馮克明，趙金墜，丁春生，張國威，董德勝，高秋菊，高 翀

(1.鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，河南 鄭州 450001；2.白鴿磨料磨具有限公司，河南 鄭州 450199)

0 引言

磨削加工是機械制造中最常用的加工方法之一，其加工量約占機械加工總量的30%以上[1]。由于磨削加工時常作為機械零件的最后一道加工工序[2]，因此磨削對零件的表面質(zhì)量和加工精度起著決定性作用。然而，在磨削工程調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，僅僅依靠砂輪基本特征(磨料、粒度、結合劑、硬度、濃度等)，不足以表征砂輪的磨削應用性能。砂輪應用人員會時常提起 “砂輪是否鋒利”、“砂輪鋒利性(鋒利度)如何”、“砂輪鋒利度不夠”、“希望再提高砂輪鋒利性”等等。可見，砂輪鋒利往往是磨削加工的第一需求[3]。

從科技文獻上看，磨具表面磨粒越尖銳，磨具越鋒利[4]；砂輪鋒利度為單位時間里磨除量的多少[5]；潤滑劑有利于提高砂輪鋒利度[6]；壓力增大會加快磨粒的破碎，使砂輪表面更加鋒利[7]；砂輪鋒利度=磨除材料量/砂輪損耗量[8]；砂輪鋒利度=磨除材料量/磨削總時間[9]；砂輪鋒利度隨著砂輪磨損而降低[10]；鋒利性可以用克服摩擦力做功的大小來衡量[11]；砂輪越鋒利，其所消耗的功率就會越小[12]；提高胎體對磨粒的把持力，就是提高砂輪的鋒利度[13]；磨除量越大，說明砂輪越鋒利[14]；阻力越小，砂輪鋒利度就越高[15]；鋒利的砂輪會導致高的磨削效率，低的磨削力、磨削噪音，磨削溫度低、尺寸精度高、表面質(zhì)量好，砂輪消耗少；砂輪的銳利程度是恒定量，等等，眾說紛紜、各執(zhí)己見。顯然，砂輪鋒利性確是磨削工程技術人員最關心的重要指標[16-17]。

但是，關于砂輪鋒利性的描述仍是一個相對模糊的概念，至今沒有統(tǒng)一的定義或規(guī)范，甚至在部分場合及文獻中有明顯的錯誤理解。為了全面了解砂輪鋒利性及其相關知識，本文對砂輪鋒利性問題進行了全面梳理、分析與研究，旨為砂輪及磨削應用人員提供技術參考。

1 分析與探討

磨削與切削都是以去除工件表面材料為目的的加工方法，同屬于機械加工范疇。為了全面、科學地了解砂輪鋒利性，不妨先了解一下研究更早、更深、更成熟的刀具及其鋒利性相關知識。

1.1 刀具鋒利性

從應用角度看，刀具可分為分離加工用刀具和切削加工用刀具兩大類。分離類刀具主要有手術刀、日用刀、菜刀、剪刀等；切削類刀具主要有車刀、銑刀、刨刀、鉆頭等。對于手術用刀具，為了減少病人創(chuàng)傷及疼痛，行業(yè)不僅規(guī)范了臨床用刀片的鋒利度測試方法(切割縫合線過程中使線斷裂的最大力值)[18]，而且也明確了刀具鋒利度約束閾值(不大于0.8 N)[19-20]。對于日用刀具，國家已推出非強制性標準《GB/T 30769-2014 不銹鋼水果刀》[21]，將刀具鋒利度定義為刀刃切割物體能力的大小，測試時用切割深度來表征；在金剛石精密、超精密切削研究領域，由于切削材料相對偏軟、切深小，廣大學者主要是用刀具刃口鈍圓半徑R(在切削刃法平面內(nèi)測量的前刀面與后刀面交點的圓弧半徑的大小) 來評定(圖1)[22-26]，鈍圓半徑R越小表示刀具越鋒利，目前我國相關組織已制定了用原子力顯微鏡來檢測金剛石刀具刃口鋒利度測量方法[27]。對于普通切削刀具，目前還沒有統(tǒng)一的規(guī)范檢測標準，業(yè)內(nèi)公認的刀具鋒利性主要指切削平穩(wěn)、輕快，其表征參數(shù)主要用切割某種材料所施加的力、功、切入深度來評判[28-30]。

