釬焊磨頭修整量化及磨削性能研究*

孫 亮, 陳 燕, 梁宇紅, 何 一, 郭 南

(南京航空航天大學(xué), 江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210016)

由于釬焊時(shí)釬料的流淌方向不一致以及磨頭基體的跳動(dòng)誤差、磨粒粒徑大小不一等原因，釬焊金剛石磨頭磨粒的出露高度不一致，導(dǎo)致磨頭磨粒等高性較差，磨頭精度較低，磨削工件時(shí)會(huì)產(chǎn)生加工痕跡如溝槽等缺陷[1]。因此,需要對(duì)釬焊磨頭進(jìn)行精密有效的修整。

與傳統(tǒng)多層磨頭相比，單層釬焊工藝使得釬焊金剛石磨頭磨粒的出露高度較一致，只需要整形而不需要修銳[1]。但整形修整過(guò)程對(duì)磨粒造成的磨損、磨鈍、磨粒脫落等現(xiàn)象會(huì)影響磨頭的磨削性能。且過(guò)度修整造成的磨頭磨削能力下降是不可逆的。因此，在修整過(guò)程中對(duì)磨頭表面磨粒出刃形貌進(jìn)行量化表征并關(guān)聯(lián)磨削質(zhì)量，對(duì)于先進(jìn)磨削技術(shù)發(fā)展有積極意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)磨削砂輪表面形貌的表征評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了一系列研究。劉偉等[2]提出磨粒出刃度βd和磨粒出刃面積分散度δs等2個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)砂輪表面形貌特征。黨希敏等[3]利用分形維數(shù)和等價(jià)出刃尺寸分別評(píng)價(jià)砂輪磨粒的破碎程度和砂輪磨粒出刃的均勻程度。袁成清等[4]采用三維表面高度偏差Sa、均方根Sq、表面斜度Ssk、表面峭度Sku等表面粗糙度參數(shù)和表面紋理指數(shù)Stdi描述磨粒的三維表面特征。蘇玲玲等[5]采用靜態(tài)磨刃密度Cs、磨粒分布均勻性Cv等2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)定量評(píng)價(jià)了磨粒在磨具表面的分布形態(tài)。以上評(píng)價(jià)方法對(duì)磨粒的出刃高度和分布面積進(jìn)行了綜合評(píng)定，但這些評(píng)價(jià)方法是對(duì)多層砂輪的磨粒表面形貌進(jìn)行的表征，且多層砂輪需要進(jìn)行修銳、修整的多是結(jié)合劑[6]，無(wú)法應(yīng)用到磨粒出露高度較一致的單層釬焊金剛石磨頭的形貌表征上。

張貝等[7]利用激光測(cè)量砂輪的局部輪廓特征，并對(duì)峰點(diǎn)高度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)修整前后砂輪局部輪廓峰點(diǎn)高度符合正態(tài)分布。劉佳等[8]利用白剛玉油石對(duì)電鍍砂輪進(jìn)行修整，采用激光掃描方法得到修整前后砂輪的地貌，并對(duì)地貌的不同特征進(jìn)行了分析。師超鈺等[9]采用金剛石滾輪對(duì)電鍍CBN砂輪進(jìn)行修整，提出了磨粒等高性的測(cè)量方法，將數(shù)據(jù)點(diǎn)的極差即數(shù)據(jù)最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并與加工質(zhì)量建立了聯(lián)系。以上研究?jī)H根據(jù)單層砂輪的磨粒輪廓進(jìn)行了觀察或統(tǒng)計(jì)分析，或?qū)?shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的量化表征，評(píng)價(jià)方法不夠全面，未對(duì)修整過(guò)程中磨頭輪廓的整體變化以及磨粒的磨削能力進(jìn)行表征，未將磨削質(zhì)量與表征方法建立緊密聯(lián)系。

