砂轮锋利性及其关联分析与试验研究

冯克明，赵金坠，丁春生，张国威，董德胜，高秋菊，高 翀

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

0 引言

磨削加工是机械制造中最常用的加工方法之一，其加工量约占机械加工总量的30%以上[1]。由于磨削加工时常作为机械零件的最后一道加工工序[2]，因此磨削对零件的表面质量和加工精度起着决定性作用。然而，在磨削工程调研中发现，仅仅依靠砂轮基本特征(磨料、粒度、结合剂、硬度、浓度等)，不足以表征砂轮的磨削应用性能。砂轮应用人员会时常提起 “砂轮是否锋利”、“砂轮锋利性(锋利度)如何”、“砂轮锋利度不够”、“希望再提高砂轮锋利性”等等。可见，砂轮锋利往往是磨削加工的第一需求[3]。

从科技文献上看，磨具表面磨粒越尖锐，磨具越锋利[4]；砂轮锋利度为单位时间里磨除量的多少[5]；润滑剂有利于提高砂轮锋利度[6]；压力增大会加快磨粒的破碎，使砂轮表面更加锋利[7]；砂轮锋利度=磨除材料量/砂轮损耗量[8]；砂轮锋利度=磨除材料量/磨削总时间[9]；砂轮锋利度随着砂轮磨损而降低[10]；锋利性可以用克服摩擦力做功的大小来衡量[11]；砂轮越锋利，其所消耗的功率就会越小[12]；提高胎体对磨粒的把持力，就是提高砂轮的锋利度[13]；磨除量越大，说明砂轮越锋利[14]；阻力越小，砂轮锋利度就越高[15]；锋利的砂轮会导致高的磨削效率，低的磨削力、磨削噪音，磨削温度低、尺寸精度高、表面质量好，砂轮消耗少；砂轮的锐利程度是恒定量，等等，众说纷纭、各执己见。显然，砂轮锋利性确是磨削工程技术人员最关心的重要指标[16-17]。

但是，关于砂轮锋利性的描述仍是一个相对模糊的概念，至今没有统一的定义或规范，甚至在部分场合及文献中有明显的错误理解。为了全面了解砂轮锋利性及其相关知识，本文对砂轮锋利性问题进行了全面梳理、分析与研究，旨为砂轮及磨削应用人员提供技术参考。

1 分析与探讨

磨削与切削都是以去除工件表面材料为目的的加工方法，同属于机械加工范畴。为了全面、科学地了解砂轮锋利性，不妨先了解一下研究更早、更深、更成熟的刀具及其锋利性相关知识。

1.1 刀具锋利性

从应用角度看，刀具可分为分离加工用刀具和切削加工用刀具两大类。分离类刀具主要有手术刀、日用刀、菜刀、剪刀等；切削类刀具主要有车刀、铣刀、刨刀、钻头等。对于手术用刀具，为了减少病人创伤及疼痛，行业不仅规范了临床用刀片的锋利度测试方法(切割缝合线过程中使线断裂的最大力值)[18]，而且也明确了刀具锋利度约束阈值(不大于0.8 N)[19-20]。对于日用刀具，国家已推出非强制性标准《GB/T 30769-2014 不锈钢水果刀》[21]，将刀具锋利度定义为刀刃切割物体能力的大小，测试时用切割深度来表征；在金刚石精密、超精密切削研究领域，由于切削材料相对偏软、切深小，广大学者主要是用刀具刃口钝圆半径R(在切削刃法平面内测量的前刀面与后刀面交点的圆弧半径的大小) 来评定(图1)[22-26]，钝圆半径R越小表示刀具越锋利，目前我国相关组织已制定了用原子力显微镜来检测金刚石刀具刃口锋利度测量方法[27]。对于普通切削刀具，目前还没有统一的规范检测标准，业内公认的刀具锋利性主要指切削平稳、轻快，其表征参数主要用切割某种材料所施加的力、功、切入深度来评判[28-30]。

