表面結(jié)構(gòu)化砂輪磨削加工技術(shù)研究進(jìn)展

郭　兵，金錢余，趙清亮，吳明濤，曾昭奇

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 哈爾濱 150001； 2.北京控制工程研究所， 北京 100091)

表面結(jié)構(gòu)化砂輪磨削加工技術(shù)研究進(jìn)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(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 哈爾濱 150001； 2.北京控制工程研究所， 北京 100091)

摘要:針對(duì)表面結(jié)構(gòu)化砂輪的磨削加工研究現(xiàn)狀，系統(tǒng)介紹了砂輪磨粒有序排布、磨粒幾何參數(shù)控制、砂輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械或激光修整砂輪等表面結(jié)構(gòu)化方法，分析了表面結(jié)構(gòu)化磨削工具的加工機(jī)理及其對(duì)加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律. 闡述表面結(jié)構(gòu)化砂輪磨削加工規(guī)則紋理表面的原理，并介紹了運(yùn)用表面結(jié)構(gòu)化砂輪磨削規(guī)則表面紋理的不同方法. 論述了表面結(jié)構(gòu)化砂輪磨削在特定材料加工領(lǐng)域的應(yīng)用前景，對(duì)表面結(jié)構(gòu)化砂輪制造技術(shù)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望.

關(guān)鍵詞:表面結(jié)構(gòu)化砂輪；磨削加工；磨粒有序排布；幾何參數(shù)可控；溝槽結(jié)構(gòu)化砂輪；規(guī)則紋理表面

高強(qiáng)度鋼、鈦合金等塑性難加工材料及碳化硅、光學(xué)玻璃等硬脆難加工材料在航空、航天、光學(xué)元件制造等領(lǐng)域應(yīng)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(jié)構(gòu)化砂輪磨削加工是應(yīng)對(duì)這些問題的重要研究方向之一.

表面結(jié)構(gòu)化砂輪磨削加工是在磨削工具制造或修整過程中對(duì)表面微觀或宏觀形貌進(jìn)行控制，獲得規(guī)則的磨粒排布或溝槽結(jié)構(gòu)，以改善磨削加工工藝性能或磨削加工規(guī)則紋理表面等. 目前，砂輪表面結(jié)構(gòu)化方法主要分為兩類：一類是基于砂輪制造過程的結(jié)構(gòu)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(shù)精確控制[21-27]、砂輪表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[28-31]等實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化；另一類是對(duì)現(xiàn)有砂輪運(yùn)用特殊修整方法進(jìn)行后期表面結(jié)構(gòu)化[32-45]，如在砂輪表面運(yùn)用機(jī)械修整或激光去除等方法進(jìn)行溝槽結(jié)構(gòu)化等.

自2000年起，瑞士、德國(guó)等國(guó)家部分學(xué)者開始運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真及實(shí)驗(yàn)方法研究磨粒有序排布對(duì)磨削加工的影響，并應(yīng)用于塑性難加工材料磨削加工. 2009年，英國(guó)Axinte等[24-26]，運(yùn)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(shù)的磨削工具,并磨削加工鈦合金. 1997～2011年，美國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)、澳大利亞等國(guó)家部分學(xué)者發(fā)展了運(yùn)用砂輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行砂輪表面結(jié)構(gòu)化的方法，磨削加工AISI4140鋼等塑性難加工材料. 2007年至今，運(yùn)用機(jī)械或激光修整在傳統(tǒng)砂輪表面進(jìn)行溝槽結(jié)構(gòu)化成為磨削加工研究熱點(diǎn)，應(yīng)用于磨削加工100Cr6鋼、光學(xué)玻璃等. 此外，巴西的學(xué)者于2007年開創(chuàng)性地運(yùn)用表面結(jié)構(gòu)化砂輪進(jìn)行規(guī)則紋理表面磨削加工.

本文根據(jù)不同的砂輪表面結(jié)構(gòu)化方法,對(duì)表面結(jié)構(gòu)化砂輪磨削加工研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并介紹了表面結(jié)構(gòu)化砂輪在規(guī)則紋理表面加工中的應(yīng)用.

1砂輪制造過程表面結(jié)構(gòu)化及其磨削

砂輪制造過程表面結(jié)構(gòu)化方法主要包括磨粒有序排布結(jié)構(gòu)化,磨粒幾何參數(shù)精確控制結(jié)構(gòu)化,砂輪結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化，如圖1所示.

圖1　表面結(jié)構(gòu)化砂輪制造方法

1.1磨粒有序排布結(jié)構(gòu)化

傳統(tǒng)砂輪與磨粒有序排布結(jié)構(gòu)化砂輪差異如表1所示.

