粒分布更加密集且均勻。WANG等[47]采用電火花修整小球端金屬基細(xì)金剛石砂輪，發(fā)現(xiàn)當(dāng)脈沖放電能量較低時(shí)，金剛石磨粒的突出高度較低，如圖11所示。

圖11 電火花修整[47]Fig.11 Dressing of electric discharge[47]

1.2.4磨料水射流修整

磨料水射流修整是以高壓氣體或液體為動(dòng)力將顆粒材料高速射流到砂輪表面，依靠顆粒動(dòng)能對超硬砂輪表面產(chǎn)生沖擊達(dá)到材料去除。

為了降低砂輪耗損和機(jī)械裝備修整過程中的成本，AXINTE等[48]采用磨粒水射流對復(fù)雜型面砂輪修整(圖12)，與傳統(tǒng)機(jī)械修整相比，磨粒水射流修整時(shí)間最短，僅為機(jī)械修整時(shí)間的5%，但獲得的濕砂輪可能會(huì)影響砂輪磨削性能。YAO等[49]采用磨料水射流修整時(shí)發(fā)現(xiàn)結(jié)合劑較軟、進(jìn)給率降低時(shí)將導(dǎo)致磨槽加深。過低進(jìn)給率會(huì)使大量磨粒從結(jié)合劑中脫落，惡化砂輪形貌。ZHANG等[50-51]發(fā)現(xiàn)磨料水射流修銳可降低磨削力和磨削力比，在金剛石砂輪表面產(chǎn)生可控微紋理輪廓。

(a)溝槽砂輪 (b)扇形砂輪圖12 水射流修整示例[48]Fig.12 Example of water jet dressing[48]

磨料水射流修整法目前已被廣泛應(yīng)用于整形、修銳和清洗，其工藝設(shè)備簡單、成本低、修整效率高、修整溫度低可有效避免燒傷，但水射流磨料對磨床污染較大，在單獨(dú)機(jī)器上修整會(huì)降低修整精度。

1.2.5超聲振動(dòng)修整

超聲振動(dòng)修整是基于超聲加工技術(shù)發(fā)展而來的修整方法，近年來國內(nèi)外學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)該方法有利于提高砂輪表面形貌，提高砂輪修整效率和修整精度，提高砂輪磨削性能。

河南理工大學(xué)趙波團(tuán)隊(duì)對超聲振動(dòng)修整開展了深入研究，如圖13所示，該團(tuán)隊(duì)采用縱扭橢圓振動(dòng)修整金剛石砂輪，振動(dòng)修整軸向力減小到傳統(tǒng)修整的1/10～1/7，主切削力減小70%[52]；他們建立超聲振動(dòng)砂輪修整模型，揭示了超聲振動(dòng)分離-連續(xù)修整機(jī)理[53]，從縱向和切向進(jìn)行橢圓超聲振動(dòng)修整樹脂結(jié)合劑CBN砂輪，發(fā)現(xiàn)超聲頻率越高砂輪形貌越好且砂輪磨削比更高[54-55]，同時(shí)發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)修整砂輪微切削刃在圓周方向上分布稀疏，軸向上分布密集，振動(dòng)促進(jìn)切屑排出可有效減少燒傷現(xiàn)象發(fā)生[56]。KITZIG等[57]使用超聲振動(dòng)修整使磨粒多次破裂，在磨粒尖端產(chǎn)生較多新磨削刃，有利于提高材料去除率和修整效率，如圖14所示。

圖13 超聲振動(dòng)修整[52]Fig.13 Ultrasonic vibration dressing[52]

圖14 砂輪超聲修整前后磨粒3D共聚焦顯微鏡圖[57]Fig.14 3D confocal microscope images of abrasive particles before and after ultrasonic dressing of the grinding wheel[57]

1.3 復(fù)合修整法

近年來復(fù)合修整法受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，目前主要以激光-機(jī)械、電解-機(jī)械、電火花-機(jī)械、超聲輔助復(fù)合修整為主，學(xué)者通過仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，不斷優(yōu)化修整工藝提升修整精度和效率。