1.2 砂轮锋利性

相对于切削刀具，砂轮呈多元、硬脆、非均质特殊结构；微观上砂轮表面磨粒众多、空穴遍布，所有磨粒形状、晶向、位置、出露高度以及空穴大小、形状、深度等均呈微凸凹随机分布。尽管工件磨削余量很小，但是砂轮表面与工件接触实为多磨粒点接触，在磨削中仅有距砂轮表面微纳米内的磨粒能完成对工件表面的接触、干涉(与砂轮形貌及磨削参数有关)，其余磨粒仍处于潜伏、替补状态。虽然砂轮表面磨粒工作姿位、几何角度(前角、后角、尖角、钝圆半径)不确定，但磨削中所有磨粒均处于负前角 (γ=-30°～-60°)下工作(图2)，因此砂轮磨削更多的是有效磨粒对工件表面的摩擦、挤压(图3)，磨粒承受很大的磨削载荷和很高的磨削温度(500℃～1500℃)。再加上磨粒在高速下划过磨削弧区，有效磨粒磨削厚度很小(微纳米级)、连续工作时间极短(10-3～10-5s)、磨粒一直处于机械应力和热应力的高频冲击作用，磨粒尖端快速钝化、软化、疲劳、开裂，磨屑熔融、嵌入、堵塞、压实等频繁发生，致使砂轮表面始终处于动态不确定的磨耗、粘附、破碎、脱落磨损之中，砂轮表面形貌不断更新自锐。另外，除了砂轮表面形态、力热复合作用、物理磨损变化以外，砂轮与工件在力热耦合作用下两者也会产生相应的化学反应，使砂轮与工件发生氧化、扩散、分解等，致使砂轮在不同磨削条件(磨床、砂轮、工件、磨削方式、修整、冷却等)下表现出不同的砂轮磨损特征。由此可见，磨粒与工件材料的作用不仅是极其复杂的随机非稳态微纳级切削过程，而且是大量有效磨粒动态共同对工件表面材料的摩擦、挤压磨损过程。

由此可见，砂轮锋利性含义远复杂于切削刀具，全面了解砂轮锋利性其磨削应用性能显得更加重要。砂轮锋利性不能用砂轮的基本特征或静态指标[4]来表征，砂轮锋利性表征应与其磨削对象、磨削时间、磨削相关条件相对应。

砂轮锋利性应指砂轮表面的实际磨削能力，具体是在一定磨削条件下加工某一具体工件时所反映的磨削能力大小[31]。砂轮锋利性具有时变性，非砂轮固有特性，它会随磨削条件的变化而变化。可见，砂轮锋利性评价要与当下砂轮特性、砂轮表面形貌、磨削需求、磨削对象、磨削方式、磨削用量、磨削时间等相关因素有关：

F=f(s、x、m、t)

(1)

其中：F为砂轮锋利性；s为砂轮基本特征因素，主要包括磨料、粒度、结合剂、浓度(组织)、硬度、规格、型号等；x为砂轮表面形貌因素，主要包括砂轮修整(整形、开刃)方法、修整参数、砂轮表面粗糙度等；m为砂轮磨削加工因素，主要包括磨削需求、磨削对象、磨削方式、砂轮有效宽度、砂轮速度、工件进给速度、磨削深度、磨削压力、冷却因素等；t为砂轮磨削时间因素，主要指砂轮持续磨削时长，或材料磨除量。

也就是说，砂轮锋利性评价应在相同磨削条件下、针对某一具体工件、通过一定时间(磨削量)的磨削加工过程，用其磨削能力特征参数来表征。如用磨削力、磨削能耗来表征，磨削力、能耗越小，则表示砂轮越锋利；用材料磨除量来表征，磨除材料越多，则表示砂轮越锋利。砂轮锋利性不能用某一瞬间磨削能力特征参数(如磨削力、磨削能耗等)来表征，不能用磨削某一材料或某一磨削方式而以点概面。