表1　傳統(tǒng)砂輪與磨粒有序排布砂輪比較

傳統(tǒng)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(jī)的，砂輪表面不同位置有效磨粒數(shù)量、單個(gè)磨粒承受載荷、切屑流動(dòng)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(wěn)定性. 磨粒有序排布磨削工具能夠?qū)δチＡ６?、分布、突出高度甚至磨粒切削刃方向進(jìn)行控制，能夠保證砂輪足夠的切削刃長(zhǎng)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(duì)磨削加工的影響，磨削加工過程動(dòng)態(tài)變化.

Jacobson等[5]建立如圖2所示基于雙體磨料作用理論的數(shù)值仿真模型，能夠簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)磨粒尺寸、載荷與工件硬度對(duì)磨損速率、比磨削能、接觸磨粒數(shù)量等的影響. Koshy等[6]基于Jacobson的工作,以優(yōu)化砂輪形貌獲得最佳磨削性能為目標(biāo),對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)磨粒有序排布在磨削性能的改善進(jìn)行仿真，結(jié)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(zhì)量；磨粒形狀對(duì)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(zhì)量是磨粒排列軸向間距的函數(shù)，最好的表面質(zhì)量是用與傳統(tǒng)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(duì)磨削仿真模型進(jìn)行了深化，數(shù)值仿真磨粒形狀及磨損模型分別如圖3、4所示，磨粒簡(jiǎn)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(qū)域?yàn)槟チＤp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(shù)值分析與實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，磨粒磨損導(dǎo)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(guān)度. 磨粒磨損會(huì)導(dǎo)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(shù)值仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量粗糙度更為接近. 磨粒切削區(qū)分布在磨粒磨損后發(fā)生改變，磨料層形貌的變化能夠通過砂輪表面磨粒切削區(qū)分布的變化進(jìn)行觀察. 運(yùn)用數(shù)值方法能夠分析磨粒有序排布砂輪表面磨粒切削區(qū)分布或有效磨粒比例等，還能分析磨削工藝適用性.

圖3　實(shí)際磨粒形狀類型及數(shù)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(shí)驗(yàn)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(zhì)量，Aurich等[8-9]通過運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,分析了砂輪表面磨粒形貌、數(shù)量及排布圖案等對(duì)磨削工藝的影響，基于仿真研究結(jié)果選擇最優(yōu)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(duì)比. 實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)入磨削區(qū)，因而能夠減小磨削力與磨削功率,降低磨削溫度. Aurich等[10]對(duì)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(jìn)給速度1 050～4 200 mm/min. 磨粒有序排布砂輪較傳統(tǒng)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(shí)能夠有效降低磨削溫度，不過磨削表面粗糙度與傳統(tǒng)砂輪相比增大約30%. Aurich等[11]還研究了磨粒修整高度對(duì)磨削性能的影響，磨粒突出高度80～120 μm時(shí),磨粒有序排布砂輪在干磨削與濕磨削中都具有穩(wěn)定的磨削性能.

(a)磨粒有序排布砂輪

(b)傳統(tǒng)磨粒隨機(jī)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(xué)玻璃BK7，磨削速度3 m/s,切向進(jìn)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(xì)修整后，普通砂輪與磨粒有序排布砂輪磨削硬脆材料光學(xué)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(yīng)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(tǒng)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(tǒng)磨削工具磨粒密度高, 突出高度有限及隨機(jī)分布等問題，Burkhard等[12]發(fā)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(jìn)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(jié)約加工時(shí)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(xué)鄧朝暉等[13-14]研究了纖維狀聚晶金剛石復(fù)合片刀具的切削性能及磨損機(jī)理，并進(jìn)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(zhuǎn)速3 000 r/min，進(jìn)給速度10～40 mm/s,磨削深度5～40 μm， 研究發(fā)現(xiàn)磨削表面完整性較好，宏觀裂紋和表面損傷相對(duì)減少，與普通金剛石砂輪相比表面粗糙度更低，表面殘余應(yīng)力更小，磨削工具使用壽命更長(zhǎng).

圖9　有序排布金剛石纖維砂輪[14]

南京航空航天大學(xué)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(xiàn)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(xué)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(fā)現(xiàn)砂輪精細(xì)修整后能夠?qū)崿F(xiàn)塑性域磨削并顯著降低磨削表面粗糙度. 沈陽(yáng)理工大學(xué)王軍等[17]基于仿生學(xué)原理進(jìn)行了磨粒有序排布砂輪研究，發(fā)現(xiàn)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(wú)序排布砂輪磨削的表面.