陳根余等[58]、楊宏程[59]通過有限元仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證表明了激光-機(jī)械復(fù)合修整是一種有效的超硬磨料砂輪修整方法，指出脈沖光斑重疊率是影響修整形狀精度和砂輪材料去除量主要因素。

SANCHES等[60]開發(fā)具有數(shù)控補(bǔ)償功能的單點(diǎn)電極修整系統(tǒng)，建立電極運(yùn)動(dòng)軌跡、速度數(shù)學(xué)模型以補(bǔ)償電極磨損，修整試驗(yàn)表明修整系統(tǒng)具有至少90%材料去除率，如圖15所示。

圖15 電火花單點(diǎn)電極成型修整[60]Fig.15 EDM single-point electrode forming dressing[60]

YANG等[61]揭示了刀具沿橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡與滾輪接觸-分離修整過程，發(fā)現(xiàn)修整刀具前刀面與切屑間摩擦力出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，促進(jìn)修整力減小以提高激光輔助超聲振動(dòng)修整效率，如圖16所示。

圖16 激光輔助超聲振動(dòng)修整金剛石滾輪[61]Fig.16 Diamond roller dressing by Laser-assistedultrasonic vibration[61]

ZHAO等[62]、CHEN等[63]提出超聲輔助ELID修整(圖17)，電源正極連接超聲波振動(dòng)裝置，超聲波振動(dòng)裝置連接金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，電源的負(fù)極連接弧形陰極裝置，電解液注入砂輪與陰極裝置之間，砂輪表面黏結(jié)材料通過電解蝕刻達(dá)到修整目的，研究發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)可促進(jìn)電解液循環(huán)，提高電解加工精度，提高砂輪表面氧化膜形成過程穩(wěn)定性，改善砂輪表面磨粒輪廓。超聲振動(dòng)“空化效應(yīng)”產(chǎn)生巨大沖擊力和高速微射流，對砂輪表面產(chǎn)生沖刷作用，具有可提高砂輪容屑空間。研究表明超聲輔助ELID磨削在線修整能顯著提高加工表面質(zhì)量。

圖17 超聲輔助ELID修整[62]Fig.17 Ultrasonic assisted ELID dressing[62]

復(fù)合修整法往往將多種修整技術(shù)組合以提高修整精度和修整效率，但復(fù)合修整法工藝復(fù)雜，修整成本高，制約了其產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用，故仍需進(jìn)一步提高復(fù)合修整法的產(chǎn)業(yè)化適應(yīng)性。

2 分析與應(yīng)用

2.1 修整方法選擇與分析

普通磨料砂輪、超硬磨料單層砂輪、超硬磨料多層砂輪以及不同結(jié)合劑類型的砂輪具有不同砂輪特性，合理選擇應(yīng)用修整方法是不同砂輪開展修整過程的基礎(chǔ)。

普通磨料砂輪的磨料硬度相對較低、強(qiáng)度相對較脆、修整工具消耗慢、修整比高，一般通過一次修整可實(shí)現(xiàn)砂輪的整形與修銳。常見的氧化鋁、碳化硅普通磨料砂輪采用傳統(tǒng)車削、滾壓、磨削修整方法可實(shí)現(xiàn)所需修整要求[10,12]。趙金墜等[13]采用金剛石筆修整后的微晶剛玉砂輪磨削45鋼工件，表面粗糙度可達(dá)Ra1.26 μm和Rz6.551 μm。WANG等[27]使用粗粒度滾輪滾壓修整，獲得的D46樹脂基球形金剛石砂輪形面誤差約為5 μm。

超硬磨料砂輪(金剛石砂輪和立方氮化硼砂輪)硬度強(qiáng)度高、耐磨抗壓、熱穩(wěn)定性高[64]，采取一次修整難以同時(shí)達(dá)到整形、修銳效果，往往需要先整形后修銳。為了提高超硬磨料砂輪修整精度和效率，相關(guān)學(xué)者不斷改進(jìn)傳統(tǒng)修整技術(shù)，研發(fā)新型特種修整技術(shù)，研究復(fù)合修整技術(shù)。

