超硬磨?？煽嘏挪忌拜喲芯窟M(jìn)展

陳冰　郭燁　鄧朝暉

摘要：在磨削加工過程中，砂輪上磨粒的分布、排布方式影響著磨粒與工件材料的相互作用形式、磨削痕跡分布次序及材料去除特性等，進(jìn)而決定著磨削表面形貌、亞表面質(zhì)量、磨削力等。相對(duì)于磨粒隨機(jī)分布的砂輪，通過合理調(diào)整有序化砂輪表面上磨粒的位置和分布方式，有助于使砂輪表面磨粒受力均勻、容屑空間大小合理，從而減小加工過程中的磨削力，降低磨削溫度，提高磨具的壽命及磨削性能。目前，相比磨粒簇和結(jié)構(gòu)化等有序砂輪，磨粒有序化砂輪的研究是發(fā)展較早、相關(guān)理論較多、相對(duì)成熟的研究方向。綜述了超硬磨?？煽嘏挪忌拜喼苽涞难芯楷F(xiàn)狀，探討了磨粒定向排布、葉序排布與其他排布超硬磨粒可控排布砂輪的理論及應(yīng)用現(xiàn)狀，展望了超硬磨?？煽嘏挪忌拜單磥淼难芯糠较?。

關(guān)鍵詞：磨?？煽?；定向排布；磨粒葉序排布；同心圓排布

中圖分類號(hào)：TG74

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.09.002

Research Progresses of Super-hard Abrasive Grain Controllable Arrangement Grinding Wheels

CHEN Bing GUO Ye DENG Zhaohui2

Abstract： In the grinding processes， the distribution and arrangement of the abrasive grains on the grinding wheel affected the form of interaction between the abrasive grains and the workpiece materials， the order of grinding trace distribution and the material removal characteristics， which determined the grinding surfaces， sub-surface quality， grinding forces， et al. Compared with the grinding wheel with random distribution of abrasive grains， the ordered grinding wheel helped to reduce the grinding forces and grinding temperature during processing and improve the life and grinding performance of the grinding tools by reasonably adjusting the positions and distribution modes of abrasive grains on the grinding wheel surfaces， which helped the abrasive grains on the grinding wheel surfaces to have uniform forces and reasonable size of chip holding spaces. At present， the research on super-hard grain ordered grinding wheels was a relatively mature research direction with earlier development and more related theories than that on ordered grinding wheels such as abrasive clusters and structured grinding wheels. The research status of super-hard abrasive ordered arrangement wheel preparation was reviewed herein. Then， the theory and application status of super-hard abrasive wheel with directional arrangement， phyllotactic arrangement and other arrangement were discussed. Finally， the future research directions of super-hard abrasive grain controllable arrangement grinding wheels was discussed.

Key words： controllable grinding abrasive; directional arrangement; abrasive phyllotactic pattern arrangement; concentric circle arrangement

0 引言

磨削在精密超精密制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，磨削過程中的磨削力、磨削溫度、工件表面質(zhì)量很大程度上取決于砂輪的特性［1］。然而，傳統(tǒng)砂輪中的磨粒無序排布，使其難以準(zhǔn)確地控制和預(yù)測(cè)砂輪的磨削性能，研發(fā)有序化砂輪是實(shí)現(xiàn)精確可控磨削加工、提高磨削質(zhì)量和效率的重要手段和研究方向之一。目前有序化砂輪主要有磨粒有序排布砂輪、磨粒簇有序排布砂輪及結(jié)構(gòu)化砂輪等類型，其中，磨粒有序排布砂輪的研究是發(fā)展較早、相關(guān)理論較多、比較成熟的研究方向。隨著結(jié)合劑技術(shù)、砂輪制備器械和磨具制備方法等相關(guān)砂輪制備技術(shù)的日益更新，有序化砂輪制備技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展［2］。其中，超硬磨粒可控排布砂輪的有序化排布方法不斷推陳出新，模板法、網(wǎng)篩法、掩模法、點(diǎn)膠法、吸附植入排布法、靜電排布法等方法陸續(xù)應(yīng)用于砂輪制備中，促進(jìn)了基于燒結(jié)、電鍍、釬焊等工藝的磨粒可控排布砂輪制備技術(shù)的發(fā)展［3-4］。

房贊［5］將激光固化和粉末分層制造技術(shù)應(yīng)用于粗粒度磨粒可控排布砂輪的制備中，成功制備出燒結(jié)CBN磨粒簇有序化砂輪。LIU等［6］根據(jù)仿生學(xué)中的葉序排布理論設(shè)計(jì)了一種電鍍CBN磨?？煽嘏挪忌拜?，相較于相同排布密度的無序砂輪，葉序排布砂輪在磨削45鋼時(shí)能夠有效減小磨削力、表面粗糙度并降低平均磨削溫度，此外，葉序系數(shù)與磨削參數(shù)的選擇會(huì)影響砂輪的磨削性能。AURICH等［7］建立了有序化排布電鍍砂輪的幾何模型，通過仿真確定了最佳有序排布形式，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了合理的磨粒有序排布可以提高電鍍砂輪的磨削性能。CHATTOPADYAY等［8-10］發(fā)現(xiàn)釬焊砂輪具有更高的磨粒出露高度與更好的黏附性，并制備了三組不同粒度大小和分布密度的釬焊砂輪，通過對(duì)100Cr6鋼進(jìn)行磨削，探討了磨粒粒度、磨粒分布密度對(duì)磨削力的影響，發(fā)現(xiàn)與磨粒排布密度相同的電鍍砂輪相比，釬焊砂輪具有顯著的抗負(fù)載能力，此外，適當(dāng)?shù)哪チＡ６?、分布密度、排布方式可以減小磨削力。日本Noritake公司研制了金剛石有序排列的單層釬焊砂輪并用于精密磨削加工，證明磨粒有序排布砂輪能夠降低表面粗糙度，最小可至0.2 μm［11］。