根據(jù)磨頭磨粒輪廓測(cè)量結(jié)果以及測(cè)量的數(shù)據(jù)分布，基于有效磨粒數(shù)的概念和表面粗糙度的計(jì)算方法，分別提出有效修整率Hr和修整離散度H等2種表征方法來(lái)評(píng)價(jià)磨頭的磨削能力和磨粒表面形貌特征，并探究修整過(guò)程中Hr與H的變化規(guī)律。利用修整后的磨頭對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料(carbon fiber reinforced plastics, CFRP)[10]進(jìn)行磨槽試驗(yàn)，將磨頭形貌的量化表征與磨槽試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合起來(lái)。最后結(jié)合表征方法合理性的驗(yàn)證試驗(yàn)，得到具有較好表面質(zhì)量和磨削能力的磨頭輪廓表征參數(shù)的合理范圍。

1 釬焊磨頭表面量化表征方法

1.1 磨頭表面輪廓測(cè)量方法

利用Werth三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量磨頭的磨粒輪廓等高性。Werth三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)采用高精度數(shù)字化自動(dòng)變焦，能精密地測(cè)出被測(cè)磨頭在X、Y、Z等3個(gè)坐標(biāo)位置的數(shù)值。磨頭輪廓測(cè)量過(guò)程如圖1所示：磨頭輪廓的測(cè)量方法是測(cè)量磨頭直徑兩端磨粒的數(shù)據(jù)點(diǎn)，根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的對(duì)稱原則，找到磨頭中心軸作為測(cè)量基準(zhǔn)。測(cè)量輪廓時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的間隔大致為0.012 mm，而數(shù)據(jù)點(diǎn)的選取是通過(guò)數(shù)值擬合選擇磨頭旋轉(zhuǎn)1周過(guò)程中圓周上的輪廓最大數(shù)據(jù)點(diǎn)，因此測(cè)得的結(jié)果即為磨頭圓周上的磨粒二維最大輪廓。

圖1 釬焊磨頭測(cè)量裝置

1.2 修整效率

圖2表示磨削CFRP時(shí)磨頭所用的磨粒位置的高度變化以及磨粒的最小二乘中線情況。軸向進(jìn)給修整方式先對(duì)磨粒高點(diǎn)進(jìn)行磨損，隨著高點(diǎn)磨粒的高度不斷下降，較低點(diǎn)磨粒逐漸參與去除工件材料過(guò)程并產(chǎn)生磨損?；谟行チ?shù)[11]的概念，提出有效修整率Nr的概念，用來(lái)表征在不同修整階段，測(cè)量的輪廓曲線中參與修整的數(shù)據(jù)點(diǎn)與測(cè)量的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的比值。Nr的計(jì)算如式(1)所示：

(1)

其中：n為磨頭輪廓測(cè)量的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；ni為磨頭輪廓測(cè)量中輪廓距磨頭軸向的高度滿足ri>rmax-ae的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；ae表示修整試驗(yàn)的切深；ri表示數(shù)據(jù)點(diǎn)距磨頭軸線的高度，其最大值為rmax。

有效磨粒數(shù)表示磨頭與工件接觸弧上測(cè)得的參與加工的磨粒數(shù)量，與整體磨粒出刃情況、整體磨粒等高性和加工切深有關(guān)。而定義的有效修整率與磨頭最大磨粒高度以及修整切深有關(guān)，有效修整率用來(lái)表示修整過(guò)程中參與修整的磨粒數(shù)量占比。

圖2 磨粒位置高度變化圖

1.3 修整離散度

為了更好、更方便地表征磨頭磨粒等高性，從被加工工件表面粗糙度Ra[12]的計(jì)算方法得到啟發(fā)，提出修整離散度H的概念，即計(jì)算磨頭二維最大輪廓的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)偏移輪廓的最小二乘中線的離散程度。

輪廓的最小二乘中線[13]計(jì)算方法為：

假設(shè)最小二乘中線的回歸方程為y=ax+b，數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)為(xi，yi)。則磨粒高度數(shù)據(jù)點(diǎn)與最小二乘中線的平方和如式(2)所示:

(2)

為求得函數(shù)的最小平方和，對(duì)參數(shù)a、b求偏導(dǎo)，結(jié)果分別如式(3)、式(4)所示：

(3)

(4)

經(jīng)過(guò)整理后得到：

(5)

(6)

則磨粒等高性評(píng)價(jià)為數(shù)據(jù)點(diǎn)偏移輪廓最小二乘中線的離散程度，用H表示修整離散度，單位為μm。H的計(jì)算如式(7)所示：

(7)

從圖2中可以看出2種表征方法的差異。Nr表征參與修整的磨粒數(shù)占比，與磨頭修整過(guò)程密切相關(guān)，卻無(wú)法對(duì)磨頭形貌的波峰波谷進(jìn)行表征。而H表征數(shù)據(jù)點(diǎn)的波峰波谷的離散程度，代表了磨頭的等高性情況，與磨頭加工之后的CFRP表面形貌密切相關(guān)。2種表征方法將磨頭修整過(guò)程與CFRP加工過(guò)程聯(lián)系起來(lái)，表征了從修整到加工應(yīng)用的磨頭形貌變化。

2 試驗(yàn)條件與方法

所用磨頭是有序排布的單層釬焊金剛石磨頭。磨頭示意圖如圖3a所示：磨頭基體為硬質(zhì)合金，磨削端直徑5.15 mm，加上磨粒后約為6.00 mm，金剛石磨粒粒徑分布在415～425 μm。金剛石磨粒呈45°斜排有序分布，2排磨粒之間的間距為1.2 mm。修整試驗(yàn)在精雕機(jī)Carver400M-RT上進(jìn)行。

(a)修整磨頭示意圖Diagram of grinding tool(b)修整試驗(yàn)工裝 Workpiece holding of dressing test(c)KH-7700三維視頻顯微鏡KH-7700 3D video microscope(d)修整磨頭磨削CFRP試驗(yàn)工裝 Workpiece holding of grinding CFRP圖3 試驗(yàn)裝置 Fig. 3 Test devices

修整試驗(yàn)工裝如圖3b所示：利用尺寸為80 mm×40 mm×4 mm的45#鋼和碳化硅油石夾緊并處于同一個(gè)平面，磨頭在45#鋼和碳化硅油石的交界面處進(jìn)行修整試驗(yàn)[14]。修整路線采用對(duì)夾緊的碳化硅油石和45#鋼的交界面處軸向進(jìn)給，向下進(jìn)給15 mm之后，磨頭抬起，沿著磨頭徑向進(jìn)給ae之后，繼續(xù)沿軸向進(jìn)給，不斷循環(huán)往復(fù)修整。選擇修整主軸轉(zhuǎn)速為15 000 r/min，進(jìn)給速度為1 500 mm/min，徑向切深為30 μm。試驗(yàn)過(guò)程中不使用冷卻液。

每次磨頭修整之后，需要利用Werth三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)磨頭輪廓進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算磨頭的Nr與H的大小。利用KH-7700三維視頻顯微鏡對(duì)磨頭磨粒磨損形態(tài)進(jìn)行觀察(圖3c)。

CFRP的預(yù)浸料型號(hào)為ZT7H/5429, 尺寸為200 mm×150 mm×3.8 mm，上表面為經(jīng)緯編織層，下方為多向鋪層，鋪層方式為[90°/-45°/45°/0°/90°/-45°/45°/0°/90°/0°]s。 利用修整后的磨頭在超聲五軸加工中心DMG Ultrasonic 20 Linear加工CFRP(圖3d)，磨槽參數(shù)為主軸轉(zhuǎn)速20 000 r/min，進(jìn)給速度800 mm/min。采用測(cè)力儀Kistler 9272測(cè)量磨槽過(guò)程中產(chǎn)生的磨削力，利用Mahr PS1粗糙度儀測(cè)量槽表面粗糙度變化情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 磨頭修整量化表征變化規(guī)律