基于金剛石和普通材料存在強(qiáng)度差異，崔仲鳴等[65]將擠壓結(jié)合劑斷裂和微磨削微去除兩種修整途徑有機(jī)結(jié)合，采用具有精密回轉(zhuǎn)型面的金剛石擠磨修整輪修整超硬磨料砂輪，有效解決了超硬磨料砂輪修整效率和精度難以同時(shí)獲得的問題，復(fù)印片法測量砂輪圓弧尺寸為R=2.001 mm，達(dá)到精度要求。WANG等[47]采用電火花修整后的小球頭金屬基金剛石砂輪(SBFDW)磨削曲面復(fù)雜零件，其輪廓精度為360 nm、表面粗糙度Ra為40.2 nm。CHANG等[25]采用二維杯形砂輪修整，圓弧金剛石砂輪磨削的光學(xué)非球面工件形面誤差(PV)由17.32 μm減小到8.75 μm。KITZIG等[57]使用超聲輔助人造金剛石修整器修整后的電鍍D251金剛石砂輪磨削碳化鎢，可獲得Ra<0.1 μm和Rz<0.8 μm的精密表面。

陶瓷結(jié)合劑結(jié)合強(qiáng)度低，磨粒在整形過程中可及時(shí)脫落，整形過程中磨粒磨損不嚴(yán)重，整形后一般無需再修銳，因此可用車削修整。樹脂結(jié)合劑及金屬結(jié)合劑結(jié)合強(qiáng)度高，修整磨損較嚴(yán)重，且沒有足夠的容屑空間，樹脂及金屬結(jié)合劑金剛石砂輪的整形和修銳往往需要分步完成。陶瓷結(jié)合劑結(jié)合強(qiáng)度低，可采用車削修整；樹脂、金屬結(jié)合劑結(jié)合強(qiáng)度高，修整工具磨損較快，不宜采用車削修整。

樹脂結(jié)合劑砂輪具有自銳性好、磨削力小、磨削溫度低等特性，樹脂結(jié)合劑砂輪修整的常用方法有磨削修整和激光修整。ZHOU等[24]和陳冰等[66]均采用旋轉(zhuǎn)綠碳化硅(GC)修整工具磨削修整樹脂基金剛石砂輪。ZHOU等[24]采用圓弧插補(bǔ)滾磨修整，修整后圓弧誤差、徑向跳動(dòng)誤差和半徑跳動(dòng)分別從110 μm、290 μm和10 mm減小到4 μm、1.5 μm和0.2 mm，磨削獲得形位誤差3.50 μm、均方根值0.60 μm的非球面透鏡。陳冰等[66]發(fā)現(xiàn)修整后砂輪形狀誤差約提高14倍。DENG等[38]將聲發(fā)射技術(shù)引入激光修整，在徑向?qū)渲Y(jié)合劑砂輪進(jìn)行修銳、切向整形。圓弧砂輪截面輪廓圓跳動(dòng)誤差約為22.1 μm，軸向截面輪廓位置誤差約為15.4 μm，尺寸誤差約為14.3 μm，圓度誤差約為17.4 μm。

金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪具備良好導(dǎo)電性和電解性，磨粒和結(jié)合劑物理化學(xué)性質(zhì)不同，結(jié)合劑更易被熔化、飛濺或氣化[67]，因此電解修整、電火花修整和激光修整等常用于金屬結(jié)合劑超硬磨料砂輪修整，其中大余量去除往往采用電火花放電修整，細(xì)粒度磨粒采用電解修整。鄧輝等[36-37]采用碳化硅砂輪和脈沖激光對青銅金剛石砂輪進(jìn)行修整，激光修整后砂輪表面磨粒脫落更少，等高性更好，出刃高度更合適。余劍武等[46]采用60°弧面電極電火花修整青銅結(jié)合劑微粉金剛石砂輪，圓跳動(dòng)誤差最小可達(dá)1.7 μm，砂輪磨削的試件表面粗糙度Ra可達(dá)2.273 nm，達(dá)到超精密鏡面磨削質(zhì)量。