1.3 砂轮锋利性表征

为了科学合理地表征砂轮锋利性，国内外许多学者进行了长期的研究、探索，提出了许多表征参数。下面仅从工程应用角度，分享介绍几个可行的可量化的砂轮锋利性表征参数。

1.3.1 磨削力

磨削力是表征砂轮磨削过程最重要最常用的参数。磨削力来源于砂轮表面与工件之间的摩擦、弹塑性变形以及磨屑生成过程。因此，在相同的磨削条件下，磨削力(特别是法向磨削力)是最能反映磨削过程砂轮锋利相关信息。在相同的条件下，磨削力小，表示磨削阻力小、磨削轻快，砂轮磨削锋利；同时，磨削力小也意味着在现有条件下可采用更大的进给参数，进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)来表征，但是其灵敏度不高。

磨削力检测比较复杂，特别是力传感器的接入，会带来磨削系统现有刚性的降低，影响正常磨削。为了不影响磨削工艺系统，工程上更多是通过采集砂轮磨削功率[32]、磨削电流[33]、磨削扭矩[34]等间接参数来替代磨削力测试，相关仪器接入方便，不影响现有工艺系统。

1.3.2 磨削比能

依据经典磨削理论，磨削过程包括滑擦、耕犁和切削三个阶段。对于不同磨削对象和磨削参数，三个阶段之比例及消耗的能量也不同，因此可以用磨削比能(磨去单位体积材料所消耗的能量)作为砂轮锋利性评价参数。磨削比能综合反映了砂轮磨削能耗与材料磨除率之间的关系。磨削比能小，表示磨削过程中磨粒切削占比高，滑擦、耕犁占比低，说明材料易去除，砂轮相对锋利。

另外，大量数据也表明[35-36]：砂轮表面磨粒锐利则磨削比能小，磨粒钝化则磨削比能大；磨削比能随着单颗磨粒最大切削厚度的增大或材料磨除率的增大而减小；在相同的磨削条件下，硬脆材料的磨削比能小于金属材料的磨削比能，湿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

材料磨除率即单位时间磨削效率或单位时间单位宽度砂轮材料磨除率。这些均可表征砂轮锋利程度，材料磨除率高，表示砂轮锋利。但是，材料磨除率受磨床进给方式影响很大，由于市售磨床绝大部分是定进给磨削方式，因此采用此方法测试不甚科学。采用材料磨除率评定最好能在恒力磨削方式下测试，在一定的磨削时间内，通过检测工件磨除量判断，磨除量越大表示砂轮越锋利；或在相同的磨削量条件下，通过检测磨削时间来评价，磨削时间越短表示砂轮越锋利。如行业内切割砂轮质量评比，目前均是在恒力加载方式下测试，单位时间内切割材料越多或切割时间越短，表示砂轮越锋利。

在学术研究领域，日本学者最早提出了恒力杠杆磨钢球方法，此后又有人提出了恒力杠杆磨圆盘法[37]等。随着磨削区面积加大，试件单位面积受力逐渐减小。通过记录砂轮磨削进给和磨削时间之间关系，可分析砂轮磨除速度随单位面积受力变化，评判砂轮锋利性。该方法同时兼顾了材料磨除速度和磨削力两个参数，能较全面地反映砂轮的锋利度变化。但是，该方法需要单独装置测试，与磨削工程偏离较大，仅用于高校实验室研究。

1.3.4 磨削时间常数

时间常数表示某物态过渡反应的时间过程的常数，是指该物理量按指数规律从最大值衰减到最大值的1/e所需要的时间。磨削时间常数通常指砂轮切入磨削过程中光磨阶段法向磨削力从最大值衰减到其1/e所需要的时间。因此，采用磨削时间常数来评价砂轮当下锋利状态、接触刚性是一种较好的测试方法。通过采集稳定磨削阶段磨削力以及光磨阶段磨削力的变化率来计算。一般磨削系统刚性好、光磨时间短，磨削时间常数小，表示砂轮锋利；砂轮表面粗糙，砂轮与试件接触刚性小，磨削时间常数小，砂轮锋利。随着砂轮磨削的持续进行，砂轮表面磨损面积逐渐增大，磨削时间常数亦渐渐变大[38]；随着进给速度加大，磨削时间常数渐渐变小[39]等。

