蔡 頌 張 陽 龍賽瓊

劉文昊1 明興祖1

1.湖南工業(yè)大學(xué)

機械工程學(xué)院

湖南 株洲 412007

2.武昌工學(xué)院

綠色風(fēng)機制造湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心

湖北 武漢 430065

3.華中科技大學(xué)

機械科學(xué)與工程學(xué)院

湖北 武漢 430074

4.廣州海關(guān)技術(shù)中心

廣東 廣州 510623

0 引言

金剛石砂輪因其磨削性能優(yōu)異、抗磨損能力強等特點，在工程陶瓷、玻璃鋼、硬質(zhì)合金等難加工材料的磨削加工中獲得了廣泛應(yīng)用。但金剛石砂輪硬度極高，在加工修整上存在困難，一定程度上限制了金剛石砂輪的應(yīng)用。因此，研發(fā)人員不斷開發(fā)出多種修整金剛石砂輪的方法，部分金剛石砂輪修整方法的修整質(zhì)量、修整效率和能耗的對比如表1所示。

表1 部分金剛石砂輪修整方法對比Table 1 Comparison of some diamond grinding wheel dressing methods

采用普通砂輪磨削修整法、游離磨料研磨法[1]等機械方法修整金剛石砂輪時，對小砂輪能起到修整的作用，但修整大顆粒砂輪時，存在修整效率低、操作環(huán)境惡劣、磨料損耗嚴(yán)重等缺點[2-3]。電加工修整法雖能實現(xiàn)高效精密修整，但成本較高，且容易形成熱損傷。超聲修整法修整質(zhì)量良好，但能耗較高，需要與其他修整方法聯(lián)合使用才能達(dá)到理想的修整效果。激光修整金剛石砂輪，不僅修整效率高、質(zhì)量可靠，而且經(jīng)濟(jì)效益可觀。

為滿足修整需求，往往需要將多種方法進(jìn)行有機整合。激光修整法是一門集激光技術(shù)、電加工技術(shù)、傳感器技術(shù)及計算機技術(shù)于一體，多學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科和新興的先進(jìn)修整技術(shù)[4-5]。具體方式就是將脈沖激光束照射在待修整的砂輪表面，砂輪朝著定向勻速旋轉(zhuǎn)，通過控制激光參數(shù)使激光功率達(dá)到燒蝕閾值，獲得理想的磨粒突出高度和一定的容屑空間，從而實現(xiàn)金剛石砂輪表面修整的目的。

不同激光對砂輪的作用效果有所不同，脈沖激光適于加工金屬材料，主要用于修整砂輪表面，而連續(xù)激光適于加工非金屬材料，更適用于切割材料及激光測距等[6]。不同的激光加工參數(shù)對砂輪的作用效果也不同，如相同能量密度下，激光燒蝕低轉(zhuǎn)速砂輪效果會比高轉(zhuǎn)速的更劇烈，這是由于激光束在低轉(zhuǎn)速砂輪表面停留的時間更長。因此，選擇合適的激光器和激光參數(shù)，是獲得理想修整效果的關(guān)鍵所在。只有在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上不斷探索和研發(fā)新型修整技術(shù)，才能有效推動磨削技術(shù)的快速發(fā)展。

1 激光修整金剛石砂輪原理

因激光加工具有高加工效率、無損耗、非接觸、易控制等特點[7]，對金剛石砂輪能夠?qū)崿F(xiàn)理想的修整效果。激光修整金剛石砂輪的原理圖如圖1所示。由圖可知，利用金剛石與結(jié)合劑的燒蝕閥值不同，通過調(diào)節(jié)激光控制器的激光參數(shù)（如激光能量、砂輪旋轉(zhuǎn)速度），將聚焦的高能量激光束照射在金剛石砂輪的表面，實現(xiàn)修整金剛石砂輪的目的[8]。

