1 引言
　　
　　CBN砂輪以其優良的磨削性能和磨削表面質量在高速、超高速磨削、難加工材料的高性能磨削、高效成型磨削等加工領域獲得了廣泛應用。在磨削過程中，由于磨削力和磨削區域高溫、粘附等作用，砂輪工作表面的磨粒會逐漸鈍化；同時，砂輪工作表面的磨粒會因不均勻磨損而失去正確的原始幾何形狀；此外，由于高速磨削的磨屑非常細小，很容易堵塞砂輪工作表面空隙。為使CBN砂輪始終保持良好的磨削狀態，在磨削過程中必須對砂輪進行修整。CBN砂輪的整形、修銳技術是CBN砂輪應用領域一個相當重要的研究課題。
　　
　　CBN砂輪的修整可分為整形和修銳兩個步驟。整形是通過改變砂輪的宏觀形狀，使砂輪達到要求的幾何形狀和尺寸精度，并使磨粒尖端微細破碎形成鋒利的磨刃；修銳則是通過去除砂輪磨粒間的結合劑，使磨粒凸出結合劑表面，形成必要的容屑空間，使砂輪具有最佳磨削能力。根據具體情況，整形和修銳可統一進行或同時完成，也可分步進行。
　　
　　2 CBN砂輪的整形方法
　　
　　CBN砂輪的整形方法較多，常用的有車削整形法、滾壓整形法、磨削整形法、電加工整形法等，近年來又出現了激光整形法。
　　
　　2.1 車削整形法
　　
　　車削法是采用單顆粒金剛石筆、粉末冶金金剛石筆或金剛石修整片等整形工具車削砂輪，以達到整形目的。
　　
　　1) 單顆粒金剛石筆整形
　　
　　單顆粒金剛石筆具有極高硬度和良好的耐磨性，因此常用于陶瓷結合劑或樹脂結合劑CBN砂輪的修整。金剛石筆的尖端由于受到熱和力的集中連續作用，磨損劇烈，因此修整時應通過合理供給冷卻液進行充分冷卻。采用單顆粒金剛石筆修整陶瓷結合劑CBN砂輪后，砂輪表面狀態不易達到磨削加工要求，容屑空間較小，切削刃較寬，磨削刃不鋒利，若直接用于磨削，初期磨削力和磨削溫度均較大，容易出現磨削燒傷和振紋，因此必須用油石對修整后的砂輪表面進行合理修銳。
　　
　　2) 金剛石片狀修整器整形
　　
　　采用粉末冶金方法將小粒度金剛石顆粒固結在硬質合金基體上，制成片狀修整器。用金剛石片狀修整器修整CBN砂輪的優點是費用較低，且片狀修整器磨損后性能變化不大，整形時可以采用較大的修整進給量而不會增大修整后砂輪的表面粗糙度。
　　
　　2.2 滾壓整形法
　　
　　滾壓整形法是利用旋轉的砂輪和滾壓輪之間的相對滾動壓裂結合劑橋，使磨粒表面崩碎出現微刃。滾壓輪可用硬質合金或淬硬鋼制成。滾壓整形法的特點是修整壓力大、修整效率及修整精度較低、修整后砂輪表面損傷層較深、切削刃密度較低、磨粒較尖銳、易磨損但不易堵塞。為降低滾壓力，增加滾壓穩定性，可在滾壓輪表面開出斜槽或螺旋槽。為避免砂輪表面產生周期性波紋，必須控制砂輪軸與滾輪軸的同軸度。
　　
　　2.3 磨削整形法
　　
　　磨削整形法是用普通磨料砂輪、金剛石砂輪、金剛石滾輪等與CBN砂輪對磨整形，或用CBN砂輪磨削低碳鋼進行整形。
　　
　　1) 普通砂輪磨削整形
　　
　　用綠色碳化硅或白剛玉陶瓷結合劑砂輪作為整形砂輪，用外圓磨削法對CBN砂輪進行整形。在整形砂輪軸上安裝制動器，使整形砂輪與CBN砂輪之間產生相對速度，可提高整形效率，相對速度越大，整形效率越高。該方法也可用于修銳，但應采用細粒度(150#～220#)修整砂輪。制動整形法的特點是整形壓力較大、對磨床剛性要求高，對樹脂結合劑砂輪容易產生過整形。
　　
　　2) 低碳鋼磨削整形
