傳統磨削加工技術制造航空發動機核心零部件存在砂輪易磨鈍(dun)、修(xiu)整頻繁(fan)及廢品率高(gao)等問題(ti)，嚴(yan)重影響發(fa)動機的制(zhi)造效率、質量和成本。砂輪(lun)自(zi)銳(rui)技術是一種新興(xing)的砂輪(lun)磨削控(kong)制(zhi)技術，可通過砂輪(lun)工作面的磨粒微破碎保(bao)持磨粒切削刃(ren)密度，進而實現長時穩定的高(gao)鋒(feng)利度，有(you)助于(yu)航空發(fa)動機核心零部件的高(gao)質高(gao)效加工。分析(xi)了(le)具有(you)自(zi)銳(rui)能力的高(gao)性(xing)能砂輪(lun)發(fa)展現狀，對現有(you)的砂輪(lun)自(zi)銳(rui)表(biao)征方(fang)法進行了(le)總結，并對砂輪(lun)自(zi)銳(rui)機理(li)進行深入(ru)剖析(xi)，最后，對砂輪(lun)自(zi)銳(rui)技術研究方(fang)向進行了(le)展望。

       1 序言

       航空發動機（見圖1）是飛機的主要動力系統，是飛機的“心臟”，具有結構復雜、精密度高、服役工況惡劣和可靠性要求嚴苛等特征，被譽為“現代工業皇冠上的明珠”[1，2]。能否實現先進航空發動機自主制造是國家綜合國力的重要體現，對于經濟發展、國家安全等具有重要意義[3]。隨著航空發動機推重比、燃油經濟性以及可靠性要求的日益提高，發動機核心零部件惡劣的工作環境也對使用的材料提出了更加苛刻的要求，其核心部件的材料不僅廣泛采用鎳基高溫合金、鈦合金等典型難加工材料，而且金屬基復合材料、金屬間化合物等新型難加工材料的使用比例也逐漸提高。以熱端部件為例，一方面，其采用的鎳基高溫合金是典型的高強韌性難加工材料，具有抗蠕變性能優異、耐氧化和耐蝕性能良好等優點；另一方面，為滿足復雜熱力環境下對可靠性的高要求，發動機葉片榫齒和渦輪盤榫槽形狀復雜，加工精度和表面完整性要求高。采用硬質合金成形銑刀加工時，不僅極易產生刀具磨損，而且工件表面質量難以滿足使用要求[4]。

圖1　典型航空(kong)發動(dong)機剖面[2]

       近年來，以緩進深切磨削、高速/超高速磨削以及高效深切磨削為代表的高效磨削技術（見圖2）得到了極大的發展。這些加工技術不僅具有普通磨削加工精度高、表面質量好的優點，而且極大地提高了磨削加工的材料去除率，甚至可以將零件由毛坯一次精密加工成形，在以難加工材料為主的航空發動機加工中占有重要地位[4，5]。盡管先進磨削加工技術性能優勢顯著，但是實際應用中，工件的加工效率普遍處于較低水平。主要原因在于，常用砂輪磨鈍后無法通過磨粒破碎的形式形成新的切削刃，使得切削過程主要集中在劃擦、耕犁階段，不僅材料難以被有效去除，而且磨削熱量集中，極易引起燒傷，需要通過頻繁的修整保持砂輪的鋒利度，加工效率始終處于較低水平[6]。

圖2　花鍵軸成(cheng)形(xing)高(gao)效磨(mo)削工(gong)藝[4]

       砂輪自銳是指參與磨削的磨粒磨損至一定程度后破碎或脫落，使新的磨粒或切削刃出露并參與磨削的現象[7]。該現象與砂輪修整時磨粒切削刃自生成過程相似，因此稱為砂輪自銳[8]。當磨粒（見圖3a）發生磨耗磨損與磨粒脫落時（見圖3b、圖3c），磨粒切削刃無法快速形成，砂輪性能快速下降；但當磨粒磨損主要以大塊破碎，甚至微破碎為主時（見圖3d、圖3e），砂輪參與切削的微刃數保持穩定，切削能力得以保持，砂輪具有自銳性。因此，開發具有優異自銳性能的先進砂輪有助于維持砂輪高鋒利度的長時穩定，從而實現航空發動機難加工材料高質高效加工。

a）完整磨粒　　 b）磨耗磨損　　 c）磨粒脫落　　 d）大塊破碎　　 e）微破碎
圖3　單(dan)顆磨粒磨損類型[8]

       本文(wen)旨在對(dui)航空發動機核(he)心零部件(jian)高(gao)質高(gao)效(xiao)磨(mo)削的砂(sha)輪(lun)(lun)自銳技術研究(jiu)現狀進行全面總結，著重于(yu)高(gao)性能砂(sha)輪(lun)(lun)發展(zhan)現狀、自銳表(biao)征(zheng)方法、砂(sha)輪(lun)(lun)自銳機理(li)和高(gao)性能砂(sha)輪(lun)(lun)運用等幾方面的研究(jiu)成果，并對(dui)該類(lei)高(gao)性能砂(sha)輪(lun)(lun)制(zhi)備(bei)、控制(zhi)技術難點(dian)及發展(zhan)趨勢進行展(zhan)望。