圖1 激光修整金剛石砂輪原理圖Fig. 1 Schematic diagram of laser dressing diamond grinding wheel

修整金剛石砂輪可分為整形和修銳兩個步驟，示意圖如圖2所示。其中，整形是指切削金剛石砂輪使金剛石磨粒尖端發(fā)生輕微碎裂，形成鋒利的磨削刃的過程[9-10]；整形過程中還可通過加大激光功率密度，使其達(dá)到金剛石砂輪的燒蝕閥值，同時去除金剛石磨粒和結(jié)合劑。修銳是指將激光功率控制在結(jié)合劑燒蝕閥值和金剛石燒蝕閥值之間，將金剛石磨粒間多余的結(jié)合劑去除，使之擁有一定的容屑空間，并且使磨粒突出于結(jié)合劑之外，獲得理想的磨粒高度，形成切削刃的過程[11]。

圖2 金剛石砂輪整形、修銳示意圖Fig. 2 Schematic diagram of diamond grinding wheel shaping and sharpening

影響金剛石砂輪整形及修銳效果的因素較多。首先，砂輪表面的材料吸收光束能量的充分度與激光行進(jìn)的進(jìn)給速度及光束在砂輪表面停留時間密切相關(guān)，進(jìn)給速度越小，停留時間越長，砂輪表面材料的光束吸收率則越高，反之則光束的吸收率越小。其次，在一個脈沖循環(huán)內(nèi)，脈沖激光燒蝕占用的時間與整個工作周期的比值（即占空比），將直接影響激光脈沖峰值和導(dǎo)通時間，對修整效果會產(chǎn)生不同程度的影響[12]，即占空比決定了砂輪表面的粗糙度和修銳效果，占空比愈大，砂輪表面愈粗糙，修銳效果愈好。再次，激光輻射頻率對砂輪表面粗糙度和修銳效果的影響也不容小覷，砂輪表面粗糙度會隨著頻率的增大趨于平滑，修銳效果也會變差。除此之外，還有光斑重疊率[13-14]、光斑直徑、離焦量以及脈沖強度等激光參數(shù)帶來的影響還有待研究。

圖3為激光修整金剛石砂輪裝置的示意圖。當(dāng)高能量密度的激光束輻射砂輪表面時，激光能量能在極短的時間內(nèi)使燒蝕區(qū)域內(nèi)的砂輪材料瞬間受熱熔化、氣化。金屬結(jié)合劑開始?xì)饣螅す馊岳^續(xù)提供能量，這時金屬蒸汽被繼續(xù)強烈加熱，氣化效應(yīng)變得更加劇烈，同時出現(xiàn)高溫等離子體，產(chǎn)生的等離子體沖擊波會沿著激光束的入射方向噴出，其反作用力作用于砂輪表面，為熔融材料從燒蝕區(qū)域排出提供了強大的驅(qū)逐力，使激光燒蝕區(qū)域的熔融材料得到有效去除，從而獲得砂輪所需的加工形狀[15]。

圖3 金剛石砂輪激光修整裝置示意圖Fig. 3 Schematic diagram of laser dressing device for diamond grinding wheel

一般情況下，結(jié)合劑材料比金剛石更容易被燒蝕熔化，這不僅因為金剛石熔點高于結(jié)合劑熔點，還因金剛石為絕緣透明材料,透光性較好,激光照射到金剛石磨粒表面時,部分激光被反射,絕大部分激光將透過磨粒作用于周圍的結(jié)合劑上,使結(jié)合劑吸收大量的光能從而熔化甚至氣化，金剛石磨粒本身吸收激光的能量較少,因此金剛石砂輪更易實現(xiàn)修銳。

2 激光修整金剛石砂輪研究現(xiàn)狀

金剛石作為自然礦物中硬度最高的非金屬材料，20世紀(jì)80年代后期，被用于砂輪的超硬磨粒，不僅大大提高了超硬磨料砂輪的使用性能，而且延長了其使用壽命。超硬磨料砂輪中，金剛石砂輪使用最為廣泛，其磨削范圍幾乎覆蓋了全部的難加工材料，包括各種高硬、高脆、高強韌性等材料。

