电镀砂轮磨粒等高性影响磨削性能研究

师超钰，冯克明，朱建辉

（郑州磨料磨具磨削研究所有限公司，河南　郑州　450000）

电镀砂轮磨粒等高性影响磨削性能研究

师超钰，冯克明，朱建辉

（郑州磨料磨具磨削研究所有限公司，河南郑州450000）

为解决电镀砂轮表面磨粒等高性差导致的磨削性能不佳的问题，提出磨粒等高性的测量方法和量化指标（Hr和Hs），采用金刚石滚轮对砂轮进行微量修整，检测磨削功率和磨削表面质量以评价砂轮磨削性能，分析磨粒等高性与砂轮磨削性能的关系。实验结果表明：微量修整可以明显提高电镀砂轮表面磨粒的等高性，从而改善磨削表面振纹和粗糙度，但应防止修整钝化；为获得良好修整效果，通过Hr定量分析，修整前Hr值不能大于磨粒直径的30%，修整后不宜大于磨粒直径的8%。

电镀砂轮；磨粒等高性；表征参数；磨削性能

目前国内外很多学者致力于砂轮形貌测量和评价的研究［4-8］，但对于砂轮形貌中磨粒等高性的测量和评价研究较少，刘佳等［9］利用等高线图直观比较砂轮修整前后磨粒等高性的变化；张贝等［10］利用激光三角法测量砂轮形貌并对局部测量数据的轮廓峰点高度进行统计分析。以上研究只针对砂轮表面局部区域的磨粒高度进行观察比较或统计分析，并未提出磨粒等高性的量化指标。

鉴于此，本文针对电镀砂轮提出了磨粒等高性的测量及定量表征方法，并且开展实验分析研究了磨粒等高性对电镀CBN砂轮磨削性能的影响，制定出电镀CBN砂轮在良好的修整和磨削状态下，磨粒等高性表征参数的合理量值范围，有利于磨削加工质量和效率的提升。

1　磨粒等高性测量方法

砂轮是非均质多元复合材料，其表面特性决定了接触式量仪难以真实反映表面磨粒等高性信息。为此，本文利用激光位移传感器［11-12］搭建电镀砂轮磨粒等高性的非接触测量装置，如图1所示，激光传感器安装于砂轮的前方，保证激光光斑的照射路径通过砂轮轴的中心。当光斑照射在砂轮表面上时，被照射点的相对高度值就通过激光传感器获取并传输至计算机中。对砂轮外圆表面采样一周，通过数据处理，完成磨粒等高性的计算和表征。处理步骤如下：

1）窗口限幅滤波。由于激光光斑照射到磨粒的边缘或两磨粒交界位置时，传感器会输出峰值和谷值的奇异数据［13］，需要对采样数据进行滤波处理。方法是，在原始采样数据上设置一逐点滑动的滤波窗口，计算窗口内数据的极差，并与设定阈值比较，若极差小于阈值，则窗口内全部数据均可通过；将所有通过的数据点按窗口顺序依次排列整理，已经整理的数据点不重复列入，整理后得滤波后数据。通过滤波，可将奇异数据置为空值，图2为滤波前后对比，可看出对奇异数据有较好的滤除效果。

图1　磨粒等高性测量装置照片

图2　滤波前后数据曲线对比

2）中位值插值。为修复被滤除的奇异数据留下的空值，对其进行中位值插值，即选择空值点邻近的若干个数据点，计算其中位值并补充到该空值点的位置。

3）提取特征点。从砂轮一周的采样数据中提取出光斑扫过的磨粒轮廓的峰点，作为特征点，这些特征点基本上代表了磨粒的高度。特征点提取方法如下：

在滤波、插值处理后的数据上设置一逐点滑动的取样窗口，计算窗口内数据的最大值，如果某取样窗口的最大值与之前相邻窗口的最大值不是同一数据点，则该取样窗口的最大值可通过，将所有通过取样窗口的数据点依次排列整理；然后对这些整理后的数据点，以每个数据点为中心，设置一固定的筛选窗口，如果窗口内只有一个数据点，则该数据点可通过，如果窗口内有多个数据点，且中心数据点最大，则中心数据点可通过；最后将所有通过筛选窗口的数据排列整理，并作为表征砂轮表面磨粒等高性的特征点。

4）磨粒等高性的量化计算。砂轮外圆表面一周的特征点综合反映了砂轮外圆表面磨粒的高度分布规律，将特征点的分布范围和离散程度进行量化评价，就可以定量表征磨粒等高性。

设砂轮表面一周的特征点集合为X=｛x1，x2，…，xn｝，分别计算其极差Hr和均方差Hs，作为砂轮表面磨粒等高性的表征参数，Hr和Hs越小，则磨粒等高性越好，计算式如下：