另外，依据起始磨削阶段磨削力变化快慢、所持续的磨削时间长短、工件每转磨削深度的变化规律(尺寸生成加速度)等也可表征砂轮锋利性。它们与光磨阶段采集的磨削时间常数基本相同，均是基于磨削系统刚性而在不同的磨削阶段的采集信号。但是，由于信息采集及处理相对复杂，再加上以上特征参数直观性差，磨削工程领域应用不多。

1.4 关联分析

砂轮锋利是磨削顺利进行的重要特征。主要是希望磨粒锐利、硬度高、有适量的韧性、化学稳定性，磨削中结合剂可合理地自锐，磨屑不易堵塞空穴等。砂轮磨削锋利性调控通常可从砂轮制造、磨削应用两方面来考虑。

就砂轮而言，提高磨料硬度，有利于磨粒切入工件，提高砂轮锋利性，如cBN磨料可取代刚玉用于难磨金属材料加工；锐利的磨粒，钝圆半径小，可快速切入工件，减小热效应；SG磨粒由成百上千个微晶团聚而成，韧性好，有更多的解理面，自锐性好；树脂耐热性低于陶瓷、金属结合剂，在一定的磨削温度下树脂会首先软化、老化，有利于促成钝化的磨料脱落，生出新的磨粒；在浓度一定的条件下增大磨粒直径，或在粒度不变条件时适当减少浓度，均会降低砂轮表面磨粒数量，提高单颗磨粒受力，加大磨粒切入工件；在砂轮磨粒数一定的条件下减小磨粒直径，磨粒钝圆半径减小，也有利于切入工件；增大砂轮气孔，便于容屑、减阻；添加润滑材料，有利于减小摩擦、气孔堵塞等。总之，在砂轮微结构中，磨料是其核心材料，主要起切削作用，而砂轮能否充分有效地使用起决定作用的却是结合剂，只有两者有效协同，才是砂轮高效应用的关键。

从磨削加工考虑，通过优化磨削工艺参数也可调整砂轮的磨削锋利性[40]。如在其他参数不变的条件下，提高砂轮速度或减小进给速度，均有利于减小磨粒切削厚度，降低磨削力，提高砂轮锋利性；从砂轮与工件的接触面积看，外圆磨削接触区小，砂轮接触刚性小，端面磨削不锋利砂轮往往在外圆磨削中显得相对锋利；在不改变磨削效率的前提下，重构磨削工艺参数会打破现有工艺平衡，强化砂轮自锐；在满足磨削质量情况下，砂轮表面越粗糙越有利于降低砂轮接触刚性，提高砂轮锋利性；加大磨削液压力、流量供给，不仅有利于磨削冷却、砂轮冲洗、磨屑排除，而且可减少磨削区磨粒、结合剂、磨屑和工件表面之间的摩擦、挤压、粘附、堵塞；选用润滑性、渗透性、清洗性好的磨削液，会起到事半功倍的效果；在磨削中，顺磨有利于减小滑擦、耕犁，提高切削占比；增加系统刚性，可减小磨削振动，进而改善砂轮锋利性等。

砂轮锋利性不能单独作为评定砂轮磨削性能的指标。砂轮锋利，只能表示砂轮当下磨削阻力小、砂轮自锐性好，并不能证明砂轮磨损小、寿命长、磨削效率高、磨削质量好等。因此，在研究砂轮锋利性的同时，特别还要考虑砂轮的耐用性。目前，国外高品质的砂轮就是既有锋利性，也有良好的砂轮耐用性。