盡管金剛石砂輪具有如此優(yōu)良的磨削性能，但砂輪表面的磨粒在磨削加工過程中不可避免地會被逐漸磨損、磨鈍，使砂輪工作表面失去正確的幾何形狀，砂輪磨削加工精度急劇下降。因此，為了使金剛石砂輪在磨削過程中能保持幾何形狀的精準(zhǔn)性和磨粒的銳利性，需要對其進(jìn)行定期的修整。

2.1 砂輪修整工藝參數(shù)的優(yōu)化

20世紀(jì)80年代，N. Ramesh Babu等人[16]率先提出激光修整普通磨料砂輪的概念，并采用理論和實踐相結(jié)合的方式，證明了激光修整普通磨料砂輪是一種切實可行的修整技術(shù)；隨后，E. Westk?mper[17]第一次提出將激光技術(shù)應(yīng)用到超硬磨料砂輪的修整中，這對以后砂輪的精密修整起到推動作用。

C. Dold等人[18]研究了Yb: YAG皮秒級脈沖激光修整電鍍金剛石砂輪技術(shù)，并結(jié)合磨削實驗對比了激光修整和機械修整金剛石砂輪的磨削性能、砂輪表面形貌的艾伯特·費爾斯通曲線 (Abbott Firestone curves) 和粗糙度值，驗證了皮秒級脈沖激光修整超硬磨料砂輪的可行性，通過優(yōu)化工藝參數(shù)實現(xiàn)了皮秒激光器對金剛石磨粒的高質(zhì)量無損傷切割整形。

國內(nèi)學(xué)者李小保[19]及Min C. Q.等人[20]對陶瓷砂輪進(jìn)行了激光修整試驗研究，對砂輪修整質(zhì)量影響較大的幾個可變參數(shù)（激光功率、重復(fù)頻率、砂輪轉(zhuǎn)速、激光掃描速度、離焦量）進(jìn)行了優(yōu)化，獲得較為理想的陶瓷基金剛石砂輪修銳表面形貌和磨粒突出高度（見圖4[19]）。

圖4 優(yōu)化工藝參數(shù)修銳砂輪的表面形貌Fig. 4 Surface shape of the grinding wheel with optimized process parameters

鄧輝等人[21-22]利用脈沖納秒激光修整粗粒度青銅金剛石砂輪，通過調(diào)整脈沖納秒激光修整工藝參數(shù)，并對切向整形與徑向修銳的方式進(jìn)行大量實驗研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)激光整形后砂輪表面金剛石磨粒的脫落更少，等高性更好，出刃高度更合適，砂輪表面形貌更優(yōu)良（見圖5[21]）。

圖5 激光修整前后砂輪表面形貌圖Fig. 5 Topographic maps of the grinding wheel surface before and after laser dressed

2.2 不同砂輪材料的修整研究

不同的結(jié)合劑材料以及磨粒材料對激光能量的吸收不同?？等士频热薣23]為研究激光修整金剛石砂輪的燒蝕機理，通過Nd: YAG脈沖固體激光器對青銅樹脂為結(jié)合劑的金剛石砂輪進(jìn)行修整試驗，同時還對綠碳化硅（green silicon carbide，GC）砂輪進(jìn)行激光修整和機械磨削，探討燒蝕不同結(jié)合劑材料時所對應(yīng)的修整參數(shù)，并利用掃描電鏡觀測激光修整后的砂輪表面微觀形貌。研究發(fā)現(xiàn)激光修整的GC砂輪表面的磨粒較突出，容屑空間較大，磨削性能更好。

