基金项目：973计划课题“超高速磨削机理与磨粒有序排布砂轮”（2009CB724403） 收稿日期：2012年2月
张贝，傅玉灿，苏宏华，徐鸿钧
南京航空航天大学
摘要：单层钎焊金刚石砂轮作为一种新型的磨削工具，具有磨粒固结强度高、磨粒出露大、容屑空间大等优点，比较适合高效率大切深的强力磨削，然而这种工具对高性能的脆性材料的精密磨削却比较困难。本文通过两种精密的修整工艺，
使得加工表面质量大大提高。通过观察砂轮磨粒形态的变化可知，磨粒在修整过程中存在有磨损钝化、破碎、表面粘附等现象；通过对砂轮轮廓的激光测量可知，砂轮的磨粒等高性在修整过程中是明显改善的。通过修整磨粒粒径300μm 的钎焊砂轮磨削氧化锆的表面粗糙度达到了R a 0．2μm 。
关键词：钎焊金刚石砂轮；精密修整；脆性材料的磨削；激光测量中图分类号：TG580．6
文献标志码：A
Precision Dressing of Monolayer Brazed Diamond Grinding Wheel and Its Evaluation
Zhang Bei ，Fu Yucan ，Su Honghua ，Xu Hongjun
Abstract ：Monolayer brazed diamond grinding wheel is a kind of new grinding tool ，which has the merit of high grain retention strength ，high grain protrusion and large chip accommodation space and so on．It is more suitable for powerful grinding of high efficiency and large depth of cut．However it is too difficult to precisely grind the high performance brittle materials．The experiment has improved the ground surface equality evidently with two dressing methods．It is found that the grains exists wear and passivation ，fracture and surface adhesion from the observation of the grains of the grinding wheel．It is found that the grain height consistency of the grinding wheel is evidently improved from the measurement of the grinding wheel profile with laser triangulation．After dressing the ground surface roughness of zirconia with grinding wheel of grit size 300μm reaches Ra0．2μm．
Keywords ：brazed diamond grinding wheel ；precision dressing ；grinding of brittle materials ；laser measurement
1引言
金刚石钎焊技术［1，2］
以金刚石与钎焊材料实现化学冶金结合而著称，具有金刚石固结强度非常高的特点，通过这项技术解决了电镀金刚石工具在加工过程中形成的如堵塞、磨粒非正常脱落等技术问题，从而使金刚石工具的寿命增加几十甚至几百倍。目前
这种工具主要应用于石材等硬脆材料［3］
的粗加工，但对高性能的航空材料的加工却有很多问题亟待解决。钎焊金刚石工具非常适合高效磨削，但对于高性能脆性材料的精密磨削则比较困难，航空材料的加工表面质量要求又相对较高，这使得这种新型的金刚石工具也越来越不适应空间技术发展的要求。
