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        一、前言：

        磨削工艺是在航空航天、机床工业、工程机械等领域应用广泛的细长杆工件（长度与直径比25：1以上）的重要加工手段叫其磨削精度和质量对产品性能、装配精度有着重要的影响。细长杆工件磨削过程中，因受机床、砂轮磨削工艺及装夹方法等因素影响,工件易产生弯曲变形、磨削烧伤、裂纹等缺陷，难以保证细长杆工件的尺寸公差、表面粗糙度的精度和其它外观质量。为解决细长杆工件磨削加工稳定性差及变形的问题，很多学者已经开展了大量工作，针对磨削加工过程中存在的磨削力大,磨削烧伤、砂轮磨损快等问题,结构化砂轮磨削是其热点研究方向，但目前尚未见有结构化砂轮磨削细长杆工件的相关文献报导。针对细长杆工件磨削过程中存在的磨削振动、变形、烧伤等突出问题，本文拟通过激光结构化实验制备结构化砂轮并开展细长杆工件的磨削对比实验，探究结构化砂轮在细长杆磨削过 程中的磨削性能。

        二、实验条件：
        2.1结构化设备：

        图1（a）为激光制备结构化砂轮实验装置示意图。脉冲光纤激光器的重复频率50 kHz、脉宽 30 ns、激光功率25 Wc振镜头可控制激光束按设定 的轨迹和速度进行扫描，以此获得不同的结构化形貌。为降低激光束离焦特性对沟槽参数的影响，进行结构化实验时将砂轮圆周表面按a角10。等分为 36份,分区域依次对砂轮圆周表面进行结构化。砂轮磨粒粒径是结构化形貌制备的关键参数，由此制备的3种结构化形貌如图1（b）所示。其沟槽角度、 宽度、深度参数分别为人字形结构（30°、50um、 50um），W形结构（60°、30um、50um）,斜纹结构（20°、 80um、50um）。

        2.2实验材料：

        细长杆工件材质为H13模具钢（直径30 mm、长径比28：1、磨削余量0.4 mm）,热处理后洛氏硬度HRC为52~55。选用树脂基刚玉砂轮（直径300 mm、宽度60mm）,粗磨时选用的砂轮粒度为60#,精磨时选用的砂轮粒度为120#。在进行结构化砂轮的制备和磨削实验之前，采用单点金刚石笔对砂轮进行修整，以保证其良好的轮廓精度和合适的磨粒出刃高度。

        2.3实验方案：

        磨削时采用顶尖与中心架结合的工件装夹方式进行外圆磨削（外圆磨床型号：XXX）,最大磨削直径320 mm,最大磨削长度1000 mm）,实验装置如 图2所示。磨削过程分粗磨、精磨两步工序,均采用逆磨加工方式，实验参数如表1所示。粗磨时，采用长度分段切入式磨削先去除大部分余量，分段间隔为50 mm,磨削深度、砂轮转速、工件转速分别为0.02 mm、1500 r/min、170 r/min。精磨加工方式为从左至右一刀纵向磨削，单因素实验参数如表1所示。工作台速度恒定为60 mm/min,砂轮与工件转速分别以200 r/min 20 r/min间隔取值，磨削深度以2um间隔取值，粗磨和精磨时均开启磨削液。

        采用非接触式的FLIR红外热像仪（型号FLIR SC300 series）进行磨削区域的温度测量，磨削后工件的表面微观形貌采用三维超景深显微镜（型号 VHX970F）进行观测。外圆磨削力测量装置是由 Kistler公司生产的平面磨削测力仪改造而来，需适配专用顶尖使用。工件外圆的三维表面粗糙度采用触针式三坐标仪进行测量。

        三、结果和讨论：

        3.1磨削力：

        使用普通砂轮及3种形貌的结构化砂轮分别进行粗磨，选用相同的磨削参数,采用测力仪对磨削过 程中的法向磨削力（稳定磨削阶段测得磨削力的平 均值）进行检测，得到的结果如图3所示。相较于普通砂轮的法向磨削力均值35.5 N,人字形与W形砂 轮在粗磨时磨削力的降低幅度分别为29.1%、 33.8%,而斜纹结构砂轮表现出略髙于普通砂轮的法向磨削力均值,其值为38.1 No从图4可以看出， 除W形砂轮外,其他三种类型的砂轮粗磨后工件表面均出现了不同程度的磨削烧伤，其中普通砂轮表现的最为严重。结构化砂轮磨削性能的差异主要与其结构化特征相关,合理的沟槽宽度与角度可 使单颗磨粒形成双切削刃并改善磨削液在砂轮表面的润湿情况，从而使砂轮更锋利并增强储液润滑能力（如W形砂轮）。而当结构化沟槽宽度超过磨粒粒径大小的1/2时（如斜纹砂轮），砂轮表面参与磨削磨粒的几何形状会被严重破坏,使得砂轮表面有效切削刃的数量进一步减少，最终导致磨削工况的恶化。