1.2 砂輪鋒利性

相對于切削刀具，砂輪呈多元、硬脆、非均質(zhì)特殊結構；微觀上砂輪表面磨粒眾多、空穴遍布，所有磨粒形狀、晶向、位置、出露高度以及空穴大小、形狀、深度等均呈微凸凹隨機分布。盡管工件磨削余量很小，但是砂輪表面與工件接觸實為多磨粒點接觸，在磨削中僅有距砂輪表面微納米內(nèi)的磨粒能完成對工件表面的接觸、干涉(與砂輪形貌及磨削參數(shù)有關)，其余磨粒仍處于潛伏、替補狀態(tài)。雖然砂輪表面磨粒工作姿位、幾何角度(前角、后角、尖角、鈍圓半徑)不確定，但磨削中所有磨粒均處于負前角 (γ=-30°～-60°)下工作(圖2)，因此砂輪磨削更多的是有效磨粒對工件表面的摩擦、擠壓(圖3)，磨粒承受很大的磨削載荷和很高的磨削溫度(500℃～1500℃)。再加上磨粒在高速下劃過磨削弧區(qū)，有效磨粒磨削厚度很小(微納米級)、連續(xù)工作時間極短(10-3～10-5s)、磨粒一直處于機械應力和熱應力的高頻沖擊作用，磨粒尖端快速鈍化、軟化、疲勞、開裂，磨屑熔融、嵌入、堵塞、壓實等頻繁發(fā)生，致使砂輪表面始終處于動態(tài)不確定的磨耗、粘附、破碎、脫落磨損之中，砂輪表面形貌不斷更新自銳。另外，除了砂輪表面形態(tài)、力熱復合作用、物理磨損變化以外，砂輪與工件在力熱耦合作用下兩者也會產(chǎn)生相應的化學反應，使砂輪與工件發(fā)生氧化、擴散、分解等，致使砂輪在不同磨削條件(磨床、砂輪、工件、磨削方式、修整、冷卻等)下表現(xiàn)出不同的砂輪磨損特征。由此可見，磨粒與工件材料的作用不僅是極其復雜的隨機非穩(wěn)態(tài)微納級切削過程，而且是大量有效磨粒動態(tài)共同對工件表面材料的摩擦、擠壓磨損過程。

由此可見，砂輪鋒利性含義遠復雜于切削刀具，全面了解砂輪鋒利性其磨削應用性能顯得更加重要。砂輪鋒利性不能用砂輪的基本特征或靜態(tài)指標[4]來表征，砂輪鋒利性表征應與其磨削對象、磨削時間、磨削相關條件相對應。

砂輪鋒利性應指砂輪表面的實際磨削能力，具體是在一定磨削條件下加工某一具體工件時所反映的磨削能力大小[31]。砂輪鋒利性具有時變性，非砂輪固有特性，它會隨磨削條件的變化而變化?？梢姡拜嗕h利性評價要與當下砂輪特性、砂輪表面形貌、磨削需求、磨削對象、磨削方式、磨削用量、磨削時間等相關因素有關：

F=f(s、x、m、t)

(1)

其中：F為砂輪鋒利性；s為砂輪基本特征因素，主要包括磨料、粒度、結合劑、濃度(組織)、硬度、規(guī)格、型號等；x為砂輪表面形貌因素，主要包括砂輪修整(整形、開刃)方法、修整參數(shù)、砂輪表面粗糙度等；m為砂輪磨削加工因素，主要包括磨削需求、磨削對象、磨削方式、砂輪有效寬度、砂輪速度、工件進給速度、磨削深度、磨削壓力、冷卻因素等；t為砂輪磨削時間因素，主要指砂輪持續(xù)磨削時長，或材料磨除量。

也就是說，砂輪鋒利性評價應在相同磨削條件下、針對某一具體工件、通過一定時間(磨削量)的磨削加工過程，用其磨削能力特征參數(shù)來表征。如用磨削力、磨削能耗來表征，磨削力、能耗越小，則表示砂輪越鋒利；用材料磨除量來表征，磨除材料越多，則表示砂輪越鋒利。砂輪鋒利性不能用某一瞬間磨削能力特征參數(shù)(如磨削力、磨削能耗等)來表征，不能用磨削某一材料或某一磨削方式而以點概面。

1.3 砂輪鋒利性表征

為了科學合理地表征砂輪鋒利性，國內(nèi)外許多學者進行了長期的研究、探索，提出了許多表征參數(shù)。下面僅從工程應用角度，分享介紹幾個可行的可量化的砂輪鋒利性表征參數(shù)。

