金刚石、立方氮化硼(CBN) 通常被称为超硬材料 ,具有极高的硬度、耐磨性及热导性等 ,已大量用于机械工程领域 。在磨削加工过程中 ,超硬磨料砂轮磨损慢、磨削比高、磨削力小、发热量少及加工精度好 , 有利于实现自动化、信息化、精益化及智能化；在其全 生命周期内 ,能耗低、效率高、寿命长且污染小 ,是高效、精密、绿色及智能制造的完美载体。 由于超硬磨料砂轮优良的磨削性能 ,现已广泛用于航空航天、国防军工、精密陶瓷、医疗器械、轨道交通、石油勘探、建筑装饰、机械装备、工模具、新能源、微电子及光电 子等行业难磨材料及硬脆材料的加工，并已成为高速及超高速加工、精密及超精密加工、高精度形面加工、智能及无人化加工等先进加工技术之必备。但是 ,在超硬磨料砂轮应用中却遇到了严重的技术瓶颈，即砂轮修整极其困难，致使超硬磨料砂轮的优异性能得不到充分发挥。本文从工程应用角度分析超硬磨料砂轮修整状况，并重点研究了点轮修整技术，希望能给相关技术人员提供参考。
一、砂轮修整
磨削之关键是修整。对于普通磨料( 刚玉、碳化硅等)砂轮 ,工程上应用最多的是金刚石(单点、多点)车削法修整 ,如图 1 所示。
车削法修整与车削加工极其相似 ,是用金刚石修整笔(单晶金刚石或 PCD、CVD ) 对旋转的砂轮进行切削加工 ,砂轮表面磨粒受到修整笔的撞击而被挤压、破碎、切削及脱落。影响砂轮表面形貌的因素主要有 :金刚石笔刃口形状( 圆弧半径、有效宽度)、修整导程 Sd (砂轮每转修整笔沿砂轮轴向移动距离)、修整深度 Ad (修整笔沿砂轮径向单次进给量) 以及砂轮基本特性(磨料、粒度、结合剂、组织及硬度)等 。砂轮修整基本规律是：随着修整导程、修整深度变大 ,修整笔与砂轮的相互作用力变大、磨料破碎程度变大、砂轮 表面形貌更加粗糙 ,磨削力变小、磨削粗糙度变大等。 磨削加工中修整笔的选择 ,主要依据被修整砂轮大小 (体积) ，砂轮直径大 ,应选用大颗粒金刚石；修整用量的选取主要根据零件表面质量要求、砂轮基本特性及磨削加工方式等来确定。车削法修整简单、方便、效率高及成本低。然而,车削法修整也存在明显的不足 ,如图2所示的单点金刚石修整笔磨损曲线,图2中 ,70°、80°、100°均为金刚石笔笔尖的角度。
在砂轮修整过程中 ,由于金刚石笔始终与高速旋转的砂轮接触 ,力与热的集中作用使金刚石笔尖磨损 高度呈非线性特征 ,金刚石初期磨损快 ;随着修整笔的继续使用 ,笔尖磨损速度渐渐变小 ,而磨损面积却越来越大。对于普通磨料砂轮 , 由于刚玉、碳化硅磨料相比 金刚石硬度低、强度脆及磨料含量高 ,采用金刚石车削法修整 ,工具消耗慢、修整比(砂轮去除量/工具消耗量)高、效率高及精度高 。砂轮修整通过修整笔的优选、修整参数的优化即可 ;因此 ,在普通磨料砂轮修整过程中 ,通过金刚石车削修整即可同时实现砂轮的 整形与修锐 。车削法修整是普通磨料砂轮修整及内圆磨削用小直径陶瓷结合剂CBN超硬磨料砂轮修整的主要方法。
二、超硬磨料砂轮修整
据专利统计 ,超硬磨料砂轮修整方法众多 ,其中车削法修整约占一半 ,达48.92 %。但是 ,与普通磨料砂轮修整相比,采用金刚石车削法修整超硬磨料砂轮 ,修整力大、工具磨损快、修整比低、修整时间长、 效率低、精度差及成本高 。同时 , 由于修整笔尖磨损面积快速加大 ,砂轮修整质量难以保证 ,磨削精度低、 质量不稳定 ,甚至会出现磨削烧伤、振动现象 。车削法修整不适于超硬磨料砂轮应用。为了提高超硬磨料砂轮修整精度、修整效率 ,多年来国内外学者进行了大量的研究 ,提出了许多方法 ,取得了许多成果 ,但是尚有许多不足。如 ,滚压法修整,修整力大 ,无精度可言 ,仅适应于陶瓷结合剂砂轮粗修整。油石法修整 ,仅适于砂轮开刃 ,不适于超硬磨料砂轮整形。磨削法修整,工程应用相对较多 ,用普通磨料砂轮磨削修整时修整工具消耗大、效率低及精度低 ;用金刚石滚轮磨削修整时 ,修整工具制造工序多、 周期长、成本高 ,修整接触区域大及修整力大 ,且一件 (工件)一轮(修整轮)、通用性差。制动法修整,修整力大、精度低及效率低。弹性法修整,精度低 ,适于砂轮开刃 ,不适于砂 轮整形。射流法修整 ,环境污染大、精度低。超声法修整,装置复杂、稳定性不佳及工程应 用难度大。放电法修整 ,仅适用于金属结合剂砂轮 ,不 适于应用较广的陶瓷、树脂结合剂砂轮修整。电解法修整,受加工间隙、导电因素影响 ,主要适于超细粒度金属结合剂砂轮修整 ,应用范围有限。激光法修整 ,属于可期待的非硬碰硬接触的先进修整技术 ,易控制、效率高 ,但是该技术起步晚 ,目前仍处于实验室研发试验阶段 ,尚待进一步完善 。四大结合剂超硬磨料砂轮及各种修整方法应用效果汇总如表1所示 ,表1中 , ●●●表示优 , ●●表示良 , ●表示一般。