文献［4］曾经用接触修整的方法改善了用钎焊CBN 砂轮磨削工件的表面粗糙度。这说明修整是钎焊工具提高磨削表面质量的关键因素。因为有一
定量的磨粒在砂轮表面出露过高，在磨削过程中，这
些出露非常高的磨粒承担了主要的磨削任务，并阻
碍在其下层出露低的磨粒参与磨削，
砂轮的动态磨粒数实际上非常有限，这就使得磨削表面粗糙度难
以达到精密加工的要求。如果用修整的方法微量地修剪过分出露的磨粒高度，则改变了钎焊砂轮的磨削状况，使得动态磨粒数大大增加，实际参与磨削的磨粒所承担的去除任务更均匀了，平均的单颗磨粒切厚减小了，磨削工件的表面粗糙度就大大改善了。本文采用两种修整方法对单层钎焊金刚石砂轮进行修整。为了探寻精密修整的规律以及其能改善加工表面质量的根本原因，本文还对修整过程中的砂轮形貌进行了观察和测量。
2实验条件与方法
所制作的砂轮为单层钎焊有序排布的金刚石砂
20kv高压直流电源
轮，采用Ag-Cu 基钎料，砂轮基体为45钢，选用的磨粒为高品质金刚石YK-7，钎焊工艺采用真空钎焊，
最高温度890ħ，保温时间8min ，平均真空度为1.5ˑ10－2Pa 。具体的砂轮规格如表1所示。
表1
单层钎焊金刚石砂轮规格
砂轮尺寸（mm ）粒径（μm ）
磨粒间距（mm ）
A 150ˑ32ˑ103002B
150ˑ32ˑ10
150
1
砂轮A 、
B 的修整实验在磨床HZ －Y150上进行，砂轮轮廓的激光测量以及磨削实验都依次在原
机床上进行。砂轮A 采用杯形砂轮修整，修整装置如图1所示，修整砂轮为树脂结合剂金刚石砂轮，粒
度320目，尺寸100mm ˑ20mm ˑ32mm ，磨料层厚度5mm ，磨料层宽度
10mm ，浓度75%。砂轮B 采用机械化学修整，即用Q235钢和绿碳化硅油石同时进行修整，修整装置如图2所示。碳化硅油石为陶瓷结合剂，粒度180目。修整条件如表2所示，修整时采用5%水基冷却液
。
图1
杯形砂轮修整装置
图2机械化学修整装置表2
修整工艺参数
砂轮砂轮速度修整工
具速度修整切深累积修整切深修整工具横向进给A
2．4m /s 47m /s 5μm 4mm 10mm /s B
24m /s
－
10μm
4mm
10mm /s
磨削实验在HZ －Y150磨床上进行，磨削材料为氧化锆（材料性能见表3），采用普通往复磨工艺，磨削工艺参数见表4。磨削实验前，为了考察砂轮轮廓在修整过程中的变化，采用了三维视频显微镜KH －7700对磨粒形态进行了观察，也采用了激光三角测量法测量了砂轮轮廓，测量装置如图3所示。
其中的激光传感器为KEYENCE LK －G80，该传感器的激光为红半导体激光，光斑直径为70μm 。测量时砂轮速度为1．22m /s
。
图3激光测量砂轮轮廓装置表3
氧化锆材料的物理力学性能
名称密度（g /cm 3）弹性模量（Pa ）断裂韧性（MPa ·m 1/2
）显微硬度
（HV ）抗拉强度
（MPa ）PSZ
6．0
140G
10．5－13
1300
965－1380
表4
磨削工艺参数
砂轮速度
（m /s ）工件速度（m /min ）切深（μm ）横向进给
（mm /pass ）黄光工艺
24
0．5，1，4，7，10
5，10
1．5
3实验结果与讨论
3.1磨粒形态在修整后的变化
图4a 和图4b 为砂轮A 修整后的磨粒形态，具
有一定的代表性。由图4a 可以看出，磨粒在修整后出现大面积的损耗平台，且有严重的边缘钝化现象。由图4b 可以看出，修整后磨粒出现大面积损耗平台
的同时，
也会有一部分局部破碎的现象，这些边角的破碎并未给磨粒带来新生的微刃。图4c 和图4d 为
砂轮B 修整后的磨粒形态，由图4c 可知，磨粒在修整后出现了磨粒表面的粘附现象，但这种粘附没有扩展，在磨粒周围并没有充满磨粒之间的空隙，不太影响磨粒的出露高度。由图4d 可知，有一部分磨粒在修整后基本上仍然保持磨粒自有的晶型，但磨粒
边角存在有一些微破碎的痕迹。
从以上的观察可知，杯形砂轮修整则更像对磨粒的逐层修剪，使磨粒过大的出露高度逐层地减小，而