　　
　　低碳鋼磨削整形是利用CBN砂輪磨削低碳鋼時形成的流狀切屑來刮除結合劑，達到整形目的。該方法又可分為單滾筒法和雙滾筒法。雙滾筒法是利用兩個滾筒的速度差實現平穩整形，可提高整形質量。低碳鋼磨削整形的特點是修整效率及修整精度較低、磨粒脫落較多、整形質量不穩定。
　　
　　3) 杯形砂輪整形
　　
　　日本東京大學的莊司克雄研制的杯形砂輪修整器將修整進給變為切入進給，提高了修整精度。采用杯形砂輪對CBN陶瓷砂輪整形后，CBN砂輪的表面磨粒產生微小破碎，具有良好的容屑槽和尖銳的切刃。杯形砂輪對CBN砂輪的整形效果優于采用金剛石砂輪的整形效果。
　　
　　4) 金剛石滾輪整形
　　
　　金剛石滾輪是采用電鍍法或粉末冶金法將金剛石顆粒固結在金屬基體的圓周表面上制成的高效成型修整工具，其修整機理是通過金剛石滾輪與CBN砂輪的旋轉運動之間產生的相對運動來實現砂輪整形。修整進給量ar和修整速比q(q=vr/vs，vr為金剛石滾輪線速度，vs為CBN砂輪線速度)對修整后CBN砂輪的磨削性能有重要影響。采用較大修整速比q=修整后的CBN砂輪磨削力較小，但工件表面粗糙度較大。采用較大修整進給量ar修整后的砂輪較鋒利。S.Malkin 等人認為，金剛石滾輪整形法的修整機理和修整后砂輪的磨削性能主要由CBN砂輪磨粒軌跡與金剛石磨粒運動軌跡之間的夾角(干涉角d)控制，d 越大，修整力越小，但修整后的砂輪表面較粗糙。中速比的選擇范圍為q=0.4～0.7，精密磨削時應選取速比q<-1.0，具體數值應根據磨削粗糙度要求和砂輪特性確定，例如磨削精密氧化鋯零件時可采用速比q<-1.0 修整CBN陶瓷砂輪，這樣可獲得較低的粗糙度(Ra=0.06μm)和較高的圓度(0.6μm)。
　　
　　金剛石滾輪整形法的主要優點是結構簡單、滾輪耐用度高、能同時在砂輪全寬度上進行修整、修整時間短、修整力小、能復制特定的砂輪輪廓(尤其對復雜型面砂輪具有準確的復形能力)、適用于自動化生產。該方法在有載或無載情況下均可使用，可使修整時間與其它加工輔助時間交叉重合。
　　
　　2.4 電加工整形法
　　
　　電加工整形法只能用于金屬結合劑砂輪，主要有電解法、電火花法等。電解法用于整形相對比較困難。
　　
　　電火花整形法是利用旋轉砂輪與工具電極之間產生脈沖火花放電的電腐蝕現象來蝕除砂輪表面的金屬結合劑，以達到整形和修銳目的。在電火花整形過程中，砂輪與工具電極間產生的電火花放電脈沖在砂輪表面形成放電凹坑，在重復放電過程中，放電凹坑相互重疊，逐漸將砂輪修整到所需形狀。電火花修整的特點是加工力小、適于小直徑和極薄砂輪的修整；如配以高精度電極和合理的放電參數，可方便地實現對成型砂輪的快速、高精度整形。
　　
　　3 CBN砂輪的修銳方法
　　
　　常用的CBN砂輪修銳方法有自由磨粒修銳法、固結修銳工具修銳法、電加工修銳法、激光修銳法等。
　　
　　3.1 自由磨粒修銳法
　　
　　1) 氣體噴砂修銳
　　
　　以碳化硅、剛玉或玻璃珠等游離磨粒作為修銳介質，用壓縮空氣將修銳介質高速噴射到轉動的CBN砂輪表面，以去除部分結合劑，形成切削刃，達到修銳砂輪的目的。采用氣體噴砂修銳法時，應正確選擇磨料粒徑、噴射壓力和修銳時間。例如用粒徑為100～150μm 的玻璃珠，以60～70KPa 的壓力(或用粒徑50μm 的WA 顆粒，以100～140KPa 壓力)對CBN砂輪進行噴砂修銳，只需數分鐘即可獲得滿意的修銳效果。
