金剛石磨具磨粒出刃高度的測試與調控研究進展

栗正新， 余 威， 王麗晶

(河南工業大學 材料科學與工程學院， 鄭州450001)

金剛石是目前用量最大的超硬磨料，它具有硬度高、強度高、鋒利性好、耐磨性好、導熱性好等特性，是制備高性能磨具的重要原料[1]。金剛石磨具主要用于玻璃、陶瓷、硬質合金等硬脆材料的磨削加工，目前已經廣泛應用于航空航天、模具制造、電子器件、光學材料、醫療器件、石材加工等領域[2]。

磨具中起磨削作用的是出露的磨粒，磨粒突出結合劑表面的高度稱為出刃高度，出刃高度對磨具的使用性能有重要影響[3-4]。磨粒出露適度，則磨具鋒利、加工效率高，而且還會降低磨削過程中的磨削力、磨削溫度、磨削功率等；磨粒出刃高度過高，會導致部分磨粒過早脫落，磨具磨損過快，使用壽命縮短；磨粒的出刃高度過低，則磨具不鋒利，甚至會導致無法正常磨削[5]。若出現磨粒出刃慢，磨削時磨粒出刃高度過低的情況，則需要借助于出刃技術來提高其出刃高度。

莊司克雄[6-7]提出一種用立體顯微鏡測量磨粒突出高度的“3D法”并研究了磨粒突出高度對磨削性能的影響。其結果表明磨粒突出高度較大時，磨削力的增加率較小，被加工表面的粗糙度及磨具磨損量較大，同時發現最佳磨粒突出高度與金剛石磨粒的種類、磨具硬度、加工效果等有關。因此，金剛石磨具出刃高度的檢測、表征與調控是制備高性能金剛石磨具的關鍵，對精密及超精密磨具的制備工作具有指導意義[8]。

1 金剛石磨具出刃高度的評價參數

磨具中磨粒的出刃高度即磨粒頂端的最高點到底部結合劑之間的距離，其均勻性、一致性決定了工件表面的磨削效果。大量研究表明金剛石磨具的出刃高度主要與磨料粒度及形狀[9-10]、磨料濃度[11-12]、磨料表面狀態[13-14]、結合劑種類及性能[15]、修銳手段[16]、被加工材質[17]等有關。目前，金剛石磨具出刃情況的評價尚沒有統一的標準,有些研究者提出通過磨粒出刃高度、有效磨粒出刃數目及有效磨粒出刃體積、磨粒出刃角度等來綜合評價磨粒的出刃情況及使用性能。

柯明月等[18]認為金屬結合劑金剛石工具中磨粒的出刃高度是指金剛石的頂點到包鑲金剛石兩側胎體溝谷間的距離，通過對金剛石刀頭面的出刃高度進行測定，得出鍍鉻金剛石磨粒的鉻層能夠實現金剛石與結合劑之間的冶金結合，提高了胎體對金剛石磨粒的把持力，與未鍍覆的金剛石相比，平均磨粒出刃高度提高20 μm。BLUNT等[19-20]提出可以從磨粒頂點曲率、磨粒密度、粗糙度等方面對金剛石砂輪表面參數進行評價。謝晉等[21]對不同粒度的金剛石砂輪表面進行參數化評價分析，得出磨粒出刃前角大、出刃后角小、出刃高度高、出刃體積大、有效磨粒數多時可以減小工件表面的粗糙度，提高工件表面質量。TAHVILIAN等[22]研究切削深度從小到大變化時對工件表面質量的影響，提出較大的磨粒寬度可以更好地提高磨削效率。武明洲等[23]研究發現出刃高度差嚴重影響有序排布金剛石工具的切削力。

2 金剛石磨具出刃高度的檢測方法

目前還沒有直接的方法對磨粒出刃高度進行檢測，主要是借助于微觀出刃形貌的檢測并利用計算機輔助系統來間接地進行觀測與計算。磨粒微觀出刃形貌的檢測方法按是否與試樣接觸可分為接觸式和非接觸式2種。其中，接觸式檢測方法主要有滾動復印法、觸針式輪廓儀法、劃擦法等，非接觸式檢測方法主要有光學顯微鏡法、超景深顯微鏡法、掃描電鏡法、激光法、白光干涉法等[24]。

