砂轮表面形貌定量评价及修整效果研究 ……………………………

刘 伟 商圆圆 邓朝晖等

1.湖南科技大学智能制造研究院难加工材料高效精密加工湖南省重点实验室，湘潭， 411201

2.湖南科技大学机电工程学院，湘潭， 411201

摘要：基于砂轮表面磨粒出刃面积，提出砂轮表面磨粒出刃面积率Sr的概念，在此基础上提出磨粒出刃度βd和磨粒出刃面积分散度δs两个指标来评价砂轮表面形貌特征。用滚轮修整器对树脂结合剂金刚石砂轮进行修整实验，分析了不同修整方式、修整深度和修整速比对βd和δs的影响。采用修整后的砂轮进行磨削实验，分析了不同特征参数的砂轮对磨削力和工件表面粗糙度的影响。研究结果表明，采用较小的修整深度、较小的修整速比，多次进给修整砂轮时，磨粒出刃度高、磨粒出刃面积分散度小，修整效果好。当βd为69.35%、为δs 1 000 μm2时，磨削力、表面粗糙度最小，表明砂轮磨削性能最好，证明修整质量最高。因此所提出的βd、δs两个指标能对修整后的砂轮表面形貌进行有效评价，且磨粒出刃面积的检测方法简单，检测效率较高。

关键词：砂轮；表面形貌；评价指标；修整；磨削

中图分类号： TG580

DOI：10.3969/j.issn.1004⁃132X.2018.19.002

Study on Quantitative Evaluations and Dressing Effectiveness for Surface

Topography of Grinding Wheels

LIU Wei1，2 SHANG Yuanyuan1，2 DENG Zhaohui1，2 LIU Rentong1，2

1.Hunan Provincial Key Laboratory of High Efficiency and Precision Machining of Difficult⁃to⁃cut Material，Intelligent Manufacturing Institute，Hunan University of Science and Technology，

Xiangtan，Hunan，411201

2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Hunan University of Science and Technology，

Xiangtan，Hunan，411201

Abstract： Based on the grain protrusion areas of the grinding wheel surfaces，a concept of grain pro⁃ trusion area ratio Sr was proposed. Then，two indexes，the degree of grain protrusion area βd and the de⁃ gree of grain protrusion area dispersion δs were proposed to evaluate the surface topography of the grind⁃ ing wheels. The dressing experiments of resin bonded diamond grinding wheels were carried out with a roller dresser，and the effects of different dressing methods，dressing depth and dressing speed ratio on the βd and δs were analyzed. The grinding experiments were carried out on the dressed grinding wheels， so as to analyze the influences of the grinding wheels with different characteristic parameters on the grind⁃ ing forces and the surface roughness of the workpieces. The results show that with the smaller dressing depth，the multi ⁃ feed dressing processes and the smaller dressing ratio，then the degree of grain protru⁃ sion area is high，the degree of grain protrusion area dispersion is small，and the dressing effectiveness is good. When βd is of 69.35% and δs is as 1 000 μm2，the grinding forces and the surface roughness are the smallest，which means that the grinding performance of the grinding wheels is the best，and the dressing quality is proved to be the highest. Therefore，the proposed indexes βd and δs may effectively evaluate the surface topography of the dressed grinding wheels，and the detection method of the grain protrusion areas is simple and efficient.

Key words： grinding wheel；surface topography；evaluation index；dressing；grinding

0 引言砂轮表面形貌特征作为磨削过程的重要影响

收稿日期： 2017－07－25

基金项目：国家自然科学基金资助项目（ 51505144）

因素，对砂轮的磨削性能有着决定性作用。砂轮表面磨粒在磨削过程中因磨损会产生钝化、破碎和脱落，因此需要对砂轮表面进行修整来保证砂轮表面磨粒的磨削性能。另外，修整后砂轮表面形貌特征也是评价修整好坏的重要参考因素。