3.1.1 修整磨粒等高性變化分析

圖4為修整過(guò)程中通過(guò)Werth測(cè)量機(jī)測(cè)得的針對(duì)不同累計(jì)去除45#鋼材料體積V時(shí)的磨粒高度輪廓。從圖4磨粒高度變化情況可以看出機(jī)械軸向進(jìn)給修整方式的特點(diǎn)。C處的磨粒在圖4a、圖4b、圖4c等3張圖中未發(fā)現(xiàn)磨損，而到圖4d中可以看到C處磨粒高度下降了一點(diǎn)。說(shuō)明高度較低磨粒在修整過(guò)程中不會(huì)參與工件材料的去除，直到較高磨粒被磨損降低，才漸漸參與磨頭的修整。

與圖4a相比，可以看出：圖4b中的A和B處磨粒磨損較嚴(yán)重，B處的磨粒高度最高，從0.100 2 mm下降到了0.084 3 mm，而D處磨粒未發(fā)生磨損。原因是軸向進(jìn)給修整時(shí)磨頭前端磨粒優(yōu)先去除材料，而B處磨粒高度最高，B處磨粒先將45#鋼材料和碳化硅油石去除，導(dǎo)致后面磨粒高度低于B的D處磨粒無(wú)法去除材料，未發(fā)生磨損。從圖4c中看到最高磨粒出現(xiàn)在D處。圖4d中最高磨粒又向磨頭后端移動(dòng)。因此軸向進(jìn)給的修整特點(diǎn)為對(duì)較高磨粒位置進(jìn)行磨損，不會(huì)損害較低高度磨粒的磨削能力，磨粒磨損從靠近A處的磨粒開始，不斷向磨頭D處磨粒蔓延，并會(huì)出現(xiàn)磨頭A處磨粒磨損比D處磨粒嚴(yán)重的現(xiàn)象。

(a) V=144 mm3(b) V=288 mm3(c) V=720 mm3(d) V=1 152 mm3

測(cè)量以磨頭中心軸線為基準(zhǔn)，測(cè)量結(jié)果呈上下對(duì)稱分布，圖4中的標(biāo)注表示二維輪廓中一邊磨粒最高點(diǎn)與磨粒最低點(diǎn)距直徑6 mm直線的距離。

圖5為在修整過(guò)程中，針對(duì)不同累計(jì)去除45#鋼材料體積V時(shí)的磨粒出刃情況。從圖5可以看出：?jiǎn)螌逾F焊磨頭的磨粒出露高度較高，對(duì)磨頭的修整是改善等高性。磨頭修整過(guò)程中磨粒磨損形式分為脫落、破碎、出現(xiàn)磨耗平臺(tái)[11]。從圖5a可以看出：剛開始修整時(shí)僅幾顆磨粒發(fā)生磨損，A和B處出現(xiàn)磨損痕跡，大部分較矮磨粒未發(fā)生磨損。圖5b的A處發(fā)生了大破碎現(xiàn)象，B處逐漸出現(xiàn)磨耗平臺(tái)。隨著修整的進(jìn)行，中間部分磨粒放大，如圖5d所示，可以看到：出現(xiàn)較多磨耗平臺(tái)，平臺(tái)面積不斷增大。從4張圖中整體來(lái)看，除了A處發(fā)生了磨粒大破碎現(xiàn)象，整體上磨頭未發(fā)生磨粒脫落的現(xiàn)象，而單顆磨粒的破碎并不影響磨頭的磨削性能。與圖4的磨粒高度變化對(duì)比分析，圖5中磨損磨粒數(shù)量不斷增多，磨耗平臺(tái)面積不斷增大，較矮磨粒不斷參與修整過(guò)程，與高度信息變化相符合。

(a)V=144 mm3(b)V=288 mm3(c)V=720 mm3(d)V=1 152 mm3圖5 磨頭修整表面磨粒出刃情況 Fig. 5 Abrasive protrusion on dressed surface of grinding head