由于金剛石磨粒的硬度較高，接觸式檢測易損傷探針而導致測量不準；此外，細粒度金剛石磨具的磨粒出刃高度較低，接觸式檢測無法采集完整的磨粒形貌。因此，目前金剛石磨具出刃高度的最佳檢測手段是非接觸式方法，尤其是近幾年發展起來的能夠在納米尺度觀測微觀三維形貌的激光檢測技術與白光干涉技術。下面就適用于出刃高度檢測的方法及其原理進行了詳細介紹。

2.1 光學顯微鏡法

光學顯微鏡法主要是利用帶有分刻度值的調焦旋鈕式反光顯微鏡,在出露的金剛石頂點及其溝谷兩側分別記錄準焦后調焦旋鈕的刻度值，所求出的高度差即為磨粒出刃高度。該方法也可以利用聚焦原理和三維圖像重構技術，獲取磨具表面的磨粒在不同高度上的序列圖像并實現多層圖像重構而求出其出刃高度。但該方法視野有限，無法實現全場觀測。謝晉等[21]利用光學顯微鏡法得出有效磨粒出刃高度、磨粒出刃角、磨粒出刃同形度可作為金剛石砂輪修銳后微觀出刃情況的評價參數。陳鋒等[25]利用顯微鏡并借助于計算機系統實現了對開刃后的超硬磨具的出刃高度檢測，并給出了磨粒近似為球形時的數學計算模型。

2.2 超景深顯微鏡法

超景深顯微鏡法是通過深度掃描分析二維圖像并借助于三維重構系統迅速合成三維重構圖像來實現磨粒出刃高度的測量。其原理是利用超景深顯微系統在不同景深下的聚焦功能，通過微調旋鈕將鏡頭聚焦到被測磨粒的最高點，圖像由模糊變清晰，然后再將鏡頭以同樣的方法聚焦到該磨粒的最低點位置，由此可以測出磨粒的出露高度范圍，最后通過超景深顯微系統里的3D分析軟件計算出磨粒最低點到磨粒最高點的距離，該值即為磨粒的出露高度。趙金墜等[16]采用超景深顯微鏡的3D圖形合成功能生成的三維形貌來檢測磨粒的出刃高度分布情況，并將磨粒所在剖面的徑向高度差定義為磨粒的出刃高度。王艷鳳[26]利用超景深顯微鏡研究磨粒初始的出刃高度與磨粒磨損的關系，發現磨粒初始出刃高度值逐漸減小時，磨粒的磨損量趨于平緩。

2.3 掃描電子顯微鏡法

掃描電子顯微鏡法是將待測試樣放置于樣品倉中并利用聚焦電子束對試樣的各點進行掃描，然后借助于3D重構技術來獲得其三維立體圖像并用畫等高線的方法來計算磨粒的出刃高度。WOJCIEH等[27]使用SEM和圖像分析技術研究金剛石砂輪表面磨粒的出刃形貌，其研究表明：該方法在借助于計算機輔助系統時可實現對磨粒出刃狀況的觀測和計算，但該檢測方法中的高能電子束對樣品有一定的損傷；另外，磨具中突出的結合劑及表面存在的凹坑也可能被重構到磨粒的輪廓圖中而導致測量不精準。

2.4 激光法

利用激光法[28-29]測量磨粒的出刃高度主要有激光共聚法、激光聚焦法及激光三角法等。

激光共聚法是利用激光共焦掃描顯微鏡對樣品表面進行掃描來檢測，借助于光學切片功能獲得的三維重構圖可用于檢測磨具表面的磨粒出刃高度[30-31]。其成像的最大特點是檢測精度較高，對樣品沒有破壞性，能夠實現高分辨率層析成像，不足之處是掃描速度較慢。

激光聚焦法[32-33]是以一個聚焦光點入射到被測表面上并通過對干涉條紋圖像進行相位分析來獲得樣品表面各點的實際高度，該法可檢測磨具表面磨粒的出刃高度、磨粒間距及密度，該法雖靈敏度較高，但振動對測量結果的影響較大。

激光三角法[34-35]的基本原理是由光源發出的一束激光照射在待測試樣表面并最終在檢測器上成像，當試樣表面的高度位置發生改變時檢測器上的圖像也發生相應的位移，通過像移、實際位移之間的關系式可計算出真實的物體位移。