國內(nèi)外學(xué)者利用燒結(jié)、電鍍、釬焊的方式制備出磨粒有序排布砂輪，并且發(fā)現(xiàn)砂輪中磨粒的分布密度、磨粒粒徑、磨粒等高性、磨粒排布方式會(huì)影響磨削過程中的磨削力、磨削溫度、表面粗糙度、容屑空間等［12］。良好的磨粒有序排列不僅能提高砂輪的磨削性能與磨削效率，而且能減少磨粒的重復(fù)磨損，減小磨削力，延長砂輪的使用壽命［13-14］。磨粒有序排布已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點(diǎn)課題，學(xué)者們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)規(guī)律最先提出了定向排布理論，其表征參數(shù)能夠快速確定磨粒在砂輪中的位置，但對(duì)磨削溫度的改善效果有限，并且定向排布理論缺乏理論模型的支撐［15］。為此，學(xué)者們結(jié)合仿生學(xué)思想，提出了葉序排布理論，此排布方式中獨(dú)特的葉列線結(jié)構(gòu)能夠充分利用冷卻液降低磨削溫度［16］。

目前針對(duì)磨?？煽嘏挪忌拜喌难芯恐饕性诜治瞿チ？煽厣拜喌闹苽浞绞?、加工效果等方面［3，17-20］，磨粒排布規(guī)律及其排布理論體系等有待進(jìn)一步深入歸納和總結(jié)。本文首先綜述了超硬磨?？煽嘏挪忌拜喌闹苽溲芯楷F(xiàn)狀；其次詳細(xì)地總結(jié)了超硬磨?？煽嘏挪忌拜喌呐挪家?guī)律，理清了超硬磨粒有序化排布的理論體系；然后針對(duì)超硬磨粒定向排布、葉序排布、其他排布方式及砂輪的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行了綜述；最后展望了超硬磨粒可控排布砂輪未來的研究方向。

1 磨?？煽嘏挪忌拜喼苽?/p>

目前，磨?？煽嘏挪忌拜喌闹苽浞椒ㄖ饕薪饘贌Y(jié)法、電鍍法和釬焊法［21］。金屬燒結(jié)法是通過金屬結(jié)合劑粉末高溫?zé)Y(jié)固結(jié)磨粒的方法，制備過程簡(jiǎn)單便捷，應(yīng)用于金剛石修整滾輪、地質(zhì)鉆頭、三明治鋸片等磨粒有序排布工具的制備［22-24］；電鍍法是通過電化學(xué)沉積技術(shù)使磨粒與基體黏結(jié)，制造工藝簡(jiǎn)單，是制備可控排布砂輪的常用方法之一［25］；釬焊法是在高溫真空環(huán)境下使釬料、超硬磨粒和基體實(shí)現(xiàn)化學(xué)冶金結(jié)合，實(shí)現(xiàn)基體對(duì)磨粒的高強(qiáng)度把持，且砂輪上磨粒的出露高度較大，出露高度可達(dá)磨粒自身的2/3［26-27］。

最初的超硬磨?？煽嘏挪茧婂兩拜喪遣捎檬止ざㄎ环椒ㄖ苽涞?，制備周期長、成本高［7］。AURICH等［7］將掩模技術(shù)引入超硬磨?？煽嘏挪贾?，利用掩模技術(shù)使磨粒初步黏附于砂輪基體表面，隨后進(jìn)行電鍍工藝，制備了圖1所示的砂輪，使用無序排布和可控排布的電鍍CBN砂輪磨削淬硬模具鋼，結(jié)果表明可控排布的電鍍CBN砂輪性能更好，法向與切向磨削力分別減小30%～40%與20%～35%，主軸功率降低16%～27%，相比傳統(tǒng)砂輪干式磨削，材料去除率提高了7倍。

早期可控排布砂輪制備工藝技術(shù)不成熟，超硬磨?？煽嘏挪忌拜喌闹苽浯嬖谀チＥ挪季_度低的缺陷，如AURICH等［7］制備的超硬磨?？煽嘏挪忌拜喆嬖谀チＨ笔?%的制造問題，不能精確實(shí)現(xiàn)磨粒的有序排布［7］；早期的電鍍工藝黏結(jié)強(qiáng)度較小，磨粒出露度小，加工后易出現(xiàn)大量磨粒脫落現(xiàn)象［28］。為了解決超硬磨粒可控排布電鍍砂輪中磨粒排布精度低、把持力小等問題［29-31］，馮創(chuàng)舉［32］對(duì)導(dǎo)電膠的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終選用導(dǎo)電粒子的粒徑6～9 μm、黏度15 Pa·s、黏結(jié)強(qiáng)度2.5 MPa、固化收縮率0.2%的銀導(dǎo)電膠參數(shù)，并使用此導(dǎo)電膠制備了金剛石磨?？煽嘏挪忌拜啞E等［33］利用具有錯(cuò)位排列微孔的模具在砂輪基體表面上涂覆有導(dǎo)電性的銀膠，有助于電沉積過程中將CBN磨料固定于砂輪表面，提高了CBN有序砂輪表面超硬磨粒與基體表面的結(jié)合強(qiáng)度；同時(shí)開展了45鋼的干磨實(shí)驗(yàn)，研究表明在高速小切深時(shí)有序排布CBN砂輪的磨削溫度和磨削力小于傳統(tǒng)無序電鍍砂輪。

隨后，釬焊工藝被用來制備有序化砂輪，以實(shí)現(xiàn)指定磨粒的精確排布［25］。TEICHER等［34］采用釬焊工藝制備了單層CBN磨?？煽嘏挪忌拜啠▓D2），發(fā)現(xiàn)釬焊工藝能夠提高砂輪基體對(duì)CBN磨粒的把持能力，有助于提高砂輪壽命，但由圖2b可看出，制備出的釬焊砂輪中磨粒的實(shí)際分布與理想分布存在一定偏差。