1.1.3磨粒群有序排布研究

運(yùn)用細(xì)磨粒及結(jié)合劑構(gòu)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(yùn)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(shí)現(xiàn)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(jié)合強(qiáng)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(xué)高航等[19-20]運(yùn)用如圖11所示CBN磨粒群顆?？煽嘏挪忌拜喐赡ハ魈祭w維復(fù)合材料，主軸轉(zhuǎn)速7 200 r/min、進(jìn)給速度600 mm/min,磨削深度0.02 mm. 研究發(fā)現(xiàn),磨粒群間隙能夠有效轉(zhuǎn)移切屑并避免砂輪堵塞，磨削力穩(wěn)定,工件表面質(zhì)量完整性好. 單個(gè)磨粒群具有細(xì)磨粒砂輪磨削的優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)入的特點(diǎn).

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?；蚰チＨ河行蚺挪?，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(shù)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(shí)有序的磨粒排布確保了工件材料的有效去除. 磨粒數(shù)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(jìn)入,以及充分冷卻、潤(rùn)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(xiàn)的熱及其它損傷. 因此，磨粒有序排布砂輪能夠運(yùn)用更高的磨削工藝參數(shù)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(shù)精確控制磨削工具研究

1.2.1磨粒幾何參數(shù)精確控制磨削基礎(chǔ)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?？虅澦苄圆牧香~與脆性材料藍(lán)寶石時(shí)材料去除過程，刻劃深度1～3 μm. 不同形狀磨?？虅澦苄圆牧蟿澓坌螒B(tài)沒有大的差異，劃痕能夠精確復(fù)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(lán)寶石材料去除機(jī)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(jī)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(duì)磨粒輪廓的復(fù)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(gè)磨粒連續(xù)作用的結(jié)果，多個(gè)磨粒連續(xù)刻劃更接近磨削過程中材料去除行為. Axinte等[22]進(jìn)一步運(yùn)用如圖13所示磨粒重疊排布刻頭刻劃銅及藍(lán)寶石，在重疊磨?？虅澦苄圆牧蠒r(shí)，后續(xù)磨粒材料作用會(huì)受到先行磨?？虅澬纬杀砻嫘蚊驳挠绊?，磨粒形狀對(duì)刻劃表面?zhèn)让媾c底面表面質(zhì)量影響較小. 重疊磨?？虅澊嘈圆牧蠒r(shí)，劃痕側(cè)面或底面的裂紋會(huì)導(dǎo)致材料去除面積大于重疊磨粒組合幾何輪廓. 后續(xù)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(xù)磨?？虅澬纬杀砻媪鸭y減少.

圖13　激光制造不同幾何形狀重疊磨粒[22]

Butler-Smith等[23]運(yùn)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(jié)構(gòu)表面層材料在激光作用下的變化，分析發(fā)現(xiàn),微結(jié)構(gòu)表面金剛石存在石墨化，整個(gè)石墨層厚度約為2 μm. 金剛石到石墨的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)合面[23]

1.2.2磨粒幾何參數(shù)精確控制磨削工具實(shí)驗(yàn)研究

Butler-Smith等[24-25]運(yùn)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(jìn)給速度300 mm/min. 磨粒幾何參數(shù)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(dòng)路徑，能夠有效去除工件材料，幾乎沒有表面堵塞；傳統(tǒng)電鍍磨削工具表面存在嚴(yán)重的切屑堵塞，尤其是在磨粒高度聚集的地方. 幾何參數(shù)精確控制磨粒陣列磨削工具相比傳統(tǒng)電鍍磨削工具，具有穩(wěn)定且較低的磨削力，磨削表面質(zhì)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(shù)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(shù)精確控制金剛石磨粒陣列研究基礎(chǔ)上，Butler-Smith等[26]研究了如圖17所示幾何參數(shù)與排布精確控制回轉(zhuǎn)微磨削工具. 磨削Ti-6Al-4V，磨削速度31.4 m/s,進(jìn)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(tǒng)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(dòng)方向，磨削表面質(zhì)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(wěn)定性,磨削工具具有更長(zhǎng)的工作壽命.

圖17　幾何參數(shù)精確控制磨粒旋轉(zhuǎn)陣列磨削工具[26]

幾何參數(shù)精確控制磨削工具也可以應(yīng)用于化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)拋光墊的修整，Tsai等[27]運(yùn)用激光去除方法在燒結(jié)聚晶金剛石盤表面制造了如圖18所示的規(guī)則排列的磨粒陣列修整工具. 與傳統(tǒng)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(wěn)定的表面紋理，表面一致性更高，隨著時(shí)間增加,拋光速率降低更快.