XIE 等[36-38]采用3D激光顯微技術對金剛石工具的表面微觀出刃形貌參數進行評價，并對其同加工后的工件表面粗糙度的相關關系進行了研究，建模分析了修整后的金剛石砂輪表面磨粒數目、出刃高度、磨粒前角、磨粒間隙等參數的變化量，得出有效磨粒出刃數目及磨粒體積是影響砂輪磨削性能的關鍵參數。LIU等[39-40]采用激光掃描法獲得砂輪表面形貌并借助Origin8軟件繪制形貌等高線圖，分析修整前后磨粒突出高度的總體分布情況。

2.5 白光干涉法

白光干涉法是以白光為光源，利用白光干涉條紋的固有性質來進行表面微觀形貌的測量,其測定原理是根據最佳干涉位置的白光干涉條紋明暗度獲得磨粒出刃高度。CUI等[41-44]開發了基于白光干涉原理的金剛石砂輪表面信息專用測量系統，并實現了對金剛石磨粒出刃形貌及出刃高度的精密測量。

3 金剛石磨具出刃高度的調控技術

金剛石磨具在磨削過程中，磨粒會逐漸被磨損或者脫落。當磨粒被磨鈍以后，鋒利度急劇下降，導致磨削力增大，磨削溫度升高，損傷被加工工件表面；此外，磨削過程中產生的磨屑充斥并黏附在磨具容屑空間里，使磨粒被磨屑包埋，大大降低了其磨削性能。因此，為了使磨具既保持完整的幾何外形又具有一定的鋒利度，需要對其進行修銳來獲得新的磨削刃。調整金剛石磨具出刃高度主要是通過修銳過程來實現，該方法可以使磨具長時間保持微刃性且具有良好的切削性能；此外，出刃技術也可以使磨削過程中的磨削力減小，更有利于磨削正常進行。目前主要通過金剛石工具法、磨削法、軟彈性法、電解法、電火花法、激光法等修銳方式使金剛石磨具露出鋒利的磨削刃[45]。

3.1 金剛石工具法

金剛石工具法是用單顆?；蚨囝w粒金剛石筆、修整片、修整刀等對磨具進行切削加工，從而實現對磨具的修整，其裝置簡單、修整效率較高并且可以改善磨具的形狀精度，但磨具中的磨粒突出高度較低且切削刃很少，影響到被加工工件的表面精度。王帥[46]采用金剛石筆為修整工具對樹脂結合劑金剛石砂輪進行修銳處理，得到的磨粒出刃等高性較好。

3.2 磨削修整法

磨削法是獲得磨具高精度表面的重要方法之一。通過使用碳化硅、剛玉等磨塊與金剛石磨具對磨，普通磨粒發生破碎的同時會形成微切削刃，去除金剛石磨具中的結合劑，使磨粒突出高度增加。此方法不僅修整效率高而且磨具表面形貌較好，但修整工具的損耗較大[47]。莊司克雄[48]用杯型砂輪修整陶瓷結合劑砂輪，并獲得良好的效果。

3.3 軟彈性法

利用軟彈性法修整金剛石磨具時，金剛石磨具高速旋轉而砂帶緩慢轉動，利用砂帶與磨具的接觸力有效地去除金剛石磨具表面磨粒間的結合劑，此方法由王先逵最先提出[49]。與普通的超硬磨料修整工具相比，砂帶作為修整工具時其磨粒載體較軟且具有一定彈性。

3.4 電解法

電解法采用電解池裝置對磨具進行修銳處理。其中，磨具與直流電源正極相接為電解陽極，工具電極與直流電源負極相接為電解陰極，在陽極和陰極之間噴入具有電解作用的磨削液為電解液。該法主要用于金屬結合劑金剛石磨具中，原理是金屬結合劑的金屬在電解的過程中會生成金屬陽離子，與電解液中的氫氧根離子化合形成微小水溶性固體而被流動的電解液帶走，磨粒充分露出使磨具達到較好的磨削效果。OHMORI等[50]用在線電解技術對鑄鐵基砂輪進行修銳后，加工工件可達到鏡面效果。