為了實(shí)現(xiàn)磨粒的精確排布，提高基體對(duì)磨粒的把持力，BURKHARD等［35］將滴膠技術(shù)應(yīng)用于釬焊有序砂輪的制備中，即先按照預(yù)設(shè)磨粒位置在基體相應(yīng)處滴上膠水，再通過真空釬焊工藝將磨粒固定在基體上。通過此方法制備了圖3所示的CBN磨粒可控排布釬焊砂輪，與傳統(tǒng)電鍍砂輪磨削硬質(zhì)合金齒輪的加工性能相比，新型砂輪的壽命提高了10倍。

PAL等［36］分別使用CBN磨?？煽嘏挪尖F焊砂輪和CBN無序電鍍砂輪對(duì)高速鋼進(jìn)行磨削對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明CBN磨粒可控排布釬焊砂輪可適應(yīng)的磨削參數(shù)范圍更廣，在低速深切情況下仍能保持較好的磨削性能，且磨?？偭枯^少，參與滑擦、耕犁磨粒數(shù)量少，而參與磨削的磨粒數(shù)量多，進(jìn)而有效減小了磨削力。

鑒于釬焊可控排布砂輪在加工高速鋼、硬質(zhì)合金鋼等高強(qiáng)韌材料時(shí)具有表面質(zhì)量高、效率高和磨削力小等優(yōu)勢(shì)，HEINZEL等［37］采用滴膠法制備了金剛石可控排布釬焊砂輪來磨削硬脆材料光學(xué)玻璃BK7，經(jīng)過修整后，可控排布砂輪加工出的光學(xué)玻璃工件表面粗糙度Sa為20 nm。

為了獲得性能更優(yōu)的釬焊有序化砂輪，學(xué)者們研究了釬焊方式、釬料、磨粒種類、釬焊工藝參數(shù)與釬焊砂輪性能之間的關(guān)系，制備出多種排布方式、式樣的砂輪。釬焊砂輪的制備方式主要有真空爐釬焊、激光釬焊與感應(yīng)釬焊，真空爐釬焊耗時(shí)費(fèi)能，且由于保溫時(shí)間長，使制備的砂輪易出現(xiàn)石墨化、熱損傷等現(xiàn)象；激光釬焊停留時(shí)間短，釬料、磨粒和基體之間僅生成少量反應(yīng)物，從而使結(jié)合強(qiáng)度受限制；而感應(yīng)釬焊具有加熱面積小、速度快、操作便捷等優(yōu)勢(shì)，可作為磨?？煽嘏挪忌拜喌挠行е苽涫侄危?8-39］。譚敏［40］使用超高頻感應(yīng)釬焊方式制備了金剛石可控排布釬焊砂輪（圖4a），研究表明選用的Ag-Cu-Ti釬料對(duì)金剛石磨粒有良好的潤濕性，能夠提高釬焊過程中釬料與金剛石磨粒的化學(xué)冶金結(jié)合程度。丁晨［41］、DING等［42］選擇Cu-Sn-Ti合金粉末作為CBN砂輪的釬料，采用高頻感應(yīng)釬焊方式制備了圖4b所示的CBN磨?？煽嘏挪忌拜啞?/p>

為進(jìn)一步提高超硬磨?？煽嘏挪忌拜喌纳?、排屑能力，陳珍珍［43］、ZHAO等［44］綜合金屬結(jié)合劑與孔隙結(jié)構(gòu)兩者的優(yōu)勢(shì)，提出一種包含Cu-Sn-Ti釬料、石墨顆粒和Al2O3空心球的多孔復(fù)合結(jié)合劑，采用模壓成形活化燒結(jié)法的新工藝制備了圖5所示的多孔釬焊CBN磨粒可控排布砂輪，此砂輪克服了傳統(tǒng)多層金屬結(jié)合劑砂輪易堵塞、自銳性差的缺陷，具有強(qiáng)度高、耐磨性好、負(fù)荷能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。此外，在磨削過程中未觀察到工件材料黏附、砂輪堵塞、燒傷等現(xiàn)象。

聚晶立方氮化硼（PCBN）是由微晶顆粒和黏結(jié)劑在高溫、高壓條件下燒結(jié)而成的。作為砂輪的磨料，在磨削過程中由于磨削力的作用，PCBN晶粒會(huì)出現(xiàn)微觀斷裂，其獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)阻礙了應(yīng)力傳遞，促進(jìn)了晶粒內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，使得磨鈍的微晶CBN從PCBN表面脫落，從而長時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地保持PCBN晶粒的優(yōu)異鋒利度［45-46］。研究發(fā)現(xiàn)使用PCBN磨料制備出的釬焊砂輪較傳統(tǒng)的CBN釬焊砂輪在磨削Ti-6Al-4V合金時(shí)具有更慢的晶粒磨損和更高的材料去除率［47］。為了進(jìn)一步提高砂輪的自銳性，趙澤宇［48］、ZHU等［49］使用粒度為40/50的PCBN磨粒，采用感應(yīng)釬焊方式制備了圖6所示的PCBN磨?？煽嘏挪忌拜啠l(fā)現(xiàn)單層釬焊PCBN砂輪磨削性能優(yōu)異，在不同磨削用量條件下均未觀察到被高溫合金GH4169工件材料的燒傷現(xiàn)象。

砂輪上磨粒出露高度的一致性越好，其磨削性能越優(yōu)異、穩(wěn)定，而通常情況下難以通過控制制備過程獲得出露高度一致的磨?？煽嘏挪忌拜?，需要通過修整磨粒可控排布砂輪來進(jìn)一步提高磨?？煽嘏挪忌拜喌哪ハ餍阅?。GHOSH等［50］通過采用密集型無序分布和螺旋有序分布的CBN砂輪開展了修整前后的磨削加工對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了可控排布砂輪修整的重要性。研究表明未經(jīng)過修整的砂輪磨削后，密集型無序砂輪所加工的工件表面質(zhì)量較好；而修整后螺旋分布砂輪所加工工件的表面質(zhì)量大幅提高，其表面光潔度與密集型分布砂輪的加工效果相近，這是由于修整后的螺旋有序分布砂輪參與磨削的有效磨粒數(shù)量大幅增加，且具有更大的容屑空間，提高了有序化砂輪的磨削性能。