1.3.1 磨削力

磨削力是表征砂輪磨削過程最重要最常用的參數(shù)。磨削力來源于砂輪表面與工件之間的摩擦、彈塑性變形以及磨屑生成過程。因此，在相同的磨削條件下，磨削力(特別是法向磨削力)是最能反映磨削過程砂輪鋒利相關信息。在相同的條件下，磨削力小，表示磨削阻力小、磨削輕快，砂輪磨削鋒利；同時，磨削力小也意味著在現(xiàn)有條件下可采用更大的進給參數(shù)，進一步提高磨削效率等。另外，也有人提出了用磨削力比(法向分力/切向分力)來表征，但是其靈敏度不高。

磨削力檢測比較復雜，特別是力傳感器的接入，會帶來磨削系統(tǒng)現(xiàn)有剛性的降低，影響正常磨削。為了不影響磨削工藝系統(tǒng)，工程上更多是通過采集砂輪磨削功率[32]、磨削電流[33]、磨削扭矩[34]等間接參數(shù)來替代磨削力測試，相關儀器接入方便，不影響現(xiàn)有工藝系統(tǒng)。

1.3.2 磨削比能

依據(jù)經(jīng)典磨削理論，磨削過程包括滑擦、耕犁和切削三個階段。對于不同磨削對象和磨削參數(shù)，三個階段之比例及消耗的能量也不同，因此可以用磨削比能(磨去單位體積材料所消耗的能量)作為砂輪鋒利性評價參數(shù)。磨削比能綜合反映了砂輪磨削能耗與材料磨除率之間的關系。磨削比能小，表示磨削過程中磨粒切削占比高，滑擦、耕犁占比低，說明材料易去除，砂輪相對鋒利。

另外，大量數(shù)據(jù)也表明[35-36]：砂輪表面磨粒銳利則磨削比能小，磨粒鈍化則磨削比能大；磨削比能隨著單顆磨粒最大切削厚度的增大或材料磨除率的增大而減??；在相同的磨削條件下，硬脆材料的磨削比能小于金屬材料的磨削比能，濕磨方式的磨削比能小于干磨方式下磨削比能等。

1.3.3 材料磨除率

材料磨除率即單位時間磨削效率或單位時間單位寬度砂輪材料磨除率。這些均可表征砂輪鋒利程度，材料磨除率高，表示砂輪鋒利。但是，材料磨除率受磨床進給方式影響很大，由于市售磨床絕大部分是定進給磨削方式，因此采用此方法測試不甚科學。采用材料磨除率評定最好能在恒力磨削方式下測試，在一定的磨削時間內(nèi)，通過檢測工件磨除量判斷，磨除量越大表示砂輪越鋒利；或在相同的磨削量條件下，通過檢測磨削時間來評價，磨削時間越短表示砂輪越鋒利。如行業(yè)內(nèi)切割砂輪質(zhì)量評比，目前均是在恒力加載方式下測試，單位時間內(nèi)切割材料越多或切割時間越短，表示砂輪越鋒利。

在學術研究領域，日本學者最早提出了恒力杠桿磨鋼球方法，此后又有人提出了恒力杠桿磨圓盤法[37]等。隨著磨削區(qū)面積加大，試件單位面積受力逐漸減小。通過記錄砂輪磨削進給和磨削時間之間關系，可分析砂輪磨除速度隨單位面積受力變化，評判砂輪鋒利性。該方法同時兼顧了材料磨除速度和磨削力兩個參數(shù)，能較全面地反映砂輪的鋒利度變化。但是，該方法需要單獨裝置測試，與磨削工程偏離較大，僅用于高校實驗室研究。

1.3.4 磨削時間常數(shù)

時間常數(shù)表示某物態(tài)過渡反應的時間過程的常數(shù)，是指該物理量按指數(shù)規(guī)律從最大值衰減到最大值的1/e所需要的時間。磨削時間常數(shù)通常指砂輪切入磨削過程中光磨階段法向磨削力從最大值衰減到其1/e所需要的時間。因此，采用磨削時間常數(shù)來評價砂輪當下鋒利狀態(tài)、接觸剛性是一種較好的測試方法。通過采集穩(wěn)定磨削階段磨削力以及光磨階段磨削力的變化率來計算。一般磨削系統(tǒng)剛性好、光磨時間短，磨削時間常數(shù)小，表示砂輪鋒利；砂輪表面粗糙，砂輪與試件接觸剛性小，磨削時間常數(shù)小，砂輪鋒利。隨著砂輪磨削的持續(xù)進行，砂輪表面磨損面積逐漸增大，磨削時間常數(shù)亦漸漸變大[38]；隨著進給速度加大，磨削時間常數(shù)漸漸變小[39]等。