2 试验与分析

基于砂轮的特殊结构以及磨削过程中磨削力、磨削热的高频动态变化，磨削加工极其复杂。为了深入了解砂轮锋利性及耐用情况，本文以磨削测试中最便捷、最经济的磨削功率作为砂轮锋利性表征参数，以最通用、最方便的磨削比(工件磨除量/砂轮磨损量)来考察砂轮的耐用性，深入了解砂轮的磨削过程。

2.1 树脂金刚石砂轮平面切入磨削硬质合金

图4、图5、图6是8片树脂金刚石砂轮在卧轴矩台平面磨床 (MM7120A) 上在相同条件下 (修整、磨削、磨削量等) 持续切入磨削硬质合金试验数据。由图4可见，在磨削初期，八片砂轮平均磨削功率相差不大(最大约8%)，但是随着磨削的继续进行，砂轮表面形貌不断变化，磨削功率差异逐渐突显(最大达16%)。多片砂轮磨削功率继续增加，个别砂轮基本持平或出现下降，这说明砂轮锋利性存在异同，砂轮锋利并非砂轮固有特性。进一步分析全程磨削功率(图5)、磨削比(图6)，发现八片砂轮磨削功率、磨削比差异明显，功率从小到大依次为EF>C>B>A>H>G>E，两者有一定的关联性：功率最小砂轮(E)，磨削比最低，说明砂轮磨粒脱落过早，没有达到充分应用；功率最大砂轮(C)，磨削比并非最高，说明磨削能量过多消耗在摩擦、挤压过程中，能量有效应用率较低；磨削比最优砂轮(D)并非磨削功率最大砂轮(C)，说明磨削过程中D砂轮用于磨屑形成占比高于C砂轮，能量有效应用率较好。由此可见，砂轮锋利与耐用并非完全呈反比例关系，同时也进一步说明砂轮磨削工程的复杂性以及磨削优化试验的重要性。

2.2 陶瓷刚玉砂轮平面往复磨削轴承钢

图7和图8是6片陶瓷刚玉砂轮在数控强力平面磨床 (FSG-B818) 上在相同条件 (修整、磨削、磨削量等) 下往复磨削轴承钢试验数据。由图7、图8可知，E砂轮不仅磨削功率最低，而且磨削比也最高。这说明在当下磨削条件下，E砂轮不仅锋利，而且也最耐磨。这也是广大工程技术人员最希望的测试结果，磨削轻快、成本又低，磨削能耗利用率最好。但是，根据多年工程经验，出现此种现象概率相对较低。

多片砂轮磨削测试进一步验证：①砂轮锋利并非砂轮固有特性，它会随着磨削条件的变化而变化，砂轮锋利性具有时变性；②磨削工程极其复杂，砂轮的锋利性与耐用性看似矛盾的两个方面，呈反比关系，实则两者有关联而又难以预测。在适当锋利性下保持砂轮最大耐磨性才是工程技术人员的最高目标。

3 结论

(1)砂轮锋利性是指砂轮磨削工件能力的大小。砂轮锋利并非砂轮固有特性，砂轮锋利性与当下磨削需求、磨削对象、磨削方式、磨削参数、磨削时间等因素有关，砂轮锋利性会随着磨削条件的变化而不同，具有时变性。

(2)工程上，磨削功率、电流、扭矩、磨削比能、材料磨除率、磨削时间常数等均可用来表征砂轮锋利性。但是，砂轮锋利性不能用砂轮的基本特征参数、或静态指标、或某一瞬间磨削能力特征参数来表征，不能用磨削某一材料或某一磨削方式而以点概面。

(3)砂轮锋利性和耐用性是砂轮的两个核心指标。砂轮锋利只能表示砂轮在当下磨削阻力小、磨削轻快，并不能证明砂轮磨损小、寿命长、磨削效率高等。在研究砂轮锋利性的同时，必须同时考虑砂轮的耐用性。工程上不仅需要砂轮锋利，还要考虑砂轮的持续锋利、耐用。