為進(jìn)一步提高磨?？煽嘏挪忌拜喌哪湍バ?，GHOSH等［51］將具有良好抗摩擦性和耐磨性的TiN材料鍍?cè)谝阎苽涞膯螌逾F焊CBN砂輪表面上，如圖7所示，并開展了未鍍和已鍍TiN材料的CBN砂輪磨削加工軸承鋼實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在相同的高負(fù)載工況下，未鍍TiN材料的CBN砂輪出現(xiàn)大量磨粒破碎現(xiàn)象，而已鍍TiN材料的CBN砂輪上磨粒破碎情況較輕，破碎率從14.5%降至2%，但兩種砂輪的磨削力相近，表明TiN鍍層良好的抗摩擦性尚未展現(xiàn)出來。因此，開發(fā)和研究新型鍍層材料，以提高可控排布砂輪的抗摩擦性和耐磨性的新型鍍層材料是可控排布砂輪的重要研究方向之一。

綜上，相比于傳統(tǒng)砂輪，采用電鍍和釬焊工藝制備的超硬磨粒可控排布砂輪展現(xiàn)出優(yōu)良的磨削性能，可減小磨削力、提供充足容屑空間、提高砂輪壽命等。然而，目前超硬磨?？煽嘏挪忌拜喸谥苽渲兄饕褂么至６饶チ?，細(xì)粒度磨粒應(yīng)用于磨?？煽嘏挪忌拜喼苽涞难芯繄?bào)道較少，需開發(fā)新型的細(xì)粒度磨粒有序化砂輪制備方式，擴(kuò)展有序化砂輪的精度優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用范圍。

2 磨粒定向排布

2.1 磨粒定向排布理論

磨粒定向排布理論最初是由AURICH等［7］于2008年提出的，為研究有序砂輪的學(xué)者進(jìn)行磨粒排布、建模提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。經(jīng)過后期不斷的完善改進(jìn)，如今的定向排布理論通過磨粒軸向距離X、徑向距離Y、分布角度α、錯(cuò)位間距ΔZv、磨粒出露高度h等表征參數(shù)來確定磨粒的排布，如圖8所示，在磨削過程中，磨粒軸向距離X的變化將導(dǎo)致磨粒最大切厚的改變，它是影響砂輪磨削力及容屑空間變化的主要因素［52］；磨粒徑向間距Y的變化會(huì)引起工件表面劃痕距離與劃痕順序的改變，它對(duì)工件表面粗糙度及表面裂紋損傷有較大影響［53］；磨粒分布角度α的變化影響著冷卻液的流動(dòng)和磨削穩(wěn)定性，它與砂輪的磨削溫度及加工精度密切相關(guān)［54］；磨粒錯(cuò)位間距ΔZv也會(huì)影響工件表面質(zhì)量，合適取值范圍為磨粒粒徑的1/3以內(nèi)［21］；磨粒出露高度h為砂輪的磨削效率及工件表面質(zhì)量提供了必要保障［55］。

2.2 磨粒定向排布中表征參數(shù)的影響

自AURICH等［7］提出定向排布理論后，國內(nèi)外學(xué)者通過理論分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真等方式優(yōu)化表征參數(shù)，研究表明磨粒定向排布參數(shù)與砂輪磨削性能存在一定的映射關(guān)系［56］。

ZHANG等［57］提出將磨粒分布密度納入磨粒定向排布參數(shù)分析之中，研究了磨粒排布表征參數(shù)對(duì)釬焊CBN砂輪干磨性能的影響，制備了多種排布參數(shù)的單層釬焊CBN砂輪，α=50°的CBN定向排布釬焊砂輪如圖9所示，并對(duì)淬火低碳鋼進(jìn)行磨削加工，研究了不同磨粒分布密度、角度、粒徑、軸向間距X、徑向間距Y對(duì)磨削力、磨削溫度和表面粗糙度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)磨粒分布密度恒定時(shí)，增大X同時(shí)減小Y能夠顯著降低表面粗糙度，而僅僅改變X對(duì)磨削力、表面粗糙度、磨削溫度的影響較小。

磨粒分布角度α的變化影響著磨削液的流動(dòng)方向和速度，進(jìn)而影響磨削加工的穩(wěn)定性和精度［54］。在初期的磨粒定向排布砂輪磨削硬脆材料的研究中，磨粒分布角度α常選用90°。如ZHANG等［58］使用α=90°的金剛石徑向密集排布砂輪對(duì)鐵素體、氧化鋁、氧化鋯、K9光學(xué)玻璃四種典型硬脆材料進(jìn)行加工，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過修整后的α=90°的金剛石徑向密集排布砂輪能較好地加工以上硬脆材料，其中300 μm粒徑的砂輪加工后的工件表面粗糙度值可達(dá)0.2 μm。張昆等［59］采用碟輪修整方法對(duì)圖10中α=90°的金剛石磨粒定向排布砂輪進(jìn)行修整，修整后的金剛石磨粒定向排布砂輪易實(shí)現(xiàn)SiC的延性域加工。

由于磨粒分布角度為90°時(shí)徑向磨粒數(shù)量較少，單顆磨粒負(fù)荷變大，導(dǎo)致砂輪使用壽命降低；同時(shí)，α=90°的密集排布磨粒會(huì)阻礙冷卻液的流動(dòng)，使其冷卻效果不顯著，導(dǎo)致磨削弧區(qū)排屑條件惡化［60］，為此，學(xué)者們開展了磨粒分布角度對(duì)磨削性能的影響研究。何濤［60］制備了粒度為80/100、α=45°、X=1.2 mm，Y為磨粒粒徑的密集排布式金剛石定向排布釬焊砂輪，如圖11所示，并開展了超聲振動(dòng)輔助磨削SiC磨削實(shí)驗(yàn)，研究表明：在超聲輔助下分布角為45°的定向排布釬焊砂輪磨削效果均勻穩(wěn)定，能夠有效減小磨削力、降低磨削溫度和SiC工件表面粗糙度。