3.1.2Nr和H的變化規(guī)律

根據(jù)磨頭磨粒高度分布的規(guī)律以及軸向進(jìn)給修整方式的特點(diǎn)，隨著修整的進(jìn)行，磨頭參與修整的磨粒數(shù)據(jù)點(diǎn)不斷增多，數(shù)據(jù)點(diǎn)的離散程度不斷減小，Nr和H也不斷發(fā)生變化，因此需要研究修整過(guò)程中表征參數(shù)的變化規(guī)律以及參數(shù)的范圍大小。

圖6為Nr和H的變化規(guī)律。從圖6a可以看出：Nr變化趨勢(shì)可以分為3個(gè)階段：修整前期的快速增長(zhǎng)期，修整中期的平臺(tái)期，修整后期的緩慢增長(zhǎng)期。

修整前期Nr呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，從剛開始的5%增長(zhǎng)到50%。剛開始修整時(shí)，參與去除材料的僅是高度較高的幾顆磨粒，平均每顆磨粒去除材料體積較大，因此修整速度較高，磨頭最大直徑下降速度較快，Nr快速增長(zhǎng)。

修整中期的Nr及磨頭最大直徑出現(xiàn)平臺(tái)期的原因是：磨頭從磨粒前端的磨損慢慢向磨頭后端蔓延，隨著修整的進(jìn)行，參與修整的磨粒數(shù)據(jù)點(diǎn)增多，磨頭修整速度下降，因此最大直徑下降較緩慢，平臺(tái)期階段參與修整的磨粒數(shù)增長(zhǎng)較緩慢，導(dǎo)致Nr變化較小。

修整后期Nr在90%左右，大部分磨粒都參與修整過(guò)程，整體磨粒高度差異變小，修整速度緩慢增長(zhǎng)。

從圖6中還可以看出：Nr與磨頭最大直徑直接相關(guān)。而磨頭到達(dá)平臺(tái)期是基于修整磨粒數(shù)的增多導(dǎo)致的修整速度的下降，意味著這個(gè)階段參與修整的磨粒數(shù)增多，磨粒的粒徑數(shù)據(jù)范圍縮小，磨頭等高性變好。

(a) 有效修整率Nr與磨粒最高點(diǎn)變化情況Changes of Nr and highest point of abrasive grain

(b)修整離散度H變化情況Changes of H

修整離散度H表征偏離磨頭最大二維輪廓的最小二乘中線的離散程度，其實(shí)際意義是磨頭輪廓的表面粗糙度。如圖6b所示：隨著累計(jì)去除45#鋼材料體積V的增加，H呈不斷下降的趨勢(shì)，試驗(yàn)?zāi)ヮ^的H分布在12～32 mm。H越大，磨頭輪廓表面較高磨粒產(chǎn)生的波峰與磨粒之間的波谷差距較大，磨粒等高性較差；而隨著軸向進(jìn)給修整的進(jìn)行，在磨頭磨粒高點(diǎn)去除的過(guò)程中，磨粒高度的峰點(diǎn)逐漸變得平緩，磨頭磨粒高度的離散程度逐漸變小。因此，磨頭磨粒的H值不斷變小，呈不斷下降的趨勢(shì)。

3.2 CFRP 在磨削時(shí)Ra和磨削力變化規(guī)律

磨削過(guò)程中磨頭表面輪廓將復(fù)刻到CFRP的加工表面。修整后磨頭等高性變好，CFRP的Ra會(huì)不斷改善，而磨頭修整過(guò)量時(shí)，磨頭的鈍化造成磨削力增大，容易產(chǎn)生各種缺陷。因此需要研究2種表征參數(shù)與CFRP的Ra與磨削力之間的關(guān)系。圖7為CFRP表面粗糙度Ra和磨削力F變化規(guī)律。

(a) CFRP表面粗糙度與量化表征參數(shù)的關(guān)系圖Relationship between CFRP Ra and quantitative characterization parameters(b)CFRP磨削力與量化表征參數(shù)的關(guān)系圖Relationship between CFRP grinding force and quantitative characterization parameters