單層超硬磨料砂輪具有磨粒把持力大、突出度高、結(jié)合劑強(qiáng)度高、砂輪表面容屑空間大、磨削性能好、使用壽命長等特點(diǎn)[68-69]。單層電鍍金剛石砂輪由于導(dǎo)電性和磨削性好，常用在線電解修整、金剛石滾輪修整中。單層釬焊金剛石砂輪的修整主要是整形而非修銳，適合采用激光修整、點(diǎn)輪修整。ZHAO等[70]采用ELID輔助金剛石砂輪復(fù)合修整的單層鎳電鍍粗晶金剛石砂輪具有小于2 μm的圓跳動(dòng)誤差。

多層釬焊金剛石砂輪由于金剛石與釬焊合金結(jié)合強(qiáng)度高，磨粒把持力大，磨損的金剛石難以脫落，宜用電解修整。

WU等[41]基于電解修整多層釬焊金剛石砂輪，磨削力下降33.7%～57.9%，修整磨削殘余應(yīng)力僅為無電解磨削時(shí)的 38.2%～49.5%，且在線電解修整磨削的工件表面粗糙度僅為 82.1 nm。

2.2 砂輪修整檢測與調(diào)控

由于砂輪逐漸磨損需要適當(dāng)修整，為了避免砂輪過度磨損和機(jī)床故障停機(jī)，提高加工效率和質(zhì)量控制以及降低成本，需要對砂輪磨損和砂輪修整進(jìn)行監(jiān)測[71-72]。目前砂輪修整檢測可通過宏觀磨損檢測和微觀磨損檢測來實(shí)現(xiàn)，宏觀磨損檢測主要從測量砂輪直徑、輪廓和幾何跳動(dòng)等方面研究，微觀磨損監(jiān)測通過確定磨料層能否進(jìn)行有效研磨來展開研究。砂輪磨損檢測方法可分為直接檢測法和間接檢測法。

2.2.1直接檢測法

直接檢測法通過光學(xué)放大直接測量砂輪狀態(tài)。工人根據(jù)經(jīng)驗(yàn)停止加工進(jìn)行修整雖降低了生產(chǎn)效率，但直接檢測法具有高空間分辨率、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可確定最佳砂輪修整間隔和減輕潛在的磨削燒傷[71，73]。ALEXANDRE等[73]構(gòu)建了測量砂輪磨損的非接觸視覺測量系統(tǒng),以整體磨損面積量化砂輪磨損使砂輪磨損表征更加精確。陳根余等[74]采用CCD激光位移傳感器測量青銅結(jié)合劑金剛石砂輪表面跳動(dòng)，將在線檢測與閉環(huán)控制結(jié)合實(shí)現(xiàn)砂輪脈沖激光在線修整，降低砂輪圓跳動(dòng)度誤差至20 μm。直接檢測法主要采用視覺測量系統(tǒng)和CCD激光位移傳感器動(dòng)態(tài)檢測砂輪狀態(tài)，但易受磨削碎屑和磨削液的影響, 信號檢測受到干擾造成失真,工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用維護(hù)難度較大。

2.2.2間接檢測法

間接檢測法基于砂輪狀態(tài)和被測傳感信號(如力、功率、振動(dòng)、氣壓和聲發(fā)射等)之間的關(guān)系，通過信號收集、處理和特征分類，將特征量與砂輪磨損相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)在線檢測砂輪狀態(tài)，避免損壞待加工零件，提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本[71]。BHUIYAN等[75]采用結(jié)構(gòu)振動(dòng)表征砂輪狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)修整硬砂輪和磨損的砂輪時(shí)振動(dòng)信號上升更快。TANAKA等[76]采用氣壓傳感器測量流體流動(dòng)間接檢測砂輪磨損和修整狀態(tài)，通過背壓信號的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分量檢測修整過程，驗(yàn)證了氣動(dòng)傳感器檢測性能不受磨削液使用量的影響。