在磨粒定向排布的表征參數(shù)的研究中，張鈺奇［61］提出采用多目標(biāo)優(yōu)化的方法來確定磨粒定向排布的三個(gè)表征參數(shù)X、Y、α，選用磨削比能和表面粗糙度作為多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，選取臨界切削厚度、工藝參數(shù)、容屑空間為約束函數(shù)，通過遺傳算法實(shí)現(xiàn)此多目標(biāo)優(yōu)化，最后選定的三個(gè)表征參數(shù)為X=2 mm，Y=0.3 mm，α=50°，并制備出具有優(yōu)化地貌模型的單層金剛石釬焊砂輪。采用圖12所示的砂輪開展了磨削對(duì)比實(shí)驗(yàn)和仿真，研究表明：相對(duì)于無序砂輪，定向排布砂輪能夠有效減小磨削力，且定向排布砂輪可以通過改變磨削工藝參數(shù)和磨粒排布方式來控制磨粒最大未變形切屑厚度，實(shí)現(xiàn)延性域去除。

有學(xué)者依據(jù)材料表面質(zhì)量加工要求、磨削參數(shù)范圍對(duì)磨粒排布軸向間距進(jìn)行優(yōu)化。房贊［5］基于磨粒運(yùn)動(dòng)特性分析，提出了基于理論最大未變形切屑厚度和表面粗糙度的兩種磨粒理論軸向間距的計(jì)算公式：

式中，X為軸向間距；vw為砂輪線速度；vs為砂輪進(jìn)給速度；hm為最大未變形切屑厚度；ds為砂輪直徑；Ra為工件的表面粗糙度值。

由式（1）和（2）可知，磨粒軸向間距設(shè)計(jì)需要考慮砂輪直徑、砂輪線速度、砂輪進(jìn)給速度、最大未變形切屑厚度與表面粗糙度等參數(shù)。根據(jù)實(shí)際磨削加工參數(shù)，設(shè)定砂輪線速度范圍為90～150 m/s，砂輪進(jìn)給速度為10 mm/s，表面粗糙度量級(jí)為1 μm，即可計(jì)算出符合加工要求的磨粒排布軸向間距為1 mm。

同時(shí)，磨粒定向排布砂輪的參數(shù)設(shè)計(jì)還需要考慮工件材料的去除特性。馮俊元［62］通過脆塑轉(zhuǎn)變臨界區(qū)的單、雙刻劃BK7玻璃實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩條劃痕間距為1 μm左右時(shí)，第一道劃痕下方殘余應(yīng)力場(chǎng)的壓應(yīng)力區(qū)可抑制第二道劃痕下方的中位裂紋的萌生，有助于減小工件的亞表面損傷；并將材料參數(shù)、BK7玻璃微觀接觸模型引入運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬中，設(shè)計(jì)了一個(gè)針對(duì)BK7玻璃的磨?？煽嘏挪忌拜?，其排布角度為60°，軸向間距X為單倍粒徑，徑向密集排布；相較于傳統(tǒng)的無序砂輪，新型砂輪磨削BK7玻璃后的表面粗糙度和殘余應(yīng)力得到了有效改善。ZHANG等［63］基于氧化鋯陶瓷的延性域去除機(jī)理設(shè)計(jì)了一個(gè)釬焊金剛石磨?？煽嘏挪忌拜?，分布角度為90°，徑向密集排布，通過最大未變形切屑厚度計(jì)算出軸向間距X=1 mm，并通過精密修整使磨粒具有一致的等高性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在一定的工藝條件下，修整后的新型砂輪能增加參與氧化鋯陶瓷延性域去除的磨粒數(shù)量。

2.3 磨粒定向排布成形砂輪研究

隨著磨粒定向排布工藝技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者將磨粒定向排布技術(shù)應(yīng)用在鑲塊、曲面等成形砂輪上［64-66］，以應(yīng)對(duì)大尺寸砂輪基體釬焊工藝復(fù)雜、難度大和磨損報(bào)廢后基體利用率低等問題，以及面向工件成形表面的磨削加工場(chǎng)合。劉文廣［67］制備了分體式鑲塊砂輪，以探究大尺寸定向排布砂輪的磨削效果，如圖13所示，在鑲塊上釬焊定向排布的金剛石磨粒，通過分體式鑲塊組合后的圓弧形邊緣進(jìn)行磨削，并采用激光加工技術(shù)在磨粒定向排布的鑲塊上加工出微紋理結(jié)構(gòu)；他們開展了普通無序、粗粒度磨粒定向排布、有序陣列刃、微刃-微孔協(xié)同分布有序四種砂輪磨削Al/SiC的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究表明具有微刃、微孔的有序化砂輪能夠有效地減小磨削力、

降低磨削溫度，其中微孔新型砂輪中的微孔結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)磨粒的微破碎，使磨粒的鋒利度高于其他三種砂輪，且磨削力最小。

同時(shí)，面向工件成形表面的磨削加工，磨粒定向排布成形砂輪被開發(fā)和研究，石廣慧［68］依據(jù)單顆磨粒最大切削厚度理論、脆性材料壓痕力學(xué)理論選擇合適的軸向、徑向距離，并確定排布角度為45°，制備出磨粒定向排布曲面砂輪，如圖14所示，通過與無序曲面砂輪進(jìn)行磨削對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)磨粒定向排布曲面砂輪在磨削力、砂輪磨損、工件表面質(zhì)量上均有明顯優(yōu)勢(shì)。

綜上，定向排布理論中的表征參數(shù)能夠概括大多數(shù)磨粒有序排布的規(guī)律，超硬磨粒定向排布砂輪在減小磨削過程中的磨削力、降低磨削溫度、減小工件表面粗糙度、抑制工件燒傷等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，并可通過優(yōu)化表征參數(shù)進(jìn)一步提高定向排布有序化砂輪的磨削性能；同時(shí)，定向排布理論已逐步從普通砂輪應(yīng)用到成形砂輪上；此外，在不考慮制備誤差的前提下，可依據(jù)工藝參數(shù)、表面質(zhì)量、容屑空間及其他磨削理論量，通過有序磨粒的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真研究，反向設(shè)計(jì)定向排布砂輪中的表征參數(shù)。