圖18　幾何參數(shù)精確控制修整工具形貌[27]

綜上所述，磨粒幾何形狀對(duì)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(gè)磨粒共同作用完成，運(yùn)用激光方法能夠制造具有幾何參數(shù)可控的磨粒陣列，采用幾何參數(shù)精確控制磨削工具能夠獲得更為穩(wěn)定的切削力,以及更好的加工表面質(zhì)量.

1.2.3磨粒幾何參數(shù)精確控制磨削工具分析

磨粒幾何參數(shù)精確控制磨削工具制造是運(yùn)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(shù)、磨粒排列規(guī)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(wěn)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(zhì)量.

1.3砂輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表面結(jié)構(gòu)化方法

對(duì)砂輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)非連續(xù)磨削和改善磨削液進(jìn)入磨削區(qū)能力能夠有效改善磨削工藝性能，這主要應(yīng)用于普通磨削加工[28-31].

1.3.1砂輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表面結(jié)構(gòu)化砂輪磨削研究

非連續(xù)磨削砂輪能夠減少砂輪與工件表面的接觸時(shí)間，增加磨削液進(jìn)入磨削區(qū)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(xù)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(jìn)給速度1.2 m/s，研究發(fā)現(xiàn)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(xù)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(shí)現(xiàn)非連續(xù)磨削. 磨削速度24 m/s, 進(jìn)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(xù)砂輪與傳統(tǒng)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(shí)雖然沒有改善表面粗糙度但沒有出現(xiàn)磨削損傷.

砂輪表面分段能夠減少靜態(tài)磨削刃數(shù)量，使得瞬時(shí)參與接觸切削刃數(shù)量減少,從而降低劃擦與犁耕作用磨粒數(shù)量，減小磨削力、比磨削能. Tawakoli等[30]運(yùn)用如圖20所示T-型分段磨削工具，磨削陶瓷基復(fù)合材料，磨削速度30～120 m/s, 進(jìn)給速度0.5～3.0 m/min, 磨削深度0.05～0.60 mm. 研究發(fā)現(xiàn)，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(yīng)力產(chǎn)生，能夠采用更高的材料去除速率而不出現(xiàn)磨削損傷.

圖19　多孔磨料溝槽非連續(xù)砂輪[29]

圖20　T-型磨削工具[30]

通過創(chuàng)新的砂輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善磨削液進(jìn)入磨削區(qū)的能力，也是優(yōu)化磨削性能的重要方法. Nguyen等[31]設(shè)計(jì)了如圖21所示的徑向磨削液供應(yīng)通道的分段砂輪系統(tǒng)，砂輪表面為非連續(xù)分段結(jié)構(gòu)，磨削液通過砂輪內(nèi)部微孔從砂輪徑向直接作用于磨削區(qū). 磨削AISI4104鋼，磨削速度23 m/s,進(jìn)給速度400 mm/min, 磨削深度0.01～0.05 mm. 新的磨削系統(tǒng)與傳統(tǒng)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(zhì)量更好，沒有拉伸殘余應(yīng)力，比磨削能更低，磨削液消耗更少.

圖21　Nguyen等設(shè)計(jì)優(yōu)化磨削液供應(yīng)的分段砂輪[31]

1.3.2砂輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表面結(jié)構(gòu)化磨削分析

砂輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表面結(jié)構(gòu)化方法獲得的非連續(xù)磨削砂輪，由于表面的不連續(xù)性,降低了單位時(shí)間內(nèi)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(shù)量. 不連續(xù)的砂輪表面有利于磨削液更為充分的進(jìn)入磨削區(qū)，進(jìn)行有效地潤(rùn)滑與冷卻. 因此，非連續(xù)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(nèi)部布置磨削液輸送微孔通道，能夠進(jìn)一步促進(jìn)磨削液進(jìn)入磨削區(qū)，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(chuàng)新的砂輪表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)非連續(xù)磨削及磨削液內(nèi)部供應(yīng),是改善磨削工藝性能的重要方法.