3.5 電火花法

電火花法在修整金剛石磨具的過程中，需要在金剛石磨具和工具電極之間噴入磨削冷卻液，電壓加在工具電極與磨具之間，利用火花放電使黏結劑發生氣化而除去磨具表面的結合劑，從而使金剛石磨粒暴露出來。但放電溫度過高會導致磨粒的性能發生改變，有效控制磨具表面的溫度是電火花修整金剛石磨具的關鍵。干為民等[51]利用電火花修銳技術得到精度高、加工表面光滑、磨削效果好且去除量小的磨頭，并將其圓跳動誤差修整到0.003 mm。

3.6 激光法

激光法[52]是利用光學系統把激光光束聚焦成很小的光斑作用在磨具表面，除少部分激光被反射外,絕大部分激光被黏結劑吸收,溫度迅速升高而使黏結劑氣化后被去除。此方法不僅可以通過調整激光加工參數選擇性地去除結合劑材料而使磨粒具有一定的突起高度,達到修銳的目的，還可以同時去除磨具表面的金剛石磨粒達到整形的目的。該方法在修整時既沒有機械作用力也沒有修整工具的損耗，且激光作用時間短，作用面積小，對磨粒和黏結劑均無損傷，既提高了修整效率也保證了磨具的磨削性能，但修整工藝較復雜，成本較高。

金剛石磨具磨粒的出刃技術是其實現高效磨削、精密及超精密磨削的關鍵所在，其出刃手段種類繁多且各具優勢，在實際應用中需要綜合考慮被加工工件、 加工精度、材料去除率等因素來優選出刃方案并獲得最佳的出刃效果。

4 磨粒出刃高度分布研究

磨粒出刃高度是評價磨削性能的一項重要參數，工件的表面粗糙度、亞表面損傷及磨具的磨損情況等都和磨粒出刃高度有著十分緊密的關系。磨具的磨削性能不僅僅取決于其磨削條件，也取決于磨具中磨粒的出刃高度。

李廈等[53]研究砂輪表面上磨粒高度的平均值，發現磨削前后的磨粒出刃高度分布均近似為正態分布。DOMAN等[54-58]根據磨粒形狀、大小和分布密度得出磨粒出刃高度服從高斯分布(μ，σ2)。梅益銘等[59-60]在基于磨粒出刃高度成正態分布的基礎上做了大量的建模方法及模擬仿真實驗，驗證了仿真方法的正確性和有效性。

也有研究表明：磨粒出刃高度不服從正態分布。CHOU等[61]對所測磨粒高度值進行正態性檢驗，發現其不符合正態分布，而Johnson變換可以將非正態分布的數據轉換為符合正態分布的數據。NGUYEN等[62]認為磨粒高度服從非高斯隨機分布，當采用Johnson變換、小波變換及逆變換處理時[63]可實現高斯域和非高斯域的轉化。HECKER等[64-66]假定磨粒高度服從瑞利分布，推導了未變形磨屑厚度的計算表達式并基于硬度測試的定義建立了磨削力預測模型。郎獻軍等[67]根據磨粒形狀為圓錐形且突出高度服從瑞利分布的假設下，推導出平面磨削過程中未變形磨屑厚度的計算表達式。KOSHY等[68]建立了磨粒間距為Gamma分布且磨粒出刃高度相同的砂輪模型。綜上所述，可以利用統計學原理來研究磨具表面磨粒出刃高度的分布規律。

5 存在的問題及展望

國內外研究者經過大量的研究和分析,得出了磨具表面磨粒的特征主要有磨粒數量、磨粒的幾何形狀及分布[69]、磨粒的切削刃及其出刃高度[70-72]、磨粒間距等[73]。從傳統的圖像觀測手段[74-75]到計算機輔助系統下的新型檢測技術，再到磨粒識別與匹配技術[76-77]以及圖像拼接技術[78]等均可有效重構出磨粒的三維形貌[79]并觀測磨粒出刃高度的變化。然而，這些研究并沒有涉及結合劑性能、磨具硬度、磨削參數等與金剛石磨具中磨粒出刃高度的相關關系，因此綜合此類參數進行研究并對磨粒出刃高度進行調控是未來的研究趨勢，研究結果對于研制高性能磨具，實現高效高速高精磨削都有著積極的作用。