另外，依據(jù)起始磨削階段磨削力變化快慢、所持續(xù)的磨削時間長短、工件每轉(zhuǎn)磨削深度的變化規(guī)律(尺寸生成加速度)等也可表征砂輪鋒利性。它們與光磨階段采集的磨削時間常數(shù)基本相同，均是基于磨削系統(tǒng)剛性而在不同的磨削階段的采集信號。但是，由于信息采集及處理相對復雜，再加上以上特征參數(shù)直觀性差，磨削工程領域應用不多。

1.4 關聯(lián)分析

砂輪鋒利是磨削順利進行的重要特征。主要是希望磨粒銳利、硬度高、有適量的韌性、化學穩(wěn)定性，磨削中結合劑可合理地自銳，磨屑不易堵塞空穴等。砂輪磨削鋒利性調(diào)控通常可從砂輪制造、磨削應用兩方面來考慮。

就砂輪而言，提高磨料硬度，有利于磨粒切入工件，提高砂輪鋒利性，如cBN磨料可取代剛玉用于難磨金屬材料加工；銳利的磨粒，鈍圓半徑小，可快速切入工件，減小熱效應；SG磨粒由成百上千個微晶團聚而成，韌性好，有更多的解理面，自銳性好；樹脂耐熱性低于陶瓷、金屬結合劑，在一定的磨削溫度下樹脂會首先軟化、老化，有利于促成鈍化的磨料脫落，生出新的磨粒；在濃度一定的條件下增大磨粒直徑，或在粒度不變條件時適當減少濃度，均會降低砂輪表面磨粒數(shù)量，提高單顆磨粒受力，加大磨粒切入工件；在砂輪磨粒數(shù)一定的條件下減小磨粒直徑，磨粒鈍圓半徑減小，也有利于切入工件；增大砂輪氣孔，便于容屑、減阻；添加潤滑材料，有利于減小摩擦、氣孔堵塞等。總之，在砂輪微結構中，磨料是其核心材料，主要起切削作用，而砂輪能否充分有效地使用起決定作用的卻是結合劑，只有兩者有效協(xié)同，才是砂輪高效應用的關鍵。

從磨削加工考慮，通過優(yōu)化磨削工藝參數(shù)也可調(diào)整砂輪的磨削鋒利性[40]。如在其他參數(shù)不變的條件下，提高砂輪速度或減小進給速度，均有利于減小磨粒切削厚度，降低磨削力，提高砂輪鋒利性；從砂輪與工件的接觸面積看，外圓磨削接觸區(qū)小，砂輪接觸剛性小，端面磨削不鋒利砂輪往往在外圓磨削中顯得相對鋒利；在不改變磨削效率的前提下，重構磨削工藝參數(shù)會打破現(xiàn)有工藝平衡，強化砂輪自銳；在滿足磨削質(zhì)量情況下，砂輪表面越粗糙越有利于降低砂輪接觸剛性，提高砂輪鋒利性；加大磨削液壓力、流量供給，不僅有利于磨削冷卻、砂輪沖洗、磨屑排除，而且可減少磨削區(qū)磨粒、結合劑、磨屑和工件表面之間的摩擦、擠壓、粘附、堵塞；選用潤滑性、滲透性、清洗性好的磨削液，會起到事半功倍的效果；在磨削中，順磨有利于減小滑擦、耕犁，提高切削占比；增加系統(tǒng)剛性，可減小磨削振動，進而改善砂輪鋒利性等。

砂輪鋒利性不能單獨作為評定砂輪磨削性能的指標。砂輪鋒利，只能表示砂輪當下磨削阻力小、砂輪自銳性好，并不能證明砂輪磨損小、壽命長、磨削效率高、磨削質(zhì)量好等。因此，在研究砂輪鋒利性的同時，特別還要考慮砂輪的耐用性。目前，國外高品質(zhì)的砂輪就是既有鋒利性，也有良好的砂輪耐用性。