机械化学修整则会出现磨粒粘附、破碎等现象，而其中的破碎为微细破碎，不属于灾难性破碎，从而对磨粒的出露高度也进行一定的调整。从这些磨粒修整后的形态也可以知道磨粒用杯形修整时其形态改变较大，这说明杯形修整的效果比较明显，而机械化学修整时磨粒自身的晶型未有大的改变。从这些磨粒形态的变化还可以看出，杯形修整容易造成磨粒的钝化，
而机械化学修整中磨粒钝化现象并不严重。
（a）砂轮A磨粒（b）砂轮A
磨粒
（c）砂轮B修整后（d）砂轮B修整后
图4砂轮修整后的磨粒形态
3.2磨粒等高性在修整前后的变化
图5a和图5b为激光测量所得砂轮A轮廓中的
一段在修整前后的形态。在砂轮轮廓中磨粒轮廓清
晰可见，修整前的磨粒出露高度明显比修整后的高，
且修整前的峰点高度显得参差不齐，修整后的峰点
高度变得均匀一致。
由于光斑直径的原因，轮廓测量有理论误差，但
是这不影响对轮廓峰点（金刚石磨粒截面的顶点）
高度的测量。通过对轮廓峰点高度的统计，可以知
卢允忠
道在垂直于砂轮轴线的截面上的磨粒等高性。图6
为砂轮A轮廓峰点高度在砂轮宽度5mm处的整个
圆周线上的统计分布，从图上可以看出，砂轮轮廓峰
点高度近似正态分布，修整前峰点的高度范围约
0.18mm，修整后的峰点高度范围约0．12mm。这说
明修整使得轮廓峰点高度分布的范围缩小了，即修
整减小了前后的磨粒高差，从而尽可能地使所有的
单颗磨粒切厚趋于一致。峰点高度之所以呈正态分
布，不仅与磨粒本身最高点呈正态分布有关（因磨
粒短轴长度呈正态分布），也与激光测量路径可能
经过磨粒两侧的下降斜坡有关。
对图6的砂轮轮廓峰点高度分布拟采用高斯函
数拟合，拟合公式为
y=y
+（
A
w·π
槡/s
·e－2·（
x－x c
w
）2）（1）
其中，拟合参数见表5，表5中Chi^2/DOF为该自由度
上的卡方检验，R^2为拟合值与实际统计值的相关系
数，y0为曲线最小极限值，x c为正态分布均值，w为正
态分布标准差，A为函数倍率系数。从表5可以看出，
相关系数在修整前为92．8%，修整后为97．8%，这证明
假设的正态分布曲线与实验数据的统计特征非常吻
合。从数据分布的标准差看，修整前为0．059mm，修整
后为0．031mm，这证明峰点高度更加集中了
。
（a）砂轮A
修整前
（b）砂轮A修整后
图5激光测量砂轮A
的一段轮廓
（a）砂轮A
修整前
导线测量法
（b）砂轮A修整后
图6砂轮A轮廓峰点的统计分布
表5砂轮A修整前后砂轮轮廓峰点统计拟合参数
参数修整前修整后Chi^2/DoF9．698629．74568
R^20．928610．97805
y00．8203ʃ1．598880．50093ʃ0．9497
x c1．33877ʃ0．002021．3229ʃ0．00071
w0．05953ʃ0．006060．03082ʃ0．00159
A2．11084ʃ0．277562．23482ʃ0．
1185
（a）砂轮B
修整前
（b）砂轮B修整后
图7激光测量砂轮B的一段轮廓
图7为砂轮B在机械化学修整前后砂轮轮廓在一段圆周线上的变化。修整前，磨粒峰点高度参差不齐，有个别的磨粒十分突出（见图7a）；修整后，磨粒的峰点包络线就变得很平坦，与砂轮A在图5b 中的轮廓不同的是，砂轮B的轮廓谷点明显有部分增大的现象（见图7b）。这一方面证明磨粒的出露高度变小，另一方面也说明磨粒间隔中填充有部分磨屑，甚至有几个磨粒像连接在一起一样，这是机械化学修整时所不可避免的砂轮堵塞现象。本文在设计机械化学修整时旨在提高修整时的温度，这一方面提高了修整效率，而另一方面却为软钢磨屑的粘附和堵塞创造了条件。
图8为砂轮B轮廓峰点高度在砂轮宽度6mm处的整个圆周线上的统计分布，从图上可以看出，砂轮轮廓峰点高度近似正态分布，修整前峰点的高度范围约0.20mm，修整后的峰点高度范围约0.10mm，峰点高度的分布范围明显减小了，这说明修整后的磨粒等高性改善了。
对图8的统计数据进行高斯函数拟合，拟合结果见表6。可见，修整前后的拟合相关系数分别为99.7%和99.8%，这说明与正态分布函数吻合程度比砂轮A还要好。正态分布标准差w在修整前后分别为0.045mm和0.034mm，这说明磨粒的修整使峰点高度的分布趋于集中
。
（a）砂轮B
修整前
（b）砂轮B修整后
图8砂轮B轮廓峰点的统计分布