從圖7a可以看出，隨著H從35 μm降到25 μm左右，或者在Nr從0升高到50%之前，磨頭磨粒高點(diǎn)不斷磨損減小，磨削CFRP的Ra呈快速下降的趨勢(shì)，從磨頭未修整時(shí)的5.0 μm左右快速下降到2.6 μm左右，CFRP表面形貌有很大改善。H從25 μm下降到15 μm左右時(shí)，CFRP的Ra值在2.0 μm到2.5 μm之間變化，磨頭繼續(xù)修整已經(jīng)無(wú)法改善材料的表面粗糙度了。此時(shí)，Nr剛好到達(dá)了修整階段的平臺(tái)期，在50%左右時(shí)，Ra從2.29 μm降到了2.02 μm，原因是磨槽時(shí)所用磨頭磨粒位置是固定的，在平臺(tái)期階段整體磨頭的磨損率變化較小，而磨槽磨粒位置不斷被修整磨損，因此Ra變得更小。 最后，當(dāng)H低于15 μm時(shí)，或者Nr到90%左右的最后階段，可以看到CFRP的Ra值有上升的趨勢(shì)，意味著磨頭的H較低時(shí)，其波峰波谷之間的差距較小，導(dǎo)致磨頭容屑能力下降，磨頭鈍化，反而使得加工表面惡化，Ra值上升。

圖7b表示H和Nr與CFRP磨槽時(shí)的垂直于進(jìn)給方向的力Fp、進(jìn)給方向力Ff之間的關(guān)系。隨著H不斷減小，或者Nr不斷增大，F(xiàn)p變化不大，無(wú)明顯的趨勢(shì)，而Ff不斷增加。磨槽的Fp表示CFRP槽兩邊纖維和樹脂對(duì)磨頭的力，F(xiàn)f表示磨槽時(shí)對(duì)纖維的剪切力或彎曲折斷的合力，F(xiàn)f越大，表明磨頭去除材料需要的力越大，即磨頭逐漸變鈍。

剛開始修整時(shí)，H從32 μm降到25 μm左右，或者Nr從0升高到50%時(shí)，F(xiàn)f共增長(zhǎng)了10 N左右，增長(zhǎng)幅度較小。在磨頭修整的平臺(tái)期階段，即Nr在50%左右時(shí)，此時(shí)H從25 μm下降到20 μm左右，F(xiàn)f增長(zhǎng)了5 N左右，增長(zhǎng)幅度與修整前期相差不多。磨頭修整過(guò)了平臺(tái)期之后，F(xiàn)f從修整前中期每次修整5 N的增長(zhǎng)幅度變成了每次修整10 N的增長(zhǎng)，并在修整的最后曲線有明顯的上揚(yáng)趨勢(shì)。修整后期不僅有磨頭磨粒變鈍效果的影響，同時(shí)磨頭的容屑空間也下降，導(dǎo)致其進(jìn)給方向力增大幅度不斷變大。

試驗(yàn)結(jié)果表明：Nr可以有效表征修整磨頭的修整狀態(tài)。根據(jù)軸向進(jìn)給方式只修高點(diǎn)磨粒的修整方式，隨著Nr不斷增大，參與修整磨粒逐漸增多，其磨粒高度處于同一范圍的磨粒數(shù)增多，等高性變好，因此磨削表面粗糙度Ra不斷下降。Nr增多帶來(lái)被磨損的磨粒數(shù)不斷增多，進(jìn)給方向力不斷增大。由于修整平臺(tái)期的出現(xiàn)，Nr與CFRP磨削質(zhì)量之間無(wú)法建立直接聯(lián)系。

隨著H不斷減小，表征磨頭輪廓粗糙度不斷變小，等高性變好，磨削CFRP的表面形貌不斷改善。從表面粗糙度結(jié)果來(lái)看，當(dāng)H低于25 μm時(shí)， CFRP具有最好的表面形貌。從磨削力的變化規(guī)律來(lái)看，當(dāng)H低于18 μm時(shí)， 磨削力增長(zhǎng)幅度較大，磨頭鈍化嚴(yán)重。