近年来，国内外专家学者对砂轮表面形貌评价进行了一系列研究。谢晋等 建立了有效磨粒

［］ 1出刃高度、磨粒出刃角和磨粒出刃同形度的特征参数模式，对修整后磨粒微观出刃形貌进行了评价。韦凤 通过非接触检测技术和图像处理技术

［］ 2建立了砂轮表面微观形貌的参数化表征模式，通过有效磨粒出露体积和有效磨粒出露数来评价砂轮表面形貌。王帅 采用LK⁃G80激光测距仪对

［］ 3砂轮轮廓圆度进行测量，用砂轮磨粒等高性来评价砂轮的形貌特征。党希敏等 采用分形维数和

［］ 4等价出刃尺寸来分别评价砂轮磨粒的破碎程度和砂轮磨粒出刃的均匀程度。邓朝晖等 用积分光

［］ 5密度值对砂轮表面磨粒磨刃二面角进行评价。柯晓龙等 采用圆跳动误差值与圆弧半径误差值来

［］ 6评价修整后圆弧砂轮的表面形貌。以上学者从磨粒微观出刃角度对砂轮表面形貌进行了评价，但是相关评价方法并不全面，没有评定砂轮表面磨粒的分布情况。

苏玲玲等 采用静态磨刃密度CS、磨粒分布

［］ 7

均匀性CV两个评价指标定量评价了磨粒在磨具表面的分布形态。石际亮 针对单层CBN砂轮磨粒

［］ 8的分布问题，提出将磨粒方差和磨粒堆积连通域的比面积方差相结合的综合评价方法。这两种方法仅评价了砂轮表面磨粒的分布情况，并未评价磨粒的出刃情况。

霍凤伟等 对砂轮表面进行测量和分析，重构

［］ 9出砂轮表面三维形貌，计算出砂轮的磨粒出刃高度、有效磨粒数和磨粒间距等参数，并用此参数来评价砂轮。李厦等 检测砂轮的三维表面形貌，

［］ 10对磨粒密度、出露高度、有效出露高度等特征参数进行了研究。张涛 将 ISO25178⁃2标准中提到

［］ 11的幅值参数和空间参数应用于砂轮表面形貌的评价。康伟 采用幅值参数、空间参数、综合参数、

［］ 12功能体积参数来综合评价砂轮表面形貌特征。TAMAKI等 用磨粒最大出露高度、切削点径向

［］ 13分布和磨粒平均出露高度来评价金属结合剂金刚石砂轮的形貌特征。以上评价方法对砂轮表面磨粒的出刃和分布情况进行了综合评定，评价指标主要针对磨粒分布、磨粒出刃高度、磨粒微观出刃情况、切削刃数等。但现有的评价方法，或检测工作量大，或检测精度不高，或检测效率较低，不适合推广。

砂轮表面磨粒出刃面积检测比较简单，检测效率高，可作为评价砂轮表面形貌的重要特征参数之一，但目前有关砂轮表面磨粒出刃面积的研究鲜见报道。本文基于砂轮表面磨粒出刃面积， 提出砂轮表面磨粒出刃面积率的概念，在此基础上提出磨粒出刃度和磨粒出刃面积分散度两个指标来评价砂轮表面形貌特征。采用80号的绿色碳化硅砂轮作为修整器滚轮对100号的树脂结合剂金刚石砂轮进行修整实验，研究在不同修整条件下金刚石砂轮的磨粒出刃度和磨粒出刃面积分散度，以及不同砂轮表面形貌特征下砂轮的磨削性能。

1 两个砂轮表面形貌评价指标的提出

1.1 理论磨粒出刃面积率

金刚石砂轮表面的磨粒与结合剂平面相交的截面面积总和与砂轮表面面积之比为磨粒出刃面积率，即单位面积中磨粒的出刃面积的百分比。通过砂轮粒度号和砂轮浓度可以求出理论砂轮磨粒出刃面积率Sr，计算流程如图1所示，其中，砂轮粒度号对应磨粒直径，砂轮浓度对应磨粒的体积分数。已知磨粒出刃面积Sg与磨粒直径dg、出刃高度hg这两个随机量相关，因此需要求解二者的联合概率密度f ( dg, hg )，从而得到等效出刃面积Sg⁃ e，最后结合磨粒面积密度ρgnS求出Sr。

［］ 14

图1 计算流程图

Fig.1 Calculation flow chart

1.1.1 磨粒出刃面积

假设磨粒为球形，图2所示为磨粒出刃面积几何关系，可以得到磨粒出刃半径rg和磨粒出刃面积Sg如下：