　　
　　2) 超聲振動修銳
　　
　　被修砂輪以一定速度旋轉，將超聲振動修銳裝置調整到諧振狀態，按一定頻率和振幅作超頻縱向振動。將混油磨料(20#機油+碳化硅或剛玉磨粒)注入到修銳器與砂輪之間，利用修整元件傳遞的能量和主動顫振，使游離磨粒直接撞擊砂輪表面，對結合劑進行切削去除，使CBN磨粒凸出砂輪表面，獲得較好的修整效果。試驗表明，CBN砂輪與修整元件之間的預留間隙小于游離磨粒平均尺寸的1/2時，間隙大小對修銳效果沒有影響。
　　
　　3) 彈性修銳
　　
　　將混油磨料注入CBN砂輪與修整元件之間，由旋轉的砂輪帶動混油磨料通過砂輪與修整元件的間隙，游離磨粒擠研CBN砂輪上的結合劑以達到修銳目的。當游離磨粒碰到硬質點CBN磨粒時，可以轉向或退讓，而專門切削和擠研軟質點結合劑，同時修整過程中修整元件的自然顫振也增強了修整效果。彈性修銳法能有效修銳CBN砂輪，而不會破壞砂輪的形狀精度，可以通過選擇修整磨粒的平均尺寸，較準確地控制CBN磨粒的凸出高度。彈性修銳法常用于樹脂結合劑CBN砂輪的修銳。
　　
　　4) 游離磨粒擠壓修銳
　　
　　利用壓力(也可不用壓力)將碳化硅或剛玉磨粒注射到CBN砂輪與鋼修整輪之間，二者間隙應小于磨粒平均直徑。游離磨粒擠研CBN砂輪上的結合劑，使砂輪磨粒凸出結合劑表面，達到修銳目的。用該法修銳樹脂結合劑CBN砂輪時，初始磨損較大，磨削比較低。
　　
　　5) 液壓噴砂修銳
　　
　　該方法是利用高壓液體和磨粒的運動達到去除砂輪表面結合劑的目的。高壓泵以約15MPa的壓力和20 l/min的流量輸出冷卻液，冷卻液進入旋渦室形成負壓，并從側孔吸入大量空氣和修銳介質(碳化硅或剛玉游離磨粒)，與冷卻液混合后，通過陶瓷噴嘴以一定速度和傾角a噴射到轉動的CBN砂輪表面。
　　
　　用金剛石滾輪對CBN砂輪整形后再進行液壓噴砂修銳(修銳時間為30 秒)，可獲得良好的修銳效果。若砂輪僅進行整形，砂輪表面粗糙度為10～15μm；若整形后再進行液壓噴砂修銳，則砂輪表面粗糙度可增大到30～35μm。比較修銳后的表面粗糙度及CBN磨粒的平均直徑，可知CBN砂輪表面磨粒間的結合劑去除量約占CBN磨粒直徑的一半。若單獨增加修銳時間，會導致更多結合劑被去除，易使CBN磨粒脫落，因此修銳時間不宜超過極限修銳時間。
　　
　　液壓噴砂修銳是一種高效修銳方法，可在短時間內獲得滿意的修銳效果。用金剛石滾輪整形的同時進行液壓噴砂修銳可減少金剛石滾輪的磨損。在磨削過程中同時進行液壓噴砂修銳可增加金屬切除率。
　　
　　3.2 固結修銳工具修銳法
　　
　　碳化硅或剛玉塊切入修銳修銳塊在半徑方向上以切入速度vfr壓向CBN砂輪進行修銳，修銳塊磨粒的硬度足以切除CBN磨粒間的結合劑。當CBN磨粒與修銳塊磨粒相遇時，由于CBN磨粒硬度更高，修銳塊磨粒將發生破碎。修銳塊磨粒間隙中填滿碎磨粒有助于對結合劑進行切削，從而使CBN砂輪上較淺的磨粒脫落。被修整砂輪的有效粗糙度與剛玉塊單位寬度磨耗體積以及切入速度vfr有關，被修整砂輪的有效粗糙度最終將趨于一極限值，該極限值隨vfr的增大而增大。
　　
　　1) 普通砂輪磨削修銳
　　