2傳統(tǒng)砂輪表面結(jié)構(gòu)化及其磨削

2.1細(xì)磨粒砂輪溝槽結(jié)構(gòu)化磨削

Rabiey[32]對(duì)表面溝槽結(jié)構(gòu)化砂輪磨削進(jìn)行了理論研究，發(fā)現(xiàn)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(guān)，表面結(jié)構(gòu)化砂輪磨削能夠顯著減少摩擦及犁耕作用,進(jìn)而減少熱量的產(chǎn)生，最終降低磨削溫度及熱損傷. 此外，理論研究還發(fā)現(xiàn): 表面粗糙度主要受到有效切削刃密度影響，磨削工藝參數(shù)的影響相對(duì)小一些，砂輪表面結(jié)構(gòu)化會(huì)導(dǎo)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(jié)構(gòu)化砂輪，表面結(jié)構(gòu)化砂輪磨削能夠不同程度降低磨削力. Rabiey運(yùn)用接觸面積25%的表面結(jié)構(gòu)化砂輪磨削100Cr6,磨削力減少超過35%. Tawakoli等[33-35]運(yùn)用如圖22所示結(jié)構(gòu)化CBN砂輪，干磨削100Cr6，磨削速度60 m/s、進(jìn)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(jié)構(gòu)化砂輪磨削力顯著降低. 表面結(jié)構(gòu)化砂輪干磨削能夠有效改變磨削表面殘余應(yīng)力狀態(tài)，在磨削表面形成殘余壓應(yīng)力，而傳統(tǒng)砂輪磨削加工表面主要是殘余拉應(yīng)力. 表面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)化會(huì)導(dǎo)致單個(gè)磨粒承受的平均載荷增大，因此結(jié)構(gòu)化砂輪的磨損速度略快于傳統(tǒng)砂輪；結(jié)構(gòu)化還會(huì)導(dǎo)致磨削表面粗糙度上升,但在可以接受范圍內(nèi)，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(jié)構(gòu)能夠有效聚集并將磨削液輸送到磨削區(qū)實(shí)現(xiàn)冷卻與潤(rùn)滑，在緩進(jìn)給磨削時(shí)有效減少磨削燒傷. Mohamed等[37]運(yùn)用如圖23所示螺旋溝槽結(jié)構(gòu)化氧化鋁砂輪，緩進(jìn)給磨削AISI4140，磨削速度22.4 m/s、進(jìn)給速度1.7 mm/s、磨削深度1～4 mm. 結(jié)構(gòu)化砂輪與傳統(tǒng)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(dāng)限制表面粗糙度低于0.3 μm及1.6 μm時(shí)，材料去除量分別增加37%及120%，砂輪結(jié)構(gòu)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(guī)則結(jié)構(gòu)陣列結(jié)構(gòu)化

(b)砂輪表面螺旋溝槽結(jié)構(gòu)化

圖23　表面溝槽結(jié)構(gòu)化緩進(jìn)給磨削砂輪[37]

砂輪表面結(jié)構(gòu)化結(jié)構(gòu)類型不同，對(duì)磨削工藝的影響也不同. Walter等[38]運(yùn)用激光去除方法在金屬-陶瓷混合結(jié)合劑CBN砂輪表面加工如圖24所示不同類型溝槽結(jié)構(gòu)，V-型溝槽結(jié)構(gòu)化的實(shí)際砂輪表面如圖25所示，獲得接觸面積均為63%的結(jié)構(gòu)化砂輪，磨削100Cr6，磨削速度60 m/s,進(jìn)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(jié)構(gòu)化后磨削力下降25%～54%不等，磨削力穩(wěn)定性明顯大于非結(jié)構(gòu)化砂輪，不同材料去除速率下表面結(jié)構(gòu)化砂輪磨削力基本保持恒定. 不過，與未結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)化砂輪磨削表面粗糙度都將增大，但增大程度不同. 此外，結(jié)構(gòu)化砂輪平均徑向輪廓沒有明顯變化，即表面結(jié)構(gòu)化砂輪磨損速度并沒有明顯增加.

Tsuchiya等[39]運(yùn)用螺旋溝槽結(jié)構(gòu)化超細(xì)磨粒固定磨料工具精密磨削鋁，主軸轉(zhuǎn)速8 000 r/min,進(jìn)給速度0.4 mm/s,磨削深度1 mm，螺旋溝槽能夠連續(xù)排除磨屑，避免或減少磨屑對(duì)工具表面容屑空間的堵塞，能夠有效改善磨削表面質(zhì)量. 結(jié)構(gòu)化磨削工具表面幾乎沒有磨屑堵塞，而傳統(tǒng)磨削工具表面很容易發(fā)生表面堵塞. 不同磨削工具磨削工件表面如圖26所示，用結(jié)構(gòu)化固定磨料工具磨削粗糙度為Ra32nm的表面,實(shí)現(xiàn)了鏡面級(jí)表面質(zhì)量，而傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)化結(jié)構(gòu)類型[38]

圖25　砂輪表面結(jié)構(gòu)化實(shí)際形貌[38]

圖26　螺旋溝槽結(jié)構(gòu)化超細(xì)磨粒磨料工具磨削鋁表面[39]

運(yùn)用特殊的修整方法在砂輪表面加工規(guī)則溝槽結(jié)構(gòu)是砂輪結(jié)構(gòu)化的重要方法，溝槽結(jié)構(gòu)能夠降低磨削力和磨削溫度，促進(jìn)磨削液進(jìn)入磨削區(qū)，在干磨削、緩進(jìn)給磨削、難切削材料磨削等方面有重要應(yīng)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(jié)構(gòu)化磨削研究

精密光學(xué)元件在航空航天、半導(dǎo)體及通信等行業(yè)應(yīng)用廣泛，其精密磨削要求實(shí)現(xiàn)納米級(jí)表面粗糙度、亞微米級(jí)尺寸精度、低的亞表層損傷、高的生產(chǎn)效率等.

