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       1、引言：

       陶瓷材料、钨合金、钛合金和镍基高温合金等难加工材料在航空航天、生物医疗和交通运输等领域有着广泛的应用前景．随着国家航空装备与智能制造等对高性能零部件高精密制造需求的发展，对零部件表面粗糙度、尺寸精度的要求也越来越高．这些材料具有优异物理和化学性能的同时也给相关零部件的加工制造带来了难题.

       磨削是获得高性能零部件的重要加工工艺，广泛应用于难加工材料的精加工中．同时磨削是一种能够获得高表面完整性和高几何精度产品较为实用和经济的加工方法．精密磨削通常也是加工高精度高表面质量工件的最后一道工序.

       砂轮磨损是影响工件质量和磨削效率的重要因素，涉及到材料的化学、物理性能、成分组成和微观结构等方面，并与磨削工况密切相关．在磨削过程中，由于作用在磨粒上的机械载荷和热载荷，砂轮会发生变形和磨损．变形指砂轮的外形发生变化，磨损则会导致磨粒的钝化和脱落．砂轮磨损会给磨削过程带来一系列问题：磨削过程中的磨削力和磨削热会迅速增加，使磨削过程不稳定；导致工件表面出现振纹和烧伤,使工件轮廓度下降，磨削表面粗糙度增大；砂轮磨损也会引起磨削噪声的增大；降低生产效率；磨损严重时还会导致砂轮破裂引发事故.

       砂轮磨损的适时检测是判断砂轮是否需要修整、 补偿和更换的重要手段．砂轮修整是影响磨削性能的重要因素之一，当砂轮磨损较大使工件的精度不能满足加工要求时，应及时对砂轮进行修整，或在磨削过程中根据检测到的砂轮磨损对磨削轨迹进行实时补偿.当砂轮磨损严重时需要更换砂轮，以保证稳定的磨削过程．因此根据砂轮磨损情况合理确定砂轮修整时间，或实现砂轮磨损的适时补偿，这对提高磨削效率、保证磨削质量的连续稳定和实现磨削自动化具有重要意义.除了对砂轮进行修整和补偿外，为选择合适的工艺参数，需要获得砂轮在不同加工参数下的磨损规律，或是研究磨削过程中不同砂轮对不同材料的去除机理和使用寿命，这都需要对砂轮磨损情况进行定量评价.

       砂轮磨损检测技术作为磨削精度和磨削质量的重要保障手段，近年来受到广泛关注.国内外学者围绕砂轮磨损检测技术和磨损预测方法开展了大量研究, 有效促进了砂轮磨损检测技术的发展．但是由于研究时间相对较短，现有研究结果尚不完善，难以为磨削加工工艺中砂轮磨损的检测和补偿提供强有力的理论支撑，严重制约了砂轮磨损检测技术在磨削加工中的应用因此对砂轮磨损检测技术进行分类研究，建立砂轮磨损评价策略，对提高工件的磨削效率和磨削质量具有重要意义.

       本文以砂轮磨损检测技术为研究对象，首先分析了砂轮的主要磨损形式及原因，其次在总结现有砂轮磨损检测技术的基础上探讨了砂轮磨损检测过程中尚未解决的技术难题，最后对未来砂轮磨损检测技术的发展趋势进行了展望.文章整体结构框架如图1所示.

       2、砂轮磨损形式研究：

       磨削过程尤其是高速磨削中砂轮和工件之间的磨削区域具有接触应力高、摩擦温度高、摩擦表面不断变化、摩擦区域多的特点，在磨削界面间复杂的力-热环境下，砂轮磨损往往是各种磨损形式综合作用的结果．根据Malkin的研究，本文将砂轮磨损形式分为两大类，即机械(物理)磨损形式和化学磨损形式，如表1所示.

       2.1、机械(物理)磨损：

       机械磨损包括磨耗磨损、破碎磨损、黏附堵塞等形式，如图2所示.磨耗磨损指在磨削中随着工件材料与磨粒接触并发生材料去除，由于磨削力使得 磨粒钝化，并逐渐在顶端形成小的磨损面．当磨削过程中磨粒所受的瞬时力-热载荷不均匀时将导致破碎磨损：当磨削力使得作用在磨粒上的应力超过磨粒材料强度时，磨粒将会产生裂纹，并产生碎片，发生碎裂脱落,剩下的磨粒由于表面破碎再生成锋利的磨削刃，砂轮表现出自锐特性；结合剂破碎包括结合剂的磨损、开裂、破碎和脱落．当磨粒从结合剂上大块脱落时，剩下的结合剂与工件表面将直接接触，发生结合剂磨损.磨粒与结合剂结合区域可能存在空穴等缺陷，这种缺陷在加工时受力容易开裂，或当磨粒与结合剂结合强度较高时，磨粒与结合剂接触区域受拉应力作用发生开裂．裂纹扩展将造成结合剂的破碎、脱落，磨粒的破碎脱落也会从砂轮表面带走一部分结合剂，导致结合剂破碎.这种磨损形式对砂轮轮廓有很大影响.