不同的激光參數(shù)會對砂輪材料造成不同的燒蝕效果，不同砂輪材料在受到激光燒蝕所展現(xiàn)的效果也會不同。為了更深入研究激光修整超硬材料砂輪機理，胡搒等人[24-26]進(jìn)行了一系列立方氮化硼（cubic boron nitride，CBN）砂輪修整試驗，證實了脈沖激光修整超硬磨料砂輪的可行性，且砂輪的修銳效果良好。陳根余等人[27-31]在超硬磨料砂輪激光修整技術(shù)的研究和推廣等方面做了大量的工作。其中包括：建立了一套基于三角測量原理的激光位移傳感器（光測傳感器件），以及高速單片機作為運算處理和控制核心的脈沖激光在線修整超硬磨料砂輪的實時控制系統(tǒng)，運用此系統(tǒng)進(jìn)行多次不同參數(shù)的燒蝕試驗，得出激光參數(shù)與形變的關(guān)系及脈沖激光在線修整技術(shù)的機理；首次研究了調(diào)Q Nd: YAG和光纖激光器修整超硬磨料砂輪技術(shù)，運用調(diào)Q Nd：YAG脈沖激光徑向輻照燒蝕青銅金剛石砂輪，實現(xiàn)了金剛石磨粒的無損傷微量去除，激光修整后的砂輪表面形貌較好（SEM圖[27]見圖6）；通過搭建光路接收系統(tǒng)，研究了激光結(jié)合機械的復(fù)合修整技術(shù)，進(jìn)一步提高了修整精度，為實現(xiàn)青銅金剛石砂輪精密修整奠定基礎(chǔ)。

圖6 青銅金剛石砂輪表面形貌SEM圖Fig. 6 Bronze diamond grinding wheel surface shape SEM figure

以上對于不同結(jié)合劑和砂輪材料的研究，進(jìn)一步拓展了激光修整技術(shù)的應(yīng)用，也為激光修整金剛石砂輪提供了理論參考。

2.3 激光修整過程及傳熱模型數(shù)值研究

在高能量密度脈沖激光作用下，砂輪材料的快速加熱、熔化與氣化、傳熱傳質(zhì)規(guī)律、熱物理缺陷層的形成、等離子體沖擊波以及熔融物的濺射機理等關(guān)鍵問題，直接影響激光修整金剛石砂輪的效率與質(zhì)量。由此可見，深入研究激光修整金剛石砂輪的機理，建立完善的激光燒蝕相互作用的數(shù)學(xué)理論模型，具有十分重要的作用。激光修整技術(shù)涉及高能量短脈沖激光束與超硬磨料砂輪復(fù)合材料間復(fù)雜的相互作用，很有必要對激光修整過程進(jìn)行有限元數(shù)值模擬仿真分析，深入理解修整過程中涉及的復(fù)雜物理、化學(xué)現(xiàn)象，揭示激光能量的吸收、傳遞及轉(zhuǎn)化過程，全面掌握激光、工藝參數(shù)對修整后金剛石砂輪的磨粒變質(zhì)層、表面形貌、形狀精度的影響規(guī)律[32]，進(jìn)而為實現(xiàn)激光修整技術(shù)的高效率、高質(zhì)量、全自動化提供重要且實用的理論依據(jù)和加工參數(shù)。

蔡頌等人[33-35]通過研究脈沖激光去除青銅金剛石表面結(jié)合劑的機理，首次提出修整過程中存在相爆炸現(xiàn)象（如圖7[35]）。通過大量實驗及理論研究發(fā)現(xiàn)，激光修銳青銅金剛石砂輪發(fā)生相爆炸及理想修銳效果的功率密度范圍，以及磨粒與磨粒之間存在適當(dāng)?shù)娜菪伎臻g可以有效避免發(fā)生相爆炸。

V. Phanindranath等人[36]對砂輪修整過程進(jìn)行建模，并提出三維不穩(wěn)定狀態(tài)熱傳導(dǎo)模型，描述了脈沖激光在砂輪表面受到阻塞后在砂輪內(nèi)部發(fā)生的瞬態(tài)熱現(xiàn)象。綜合考慮磨粒和結(jié)合劑屬性的變化，利用Nd: YAG脈沖激光在不同條件下修整砂輪，并對砂輪內(nèi)部瞬態(tài)溫度分布作數(shù)值模擬，計算得到了激光燒蝕凹槽形貌與分布結(jié)果。

