電鍍砂輪磨粒等高性影響磨削性能研究

師超鈺，馮克明，朱建輝

（鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，河南　鄭州　450000）

電鍍砂輪磨粒等高性影響磨削性能研究

師超鈺，馮克明，朱建輝

（鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，河南鄭州450000）

為解決電鍍砂輪表面磨粒等高性差導(dǎo)致的磨削性能不佳的問題，提出磨粒等高性的測(cè)量方法和量化指標(biāo)（Hr和Hs），采用金剛石滾輪對(duì)砂輪進(jìn)行微量修整，檢測(cè)磨削功率和磨削表面質(zhì)量以評(píng)價(jià)砂輪磨削性能，分析磨粒等高性與砂輪磨削性能的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：微量修整可以明顯提高電鍍砂輪表面磨粒的等高性，從而改善磨削表面振紋和粗糙度，但應(yīng)防止修整鈍化；為獲得良好修整效果，通過Hr定量分析，修整前Hr值不能大于磨粒直徑的30%，修整后不宜大于磨粒直徑的8%。

電鍍砂輪；磨粒等高性；表征參數(shù)；磨削性能

目前國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者致力于砂輪形貌測(cè)量和評(píng)價(jià)的研究［4-8］，但對(duì)于砂輪形貌中磨粒等高性的測(cè)量和評(píng)價(jià)研究較少，劉佳等［9］利用等高線圖直觀比較砂輪修整前后磨粒等高性的變化；張貝等［10］利用激光三角法測(cè)量砂輪形貌并對(duì)局部測(cè)量數(shù)據(jù)的輪廓峰點(diǎn)高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。以上研究只針對(duì)砂輪表面局部區(qū)域的磨粒高度進(jìn)行觀察比較或統(tǒng)計(jì)分析，并未提出磨粒等高性的量化指標(biāo)。

鑒于此，本文針對(duì)電鍍砂輪提出了磨粒等高性的測(cè)量及定量表征方法，并且開展實(shí)驗(yàn)分析研究了磨粒等高性對(duì)電鍍CBN砂輪磨削性能的影響，制定出電鍍CBN砂輪在良好的修整和磨削狀態(tài)下，磨粒等高性表征參數(shù)的合理量值范圍，有利于磨削加工質(zhì)量和效率的提升。

1　磨粒等高性測(cè)量方法

砂輪是非均質(zhì)多元復(fù)合材料，其表面特性決定了接觸式量?jī)x難以真實(shí)反映表面磨粒等高性信息。為此，本文利用激光位移傳感器［11-12］搭建電鍍砂輪磨粒等高性的非接觸測(cè)量裝置，如圖1所示，激光傳感器安裝于砂輪的前方，保證激光光斑的照射路徑通過砂輪軸的中心。當(dāng)光斑照射在砂輪表面上時(shí)，被照射點(diǎn)的相對(duì)高度值就通過激光傳感器獲取并傳輸至計(jì)算機(jī)中。對(duì)砂輪外圓表面采樣一周，通過數(shù)據(jù)處理，完成磨粒等高性的計(jì)算和表征。處理步驟如下：

1）窗口限幅濾波。由于激光光斑照射到磨粒的邊緣或兩磨粒交界位置時(shí)，傳感器會(huì)輸出峰值和谷值的奇異數(shù)據(jù)［13］，需要對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理。方法是，在原始采樣數(shù)據(jù)上設(shè)置一逐點(diǎn)滑動(dòng)的濾波窗口，計(jì)算窗口內(nèi)數(shù)據(jù)的極差，并與設(shè)定閾值比較，若極差小于閾值，則窗口內(nèi)全部數(shù)據(jù)均可通過；將所有通過的數(shù)據(jù)點(diǎn)按窗口順序依次排列整理，已經(jīng)整理的數(shù)據(jù)點(diǎn)不重復(fù)列入，整理后得濾波后數(shù)據(jù)。通過濾波，可將奇異數(shù)據(jù)置為空值，圖2為濾波前后對(duì)比，可看出對(duì)奇異數(shù)據(jù)有較好的濾除效果。

圖1　磨粒等高性測(cè)量裝置照片

圖2　濾波前后數(shù)據(jù)曲線對(duì)比

2）中位值插值。為修復(fù)被濾除的奇異數(shù)據(jù)留下的空值，對(duì)其進(jìn)行中位值插值，即選擇空值點(diǎn)鄰近的若干個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，計(jì)算其中位值并補(bǔ)充到該空值點(diǎn)的位置。