        根据粗磨阶段法向磨削力和工件表面形貌的对比结果，采用普通砂轮与W形砂轮进行不同磨削参数下的精磨对比实验，测量磨削过程中的磨削力，得到平磨削刀随加工参数的变化规律，如图5至6所示。可以看到，两种砂轮磨削过程中的法向磨削力与切向磨削力随着加工参数的变化均表现岀相同的变化趋势。随着砂轮转速的降低、工件转速和磨削深度的增大，法向磨削力与切向磨削力呈增大的变化规律。同等条件下，与普通砂轮相比，W形砂轮在磨削过程中的法向力与切向力均有所降低，法向磨削力比切向磨削力高30%左右，法向力降幅区间在24.5%至35%,切向力降幅区间在13%至33.3%，这是因为砂轮转速的增大会使得砂轮表面磨粒的有效切深变小,从而导致磨削力的降低,而当工件转速增大时,砂轮表面磨粒的有效切深会变大，同时参与磨削的磨粒数目增多，使得磨削力增大。相较于普通砂轮,W形砂轮表面不仅具备更多的有效磨削刃数量,砂轮表面沟槽的分布也会使得多数处于沟槽边缘的磨粒在磨钝后更容易脱落，这能有效增强砂轮的自锐性，保证了砂轮持久的锋利度，从而降低磨削力。

        3.2磨削温度：

        对精磨阶段的单因素实验中工件表面磨削区域的温度进行测量，得到其随加工参数的变化规律如图7所示。使用两种不同的砂轮在不同磨削参数下 测得的磨削温度的变化趋势大致相同，但在所有磨削过程中W形砂轮磨削的工件表面温度均较普通砂轮低，温度降低幅度在7.2%至13.5%。这说明W 形砂轮表面的结构化形貌不仅有效增加了砂轮表面的有效磨刃数量，同时提升了砂轮表面储液润滑、降摩散热的能力，使得磨削过程中的磨削力与工件表面的磨削温度同时降低。

        使用两种不同的砂轮进行磨削测得的磨削温度均随着砂轮转速和磨削深度的增大、工件转速的减小呈现增大的变化趋势。随着砂轮转速的增大，砂 轮圆周表面的“气障效应”会愈加明显，使得磨削液难以直接喷射到磨削区域，从而导致磨削温度的上升口。此外，磨粒有效切深的增大也会使得磨削区域温度升高，这与增大磨削深度导致磨削温度上升的原因是一样的。而当工件转速增加时，一方面磨粒有效切深的减小会使得磨削热的产生变少，另一方面随着工件转速的增大，部分磨削热还未来得及传递到工件表面便被磨削液带走，因而在工件表面测得的磨削温度降低。

        3.3工件表面粗糙度：

        磨削后的工件表面粗糙度是衡量磨削加工质量的重要标准。采用优化的磨削参数(砂轮转速1 000 r/min ,1件转速200r/min、磨削深度2um)，分别使用普通砂轮与W形砂轮进行精磨实验,并采用三维超景深显微镜、三坐标仪对磨削后的工件表面质量进行观测，结果如图8所示。磨削后工件表面 均可观测到较清晰的磨痕，这与所用砂轮的粒径相关。使用三坐标仪测得的经普通砂轮与W形砂轮 磨削后的工件表面粗糙度值Ra分别为0.16，0.19 其值基本相同，工件直线度均控制在0.1mm以内， 但普通砂轮磨削后的工件表面存在较明显的烧伤痕迹(图8a)。从图8对比可以发现，工件经两种砂 轮磨削后的表面滑擦痕迹有较大差异，使用W形砂轮磨削后的工件表面的滑擦痕迹更浅。这是因为工件表面的滑擦痕迹主要是由磨粒不断磨削形成的轮廓形状决定的，类似于按某种规律的“复印”结果。由于W形砂轮表面多数磨粒具备多磨削刃，使砂轮更“锋利”，因此W形砂轮能在降低工件表面磨削温度的同时保证工件表面质量。虽然没有实现磨削后工件表面粗糙度精度的提升，但这也进一步说明了结构化砂轮在减磨降摩、缓解磨削烧伤问题上的优势。

        四、结论：

        (1) 沟槽尺寸参数对结构化砂轮磨削性能的影响较大，结构化沟槽宽度超过磨粒粒径的1/2不利于提升砂轮磨削性能。

        (2) 相较于普通砂轮，W形砂轮在粗磨和精磨过程中的磨削法向力降幅分别为33.8%,35%,精磨阶段的切向力降幅为13%至33.3%。

        (3) 合理沟槽参数的结构化砂轮在外圆磨削过 程中可有效降低工件表面的磨削温度，缓解细长杆 钢件表面的磨削烧伤，但未实现工件表面粗糙度精 度的提升。

        本文数据来源:硬质合金2022年第39卷第2期，由株洲钻石切削刀具股份有限公司供稿，作者：吴丹，张严，项兴东