綜上，通過(guò)對(duì)Nr的計(jì)算，可以有效了解磨頭的修整狀態(tài)，避免Nr過(guò)大導(dǎo)致磨頭的嚴(yán)重鈍化?？梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算修整磨頭的H值預(yù)測(cè)磨削CFRP的Ra和磨削力范圍。當(dāng)磨頭輪廓的H處在18～25 μm時(shí)，磨頭具有最好的磨削效果和磨削能力。

3.3 量化表征方法合理性驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證磨頭2種表征方法的合理性，能夠有效應(yīng)用到釬焊磨頭的表面輪廓表征，進(jìn)一步指導(dǎo)磨頭的精密加工，需要進(jìn)行磨頭的表征方法合理性的驗(yàn)證試驗(yàn)。

根據(jù)之前試驗(yàn)結(jié)果，將磨頭直接修整到具有最好磨削效果的程度，檢驗(yàn)表征參數(shù)以及磨削效果是否符合試驗(yàn)預(yù)測(cè)。磨頭修整累計(jì)去除45#鋼材料體積為V=500 mm3和V=700 mm3，修整前以及每次修整之后及時(shí)測(cè)量磨頭表面的輪廓曲線。利用修整前以及每次修整之后的磨頭對(duì)CFRP進(jìn)行磨槽加工，測(cè)量加工過(guò)程中磨削力Ff的變化以及CFRP的Ra,如表1所示。

表1 量化表征參數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

從表1的結(jié)果可以看出：當(dāng)V為500～700 mm3時(shí)，Nr處在70%左右的平臺(tái)期，H在20 μm左右，修整磨頭的磨削效果較好。而平臺(tái)期出現(xiàn)在70%的原因是：磨頭的磨粒最大直徑Dmax較小，磨粒高度整體偏低，未修整的Nr值就已經(jīng)偏高，隨著高點(diǎn)磨粒的去除，參與修整磨粒數(shù)據(jù)點(diǎn)占比偏高。

從驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，不同磨頭的輪廓數(shù)據(jù)點(diǎn)分布規(guī)律有差異，磨頭出現(xiàn)平臺(tái)期的Nr變化較大，無(wú)法與磨削質(zhì)量建立對(duì)應(yīng)聯(lián)系。但H與Ra和Ff之間的關(guān)系符合試驗(yàn)預(yù)測(cè)，可以有效表征磨頭輪廓形貌。

4 結(jié)論

(1)提出了有效修整率Nr與修整離散度H等2種釬焊磨頭表面形貌的表征方法，且評(píng)價(jià)方法簡(jiǎn)單有效。Nr可以有效表征磨頭磨粒的修整程度，H可以有效表征磨頭磨粒的等高性。

(2)得到了不同修整階段Nr與H的變化特征。Nr在修整過(guò)程中，可以分為修整前期的快速增長(zhǎng)區(qū)、修整中期的平臺(tái)期、修整后期的緩慢增長(zhǎng)區(qū)。隨著修整的進(jìn)行，H呈現(xiàn)不斷下降的趨勢(shì)。

(3)由于不同磨頭具有不同的平臺(tái)期，無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)Nr的平臺(tái)期，因此Nr無(wú)法與磨削質(zhì)量建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)對(duì)Nr的計(jì)算可以有效了解參與修整磨粒數(shù)的變化，確定磨頭的修整狀態(tài)，了解磨頭的鈍化程度。

(4)通過(guò)計(jì)算修整磨頭的H值可以預(yù)測(cè)磨削CFRP的表面粗糙度和磨削力范圍。當(dāng)H處在18～25 μ時(shí)，磨頭具有最低的磨削表面粗糙度Ra，并且該階段磨頭磨削力增長(zhǎng)幅度較小，磨頭磨削能力較好。