3）提取特征點(diǎn)。從砂輪一周的采樣數(shù)據(jù)中提取出光斑掃過的磨粒輪廓的峰點(diǎn)，作為特征點(diǎn)，這些特征點(diǎn)基本上代表了磨粒的高度。特征點(diǎn)提取方法如下：

在濾波、插值處理后的數(shù)據(jù)上設(shè)置一逐點(diǎn)滑動(dòng)的取樣窗口，計(jì)算窗口內(nèi)數(shù)據(jù)的最大值，如果某取樣窗口的最大值與之前相鄰窗口的最大值不是同一數(shù)據(jù)點(diǎn)，則該取樣窗口的最大值可通過，將所有通過取樣窗口的數(shù)據(jù)點(diǎn)依次排列整理；然后對(duì)這些整理后的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為中心，設(shè)置一固定的篩選窗口，如果窗口內(nèi)只有一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，則該數(shù)據(jù)點(diǎn)可通過，如果窗口內(nèi)有多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，且中心數(shù)據(jù)點(diǎn)最大，則中心數(shù)據(jù)點(diǎn)可通過；最后將所有通過篩選窗口的數(shù)據(jù)排列整理，并作為表征砂輪表面磨粒等高性的特征點(diǎn)。

4）磨粒等高性的量化計(jì)算。砂輪外圓表面一周的特征點(diǎn)綜合反映了砂輪外圓表面磨粒的高度分布規(guī)律，將特征點(diǎn)的分布范圍和離散程度進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，就可以定量表征磨粒等高性。

設(shè)砂輪表面一周的特征點(diǎn)集合為X=｛x1，x2，…，xn｝，分別計(jì)算其極差Hr和均方差Hs，作為砂輪表面磨粒等高性的表征參數(shù)，Hr和Hs越小，則磨粒等高性越好，計(jì)算式如下：

其中

截取砂輪圓周某一段的特征點(diǎn)進(jìn)行分析，可以獲取磨粒高度的微觀分布狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)砂輪表面局部區(qū)域磨粒微觀等高性的評(píng)價(jià)。

2　實(shí)驗(yàn)條件與方法

選擇60/70#電鍍CBN砂輪，尺寸500mm×25mm× 203mm，在全數(shù)控外圓隨動(dòng)磨床CNC8325上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速可調(diào)，X向進(jìn)給精度1μm，采用M6000動(dòng)平衡系統(tǒng)對(duì)砂輪進(jìn)行在線動(dòng)平衡。

2.1砂輪修整

采用金剛石滾輪通過縱向往復(fù)移動(dòng)的方式對(duì)砂輪進(jìn)行微量修整，每次修整進(jìn)給深度1 μm，每輪修整分10次進(jìn)給，每輪修整結(jié)束后用油石條對(duì)砂輪手工修銳。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1　砂輪修整實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2.2磨粒等高性測(cè)試

選用LK-G5000激光位移傳感器對(duì)砂輪修整前后的外圓表面進(jìn)行測(cè)量，光斑直徑25μm，設(shè)置采樣頻率200kHz，測(cè)量位置為砂輪外圓寬度的中間位置，計(jì)算砂輪表面磨粒等高性表征參數(shù)的值。選用VHX-2000超景深光學(xué)顯微鏡對(duì)砂輪表面微觀形貌進(jìn)行定點(diǎn)跟蹤觀測(cè)，探究修整前后砂輪表面磨粒的微觀變化。

2.3磨削實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證各輪修整前后砂輪磨削性能的變化，選擇45鋼圓棒作為磨削試件開展磨削實(shí)驗(yàn)，試件尺寸為φ60mm×400mm，磨削方式為外圓切入式磨削，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

2.4磨削質(zhì)量測(cè)試

通過測(cè)試磨削實(shí)驗(yàn)中的磨削功率、磨削表面粗糙度、磨削表面波紋度來評(píng)價(jià)砂輪的磨削性能。磨削功率選用三相功率儀AN87500測(cè)試，磨削表面粗糙度選擇TIME3230輪廓儀測(cè)試，磨削表面波紋度借助LK-G5000激光位移傳感器測(cè)試。同時(shí)，利用VHX-2000顯微鏡考察磨削表面的微觀形貌，直觀分析其紋理和振紋［14-15］的形態(tài)。