為了解決傳統(tǒng)細(xì)磨粒金剛石砂輪磨削光學(xué)玻璃等硬脆材料時(shí)，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(fā)展大磨粒金剛石砂輪磨削. 趙清亮等[41-43]結(jié)合大磨粒金剛石砂輪磨削特點(diǎn)，對(duì)大磨粒金剛石砂輪定義如圖27所示創(chuàng)新性修整要求. 利用精密修整大磨粒金剛石砂輪磨削光學(xué)玻璃BK7和微晶玻璃，兩種材料實(shí)現(xiàn)超精密磨削范疇并獲得納米級(jí)表面粗糙度，其中光學(xué)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(xì)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(fā)展了激光微結(jié)構(gòu)化方法對(duì)大磨粒電鍍金剛石砂輪表面進(jìn)行微結(jié)構(gòu)化，激光微結(jié)構(gòu)化原理如圖28所示.

圖28　砂輪表面激光結(jié)構(gòu)化原理及結(jié)構(gòu)化磨粒[46]

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

基于以上理論分析，加工圖29所示5種微結(jié)構(gòu)砂輪，分別代表無(wú)微溝槽、70 μm平行間隔(半個(gè)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(xué)玻璃參數(shù)：砂輪轉(zhuǎn)速3 000 r/min, 進(jìn)給速度2 mm/min, 磨削深度2 μm. 微結(jié)構(gòu)砂輪磨削光學(xué)玻璃亞表面損傷深度比無(wú)微結(jié)構(gòu)砂輪的小2～3 μm，同時(shí)隨著平行微溝槽間隔減小，損傷深度呈現(xiàn)減小的趨勢(shì).

圖29　加工5種微結(jié)構(gòu)砂輪[46]

表面微結(jié)構(gòu)化砂輪與非結(jié)構(gòu)化砂輪相比，磨削光學(xué)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(jié)構(gòu)化不能改善磨削表面粗糙度，當(dāng)溝槽間距較大時(shí)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(jié)構(gòu)化創(chuàng)新性地在亞磨粒尺度進(jìn)行結(jié)構(gòu)化，保留了傳統(tǒng)砂輪磨粒排布的隨機(jī)性，并有效地增加了切削刃密度，特別適用于光學(xué)玻璃、碳化硅等硬脆材料精密磨削.

2.3砂輪表面微結(jié)構(gòu)化磨削方法分析

傳統(tǒng)砂輪表面結(jié)構(gòu)化是磨削工藝優(yōu)化的重要方法，根據(jù)溝槽結(jié)構(gòu)寬度與砂輪表面磨粒粒度的相對(duì)大小不同其影響機(jī)理也不相同.

細(xì)磨粒砂輪或普通砂輪結(jié)構(gòu)化，微結(jié)構(gòu)寬度一般明顯大于磨粒粒度，砂輪表面結(jié)構(gòu)化能夠減少單位時(shí)間內(nèi)砂輪表面與工件表面接觸面積，進(jìn)而減少相互作用特別是劃擦、犁耕作用磨粒數(shù)量，進(jìn)而降低磨削作用力及能量消耗. 表面溝槽結(jié)構(gòu)化能夠有利于磨削液進(jìn)入磨削區(qū)，進(jìn)行有效的冷卻與潤(rùn)滑，有利于降低磨削溫度及相應(yīng)的熱損傷，能夠采用更高的磨削工藝參數(shù)以提高磨削加工效率. 大磨粒砂輪主要應(yīng)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(jìn)行亞磨粒尺度的微結(jié)構(gòu)化增加了單位面積切削刃數(shù)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(jié)構(gòu)化砂輪磨削規(guī)則紋理表面

規(guī)則紋理表面能夠減少流體或邊界潤(rùn)滑摩擦系數(shù),吸附潤(rùn)滑液中的微小硬質(zhì)顆粒,增強(qiáng)涂層粘附及結(jié)合強(qiáng)度,改善靜態(tài)或動(dòng)態(tài)結(jié)合面密封性等，在流體動(dòng)壓軸承等方面有重要運(yùn)用[47-53]. 研究規(guī)則紋理表面的磨削加工具有重要價(jià)值.

