摘要：本論文利用超短脈沖激光法對(duì)超硬材料砂輪表面進(jìn)行結(jié)構(gòu)化加工。利用皮秒激光（tp＝10ps）在CBN砂輪表面磨削出規(guī)則圖像以降低磨削力并改善磨削效率。磨蝕結(jié)構(gòu)的分析沒(méi)有觀察到激光加工所引起的明顯的磨粒熱損傷。通過(guò)淬硬鋼100Cr6(60HRC)的平面磨削加工工藝對(duì)結(jié)構(gòu)化工具的磨削性能和磨損特性進(jìn)行測(cè)試研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示工具在經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)化處理后自銳性增強(qiáng)，磨削力降低了20%-25%，并顯著提高了長(zhǎng)時(shí)間磨削加工過(guò)程中磨削力的穩(wěn)定性。但最佳表面光潔度仍然由非結(jié)構(gòu)化磨具所得。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示磨蝕出的圖案形狀要比結(jié)構(gòu)化的程度高低對(duì)磨削性能的影響更大。
       關(guān)鍵詞：磨削，超硬材料，激光微加工
1 引言
       CBN砂輪較之傳統(tǒng)磨料砂輪的優(yōu)越磨削性能在很多學(xué)術(shù)研究和工業(yè)磨削工藝中得到了試驗(yàn)和研究。但傳統(tǒng)砂輪在工業(yè)制造仍占主流；CBN制品則主要用于難切割材料如淬硬鋼和高合金工具鋼等。CBN砂輪切削速度快，材料去除率高，磨損率低，磨削表面的熱損傷??；但也伴隨著工具成本高，磨削力會(huì)增大，以及有效加工難度提高等缺陷。這就對(duì)機(jī)械設(shè)備在硬度、主軸功率和附件設(shè)備等方面提出更多更高的要求。
       砂輪結(jié)構(gòu)化可以影響砂輪性能，從而改善磨削區(qū)域的切屑效率和冷卻液流量。表面帶有螺旋槽的陶瓷結(jié)合劑Al2O3砂輪的磨削力可以降低30%-60%。雖然沒(méi)有觀察到徑向工具磨損，但工件粗糙度卻比較高。結(jié)構(gòu)化的樹(shù)脂結(jié)合劑和陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪在干式磨削中也可類似地降低磨削力，但磨損率顯著增大且工件表面粗糙度比較大。熱模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示表面帶有軸向槽的砂輪可以降低磨削溫度并最終改善工件表面的整體質(zhì)量性能。結(jié)構(gòu)化處理除了影響磨削性能以外，Oliveira 等人還研究出了一種利用結(jié)構(gòu)化砂輪磨削加工產(chǎn)生常規(guī)表面紋理的方法。
       結(jié)構(gòu)化處理通常由機(jī)械修整器來(lái)實(shí)現(xiàn)，也有利用激光加工工藝的。本文利用皮秒脈沖激光燒蝕技術(shù)來(lái)進(jìn)行表面微結(jié)構(gòu)化處理，從而改善高強(qiáng)度結(jié)合劑CBN砂輪的磨削性能。特別是激光加工對(duì)磨粒的影響，以及表面結(jié)構(gòu)化程度對(duì)磨削性能的影響做了特別研究。
2 實(shí)驗(yàn)步驟和條件
2.1 激光結(jié)構(gòu)化處理
       實(shí)驗(yàn)利用固態(tài)皮秒激光器（波長(zhǎng)：1064mm，脈沖持續(xù)時(shí)間：10ps）對(duì)混合結(jié)合劑CBN磨頭（CB112-91-200-H，磨粒粒度：B91，直徑：15mm）進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理。激光加工工藝在4軸激光微加工工作臺(tái)上進(jìn)行。將工具夾緊在旋轉(zhuǎn)軸上，并固定在掃描鏡頭的焦點(diǎn)平面中心位置。通過(guò)B軸的逐步旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)部分結(jié)構(gòu)化加工處理；對(duì)于每一步，利用掃描頭的射束偏轉(zhuǎn)對(duì)工具表面指定區(qū)域進(jìn)行分區(qū)劃分。通過(guò)放置在光束路徑上的兩個(gè)減速板對(duì)激光束進(jìn)行圓形極化；其他激光參數(shù)如表一所示。在開(kāi)始實(shí)驗(yàn)之前，利用碳化硅砂輪（31C-80-H-10-190-V137-1）對(duì)磨頭進(jìn)行修整，得到較為規(guī)則的形狀和表面。利用溝槽因子ηp對(duì)每件工具的表面結(jié)構(gòu)化程度進(jìn)行表征。ηp定義為結(jié)構(gòu)化處理的砂輪公稱表面面積和非結(jié)構(gòu)化砂輪的公稱表面面積之比。