表2　 磨削實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

按照上述條件開展電鍍CBN砂輪微量修整、砂輪表面磨粒等高性測(cè)試、試件磨削和磨削質(zhì)量測(cè)試的實(shí)驗(yàn)循環(huán)，比較分析各輪實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

3.1磨粒等高性及砂輪形貌

圖3為砂輪修整前和累計(jì)修整進(jìn)給70 μm時(shí)，磨粒等高性測(cè)試特征點(diǎn)的結(jié)果，其中測(cè)試值為相對(duì)值，大小與激光傳感器安裝位置有關(guān)。由于砂輪一周的特征點(diǎn)較多，為便于宏觀分析，只在砂輪表面每5°取一代表性特征點(diǎn)顯示?？梢钥闯?，砂輪修整前，砂輪表面一周磨粒的宏觀高度相差較大，存在明顯的宏觀外圓跳動(dòng)；砂輪修整后，磨粒宏觀高度相差變小，趨向一致。

圖3　修整前后砂輪一周的特征點(diǎn)

針對(duì)砂輪局部表面磨粒微觀等高性，選取修整前和累計(jì)修整進(jìn)給70 μm時(shí)，砂輪表面57°～60°的特征點(diǎn)顯示如圖4所示?？梢钥闯?，砂輪修整前，局部表面磨粒的微觀高度差較大，顯得參差不齊；砂輪修整后，磨粒頂端被修平，磨粒微觀高度顯得均勻一致。

如圖5所示，隨著累計(jì)修整進(jìn)給量的增加，磨粒等高性的表征參數(shù)Hr和Hs均逐漸減小，即磨粒高度分布的范圍減小，分布更加均勻集中。從Hr變化曲線可以看出，砂輪修整初期，Hr值與累計(jì)修整進(jìn)給量近乎成線性關(guān)系；但隨著修整量的增大，Hr值減小量逐漸小于修整進(jìn)給量，這是因?yàn)殡S著修整量的增加，電鍍CBN砂輪表面被修整的磨粒數(shù)增多，磨粒被修整的總面積增大，砂輪修整難度越來越大。可見，Hr可以合理表征砂輪表面磨粒的等高性，并且其值變化與修整量有直觀聯(lián)系，方便分析。

圖4　修整前后砂輪局部特征點(diǎn)

圖5　Hr和Hs與累計(jì)修整進(jìn)給量的關(guān)系曲線

圖6　砂輪表面微觀形貌變化

用顯微鏡定點(diǎn)跟蹤砂輪表面微觀形貌（見圖6），隨著累計(jì)修整進(jìn)給量的增加，磨粒表面出現(xiàn)磨耗平面，并且面積越來越大（圖中磨粒A、B、C），當(dāng)累計(jì)修整進(jìn)給量110μm時(shí)，Hr值僅為6μm，砂輪表面磨粒等高性很好，但較多磨粒出現(xiàn)較大磨耗平面（見圖6 （b）），砂輪鋒利性較低。

測(cè)試結(jié)果表明，通過微量修整，砂輪表面突出的磨粒被逐漸修平，磨粒高度的分布變得集中，磨粒等高性得到明顯改善。

3.2磨削功率

各輪實(shí)驗(yàn)中磨削功率變化如圖7所示。累計(jì)修整進(jìn)給量小于20μm時(shí)，磨削功率較小且變化不大，這是因?yàn)樾拚麜r(shí)只有極少量磨粒被修整到，磨削時(shí)砂輪外圓與工件接觸面積??；隨著修整量的增加，被修整的磨粒增多，砂輪外圓與工件接觸面積變大，所以磨削功率呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；累計(jì)修整進(jìn)給量大于70μm時(shí)，雖然磨粒等高性較好，但磨削功率較大且增幅明顯，砂輪出現(xiàn)修整鈍化。

圖7　磨削功率隨Hr值和累計(jì)修整進(jìn)給量的變化

3.3磨削表面粗糙度和波紋度

磨削表面粗糙度Ra值變化如圖8所示。隨著修整量的增加，磨削表面粗糙度Ra減??；當(dāng)累計(jì)修整進(jìn)給70μm時(shí)，Ra達(dá)到最??；繼續(xù)修整，磨粒鈍化造成磨削表面粗糙度增大。