3 磨粒葉序排布

磨粒定向排布理論的提出為磨粒有序排布砂輪的研究提供了重要的理論基礎(chǔ)，但定向排布理論是學(xué)者們對(duì)各個(gè)離散參數(shù)的歸納和總結(jié)，磨粒定向排布理論模型涵蓋排布方式范圍有限［15］。隨后，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)現(xiàn)有的磨粒排布規(guī)律進(jìn)一步探索，將仿生學(xué)中的葉序理論應(yīng)用于磨粒有序排布，提出了端面葉序排布理論和圓柱面葉序排布理論，為磨粒排布理論提供了一種新思路。

3.1 端面葉序排布理論

端面葉序排布理論最早是由VOGEL［69］提出的，又稱葵花籽粒排布結(jié)構(gòu)。如圖15所示，磨粒排布在一個(gè)平面上，包含4個(gè)表征參數(shù)：序數(shù)n、葉序發(fā)散角β、葉序系數(shù)k、磨粒粒徑d，端面磨粒葉序排布模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為［70］

式中，φ為極坐標(biāo)角度；r為極坐標(biāo)半徑；n為從圓形向圓周方向上磨粒的序數(shù)；β為葉序的發(fā)散角，表示第n個(gè)磨粒與第n+1個(gè)磨粒之間的夾角；k為半徑方向上兩顆相鄰磨粒之間的距離，又稱葉序系數(shù)。

端面葉序排布理論中，葉序發(fā)散角、葉序系數(shù)和磨粒粒徑等參數(shù)是影響磨粒排布規(guī)律的重要因素。圖16所示為相同葉序系數(shù)、相同磨粒粒徑、不同葉序發(fā)散角β的磨粒排布。可看出，葉序發(fā)散角度β決定了磨粒排布的均勻性；隨著β的增大，磨粒的分布由不均勻到均勻再至不均勻，當(dāng)β從0°增至137.508°時(shí)，磨粒排布從溝槽占空比大過渡至磨粒分布均勻；當(dāng)β為黃金分割角137.508°時(shí)，磨粒分布最均勻，且磨粒與磨粒之間具有合適的空間；當(dāng)β繼續(xù)增大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的順時(shí)針或逆時(shí)針的葉列溝槽線，使得磨粒分布不均勻。

圖17所示為相同葉序發(fā)散角β、相同磨粒粒徑、不同葉序系數(shù)k時(shí)的磨粒排布，可知，葉序系數(shù)k決定了磨粒的排布密度。隨著葉序系數(shù)k的增大，磨粒的分布從致密過渡至稀疏，當(dāng)k過小時(shí)，磨粒的密度大，磨粒之間會(huì)發(fā)生干涉作用；當(dāng)k過大時(shí)，磨粒數(shù)量顯著減少，參與磨削的磨粒數(shù)量也會(huì)減少，磨削的效率和質(zhì)量都會(huì)降低。

3.2 圓柱面葉序排布理論

圓柱面葉序排布理論最早是由ITERSON［71］提出的，即將植物中的葉序排布理論應(yīng)用于砂輪圓柱面上。如圖18所示，此排布方式包含4個(gè)表征參數(shù)：序數(shù)n、葉序發(fā)散角β、葉序系數(shù)k、磨粒粒徑d，圓柱面磨粒葉序分布模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下［72］：

式中，R為圓柱面半徑，H為高度。

圓柱面葉序排布理論中，葉序發(fā)散角、葉序系數(shù)和磨粒粒徑等參數(shù)同樣是影響磨粒排布規(guī)律的重要因素。圖19所示為相同葉序系數(shù)、磨粒粒徑、不同葉序發(fā)散角β時(shí)的磨粒分布。可知，葉序發(fā)散角決定了磨粒分布的均勻性，當(dāng)葉序發(fā)散角為黃金分割角度137.508°時(shí)，磨粒分布最均勻，且形成順時(shí)針或逆時(shí)針方向的多條葉列線；而當(dāng)葉序發(fā)散角非黃金分割角時(shí)，磨粒排布不均勻且無規(guī)律性。

圖20所示為相同葉序發(fā)散角β、磨粒粒徑d、不同葉序系數(shù)k時(shí)的磨粒分布?？芍~序系數(shù)決定磨粒的疏密程度，在一定范圍內(nèi)，k越小，磨粒排布越緊湊，磨粒間的干涉作用越強(qiáng)，可有效改善被加工對(duì)象的表面形貌。

圖21所示為相同葉序發(fā)散角β、葉序系數(shù)k、不同磨粒粒徑d時(shí)的磨粒分布?？芍?，當(dāng)葉序系數(shù)k一定時(shí)，磨粒的粒徑d增大，磨粒的數(shù)量和排布方式皆不發(fā)生改變，使得磨?？偯娣e與圓柱面表面積的比值增大；同時(shí)，磨粒粒徑增大會(huì)增加磨粒的裸露高度。因此，容屑空間的變化需要綜合考慮磨?？偯娣e與圓柱面表面積的比值和磨粒裸露高度兩個(gè)因素。