3.1結(jié)構(gòu)化砂輪磨削規(guī)則紋理表面理論基礎(chǔ)

在磨削過程中，砂輪表面形貌會(huì)一定程度復(fù)印到工件磨削表面上，這為運(yùn)用磨削方法進(jìn)行規(guī)則紋理表面制造提供了可能. 規(guī)則表面紋理磨削原理如圖30所示[54]，表面溝槽結(jié)構(gòu)化的砂輪當(dāng)以恒定的磨削速度與進(jìn)給速度比值進(jìn)行磨削加工時(shí)，溝槽結(jié)構(gòu)部分由于磨粒被去除，在磨削過程中不會(huì)去除工件表面材料，而非溝槽結(jié)構(gòu)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(wěn)定的形成規(guī)則分布的紋理，使用不同速度比率或溝槽結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)分布及磨削與進(jìn)給速度比值，決定了工件磨削表面紋理分布的形狀；隨機(jī)部分，來(lái)源于砂輪非溝槽結(jié)構(gòu)化部分磨料層隨機(jī)的磨粒形狀與分布，隨機(jī)的磨粒作用構(gòu)成了規(guī)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(jī)部分對(duì)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(fù)制機(jī)制相對(duì)于隨機(jī)性而言更多是確定性的.

圖30　砂輪結(jié)構(gòu)化磨削規(guī)則表面紋理原理[54]

3.2結(jié)構(gòu)化砂輪磨削規(guī)則紋理表面實(shí)驗(yàn)研究

Stepien等[54-56]采用單點(diǎn)金剛石修整工具在砂輪表面修整獲得規(guī)則排列的深度大于磨削深度的螺旋溝槽，并運(yùn)用表面溝槽結(jié)構(gòu)化的砂輪進(jìn)行磨削. 磨削速度31.39 m/s,進(jìn)給速度0.326 m/s,磨削深度0.02 mm，成功將砂輪表面紋理復(fù)制到工件表面上而獲得規(guī)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(guī)則紋理表面溝槽對(duì)砂輪表面進(jìn)行有效磨削的非結(jié)構(gòu)化部分復(fù)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(shè)計(jì)了如圖32所示的砂輪表面結(jié)構(gòu)化修整系統(tǒng)，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(guī)則紋理表面如圖33所示,具有不同的復(fù)雜紋理表面. 研究結(jié)果表明,不僅能夠根據(jù)所需的表面紋理設(shè)計(jì)相應(yīng)的砂輪表面溝槽結(jié)構(gòu)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(yùn)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(duì)規(guī)則表面紋理磨削進(jìn)行了深入研究，運(yùn)用不同的軸向進(jìn)給速度，獲得如圖34所示的具有不同比例復(fù)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(shù),增加了工藝靈活性. 此外，具有規(guī)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(zhì)量，且除表面紋理描述參數(shù)以外的磨削表面質(zhì)量(如粗糙度、磨削燒傷)仍然主要受傳統(tǒng)修整及磨削工藝參數(shù)影響，如修整重復(fù)率與磨削條件.

圖32　磨削砂輪紋理結(jié)構(gòu)化方法[57]

新的砂輪表面紋理修整裝置能夠解決砂輪復(fù)雜表面紋理修整的問題，不過機(jī)床動(dòng)態(tài)性能及高頻移動(dòng)修整裝置對(duì)能量變換器輸出波形響應(yīng)不可能完全理想，會(huì)對(duì)修整獲得的實(shí)際砂輪表面紋理尺寸及形貌、工件幾何形狀精度等產(chǎn)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(duì)砂輪表面紋理化，并對(duì)砂輪表面進(jìn)行精細(xì)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(jìn)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(guī)則紋理表面，再對(duì)獲得的規(guī)則紋理表面進(jìn)行精細(xì)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(jié)構(gòu)高度紋理特征等，以改善規(guī)則紋理表面的表面質(zhì)量與形狀精度，圖35為運(yùn)用兩種磨削工藝磨削得到的規(guī)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(fā)射監(jiān)測(cè)及表面紋理[58]

圖35　磨削獲得規(guī)則紋理表面形貌[59]

砂輪表面結(jié)構(gòu)化磨削能夠簡(jiǎn)單、高效、經(jīng)濟(jì)的進(jìn)行規(guī)則表面紋理面制造，是經(jīng)濟(jì)高效的進(jìn)行規(guī)則表面紋理制造的新方法，對(duì)于推動(dòng)規(guī)則紋理表面的應(yīng)用具有重要意義.