為了更為深入地研究修整過程中的熱傳導(dǎo)效應(yīng)，陳根余等人[37]建立了二維瞬態(tài)傳熱數(shù)學(xué)模型，并通過實驗對比發(fā)現(xiàn)，激光修整過程石墨變質(zhì)層的影響規(guī)律和控制方式，以及激光修整后的砂輪表層微裂紋、石墨化變質(zhì)層等缺陷層的產(chǎn)生機理和抑制手段，對修整參數(shù)的選擇與優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。Cai S.等人[38]基于微觀等離子體運動層面，建立了脈沖激光燒蝕青銅金剛石砂輪傳熱物理模型，通過仿真分析砂輪表面溫度演變曲線的數(shù)值模擬（如圖8[38]），得到計算的數(shù)值與實際實驗結(jié)果一致，證實了模型的準(zhǔn)確性。

圖8 不同激光功率下金剛石砂輪表面的溫度變化Fig. 8 Temperature changes in grinding wheel surface under different laser power

上述研究都只是模擬脈沖激光修整熱傳導(dǎo)過程，且對數(shù)理模型進(jìn)行了大量簡化，這對激光修整機理的研究與工藝參數(shù)的確定與優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。但是目前對激光修整金剛石砂輪的過程進(jìn)行數(shù)值分析，仍然存在著模型建立困難、邊界條件復(fù)雜、計算量較大等難題，且難以同時考慮傳熱傳質(zhì)機理、流體動力學(xué)特性及等離子體熱電離機制等多場耦合問題，還須對其進(jìn)行深入探究。

彩圖

3 研究展望

激光修整作為新型熱加工修整方法，可實現(xiàn)快速、高效、可控修整，能解決金剛石砂輪難以修整的問題。自20世紀(jì)80年代以來，激光修整金剛石砂輪得到了快速發(fā)展，研究人員先后研發(fā)出Nd: YAG激光、Yd：YAG激光、光纖激光和聲光調(diào)Q YAG脈沖激光等不同類型和功率梯度的激光器，并將其應(yīng)用于修整各類材料的砂輪中，使修整效果得到極大提升。激光技術(shù)的發(fā)展解決了長期以來金剛石磨具難以修整的難題，獲得國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。激光修整金剛石砂輪具有廣闊的發(fā)展前景。

目前，激光修整技術(shù)仍然存在著許多技術(shù)性難題有待更深層次的探討和研究，如激光修整參數(shù)的整合、適配的激光修整控制裝備系統(tǒng)、修整系統(tǒng)的技術(shù)成本等。

1）激光修整金剛石砂輪參數(shù)的整合及其影響規(guī)律還有待完善。不同的修整參數(shù)對修整效果有不同影響，例如脈沖頻率對修整效果較為明顯，頻率越高，修整效果越差。若要獲得理想的砂輪表面質(zhì)量，在激光燒蝕金剛石工藝上還需進(jìn)一步探究。

2）更為完善的激光自動化控制修整系統(tǒng)。目前，激光修整機理研究是大部分學(xué)者的研究重點，但在自動控制設(shè)備裝置的設(shè)計研究方面仍較欠缺，如在加工特殊形貌砂輪時，此時激光燒蝕的熱力學(xué)特性、加工區(qū)域的砂輪表面形貌都瞬息萬變，這對激光修整在線監(jiān)測系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性等方面提出了更加極端的要求。加強對實時檢測及計算機控制系統(tǒng)的研究，才能更好實現(xiàn)成套裝備系統(tǒng)一體化操作。

3）投資成本高、后期維護(hù)繁瑣。將激光修整金剛石砂輪推廣至工廠化應(yīng)用，需要考慮到一次性投資成本高，且后期維護(hù)工作相對繁瑣的問題。

隨著修整技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的修整方式需要集激光、機械、電氣等多種方法于一體，進(jìn)行組合型修整才能更好應(yīng)用于實際，實現(xiàn)實時監(jiān)測、自動控制一體化發(fā)展。激光修整雖比普通修整技術(shù)更快速、更準(zhǔn)確，但在今后廣泛應(yīng)用的前景下，只有推動激光修整朝著適用范圍更廣、更經(jīng)濟(jì)高效、更節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展，才能實現(xiàn)優(yōu)化質(zhì)量、降低成本、提高效率的目的。