圖8　粗糙度Ra隨Hr值和累計(jì)修整進(jìn)給量的變化

利用激光位移傳感器測(cè)試磨削表面圓周方向輪廓，并將測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入極坐標(biāo)顯示。修整前和累計(jì)修整進(jìn)給50μm時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖9所示，頻譜分布如圖10所示。圖9中顯示磨削表面出現(xiàn)螺線狀輪廓，這是因?yàn)椴捎昧藷o光磨的切入磨削方式；修整前磨削表面輪廓曲線呈現(xiàn)明顯波動(dòng)，峰谷幅度較大，修整后峰谷幅度減小，波紋度降低。圖10中，修整前，87Hz的主頻幅度較大，且其2～4倍頻處存在譜峰；修整后，對(duì)應(yīng)頻段的幅度均變小。由此可見，在砂輪修整前磨削表面波紋主要來源于砂輪表面磨粒的宏觀等高性，并且隨著修整量的增加，磨粒等高性得到改善，對(duì)磨削表面波紋度的影響逐漸弱化。

圖9　磨削表面圓周輪廓測(cè)試曲線

圖10　磨削表面圓周輪廓測(cè)試數(shù)據(jù)頻譜分布

圖9中顯示的磨削表面圓周輪廓的螺距和波峰數(shù)、圖10中主振頻率值與表2中磨削實(shí)驗(yàn)參數(shù)相吻合，詳見表3。

表3　顯示特征與磨削實(shí)驗(yàn)參數(shù)的關(guān)系1）

圖11　主頻幅度隨Hr值和累計(jì)修整進(jìn)給量的變化

圖12　磨削表面顯微照片

利用磨削表面輪廓測(cè)試數(shù)據(jù)的主頻幅度變化來反映磨削表面波紋度大小，如圖11所示?？梢钥闯觯拜喰拚?，磨削表面波紋度減小；當(dāng)累計(jì)修整50～70 μm時(shí)，磨削表面波紋度最小，幾乎觀察不到振紋；繼續(xù)修整，由于砂輪鈍化，磨削能力逐漸降低，引起磨削振動(dòng)，使磨削表面又出現(xiàn)振紋，波紋度增大。

顯微鏡跟蹤拍攝的磨削表面微觀形貌如圖12所示?？梢钥闯?，砂輪修整前，磨削表面紋理粗糙，紋理中溝痕清晰，并出現(xiàn)明顯振紋；累計(jì)修整進(jìn)給50μm時(shí)，磨削表面紋理細(xì)密，溝痕較小，且表面波紋度較小，無明顯振紋；累計(jì)修整進(jìn)給90μm時(shí)，磨削表面出現(xiàn)凹陷和凸起，波紋度增大；繼續(xù)修整，則磨削表面質(zhì)量進(jìn)一步惡化，紋理粗糙，振紋明顯，并出現(xiàn)磨削燒傷。

4　討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電鍍砂輪微量修整可以改善砂輪表面磨粒等高性，提高砂輪磨削質(zhì)量；但如果修整過度，磨粒等高性雖好，卻易造成修整鈍化，以致磨削質(zhì)量惡化。

砂輪表面磨粒等高性表征參數(shù)Hr可直接反映砂輪的修整狀態(tài)，并預(yù)測(cè)磨削質(zhì)量。Hr值過大，則磨削時(shí)砂輪易產(chǎn)生振動(dòng)而引起磨削振紋，砂輪修整可減小Hr值，但Hr值減小過多，則意味著修整量過大，引起修整鈍化。

實(shí)驗(yàn)中，累計(jì)修整進(jìn)給量小于60 μm時(shí)，磨削功率值及其增幅均較小，砂輪較鋒利；累計(jì)修整進(jìn)給50～70 μm時(shí)，磨削表面粗糙度和波紋度均較小，磨削質(zhì)量較好；累計(jì)修整進(jìn)給70 μm以后，磨削功率增幅明顯，磨削表面質(zhì)量嚴(yán)重惡化。因此，可以認(rèn)為累計(jì)修整進(jìn)給量50～60μm，即Hr值為26～21μm時(shí)，為良好修整；累計(jì)修整進(jìn)給量70 μm，即Hr值為17 μm時(shí)，為修整鈍化臨界點(diǎn)，此時(shí)Hr值減小量為56 μm。

根據(jù)以上狀態(tài)分析，在本實(shí)驗(yàn)中，26μm為砂輪修整后Hr的最大允許值；21μm為最佳修整狀態(tài)下Hr的最大允許值；56μm為砂輪修整后Hr的最大允許減小量。進(jìn)一步分析，砂輪修整前，其Hr值不能大于砂輪修整后Hr的最大允許值與最大允許減小量之和，即82μm。