在機(jī)械加工的磨削和修整檢測過程中， 基于聲發(fā)射技術(shù)和數(shù)字信號處理，通過樣本信號的均方根和計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)處理，時(shí)域、頻域分析，選擇表征修整狀態(tài)最佳頻帶，確定停止修整最佳時(shí)刻。人們已經(jīng)開發(fā)了各種類型的磨削過程信號、數(shù)據(jù)特征提取方法和檢測算法，用于不同磨削應(yīng)用中的砂輪磨損監(jiān)測[77]。由于聲發(fā)射(AE)信號頻率范圍遠(yuǎn)高于機(jī)器振動(dòng)和環(huán)境噪聲頻率范圍，避免了信號干擾，聲發(fā)射傳感器具有較高的信噪比和靈敏度且易于安裝，因此聲發(fā)射技術(shù)在線檢測砂輪狀態(tài)被廣泛應(yīng)用[78]。

BADGER等[72]和趙金墜等[13]均采用聲發(fā)射和電功率信號檢測砂輪修整過程。BADGER等[13]發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射強(qiáng)度與修整功率成正比，量化了不同結(jié)合劑砂輪對修整效率和砂輪銳度的影響。趙金墜等[13]發(fā)現(xiàn)修整導(dǎo)程變化時(shí)，AE 信號的變化程度明顯比修整功率信號敏感。陳冰等[66]提取并分析聲發(fā)射信號特征信息，設(shè)定砂輪修整結(jié)束Arms閾值,確定旋轉(zhuǎn)GC磨棒在線修整結(jié)束時(shí)間，使D64樹脂基金剛石砂輪回轉(zhuǎn)誤差由41 μm減小到10 μm。朱建輝等[79]通過分析計(jì)算聲發(fā)射信號的標(biāo)準(zhǔn)差值定量評估砂輪的修整狀態(tài)。DOTTO等[80]基于聲發(fā)射信號均方根值和計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)選擇最佳砂輪狀態(tài)表征頻帶，快速識別砂輪表面損傷及其位置，實(shí)現(xiàn)砂輪修整智能控制快速響應(yīng)。JUNIOR等[81]從聲發(fā)射信號中獲得統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的輸入，構(gòu)建砂輪修整狀態(tài)預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)砂輪磨損修整智能監(jiān)測。LOPES等[82]通過短時(shí)傅立葉變換(STFT)對氧化鋁砂輪修整聲發(fā)射信號進(jìn)行時(shí)頻分析，有效保證砂輪最佳性能和監(jiān)測砂輪狀態(tài)。ALEXANDRE等[83]通過收集和處理所選頻帶聲發(fā)射信號, 應(yīng)用頻帶分析和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有效確定修整結(jié)束時(shí)間。

學(xué)者通過對聲發(fā)射信號進(jìn)行采集、分析、處理，并將特征量與砂輪磨損和修整情況相對應(yīng)，構(gòu)建了相應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，高效實(shí)現(xiàn)了砂輪在線檢測與修整。

2.2.3調(diào)控補(bǔ)償

為了延長新修磨砂輪的磨削時(shí)間，提高磨削效率，需要對砂輪磨損引起的輪廓誤差進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)時(shí)調(diào)控提高砂輪修整精度。唐凱等[84]采用計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)方法，修正NC程序補(bǔ)償砂輪修整幾何誤差。ZHANG等[85]在非球面磨削過程中，根據(jù)提前預(yù)測的砂輪磨損數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡補(bǔ)償，提高砂輪修整精度。XU等[30]提出砂輪修整狀態(tài)分段表示和補(bǔ)償方法，采用在線分段補(bǔ)償后砂輪圓度誤差減小39%，有效提高了砂輪修整精度。XIE等[86]采用自修整金剛石砂輪和固定刀具姿態(tài)角的五軸磨削虛擬球頭算法代替在線修整，實(shí)現(xiàn)了自由曲面鏡面磨削效果。

工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，需要改進(jìn)提升檢測技術(shù)方法的惡劣工況適應(yīng)性、通用性，可通過集成更多傳感器應(yīng)用分析動(dòng)態(tài)效應(yīng)，增強(qiáng)算法分析計(jì)算能力，開發(fā)具有更好開放性的、人機(jī)交互友好的、監(jiān)測有效準(zhǔn)確可靠的軟件控制系統(tǒng)，不斷增強(qiáng)測量系統(tǒng)實(shí)時(shí)閉環(huán)過程控制的穩(wěn)定可靠性，實(shí)現(xiàn)砂輪修整檢測和實(shí)時(shí)調(diào)控智能化。