4表面結(jié)構(gòu)化砂輪應(yīng)用及研究趨勢(shì)

表面結(jié)構(gòu)化砂輪磨削加工目前還處于研究階段，當(dāng)前研究工作主要集中于塑性難切削材料如鈦合金、高強(qiáng)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(jié)構(gòu)化方法的比較研究還處于起步階段. 因此，目前表面結(jié)構(gòu)化砂輪還未有效地在不同行業(yè)中運(yùn)用. 表面結(jié)構(gòu)化砂輪在行業(yè)中的應(yīng)用前景基于現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外研究工作簡(jiǎn)要分析如下.

1)塑性難加工材料在航空、航天、深海探測(cè)等領(lǐng)域有著廣泛運(yùn)用，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片及機(jī)匣、深海探測(cè)器、衛(wèi)星承力部件、承壓部件等都使用鈦合金制造. 表面結(jié)構(gòu)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(cè)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景.

2)碳化硅、碳化鎢、光學(xué)玻璃等硬脆材料是模具制造、大型光學(xué)元件制造等領(lǐng)域的主要加工材料，現(xiàn)有硬脆材料主要使用細(xì)磨粒砂輪磨削及后續(xù)拋光等工藝實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)化大磨粒砂輪磨削加工相比傳統(tǒng)砂輪能夠獲得更低的亞表層損傷深度，而磨削表面質(zhì)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(yīng)用具有重要意義.

3)表面紋理結(jié)構(gòu)能夠有效提高流體動(dòng)壓力,吸附流體中的硬質(zhì)顆粒以減少結(jié)合面磨損，紋理表面在流體動(dòng)壓軸承、液體密封中的應(yīng)用具有重要的意義，表面結(jié)構(gòu)化砂輪磨削能夠經(jīng)濟(jì)高效地進(jìn)行規(guī)則紋理表面制造，因而具有廣泛的應(yīng)用前景.

5展望

砂輪表面結(jié)構(gòu)化技術(shù)能夠不同程度影響砂輪表面宏觀或微觀形貌，進(jìn)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(jié)構(gòu)化砂輪磨削國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，可以預(yù)計(jì)砂輪結(jié)構(gòu)化磨削在未來(lái)還需要在以下方向進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究.

1)進(jìn)一步優(yōu)化磨粒有序排布砂輪磨粒排布圖案，以實(shí)現(xiàn)工件磨削表面材料的均勻去除；進(jìn)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(jī)制變化的數(shù)值仿真方法.

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

3)砂輪表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新,以進(jìn)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(yīng)用.

4)溝槽結(jié)構(gòu)及尺寸對(duì)細(xì)磨粒砂輪表面溝槽結(jié)構(gòu)化磨削性能的影響，多種溝槽結(jié)構(gòu)結(jié)合進(jìn)行砂輪表面結(jié)構(gòu)化，磨粒粒度對(duì)砂輪結(jié)構(gòu)化的影響，細(xì)磨粒砂輪溝槽結(jié)構(gòu)化在精密磨削中的應(yīng)用.

5)磨粒粒度對(duì)大磨粒金剛石砂輪亞磨粒尺度砂輪表面微結(jié)構(gòu)化性能的影響，微結(jié)構(gòu)形式與排布對(duì)結(jié)構(gòu)化大磨粒砂輪磨削性能的影響.

6)磨削規(guī)則表面紋理過程中具有規(guī)則紋理表面結(jié)構(gòu)化砂輪在線修整以進(jìn)行連續(xù)磨削，運(yùn)用大磨粒砂輪進(jìn)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(yīng)用.

砂輪表面結(jié)構(gòu)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(rùn)滑條件，降低磨削溫度及磨削表面損傷，在高效干磨削、緩進(jìn)給磨削、硬脆材料精密磨削、難切削材料磨削、規(guī)則紋理表面制造等方面具有重要意義. 表面結(jié)構(gòu)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(yīng)用于硬脆材料的精密磨削，是磨削加工技術(shù)的重要研究方向，具有巨大的研究?jī)r(jià)值與應(yīng)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(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(51405108)；

作者簡(jiǎn)介:郭兵(1983—)，男，講師，碩士生導(dǎo)師; 趙清亮(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，德國(guó)亞歷山大·馮·洪堡學(xué)者，新世紀(jì)優(yōu)秀人才

通信作者:趙清亮，zhaoqingliang@hit.edu.cn

中圖分類號(hào):TG580.61

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):0367-6234(2016)07-0001-13

中國(guó)博士后科學(xué)基金(2015T80337)