綜上，結(jié)合本實(shí)驗(yàn)中磨粒直徑213～271μm計(jì)算可知：砂輪修整前，Hr的最大允許上限為82μm，約為磨粒直徑的30%，超出該值則無法獲得良好修整狀態(tài)；砂輪修整后，Hr值不宜大于21μm，約為磨粒直徑的8%，否則磨削表面質(zhì)量不佳；同時(shí)，砂輪修整后，Hr值減小量（即修整去除量）不能大于56μm，約為磨粒直徑的20%，否則造成砂輪修整鈍化。

5　結(jié)束語

1）本文提出了磨粒等高性的測(cè)量方法和量化指標(biāo)，其表征參數(shù)可以綜合評(píng)價(jià)砂輪表面磨粒等高性，為砂輪性能測(cè)試及其制造工藝的優(yōu)化提供了參考。

2）利用磨粒等高性表征參數(shù)Hr評(píng)價(jià)了電鍍CBN砂輪表面一周磨粒的等高性，并通過實(shí)驗(yàn)分析了磨粒等高性對(duì)砂輪磨削性能的影響，為砂輪修整效果和磨削質(zhì)量的預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，今后可針對(duì)砂輪表面局部磨粒的微觀等高性開展進(jìn)一步研究。

3）針對(duì)電鍍砂輪，修整前Hr值越小越好，如需修整，為保證能獲得良好的修整效果和磨削質(zhì)量，修整前Hr值不能大于磨粒直徑的30%，修整后Hr值不宜大于磨粒直徑的8%，并且修整后Hr值減小量不能大于磨粒直徑的20%。

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（編輯：李妮）

Research on influences of grain height consistency on grinding performance of electroplated wheel

SHI Chaoyu，F(xiàn)ENG Keming，ZHU Jianhui
（Zhengzhou Research Institute for Abrasive&Grinding Co.，Ltd.，Zhengzhou 450000，China）

To solve the problem of poor grinding capability of electroplated grinding wheel caused by the difference of height consistency of grains on surface electroplated grinding wheel，the measurement methods and quantification indexes（Hrand Hs）were proposed.Meanwhile，a precise dressingwascarriedoutforthegrindingwheelwithadiamondroller，andthegrinding performance was evaluated through monitoring the grinding power and grinding surface quality，and then，the correlation between grain height consistency and grinding performance of grinding wheel was analyzed.The results demonstrate that precise dressing can improve grain height consistency on the surface of electroplated grinding wheel distinctly，which can also improve the chatter mark and roughness of the grinding surface；however，blunt dressing should be avoided.In order to achieve great dressing effects，the value of Hrbefore dressing should not exceed 30%of the grain diameters and the value of Hrshould not exceed 8%of the grain diameters after dressing based on Hrquantitative analysis.

electroplated grinding wheel；grain height consistency；characterization parameters；grinding performance

A

1674-5124（2016）08-0135-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.08.028

0引言

2016-01-10；

2016-02-27

國(guó)家科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目（2015BAF31B00）

師超鈺（1988-），男，河南鄭州市人，助理工程師，碩士，主要從事智能磨削監(jiān)測(cè)與測(cè)試的研究。削振動(dòng)，造成磨削表面損傷惡化和砂輪的不均勻損耗。針對(duì)電鍍砂輪，其表面只有一層磨粒，磨粒損耗后無新磨粒補(bǔ)充，其磨粒等高性對(duì)磨削質(zhì)量的影響更為突出。因此，深入研究電鍍砂輪精密修整后磨粒等高性變化，并分析磨粒等高性對(duì)磨削性能的影響具有重要意義。

高速高效磨削技術(shù)是集高效、優(yōu)質(zhì)、低耗于一體的先進(jìn)加工制造工藝技術(shù)，被譽(yù)為“現(xiàn)代磨削技術(shù)的最高峰”，并為國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)（CIRP）確定為面向21世紀(jì)的中心研究方向［1-2］。對(duì)于高速超高速磨削，砂輪表面磨粒的狀態(tài)是決定磨削質(zhì)量的主要因素之一［3］。在同樣的砂輪轉(zhuǎn)速下，磨粒等高性差，則參與切削的動(dòng)態(tài)有效磨粒數(shù)少，磨削效率低，甚至引起磨