3.3 磨粒葉序排布砂輪研究

鑒于磨粒的葉序排布從理論上可以促進(jìn)冷卻液流動(dòng)、增加磨粒間干涉作用等特點(diǎn)［29］，學(xué)者們?cè)O(shè)計(jì)和開發(fā)了一系列新型葉序排布砂輪。趙良兵［73］將葉序排布理論應(yīng)用于超硬磨料端面砂輪中，使磨粒按照果實(shí)籽粒排布規(guī)律進(jìn)行排布，由數(shù)值軟件仿真發(fā)現(xiàn)減小葉序系數(shù)、減小進(jìn)給速度、增大砂輪轉(zhuǎn)速，可以使磨粒軌跡更致密；采用Deform-3D有限元軟件仿真新型葉序排布（k=0.38）和傳統(tǒng)無序排布砂輪的磨削過程，研究表明：葉序砂輪磨削力小于無序砂輪，并且葉序砂輪的磨削力變化幅度較小，其磨削性能優(yōu)于無序砂輪，同時(shí)，磨粒排布參數(shù)會(huì)影響葉序排布砂輪的磨削性能。邵美麗［74］使用光刻技術(shù)和復(fù)合電鍍工藝制備了端面葉序排布砂輪，通過開展磨削實(shí)驗(yàn)，并與無序排布砂輪、磨粒矩陣排布砂輪、磨粒錯(cuò)位排布砂輪磨削45鋼的加工效果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)葉序排布砂輪更能減小磨削力、提高工件表面質(zhì)量，避免磨削燒傷并提高砂輪壽命，這是由于葉序排布中的葉列線螺旋溝槽能有效降低溫度。

此外，葉序排布理論也被應(yīng)用于開發(fā)和設(shè)計(jì)圓柱面有序排布砂輪。賀艷［75］基于葉序排布理論、有限元與光滑粒子耦合法仿真，分析了葉序排布參數(shù)對(duì)磨粒分布、磨削力和表面粗糙度的影響規(guī)律，優(yōu)選出最佳的葉序排布參數(shù)，并通過電鍍方式制備了圖22所示的磨粒葉序排布電鍍砂輪；同時(shí)對(duì)無序和葉序排布砂輪的磨削效果進(jìn)行了仿真，證明葉序排布CBN砂輪磨削性能更具優(yōu)越性。然而，有限元與光滑粒子耦合法仿真僅對(duì)比了葉序排布與無序排布兩種砂輪的磨削性能，未對(duì)比葉序排布砂輪與其他規(guī)則有序排布砂輪之間磨削性能上的差異。隨后，一些學(xué)者開展了不同有序排布方式砂輪的磨削力、表面粗糙度等對(duì)比研究。張超［76］采用Deform-3D仿真了葉序排布砂輪、陣列排布砂輪、錯(cuò)位排布砂輪和無序排布砂輪的磨削過程，結(jié)果表明：與無序排布砂輪相比，葉序排布和其他兩種規(guī)則排布的砂輪都能有效減小磨削力，但三者之間的磨削力變化趨勢(shì)基本相同，差異不大。周生合［77］通過數(shù)值分析，仿真研究了葉序排布砂輪、無序排布砂輪、矩陣排布砂輪和交錯(cuò)排布砂輪在相同磨粒密度、磨削參數(shù)條件下的表面粗糙度情況，結(jié)果表明：葉序排布砂輪能獲得更低的表面粗糙度。

上述磨粒葉序排布圓柱面砂輪的研究主要集中在排布理論、數(shù)值和有限元仿真等方面，隨后，學(xué)者們根據(jù)葉序排布理論和仿真制備出磨粒葉序排布砂輪，并開展了磨削加工實(shí)驗(yàn)。王新爭(zhēng)［78］利用光刻技術(shù)和復(fù)合電鍍工藝技術(shù)制備了粒度為70/80的4種圓柱面CBN砂輪，選用葉序排布、交錯(cuò)排布、無序排布三種砂輪在鈦合金TC4上進(jìn)行外圓磨削實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明磨粒葉序排布砂輪可顯著降低工件表面粗糙度。劉兆博等［79］使用葉序排布砂輪、錯(cuò)位排布砂輪、無序排布砂輪對(duì)鈦合金TC4進(jìn)行加工，研究表明：磨粒葉序排布砂輪加工后的磨削力遠(yuǎn)小于錯(cuò)位排布砂輪和無序排布砂輪。YU等［80-82］采用掩模電鍍法制備了一種可減小磨削力的CBN磨粒葉序排布砂輪，如圖23所示，并使用葉序砂輪與無序砂輪對(duì)鈦合金工件進(jìn)行磨削，結(jié)果表明：新型葉序排布砂輪磨削液利用率高，磨削過程中磨削力保持在較低水平，具有較小的比磨削能和較低的磨削表面粗糙度。

楊天標(biāo)等［83-84］對(duì)優(yōu)化滴膠法進(jìn)行了優(yōu)化，并結(jié)合電鍍工藝制備出粒度為80/100目的磨粒葉序排布CBN砂輪，開展了新型葉序排布和傳統(tǒng)無序砂輪磨削性能試驗(yàn)研究，研究表明：優(yōu)化的滴膠法制備出的葉序排布砂輪磨粒排布準(zhǔn)確、磨粒把持度高、切削刃鋒利，較傳統(tǒng)無序砂輪具有更小的磨削溫度、磨削力。

綜上所述，葉序排布砂輪的理論體系相對(duì)完整，從理論和實(shí)驗(yàn)角度證明葉序排布便于引導(dǎo)磨削液流入磨削區(qū)域，實(shí)現(xiàn)較高換熱效率，使磨粒分布更加均勻，磨削痕跡干涉作用更加強(qiáng)烈，通過調(diào)整排布參數(shù)易于控制容屑空間，從而減小磨削力、提高磨削表面質(zhì)量和砂輪壽命；磨粒葉序排布砂輪可以降低磨削過程中的比磨削能，為綠色磨削技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用提供了新的理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。

4 其他排布規(guī)律

在磨粒的有序排布砂輪中，尚存在一些無法用定向排布和葉序排布理論表達(dá)的排布規(guī)律，如圖24所示的同心圓排布、螺旋線排布、非均勻規(guī)則排布等其他排布規(guī)律。

何夢(mèng)佳［85］通過釬焊方式制備了多種排布方式的金剛石砂輪，如圖25所示，并采用這幾種砂輪對(duì)花崗巖進(jìn)行磨削，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)過20 h的磨削，隨機(jī)排布砂輪達(dá)到了磨削極限，失去了磨削加工能力，而其他4種規(guī)則排布有序砂輪仍具有良好的磨削能力。此外，4種有序排布砂輪均能有效減小磨削力的波動(dòng)值與幅值，其中同心圓排布和螺旋線排布砂輪磨削過程中的磨削力一直處于較低水平。