将两种修整方法进行对比，两种修整工艺进行前，砂轮轮廓峰点高度的分布区间差别不大，杯形修整后的砂轮轮廓峰点高度分布的标准差降低了48.2%，而机械化学修整后砂轮轮廓峰点高度分布的标准差降低了26.5%。这说明在砂轮磨粒等高性的改善上面，杯形修整要优于机械化学修整。从砂轮轮廓的外观上看，机械化学修整有明显的轮廓谷点增高的现象，这是机械化学修整形成的软钢磨屑的初期堵塞造成的，而杯形修整未出现此现象。
表6砂轮B修整前后砂轮轮廓峰点统计拟合参数
参数修整前修整后Chi^2/DoF186．6807107．30384 R^20．997330．99854
y010．29842ʃ4．83193．11701ʃ3．35635
x c4．33619ʃ0．000444．33005ʃ0．00026
w0．04526ʃ0．000990．03362ʃ0．00055
A39．62068ʃ0．887133．34728ʃ0．5313
3.3修整后的磨削结果
图9为砂轮A、B磨削氧化锆的表面粗糙度随工艺参数的变化。从图中可以看出，砂轮A磨削表面粗糙度在R a0．2－0．6μm、R z1－6μm之间，而砂轮B磨削表面粗糙度在R a0．5－0．9μm、R z3－6μm 之间。磨削氧化锆表面的粗糙度随着工件速度的增大而增大，切深对磨削氧化锆表面的粗糙度影响不大。从图中还可以看出，砂轮B的粗糙度曲线基本上在砂轮A的粗糙度曲线之上，这说明砂轮B磨削氧化锆表面的粗糙度普遍比砂轮A的大，这也说明了粒度不是影响磨削表面质量的决定性因素，修整才是影响磨削结果的关键因素
智能分析
。
（a）R
a口型钢
（b）R z
图9磨削表面粗糙度随工艺参数的变化图10是砂轮A、B在工件速度4m/min、砂轮速度24m/s、切深5μm的工艺条件下磨削氧化锆表面的微观形貌（工具显微镜拍摄，放大1500倍）。从图中可以看出，砂轮磨削的氧化锆表面光亮区域较多，磨痕纹理密集而连续，而砂轮B磨削的氧化锆表面光亮区域较少，磨痕纹理疏散而不连续。这说明砂轮A更趋近于延性域磨削，砂轮B相对而言离延性域磨削较远。
4结语
（1）通过对单层钎焊金刚石砂轮的精密修整实验分析可知，
杯形修整和机械化学修整两种工艺方（a）砂轮A磨削氧化锆的表面（b）砂轮B磨削氧化锆的表面微观形貌微观形貌
图10氧化锆磨削表面的微观形貌
法对于改善钎焊砂轮的磨削表面质量是十分明显的。单层钎焊金刚石砂轮作为精密甚至是超精密的磨削工具是完全可能的，其技术难点在于单层钎焊金刚石砂轮的精密修整。
（2）在单层钎焊金刚石砂轮修整的过程中，砂轮表面磨粒有磨损钝化、破碎和表面粘附等现象。杯形砂轮修整后的金刚石磨粒钝化程度比较大，而机械化学修整后的金刚石磨粒则容易出现微小的边角破碎和轻度的表面粘附。
（3）实验证明，采用激光测量砂轮轮廓的方法简便快捷，通过激光测量能够准确考察单层钎焊金刚石砂轮表面磨粒的等高性。通过对修整前后砂轮轮廓的测量和轮廓峰点高度的统计分析发现，砂轮轮廓的峰点高度分布为正态分布，修整后的轮廓峰点的高度分布区间减小了，轮廓峰点的高度分布标准差减小了，这说明轮廓峰点的高度趋于集中，这说明修整使得磨粒的等高性改善了。通过对比发现，修整前两种砂轮的磨粒等高性差别不大，杯形砂轮修整后砂轮轮廓峰点的高度分布标准差减小48.2%，而机械化学修整后砂轮轮廓峰点的高度分布标准差减小26.5%，这说明在改善砂轮表面磨粒的等高性上，杯形修整比机械化学修整更具优势。
（4）通过单层钎焊金刚石砂轮的精密修整可以使脆性材料的磨削表面粗糙度大大降低。磨粒粒径300μm、磨粒间距2mm的单层钎焊金刚石砂轮磨削氧化锆的表面粗糙度最低可达R a0．2μm。磨粒粒径150μm、磨粒间距1mm的单层钎焊金刚石砂轮磨削氧化锆的表面粗糙度最低可达R
a
0.5μm。通过表面形貌观察发现，磨粒粒径300μm的砂轮磨削的表面纹理密集连续，光亮区域很多，而磨粒粒径150μm的砂轮磨削的表面纹理疏散且不连续，这说明粗粒度砂轮也可以比细粒度砂轮更趋近于脆性材料的延性域磨削。砂轮粒度不是影响磨削结果的决定性因素，修整是影响磨削结果的关键因素，也是脆性材料能否实现延性域磨削的决定性因素。
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