　　用修整輪(碳化硅砂輪或剛玉砂輪)作切入式外圓磨削，修銳CBN砂輪。修整輪速度vr與CBN砂輪速度vs的關系應為vr≈vs-1(m/s)。
　　
　　2) 油石修銳
　　
　　油石修銳是應用較廣泛的修銳方法，它主要通過接觸區破碎磨粒的擠研作用去除CBN砂輪的結合劑。采用不同粒度的油石修銳后磨粒的凸出高度均在6～10μm。由于油石修銳無法獲得較大的磨粒凸出高度，因此不能用于大切削用量磨削用CBN砂輪的修銳。采用油石修銳法對電鍍CBN砂輪進行微量整形可去除鍍層表面過高或結合不牢的CBN磨粒，從而改善磨粒的等高性，減少電鍍砂輪型面的尺寸誤差。
　　
　　除上述修銳方法外，還有修銳棒、修銳膏、金屬絲刷、硬質合金塊、低碳鋼磨削修銳法、磁性磨料修銳法等。
　　
　　3.3 電加工修銳法
　　
　　常用的電加工修銳法有電解在線修整法(ELID)、電火花修銳法、電解電火花復合修銳法等。電加工修銳法的效率較高，可進行在線、在位修銳。
　　
　　電解在線修銳(ELID)法可實現對單晶硅、陶瓷鋼結硬質合金等的精密超精密鏡面磨削。在軸承鋼外圓磨削方面也取得了良好效果。例如用ELID 法磨削軸承鋼外圓，采用4000#鑄鐵結合劑CBN砂輪，表面粗糙度約為Ra0.020μm，磨后表面壓應力為150～400MPa。
　　
　　電火花修銳方法包括電火花放電修銳法、接觸放電修整(ECDD)法等，其工作原理與電火花整形相同。ECDD 修銳技術可使磨粒凸出量為常數，并能獲得高的材料去除率。應用ECDD 在線修銳磨削，可減小磨削力，延長砂輪壽命，提高磨削質量。
　　
　　3.4 新型修銳方法
　　
　　1) 激光修銳法
　　
　　將激光束垂直照射于砂輪上，利用激光產生的熱量使砂輪表面的結合劑部分融化蒸發或汽化，從而增加砂輪表面磨粒高度和有效磨粒數，改善容屑空間和磨粒等高性。當掃描能量密度一定時，激光的脈沖頻率和占空比對修銳效果有一定影響，其中激光頻率的影響更為顯著，頻率越高，修銳效果越差；增大占空比有利于改善修銳效果；增大激光功率有助于增大磨粒凸出高度。
　　
　　2) 高壓水噴射修銳法
　　
　　將高壓水柱垂直噴射于砂輪表面，利用水柱的高壓沖擊力去除砂輪表面的磨屑及部分結合劑，從而增加磨粒凸出高度，形成足夠的容屑空間。合理控制噴射壓力和噴射距離，可獲得良好的修銳效果。例如用325#CBN砂輪精磨Ti6Al4V合金時，采用107.1MPa的噴射壓力和20mm 的噴射距離進行修銳，可顯著延長修整周期和降低工件表面粗糙度，但過高的噴射壓力會導致砂輪損傷。高壓水噴射修銳法的特點是無需考慮修銳工具的磨損，修銳裝置簡單，易于控制和操作。
　　
　　4 結語
　　
　　CBN砂輪的整形方法較多，其中以金剛石滾輪整形法效果較好，在實際操作中可根據需要選擇合適的整形方法。CBN砂輪修銳方法的特點是避開對CBN磨粒的作用，直接針對結合劑進行蝕除，因此在各種CBN砂輪修銳方法中，自由磨粒修銳法效果較好。
　　
　　為提高CBN砂輪的修整技術水平，應加快對新型修整原理及其應用技術的研究。修整系統的發展應優先考慮通用的高效修整系統的設計與應用。目前東北大學正在進行超高速磨削和智能磨削技術的研究，與之相關的修整技術和智能修整系統的研究也在進行中。
　　
　　本文作者:東北大學 馮寶富 蔡光起
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