通常情況下，細(xì)粒度砂輪的磨削加工質(zhì)量要好于粗粒度砂輪，然而，相比細(xì)粒度磨粒，粗粒度磨粒更易實(shí)現(xiàn)有序化排布，磨粒有序化細(xì)粒度砂輪的研究報(bào)道較少。為了使粗粒度磨粒有序化砂輪達(dá)到細(xì)粒度砂輪的磨削效果，WU等［86］在18/20目磨粒同心圓有序排布砂輪的金剛石顆粒上加工了微刃、微孔，如圖26所示，并使用同心圓排布、同心圓排布微刃、同心圓排布微刃-微孔三種砂輪對(duì)氧化鋁陶瓷進(jìn)行加工。實(shí)驗(yàn)表明：同心圓排布微刃、同心圓排布微刃-微孔兩種砂輪在磨削力、表面粗糙度上都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，其中同心圓排布微刃-微孔砂輪中微孔結(jié)構(gòu)還具備優(yōu)良的自銳性能。

YANG等［87-88］將3D打印應(yīng)用于有序砂輪的制備中，通過3D打印和逐層燒結(jié)制備了多層金剛石磨粒有序排布金屬結(jié)合劑砂輪，如圖27所示，砂輪上粒徑為300～500μm的磨粒按照同心圓排布規(guī)則進(jìn)行多層排布，并開展了新型多層有序砂輪的磨削實(shí)驗(yàn)，研究表明：即使在高負(fù)荷磨削條件下，新型砂輪中的金剛石磨粒仍磨損正常，未出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，解決了精密/超精密磨削中砂輪磨粒分布不規(guī)則、磨粒有序化制備工藝復(fù)雜的問題。

綜上，目前尚有不符合定向排布和葉序排布理論的其他有序砂輪排布方式，且相關(guān)研究主要集中于同心圓排布砂輪，其他排布方式的有序砂輪也可以提高砂輪壽命、減小磨削力和表面粗糙度，但目前尚缺乏對(duì)各種排布方式砂輪磨削效果的深入對(duì)比研究。

5 三種磨粒排布方式對(duì)比分析

定向排布和葉序排布有一定獨(dú)立的理論體系，其他排布方式尚無成熟的理論體系，且不能用上述兩種理論體系解釋；不同排布方式的磨粒分布規(guī)律不同，其砂輪的磨削性能也不相同；針對(duì)不同的工況，通過優(yōu)選合理的磨粒排布參數(shù)，可有效提高砂輪壽命、減小磨削力、降低磨削溫度、改善工件表面質(zhì)量等。本文對(duì)超硬磨粒可控排布砂輪研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納和對(duì)比，總結(jié)了現(xiàn)有超硬磨?？煽嘏挪忌拜喌哪チＥ挪祭碚?、排布圖案及其磨削性能，分析了3種砂輪的優(yōu)勢(shì)和存在的問題，見表1。

6 結(jié)論與展望

（1）磨粒排布理論中的定向排布、葉序排布及其他排布理論可以概括大多數(shù)有序砂輪的排布規(guī)律，有序化砂輪利于實(shí)現(xiàn)磨削加工效果的預(yù)測(cè)和可控。

（2）超硬磨?？煽嘏挪忌拜喌闹苽涫侄沃饕须婂兒外F焊兩種方式，新型的增材制造方式逐步被應(yīng)用于制備磨粒同心圓排布砂輪，但其制備理論和技術(shù)體系不夠完善，有待進(jìn)一步深入研究。

（3）相比于無序砂輪，磨?？煽嘏挪忌拜喚哂懈鼉?yōu)越的磨削性能，可大幅降低磨削溫度、減小磨削力、降低磨削能耗、減小砂輪磨損等。

目前，雖然超硬磨?？煽嘏挪忌拜喲芯恳呀?jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是仍可在以下方面展開更深入的研究：

（1）新型有序化砂輪制備方式開發(fā)。目前的超硬磨粒有序化砂輪的制備方式有限，有待開發(fā)易于操作、便于推廣、磨粒把持力大、定位精度高的新型有序化砂輪制備方式。

（2）細(xì)粒度超硬磨粒有序化砂輪制備和磨削性能研究。目前的超硬磨粒有序化砂輪的研究主要集中在粗粒度超硬磨料上，應(yīng)用于超精密磨削加工的細(xì)粒度超硬磨粒可控排布砂輪報(bào)道較少，開展細(xì)粒度超硬磨粒有序化砂輪制備和磨削性能的研究可進(jìn)一步豐富和拓寬超硬磨粒有序化砂輪的研究體系。

（3）新型仿生結(jié)構(gòu)有序化排布砂輪研究。目前已有的超硬磨粒有序排布理論相對(duì)較少，需提出更多基于仿生結(jié)構(gòu)的新型排布方式，從而更好地解決磨削溫度高、磨削力大等問題。

（4）依據(jù)被加工材料特性、加工指標(biāo)要求開展針對(duì)性有序化砂輪的設(shè)計(jì)與制備。面對(duì)航空、航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域中應(yīng)用的高性能硬脆和復(fù)合材料零部件的高精度、高完整性、高效率的加工要求和挑戰(zhàn)，應(yīng)建立依據(jù)工件材料、材料去除率、表面完整性指標(biāo)等要求與磨粒排布方式及磨粒分布密度的映射關(guān)系，開發(fā)有針對(duì)性的新型砂輪，以解決硬脆和復(fù)合材料磨削加工過程中易產(chǎn)生的裂紋、亞表層損傷、脆性斷裂、效率低下等問題。

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（編輯 陳 勇）

作者簡(jiǎn)介：

陳 冰，男，1986年生，副教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)殡y加工材料的精密加工及其加工過程的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。E-mail：chenbing@hnust.edu.cn。

收稿日期：2022-10-16

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（52175401）