其中

截取砂轮圆周某一段的特征点进行分析，可以获取磨粒高度的微观分布状态，实现砂轮表面局部区域磨粒微观等高性的评价。

2　实验条件与方法

选择60/70#电镀CBN砂轮，尺寸500mm×25mm× 203mm，在全数控外圆随动磨床CNC8325上进行实验。该机床主轴转速可调，X向进给精度1μm，采用M6000动平衡系统对砂轮进行在线动平衡。

2.1砂轮修整

采用金刚石滚轮通过纵向往复移动的方式对砂轮进行微量修整，每次修整进给深度1 μm，每轮修整分10次进给，每轮修整结束后用油石条对砂轮手工修锐。实验参数如表1所示。

表1　砂轮修整实验参数

2.2磨粒等高性测试

选用LK-G5000激光位移传感器对砂轮修整前后的外圆表面进行测量，光斑直径25μm，设置采样频率200kHz，测量位置为砂轮外圆宽度的中间位置，计算砂轮表面磨粒等高性表征参数的值。选用VHX-2000超景深光学显微镜对砂轮表面微观形貌进行定点跟踪观测，探究修整前后砂轮表面磨粒的微观变化。

2.3磨削实验

为验证各轮修整前后砂轮磨削性能的变化，选择45钢圆棒作为磨削试件开展磨削实验，试件尺寸为φ60mm×400mm，磨削方式为外圆切入式磨削，实验参数如表2所示。

2.4磨削质量测试

通过测试磨削实验中的磨削功率、磨削表面粗糙度、磨削表面波纹度来评价砂轮的磨削性能。磨削功率选用三相功率仪AN87500测试，磨削表面粗糙度选择TIME3230轮廓仪测试，磨削表面波纹度借助LK-G5000激光位移传感器测试。同时，利用VHX-2000显微镜考察磨削表面的微观形貌，直观分析其纹理和振纹［14-15］的形态。

表2　 磨削实验参数

3　实验结果及分析

按照上述条件开展电镀CBN砂轮微量修整、砂轮表面磨粒等高性测试、试件磨削和磨削质量测试的实验循环，比较分析各轮实验结果。

3.1磨粒等高性及砂轮形貌

图3为砂轮修整前和累计修整进给70 μm时，磨粒等高性测试特征点的结果，其中测试值为相对值，大小与激光传感器安装位置有关。由于砂轮一周的特征点较多，为便于宏观分析，只在砂轮表面每5°取一代表性特征点显示。可以看出，砂轮修整前，砂轮表面一周磨粒的宏观高度相差较大，存在明显的宏观外圆跳动；砂轮修整后，磨粒宏观高度相差变小，趋向一致。

图3　修整前后砂轮一周的特征点

针对砂轮局部表面磨粒微观等高性，选取修整前和累计修整进给70 μm时，砂轮表面57°～60°的特征点显示如图4所示。可以看出，砂轮修整前，局部表面磨粒的微观高度差较大，显得参差不齐；砂轮修整后，磨粒顶端被修平，磨粒微观高度显得均匀一致。

如图5所示，随着累计修整进给量的增加，磨粒等高性的表征参数Hr和Hs均逐渐减小，即磨粒高度分布的范围减小，分布更加均匀集中。从Hr变化曲线可以看出，砂轮修整初期，Hr值与累计修整进给量近乎成线性关系；但随着修整量的增大，Hr值减小量逐渐小于修整进给量，这是因为随着修整量的增加，电镀CBN砂轮表面被修整的磨粒数增多，磨粒被修整的总面积增大，砂轮修整难度越来越大。可见，Hr可以合理表征砂轮表面磨粒的等高性，并且其值变化与修整量有直观联系，方便分析。

图4　修整前后砂轮局部特征点

图5　Hr和Hs与累计修整进给量的关系曲线

图6　砂轮表面微观形貌变化

用显微镜定点跟踪砂轮表面微观形貌（见图6），随着累计修整进给量的增加，磨粒表面出现磨耗平面，并且面积越来越大（图中磨粒A、B、C），当累计修整进给量110μm时，Hr值仅为6μm，砂轮表面磨粒等高性很好，但较多磨粒出现较大磨耗平面（见图6 （b）），砂轮锋利性较低。