       当磨粒通过磨削区时，在局部高温高压环境下，工件上被磨除材料将会附着在磨粒与结合剂上，此时磨屑附着在砂轮上，可通过磨削液冲洗作用从砂轮表面去除．当黏附严重时磨屑将堵塞在磨粒与磨粒之间的空隙或者砂轮的气孔中，如图2所示，这将造成磨削状态的恶化.

       2.2、化学磨损：

       化学磨损包括氧化磨损、扩散磨损、反应磨损等，与磨粒和工件的材料性质直接相关，也与磨削参数有关.在磨削区域局部高温作用下，磨粒直接与空气中氧元素发生反应，减弱磨粒的切削能力，此时砂轮将发生氧化磨损.在磨削过程中的高温高压条件下，工件材料与磨粒间将会发生元素扩散，导致磨粒与工件接触区域发生弱化，继而产生扩散磨损.

       此外在磨削条件下，工件材料、磨粒、磨削液及结合剂之间可能发生化学反应，当金刚石磨粒磨削铁、镍、铬、钛等元素时，会发生石墨化而产生剧烈磨损．由于磨粒、结合剂材料和工件材料的不同， 各元素之间相互作用生成的产物也可能引发多种次级化学反应．其中磨粒与工件材料的化学反应是砂轮磨削过程中发生磨损的主要因素.

       相较于化学磨损，机械磨损磨损量大，对磨削精度、磨削效率有重要影响．本文所述砂轮磨损检测技术主要考虑机械磨损．化学磨损对机械磨损起促进作用，但在表现形式上仍体现为砂轮磨粒的破碎、脱落和黏附堵塞等。对于砂轮的化学磨损可通过砂轮与工件表面的理化特性和成分分析等方法检测.

       2.3、砂轮磨损阶段：

       在磨削加工中随着砂轮种类、工件材料、磨削参数和磨削阶段的不同，砂轮磨损速率也不一样.一般来说，砂轮磨损在宏观上一般表现为机械磨损.磨削过程中随着砂轮与工件材料的相互作用，砂轮的磨损速率将发生变化，根据砂轮磨损速率的不同可以把砂轮磨损过程分为三个阶段，如图3所示．不同阶段砂轮磨损规律和磨损形式会发生变化.

       砂轮的磨损尤为复杂，因为在砂轮上磨粒呈随机分布，磨粒的露出高度也呈现随机性．因此在磨削加工时砂轮表面磨粒也会呈现出不同的磨损形式，如上文提及的机械(物理)磨损和化学磨损等．这都给砂轮磨损的准确检测带来了挑战．在磨削加工中，由于磨削方式的不同，砂轮磨损对工件精度的影响也有所不同．当砂轮沿砂轮轴向进给时会发生轴向磨损，如图 4(a)所示；而当砂轮进给方向垂直于砂轮轴时还会发生径向磨损，如图4(b)所示.

       砂轮形状对磨损的影响如图5所示，随着磨削的逐渐进行，砂轮的圆角会变钝、直角锐边会变钝，分别如图5(a)~(e)中箭头所示．当磨损严重时还会导致砂轮烧伤、破碎，导致生产事故.

       砂轮磨损的准确补偿一直是精密磨削加工中的难点，砂轮补偿量与砂轮磨损量密切相关，所以选取砂轮磨损检测技术进行检测，以获得准确的砂轮磨损规律，是后续对砂轮磨损进行补偿的必要手段．砂轮磨损程度可以直接对砂轮的微观形貌进行观测，也可采用直接或间接的表征参数来表征．常用的砂轮磨损检测表征参数如表2所示.

       对于工业生产中不同的加工需求，可以将常用的砂轮磨损检测技术分为离线测量技术和在线测量技术，如图6所示．离线测量技术指加工完成之后将砂轮拆卸在测量间进行测量，加工和测量是分离的.在线测量技术原指在工业生产线上直接进行的测量，现多指实时或准实时测量，是一种动态测量过程.

       3、砂轮磨损离线测量技术：

       砂轮磨损离线测量技术根据检测方法和测量参数的不同可分为接触式测量技术和非接触式测量技术，如表3所示.

       3.1、离线接触式测量技术：

       常用的离线接触式测量技术如图7所示，(1）台阶轮廓法．台阶轮廓法指磨削前，在砂轮上修整出一个特定的台阶面作为测量基准，待砂轮磨削 一段时间后测量砂轮磨损面到基准的高度差作为砂轮的磨损量，如图7(a)所示.(2）触针检测法．触针式测量法如图7(b)[48]所示. 当触针在砂轮的工作面上划过时触针会发生上下移动，由传感器把砂轮表面磨粒的高度差值转变为电信号进行记录.(3）仿形与复印法.仿形法与台阶法相似，不同之处在于测量时不是直接测量砂轮本身，而是将砂轮的磨损轮廓复制到仿形材料上，通常为石墨片或金属薄片．通过测量仿形材料轮廓间接得到砂轮磨损值. 也可将砂轮形貌用树脂等材料直接复印成型保存，留待后续观察，现在的复印技术几乎能够将砂轮的微观形貌完整展现出来，如图7(c)所示.