三、点轮修整
从工程应用方面看 ,超硬磨料砂轮的修整主要在于整形 。从力学角度分析 ,超硬磨料砂轮整形首推金刚石工具 。点轮修整是将金刚石修整工具设计成工作宽度为 Bd 与单颗粒金刚石大小相接近的圆环(Bd=0.2~5 mm) 。这样 ,修整轮与砂轮的接触面积小 ,呈点 接触状态 ,方便冷却、修整力小且易于控制;在砂轮修整时 ,修整轮不仅作旋转运动 ,也沿被修砂轮轴向、径向移动 ,柔性好 ,便于工程应用 ,点轮修整原理如图 3 所示。
点轮修整是集金刚石车削法修整之便利和金刚石滚轮磨削法修整耐磨两种砂轮修整技术于一体的最佳组合 ,是一种新的砂轮修整技术。在砂轮修整过程中 ,由于修整轮工作层宽度Bd固定 ,随着修整轮的 反复使用 ,其修整力、砂轮表面形貌均无大的变化 ,从 而提高了砂轮修整精度、改善了磨削质量;其次 ,在修整轮圆周方向有无数个金刚石颗粒同步参与修整 ,且修整轮用金刚石粒度普遍粗于被修整砂轮粒度 ,可大幅度提高修整轮的耐磨性及其使用寿命;最后,修整轮的高耐磨性及其线性磨损规律有利于砂轮损耗补偿 ,可稳定磨削质量 ,提高磨削效率。点轮修整过程如图 4 所示。
图4中，修整轮宽度前端1区(其宽度等于修整导程 Sd )主要用于修整 ,修整轮宽度后端2区(修整轮 宽度其余部分)相当于车刀的修光刃 ,主要用于光修。修整与光修之比例关系主要通过修整重叠率(修整工 具工作宽度 Bd/修整导程 Sd )来调整 。砂轮表面磨粒去除主要是依靠修整轮旋转运动对被修砂轮表面磨粒产生的碾压、磨削作用 ,以及修整轮沿砂轮轴向运动对 被修砂轮表面磨粒的挤压、光修作用。在修整轮对砂轮 的碾压、挤压、摩擦及切削作用下 ,砂轮表面磨粒发生位移、破碎、磨平及脱落 ,最后形成新的砂轮工作表面。点 轮修整的影响因素主要有修整速比(修整轮线速度/ 砂轮线速度)、修整重叠率及修整深度等 。图5所示为修整速比对砂轮表面粗糙度的影响;图6所示为修 整重叠率对砂轮表面粗糙度的影响。
随着修整速比减小或修整重叠率增加 ,修整轮与砂轮挤碾作用减弱、摩擦作用增加 ,砂轮表面变得越光滑、磨削表面粗糙度趋小 ,甚至会发生磨削烧伤、振动等;因此 ,工程应用中主要通过调整修整速比或修整导程来改善砂轮表面锋利性 ,以获取相应的零件磨削质量。点轮修整 ,可用于超硬磨料砂轮圆柱面、锥面及端面等简单直线修整 , 目前已开始应用于各种结合剂超硬磨料砂轮及普通磨料砂轮修整 ,均取得了较好的效果。如果修整轮再配上PCD、CVD耐磨条 ,并对修整轮圆弧精准加工 ,利用数控磨床 X、Z 二轴联动或 X、Z、B三轴垂直联动功能 ,可实现复杂型面砂轮的修整 ,用于精密成型磨削。图7所示为点轮修整在超硬磨料砂轮轴承沟道磨削中的应用 ,相比传统单点金刚石圆弧修整 ,砂轮弧形精度、圆度及磨削沟形精度获大幅度提高,砂轮修整质量稳定可靠。
点轮修整对修整轮没有特别限制 。修整轮金刚石颗粒强度应选 MBD 级及以上;粒度一般要粗于被修整砂轮几个粒度号 ,常用范围 30/35~ 100/120;修整轮浓度多在200及以上;其制造方式主要采用粉末冶 金烧结法或双侧电镀法;修整轮直径多在50~125mm 之间 ,与金刚石滚轮相当;其精度除特殊要求外 ,通常为 IT5~IT7,低于金刚石滚轮精度 ,制造成本低、便于工程应用;修整轮形状可依据磨床结构、运行空间及修整刚性等设计。点轮修整及修整轮如图8所示 ,修整轮可以是双面加强形 ,如图 8a)所示、单面加强形 ,如图 8b)所示 , 也可以是蝶形、碗形、杯形 ,如图 8c)所示;对于内圆磨小尺寸砂轮 ,为了节省空间 ,修整轮还可以制作成内环式修整结构，如图 8d) 所示 ,修整轮与工件同轴安装 ,提高效率 ,使用十分方便。
四、结语
1)超硬磨料砂轮修整是制约其大量应用的主要瓶颈。目前,涉及超硬磨料砂轮修整的方法、成果众多,但是就其实际应用而言,各有特点也存在明显的不足,其主要原因就是通用性差,应用面有限。2)点轮修整是集金刚石车削修整、金刚石滚轮磨削修整两种方法之优点的新的砂轮修整技术。修整轮与砂轮的接触面积小且相对稳定,修整力小易于控制,修整工具耐磨修整精度好、效率高且寿命长,修整质量易于保证,修整方便适用性广,可用于超硬磨料砂轮,也适于普通磨料砂轮,值得大范围推广。