2 試驗與分析

基于砂輪的特殊結構以及磨削過程中磨削力、磨削熱的高頻動態(tài)變化，磨削加工極其復雜。為了深入了解砂輪鋒利性及耐用情況，本文以磨削測試中最便捷、最經(jīng)濟的磨削功率作為砂輪鋒利性表征參數(shù)，以最通用、最方便的磨削比(工件磨除量/砂輪磨損量)來考察砂輪的耐用性，深入了解砂輪的磨削過程。

2.1 樹脂金剛石砂輪平面切入磨削硬質(zhì)合金

圖4、圖5、圖6是8片樹脂金剛石砂輪在臥軸矩臺平面磨床 (MM7120A) 上在相同條件下 (修整、磨削、磨削量等) 持續(xù)切入磨削硬質(zhì)合金試驗數(shù)據(jù)。由圖4可見，在磨削初期，八片砂輪平均磨削功率相差不大(最大約8%)，但是隨著磨削的繼續(xù)進行，砂輪表面形貌不斷變化，磨削功率差異逐漸突顯(最大達16%)。多片砂輪磨削功率繼續(xù)增加，個別砂輪基本持平或出現(xiàn)下降，這說明砂輪鋒利性存在異同，砂輪鋒利并非砂輪固有特性。進一步分析全程磨削功率(圖5)、磨削比(圖6)，發(fā)現(xiàn)八片砂輪磨削功率、磨削比差異明顯，功率從小到大依次為EF>C>B>A>H>G>E，兩者有一定的關聯(lián)性：功率最小砂輪(E)，磨削比最低，說明砂輪磨粒脫落過早，沒有達到充分應用；功率最大砂輪(C)，磨削比并非最高，說明磨削能量過多消耗在摩擦、擠壓過程中，能量有效應用率較低；磨削比最優(yōu)砂輪(D)并非磨削功率最大砂輪(C)，說明磨削過程中D砂輪用于磨屑形成占比高于C砂輪，能量有效應用率較好。由此可見，砂輪鋒利與耐用并非完全呈反比例關系，同時也進一步說明砂輪磨削工程的復雜性以及磨削優(yōu)化試驗的重要性。

2.2 陶瓷剛玉砂輪平面往復磨削軸承鋼

圖7和圖8是6片陶瓷剛玉砂輪在數(shù)控強力平面磨床 (FSG-B818) 上在相同條件 (修整、磨削、磨削量等) 下往復磨削軸承鋼試驗數(shù)據(jù)。由圖7、圖8可知，E砂輪不僅磨削功率最低，而且磨削比也最高。這說明在當下磨削條件下，E砂輪不僅鋒利，而且也最耐磨。這也是廣大工程技術人員最希望的測試結果，磨削輕快、成本又低，磨削能耗利用率最好。但是，根據(jù)多年工程經(jīng)驗，出現(xiàn)此種現(xiàn)象概率相對較低。

多片砂輪磨削測試進一步驗證：①砂輪鋒利并非砂輪固有特性，它會隨著磨削條件的變化而變化，砂輪鋒利性具有時變性；②磨削工程極其復雜，砂輪的鋒利性與耐用性看似矛盾的兩個方面，呈反比關系，實則兩者有關聯(lián)而又難以預測。在適當鋒利性下保持砂輪最大耐磨性才是工程技術人員的最高目標。

3 結論

(1)砂輪鋒利性是指砂輪磨削工件能力的大小。砂輪鋒利并非砂輪固有特性，砂輪鋒利性與當下磨削需求、磨削對象、磨削方式、磨削參數(shù)、磨削時間等因素有關，砂輪鋒利性會隨著磨削條件的變化而不同，具有時變性。

(2)工程上，磨削功率、電流、扭矩、磨削比能、材料磨除率、磨削時間常數(shù)等均可用來表征砂輪鋒利性。但是，砂輪鋒利性不能用砂輪的基本特征參數(shù)、或靜態(tài)指標、或某一瞬間磨削能力特征參數(shù)來表征，不能用磨削某一材料或某一磨削方式而以點概面。

(3)砂輪鋒利性和耐用性是砂輪的兩個核心指標。砂輪鋒利只能表示砂輪在當下磨削阻力小、磨削輕快，并不能證明砂輪磨損小、壽命長、磨削效率高等。在研究砂輪鋒利性的同時，必須同時考慮砂輪的耐用性。工程上不僅需要砂輪鋒利，還要考慮砂輪的持續(xù)鋒利、耐用。