表一：激光加工參數(shù)

       為研究分析溝槽因子ηp對(duì)磨削特征的影響，實(shí)驗(yàn)制備了一套結(jié)構(gòu)化工具，其圖案類型的溝槽因子分別為ηp~60%和ηp~40%。圖案幾何形狀及其主要尺寸（寬度、深度、方向和激光間距）如圖1（左圖）所示。溝槽深度和寬度大致相當(dāng)于磨粒直徑，并對(duì)所有結(jié)構(gòu)化工具保持常量值。通過(guò)50%程度的重疊和13個(gè)重復(fù)磨蝕出4條平行軌道，以此獲得所需尺寸。利用間距類型的變化獲得不同的溝槽因子。
2.2 磨削
       利用淬硬軸承鋼100Cr6/AISI52100（60HRC）的平面磨削加工對(duì)工具性能進(jìn)行測(cè)試。所有測(cè)試在裝備有高速砂輪主軸的改進(jìn)5軸銑削中心上進(jìn)行操作。利用五頭噴水管噴頭進(jìn)行切削液供應(yīng)（合成油，Blasogrind HC5），Q＝40l/min。在切削速度Vc＝60m/s為常量的條件下完成兩個(gè)不同的測(cè)試步驟，以評(píng)估工具的加工性能、材料去除率的變化和磨損測(cè)試。表2為磨削參數(shù)。通過(guò)對(duì)磨削力、工件表面粗糙度和徑向工具磨損的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)對(duì)工具性能進(jìn)行表征。

表二：磨削測(cè)試參數(shù)

3 結(jié)果和討論
3.1 結(jié)構(gòu)化表面的表征
       利用SEM分析和三維光學(xué)聚焦顯微鏡對(duì)結(jié)構(gòu)化工具表面進(jìn)行表征。圖1（右）為對(duì)應(yīng)的形貌測(cè)量和不同溝槽因子條件下圖案類型尺寸間的差別。A2類型的頂部寬度縮減大概至一排CBN磨粒的寬度（包括結(jié)合劑材料）；B2類型菱形簇叢僅有幾顆CBN磨粒相互粘結(jié)在一起而成。

       溝槽的SEM觀察可以看到結(jié)合劑材料和CBN磨粒有明顯的磨蝕，而周圍材料則沒(méi)有熱損壞。除了SEM分析，實(shí)驗(yàn)還利用微拉曼光譜確認(rèn)激光加工CBN磨粒向六方氮化硼的熱激活過(guò)渡；對(duì)此，利用同樣參數(shù)的激光加工對(duì)單個(gè)磨粒（ABN605，B601）進(jìn)行結(jié)構(gòu)化加工處理。圖2展示了激光加工CBN磨粒（a）和對(duì)應(yīng)的未加工、加工磨粒區(qū)的拉曼光譜（b）。在磨粒頂面和激光磨蝕溝槽的中心區(qū)進(jìn)行拉曼測(cè)量。對(duì)于兩種加工磨粒，在每個(gè)磨粒的五個(gè)不同位置上進(jìn)行分析。光譜中1054cm-1處和1304cm-1處的CBN特征峰值明顯可見(jiàn)。但沒(méi)有在1367cm-1處觀察到任何峰值，說(shuō)明沒(méi)有六方氮化硼形成。因此，實(shí)驗(yàn)證明加工處理的CBN磨粒不存在熱影響區(qū)域。