测试结果表明，通过微量修整，砂轮表面突出的磨粒被逐渐修平，磨粒高度的分布变得集中，磨粒等高性得到明显改善。

3.2磨削功率

各轮实验中磨削功率变化如图7所示。累计修整进给量小于20μm时，磨削功率较小且变化不大，这是因为修整时只有极少量磨粒被修整到，磨削时砂轮外圆与工件接触面积小；随着修整量的增加，被修整的磨粒增多，砂轮外圆与工件接触面积变大，所以磨削功率呈现增大趋势；累计修整进给量大于70μm时，虽然磨粒等高性较好，但磨削功率较大且增幅明显，砂轮出现修整钝化。

图7　磨削功率随Hr值和累计修整进给量的变化

3.3磨削表面粗糙度和波纹度

磨削表面粗糙度Ra值变化如图8所示。随着修整量的增加，磨削表面粗糙度Ra减小；当累计修整进给70μm时，Ra达到最小；继续修整，磨粒钝化造成磨削表面粗糙度增大。

图8　粗糙度Ra随Hr值和累计修整进给量的变化

利用激光位移传感器测试磨削表面圆周方向轮廓，并将测试数据导入极坐标显示。修整前和累计修整进给50μm时，测试数据如图9所示，频谱分布如图10所示。图9中显示磨削表面出现螺线状轮廓，这是因为采用了无光磨的切入磨削方式；修整前磨削表面轮廓曲线呈现明显波动，峰谷幅度较大，修整后峰谷幅度减小，波纹度降低。图10中，修整前，87Hz的主频幅度较大，且其2～4倍频处存在谱峰；修整后，对应频段的幅度均变小。由此可见，在砂轮修整前磨削表面波纹主要来源于砂轮表面磨粒的宏观等高性，并且随着修整量的增加，磨粒等高性得到改善，对磨削表面波纹度的影响逐渐弱化。

图9　磨削表面圆周轮廓测试曲线

图10　磨削表面圆周轮廓测试数据频谱分布

图9中显示的磨削表面圆周轮廓的螺距和波峰数、图10中主振频率值与表2中磨削实验参数相吻合，详见表3。

表3　显示特征与磨削实验参数的关系1）

图11　主频幅度随Hr值和累计修整进给量的变化

图12　磨削表面显微照片

利用磨削表面轮廓测试数据的主频幅度变化来反映磨削表面波纹度大小，如图11所示。可以看出，砂轮修整后，磨削表面波纹度减小；当累计修整50～70 μm时，磨削表面波纹度最小，几乎观察不到振纹；继续修整，由于砂轮钝化，磨削能力逐渐降低，引起磨削振动，使磨削表面又出现振纹，波纹度增大。

显微镜跟踪拍摄的磨削表面微观形貌如图12所示。可以看出，砂轮修整前，磨削表面纹理粗糙，纹理中沟痕清晰，并出现明显振纹；累计修整进给50μm时，磨削表面纹理细密，沟痕较小，且表面波纹度较小，无明显振纹；累计修整进给90μm时，磨削表面出现凹陷和凸起，波纹度增大；继续修整，则磨削表面质量进一步恶化，纹理粗糙，振纹明显，并出现磨削烧伤。

4　讨论

实验结果表明：电镀砂轮微量修整可以改善砂轮表面磨粒等高性，提高砂轮磨削质量；但如果修整过度，磨粒等高性虽好，却易造成修整钝化，以致磨削质量恶化。

砂轮表面磨粒等高性表征参数Hr可直接反映砂轮的修整状态，并预测磨削质量。Hr值过大，则磨削时砂轮易产生振动而引起磨削振纹，砂轮修整可减小Hr值，但Hr值减小过多，则意味着修整量过大，引起修整钝化。

实验中，累计修整进给量小于60 μm时，磨削功率值及其增幅均较小，砂轮较锋利；累计修整进给50～70 μm时，磨削表面粗糙度和波纹度均较小，磨削质量较好；累计修整进给70 μm以后，磨削功率增幅明显，磨削表面质量严重恶化。因此，可以认为累计修整进给量50～60μm，即Hr值为26～21μm时，为良好修整；累计修整进给量70 μm，即Hr值为17 μm时，为修整钝化临界点，此时Hr值减小量为56 μm。

根据以上状态分析，在本实验中，26μm为砂轮修整后Hr的最大允许值；21μm为最佳修整状态下Hr的最大允许值；56μm为砂轮修整后Hr的最大允许减小量。进一步分析，砂轮修整前，其Hr值不能大于砂轮修整后Hr的最大允许值与最大允许减小量之和，即82μm。