       台阶轮廓法的优点在于操作简单，能够直接得到 砂轮磨损值，但台阶法测量砂轮磨损需要事先将砂轮修整成特定形状，采用台阶法测量时需要停止加工， 效率较低，而且重复测量会引入测量误差.

       利用触针法可直接得到砂轮的径向磨损量，检测磨粒的磨损形状及分布和容屑空间大小．进一步通过概率密度函数、累积分布函数、自相关函数和功率谱分析还可鉴别砂轮的磨损形式．但该方法易使触针发生磨损，影响测量结果．触针顶角、触针圆角半径、 触针与砂轮的接触压力、测量仪器动态特性、接触刚度等均影响检测结果的可靠性触针形状不同也会使磨削刃密度的检测结果存在差异.

       仿形与复印法在台阶法的基础上克服了效率低的问题，简单易行.在磨削过程中可以根据需要使砂轮停止转动，并复印砂轮磨损高度和磨损形貌，而不需要拆卸砂轮.适用于砂轮磨损量较大的测量需求.

       3.2、离线非接触式测量技术:

       常用的离线非接触式测量法如图8所示.(1）显微观察法.显微观察法指直接通过显微镜对砂轮磨损部位进行观测，如图8(a)所示.可根据磨损量的大小和测量目的选择不同的测量仪器，如光学显微镜、扫描电子显微镜、白光干涉仪等．显微观察法能够清晰直观地观察砂轮磨损的微观形貌，并获得砂轮磨粒的磨损形态和磨削机理.(2)计算机图像检测法.为了使检测结果客观、精确以及能够实现快速检测，计算机检测法应运而生，如图8(b)所示．计算机检测法是指通过高速摄像机或显微镜对磨损前后的砂轮进行拍摄，并采用一定的处理方法对图片进行识别。通过对磨损前后同一部 位的砂轮状态进行跟踪观察以得到砂轮磨损的变化情况。(3激光点测量法.磨粒会因为磨耗磨损形成磨损平面，当激光照射到磨损平面上时将发生发射，进而被激光传感器识别，可以据此获得砂轮的轮廓磨损量，如 图8(c)所示.通过对反射光进行连续采集可以得到砂轮表面磨粒的磨损形式和磨损规律.(4)轮廓面扫描法.轮廓面扫描法是指通过轮廓扫描仪扫描砂轮表面以获得砂轮轮廓数据，并构造砂轮表面数字化轮廓模型，在此基础上计算砂轮磨损量，如图8(d))所示.首先在磨削加工前对砂轮进行坐标扫描，建立参考面作为定位面，以保证被测表面的重复定位精度．然后将磨削后且表面经过清洁处理的砂轮按照前一步骤定位扫描，得到砂轮磨损面．在相同的参考基准下对不同磨削阶段砂轮磨损面数据进行比较以获得砂轮磨损量．

       显微观察法可以获得直观清晰的显微图像，以分辨磨粒磨削刃的修整、磨损痕迹及磨削过程产生的破碎缺陷等情况；便于对磨损部位、磨损形式及磨削机理进行综合研究．但要进行对比研究则需要准确找到磨削前后的同一部位．若采用扫描电镜进行观察，样件要做导电处理，需要喷金、复制样件或采用组合砂轮，制作麻烦，成本较高.

       计算机检测法测量结果较为直观，检测效率高，可实现在线的连续检测，并可通过数值变换提取磨损特征值进一步研究砂轮磨损规律。但由于磨削情况较为复杂，存在较多的杂质颗粒和图像背景干扰，而且磨粒之间的重叠等也将给检测结果带来误差.

       激光点测量法可以连续检测砂轮圆周上不同位置的磨粒形状及数量，确定磨粒的形状、组成及分布状态；也能够在磨削过程中定期检测砂轮同一位置的磨粒形状变动情况，进而研究磨粒磨耗破碎、脱落及新磨粒露出等磨损规律．通过分析光电信号也可得到磨粒磨损面积变化情况．但得到磨粒分布的算法实现较为困难，且对测量环境要求较高.

       轮廓面扫描法不仅可以获得砂轮的径向磨损量， 还可得到砂轮体积磨损量以及砂轮表面的磨损分布情况；采用计算机进行数据分析和处理，有利于制造检测的集成，进而实现磨削自动化现代.但该方法受磨削环境影响较大，适用于磨削条件较好的加工环境，其测量精度直接取决于采用的表面轮廓拟合算法，对测量算法要求较高.（未完待续）

       本文数据来源:中国科学2024年第54卷第7期，由大连理工大学机械工程学院，高性能精密制造全国重点实验室供稿，作者：李干，鲍岩，王中旺，康仁科，董志刚