3.2 磨削評(píng)價(jià)
       根據(jù)文獻(xiàn)資料，溝槽因子是影響結(jié)構(gòu)化砂輪磨削性能的主要因素。通過(guò)降低溝槽因子可以減小磨削力，但工件粗糙度則增大。這主要是由于砂輪工程表面積變小，有效切削刃數(shù)量降低的緣故。
       對(duì)于本研究中的結(jié)構(gòu)化工具和非機(jī)構(gòu)化基準(zhǔn)工具，測(cè)得的法向磨削力是材料去除率(MRR)的一個(gè)函數(shù)，如圖3、4所示。在同樣MRR值條件下，進(jìn)給速率vf增大時(shí)（圖3）磨削力的力值要比切削深度ae增大時(shí)（圖4）磨削力的力值低30%。和非結(jié)構(gòu)化工具相比，結(jié)構(gòu)化工具的力值要低25%-35%。雖然公稱有效表面積有明顯差值，但測(cè)量數(shù)據(jù)顯示A1-A2和B1-B2之間僅存在較小的偏移，平均約5%-10%；當(dāng)MRR和切削深度較大時(shí)，該偏移趨向增大。和A類型相比，B類型通常會(huì)導(dǎo)致力值較低。值得注意的是，雖然A2工具的溝槽因子要比B1工具低20%之多，但A2工具的力值基本上和B1工具的力值相當(dāng)，僅高出少許。這說(shuō)明圖案形貌對(duì)磨削性能的影響并沒(méi)有溝槽因子的影響大。工件表面粗糙度的評(píng)價(jià)和力值數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)較好。非結(jié)構(gòu)化工具實(shí)現(xiàn)了最佳表面光潔度。Ra和Rz基本不受溝槽因子影響；溝槽因子60%和40%之間的差值低于平均值5%左右。對(duì)應(yīng)的Ra和Rz的值如圖7、8所示。

圖三：切割深度為常量（ae＝0.06mm）條件下法向磨削力Fn和進(jìn)給速率Vf
圖四：進(jìn)給速率為常量（Vf＝1000mm/min）條件下法向磨削力Fn和切割深度ae

圖七：磨損試驗(yàn)中工件表面粗糙度Ra的變化
圖八：磨損試驗(yàn)中工件表面粗糙度Rz的變化

       磨損測(cè)試實(shí)驗(yàn)的力值測(cè)量如圖5、6所示。在實(shí)驗(yàn)快結(jié)束時(shí)基準(zhǔn)工具的力值保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，增幅超過(guò)40%；結(jié)構(gòu)化工具的平均力值在整個(gè)試驗(yàn)中都保持平均常量。對(duì)于B1，曲線走向與其他結(jié)構(gòu)化工具曲線略有不同。磨損試驗(yàn)結(jié)果和參數(shù)試驗(yàn)基本對(duì)照。曲線趨勢(shì)雖然略有不同，但60%和40%溝槽因子之間的磨削性能沒(méi)有大的變化。結(jié)構(gòu)化工具的力值積聚于耐久試驗(yàn)快結(jié)束時(shí)。除了B2，其他工具的Fn和Ft在試驗(yàn)之初都略有增長(zhǎng)，然后降低。

圖五：磨損試驗(yàn)中法向磨削力和材料去除V’w的對(duì)比
圖六：磨損試驗(yàn)中切向磨削力和材料去除V’w的對(duì)比

       根據(jù)工件表面粗糙度測(cè)量顯示，基準(zhǔn)工具的Ra和Rz保持相對(duì)常量；而結(jié)構(gòu)化工具的Ra和Rz值則隨著MR值的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)。結(jié)構(gòu)化工具的表面粗糙度更大，其中B類型表面粗糙度明顯高于A類型。A1和A2的粗糙度曲線幾乎一樣（V’w＝10200mm3/mm處的ΔRa＜10%）B1和B2的對(duì)應(yīng)值也保持一致；但B2趨勢(shì)顯示Ra和Rz常量上升；B1則在接近磨損試驗(yàn)結(jié)束時(shí)才變得穩(wěn)定。一般情況下，工件表面粗糙度的常量上升說(shuō)明結(jié)構(gòu)化砂輪表面形態(tài)的微磨損增加。
4 結(jié)論
       本研究借助皮秒脈沖激光技術(shù)對(duì)超硬材料CBN砂輪進(jìn)行微結(jié)構(gòu)化加工。該工藝能夠?qū)崿F(xiàn)任意表面結(jié)構(gòu)的制造加工，對(duì)工具的磨削性能和形狀、尺寸進(jìn)行精準(zhǔn)控制。SEM和微拉曼光譜分析發(fā)現(xiàn)皮秒激光加工技術(shù)對(duì)CBN砂輪的熱沖擊影響是可以忽略的。本研究制備并測(cè)試了若干個(gè)結(jié)構(gòu)化CBN工具。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化工具要比非結(jié)構(gòu)化工具穩(wěn)定，且磨削力比非結(jié)構(gòu)化工具低50%之多，這也是結(jié)構(gòu)化工具的一種自銳特性。和工具的有效公稱表面積相比，表面圖案類型對(duì)工具的磨削性能的影響較大。對(duì)比60%和40%的工具溝槽因子可以發(fā)現(xiàn)，磨削力、工件粗糙度和磨損之間的差值很小。 （編譯：中國(guó)超硬材料網(wǎng)）