2.3 問題與展望

在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，砂輪修整在技術(shù)開發(fā)與創(chuàng)新、砂輪修整效率、修整精度穩(wěn)定性等方面得到改善。但對于日益提高的加工精度、生產(chǎn)適應(yīng)性、制造成本要求，現(xiàn)有修整方法存在一定局限性。

以金剛石筆為主的車削修整，由于修整力較大且不均勻，修整筆自身無修銳作用易造成筆尖快速磨損，不規(guī)則金剛石筆的自身厚度易和砂輪發(fā)生干涉，限制了其應(yīng)用范圍。磨削修整雖然工藝簡單，但普通磨具磨損較快，導(dǎo)致修整時(shí)難以控制修整精度。

金剛石滾輪修整具有維修方便、技術(shù)成熟、修整精度較高等優(yōu)點(diǎn)，但滾輪修整對設(shè)備精度、砂輪型面精度、對刀精度要求高，制造成本高。特種修整法中的激光、電解、電火花修整需配備專用電源，修整設(shè)備昂貴且維護(hù)困難，限制其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

電解修整由于陰極工具和砂輪之間的電場、流場、電極反應(yīng)動(dòng)力過程的影響，加工間隙不均導(dǎo)致被修整砂輪表面粗糙度不理想，難以形成理想廓形。電火花和電解僅能修整基體導(dǎo)電的砂輪，二者修整材料去除效率低，修整速度緩慢。超聲振動(dòng)游離磨料砂輪修整法、激光修整法，ELID 法需配備專用的修整裝置且需要特定配件，工藝復(fù)雜。電火花和電解修整存在砂輪基體導(dǎo)電的限制，兩種修整方法所需電源成本高、材料去除效率低。

磨料水射流雖然可有效修整復(fù)雜型面砂輪，磨削性能好，但需專用設(shè)備，修整廢液污染較嚴(yán)重。復(fù)合修整法能夠滿足修整精度和效率要求，但修整設(shè)備復(fù)雜、昂貴，限制了其推廣應(yīng)用。

總體而言，現(xiàn)有砂輪修整技術(shù)存在修整效率低、精度穩(wěn)定保持性差、修整工具磨損快壽命低、修整廢液污染環(huán)境、修整成本高、可操作性差等缺陷。國內(nèi)外學(xué)者大量深入研究表明，刀具橢圓超聲振動(dòng)通過減小實(shí)際切屑厚度、摩擦力反向效應(yīng)以及變切削角度、速度特性，可顯著減小切削力，從而顯著提高加工效率和加工表面完整性，并提高刀具的耐用度和加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

因此，開展經(jīng)濟(jì)高效、適用范圍廣、工序簡單的修整方法是砂輪修整技術(shù)研究的重要方向，基于金剛石滾輪修整特點(diǎn)和二維超聲振動(dòng)加工技術(shù)，可從超聲輔助金剛石滾輪砂輪修整方向展開探究，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)精密超精密磨削中穩(wěn)定持久的高精度、高效率、高性能、低成本砂輪修整效果。

3 結(jié)論

砂輪修整是實(shí)現(xiàn)高速高效磨削、精密超精密磨削、成形磨削的關(guān)鍵因素。砂輪的修整方法各式各樣且特點(diǎn)不一，本文將現(xiàn)有修整方法分為機(jī)械修整法、特種修整法、復(fù)合修整法展開了論述。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于砂輪修整方面的研究主要集中在不同修整方法修整機(jī)理、修整參數(shù)對修整效果影響規(guī)律、改進(jìn)和創(chuàng)新修整方法等方面。對于砂輪修整雖已取得大量研究成果，但在修整精度持久性、修整成本經(jīng)濟(jì)性、實(shí)時(shí)檢測修整狀態(tài)、快速響應(yīng)調(diào)控修整精度等方面仍需深入探索與研究。這對實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、高性能的砂輪修整，推動(dòng)砂輪修整技術(shù)甚至精密超精密加工工藝水平的提高均具有重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值。