综上，结合本实验中磨粒直径213～271μm计算可知：砂轮修整前，Hr的最大允许上限为82μm，约为磨粒直径的30%，超出该值则无法获得良好修整状态；砂轮修整后，Hr值不宜大于21μm，约为磨粒直径的8%，否则磨削表面质量不佳；同时，砂轮修整后，Hr值减小量（即修整去除量）不能大于56μm，约为磨粒直径的20%，否则造成砂轮修整钝化。

5　结束语

1）本文提出了磨粒等高性的测量方法和量化指标，其表征参数可以综合评价砂轮表面磨粒等高性，为砂轮性能测试及其制造工艺的优化提供了参考。

2）利用磨粒等高性表征参数Hr评价了电镀CBN砂轮表面一周磨粒的等高性，并通过实验分析了磨粒等高性对砂轮磨削性能的影响，为砂轮修整效果和磨削质量的预测及评价提供了实验依据，今后可针对砂轮表面局部磨粒的微观等高性开展进一步研究。

3）针对电镀砂轮，修整前Hr值越小越好，如需修整，为保证能获得良好的修整效果和磨削质量，修整前Hr值不能大于磨粒直径的30%，修整后Hr值不宜大于磨粒直径的8%，并且修整后Hr值减小量不能大于磨粒直径的20%。

［1］邓朝晖，刘战强，张晓红.高速高效加工领域科学技术发展研究［J］.机械工程学报，2010，46（23）：106-120.

［2］冯宝富，蔡光起，邱长伍.超高速磨削的发展及关键技术［J］.机械工程师，2002（1）：5-9.

［3］MALKIN S.磨削技术理论与应用［M］.蔡光起，巩亚东，朱贵亮，译.沈阳：东北大学出版社，2002：147-153.

［4］刘月明，巩亚东，曹振轩.基于数值建模的砂轮形貌仿真与测量［J］.机械工程学报，2012，48（23）：184-190.

［5］霍凤伟，郭东明，金洙吉，等.细粒度金刚石砂轮形貌测量与评价［J］.机械工程学报，2007，43（10）：108-113.

［6］BLUNT L，EBDON S.The application of three-dimensional surface measurement techniques to characterizing grinding［J］.Int JMachTools Manufact，1996，36（11）：1207-1226.

［7］DOMAN D A，WARKENTIN A，BAUER R.A survey of recent grinding wheel topography models［J］.International Journal of Machine Tools&Manufacture，2006（46）：343-352.

［8］CHIU NH，GUAOY Y.State classification of CBN grinding with support vector machine［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008（201）：601-605.

［9］刘佳，陈五一.电镀CBN砂轮油石修整效果及评价研究［J］.金刚石与磨料磨具工程，2012，187（32）：42-45.

［10］张贝，傅玉灿，苏宏华.单层钎焊金刚石砂轮的修整实验研究［J］.中国机械工程，2014，25（13）：1778-1783.

［11］马强，闫勇刚，刘万里，等.激光跟踪测量系统校验及在三维测量中的应用［J］.中国测试技术，2006（2）：27-28.

［12］朱万彬.激光位移传感器在物体表面形状测量中的应用［J］.光机电信息，2010，27（10）：70-72.

［13］潘永成.金刚石砂轮精密修整及其声发射在线监测技术研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

［14］LI Y，GRACEWSKI S M，FUNKENBUSCH P D，et al. Analysisofchatterincontourgrindingofoptical materials［J］.International Journal of Machine Tools& Manufacture，2002，42（10）：1095-1103.

［15］INASAKI I，KARPUSCHEWSKI B，LEE H.Grinding chatteroriginandsuppression［J］.CIRPAnnals Manufacturing Technology，2001，50（2）：515-534.

（编辑：李妮）

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

SHI Chaoyu，FENG 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

国家科技支撑计划基金资助项目（2015BAF31B00）

师超钰（1988-），男，河南郑州市人，助理工程师，硕士，主要从事智能磨削监测与测试的研究。削振动，造成磨削表面损伤恶化和砂轮的不均匀损耗。针对电镀砂轮，其表面只有一层磨粒，磨粒损耗后无新磨粒补充，其磨粒等高性对磨削质量的影响更为突出。因此，深入研究电镀砂轮精密修整后磨粒等高性变化，并分析磨粒等高性对磨削性能的影响具有重要意义。

高速高效磨削技术是集高效、优质、低耗于一体的先进加工制造工艺技术，被誉为“现代磨削技术的最高峰”，并为国际生产工程学会（CIRP）确定为面向21世纪的中心研究方向［1-2］。对于高速超高速磨削，砂轮表面磨粒的状态是决定磨削质量的主要因素之一［3］。在同样的砂轮转速下，磨粒等高性差，则参与切削的动态有效磨粒数少，磨削效率低，甚至引起磨