       2 具有自銳特征的高性能砂輪發展現狀

       傳統砂輪主要由磨料、結合劑和氣(qi)孔組成(cheng)(cheng)（見(jian)圖(tu)4）。STETIU等[9]指出，可(ke)以通(tong)過(guo)(guo)調(diao)控結合劑強度(du)(du)，約束(shu)砂輪(lun)工(gong)作面磨(mo)(mo)粒(li)脫落速率，最(zui)終實現切(qie)削磨(mo)(mo)粒(li)的更(geng)新，具(ju)有一(yi)定(ding)自銳(rui)性。然而(er)，該類(lei)砂輪(lun)通(tong)過(guo)(guo)整(zheng)顆磨(mo)(mo)粒(li)脫落發(fa)生自銳(rui)，形狀精(jing)(jing)度(du)(du)難以長期保持，需要(yao)通(tong)過(guo)(guo)不斷修(xiu)整(zheng)才(cai)能滿足榫齒等型面精(jing)(jing)度(du)(du)要(yao)求(qiu)較(jiao)高(gao)的零件加(jia)工(gong)。此外，盡管在(zai)(zai)位機械修(xiu)整(zheng)磨(mo)(mo)削[11]、ELID磨(mo)(mo)削[12]等方法可(ke)以實現砂輪(lun)鋒利度(du)(du)的長時穩(wen)定(ding)，但(dan)對設備要(yao)求(qiu)較(jiao)高(gao)，大(da)規模(mo)推廣(guang)存在(zai)(zai)一(yi)定(ding)局(ju)限性。因此，通(tong)過(guo)(guo)改善(shan)磨(mo)(mo)料性能，從而(er)實現砂輪(lun)自銳(rui)，已成(cheng)(cheng)為研(yan)究熱點。

圖4　普通砂輪示(shi)意[9，10]

       20世紀80年代，3M公司首先采用溶膠-凝膠法合成了Seed-Gel陶瓷剛玉磨(mo)(mo)(mo)料(liao)（簡稱SG磨(mo)(mo)(mo)料(liao)），該磨(mo)(mo)(mo)料(liao)由亞微(wei)(wei)米級的(de)(de)(de)微(wei)(wei)晶顆粒(li)(li)組(zu)成，磨(mo)(mo)(mo)鈍的(de)(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)會在載荷(he)的(de)(de)(de)作用下沿微(wei)(wei)晶晶界發生沿晶斷裂，使(shi)(shi)新的(de)(de)(de)微(wei)(wei)切(qie)削刃持(chi)(chi)續出露，如圖5所示。獨特的(de)(de)(de)材料(liao)性能(neng)使(shi)(shi)得使(shi)(shi)用SG磨(mo)(mo)(mo)料(liao)制備的(de)(de)(de)砂輪可以通(tong)過持(chi)(chi)續不斷的(de)(de)(de)微(wei)(wei)破碎保(bao)持(chi)(chi)砂輪的(de)(de)(de)高鋒利(li)度，具有良好(hao)的(de)(de)(de)自銳性[13，14]。

a）普通剛玉(yu)磨料磨損表面形貌

b）SG磨料磨損表面形貌
圖5 SG磨料與普通剛玉(yu)磨料磨損表面形貌對比(bi)[14]

       以金剛石、立方氮化硼（CBN）為代表的超硬磨料具有硬度高、耐磨性好、導熱性能優異等優勢，在航空發動機難加工材料高效加工中具有獨特的優勢。但是，由于其各向異性的材料特性，傳統超硬磨料磨鈍后易沿解理面發生大塊破碎，使得磨粒的性能優勢無法充分發揮。該現象在單層電鍍砂輪和單層釬焊砂輪等高性能砂輪中尤為顯著[10，15]。

       在(zai)眾(zhong)多(duo)探索超硬(ying)磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)自(zi)銳性(xing)的(de)(de)(de)(de)工作中，湖(hu)南大學(xue)萬隆(long)教(jiao)授(shou)和日本宇都宮大學(xue)ICHIDA博士(shi)所在(zai)團隊(dui)的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)成(cheng)果尤其引(yin)人注意。萬隆(long)教(jiao)授(shou)團隊(dui)通過化(hua)學(xue)腐蝕(shi)方法在(zai)傳統金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)表(biao)面(mian)制備出(chu)微孔結構，從而形(xing)成(cheng)數(shu)量眾(zhong)多(duo)的(de)(de)(de)(de)微刃(ren)(ren)(ren)（見圖6）[16]。一(yi)方面(mian)，該磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)在(zai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)削工件材料(liao)時，單顆(ke)磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)切(qie)厚由于微刃(ren)(ren)(ren)數(shu)量的(de)(de)(de)(de)增加而急劇降低，使得硬(ying)脆材料(liao)主(zhu)要(yao)以(yi)(yi)塑性(xing)的(de)(de)(de)(de)形(xing)式被去(qu)除(chu)，減(jian)小了(le)應力集中造成(cheng)的(de)(de)(de)(de)亞表(biao)面(mian)損傷（見圖7）。相反地，常規(gui)金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)主(zhu)要(yao)以(yi)(yi)單切(qie)削刃(ren)(ren)(ren)去(qu)除(chu)材料(liao)，在(zai)相同(tong)磨(mo)(mo)(mo)(mo)削參(can)數(shu)下，單顆(ke)磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)切(qie)厚較(jiao)大，材料(liao)的(de)(de)(de)(de)脆性(xing)去(qu)除(chu)無法完全(quan)避免(mian)，表(biao)面(mian)/亞表(biao)面(mian)損傷大。另(ling)一(yi)方面(mian)，在(zai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)削過程中，磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)表(biao)面(mian)眾(zhong)多(duo)的(de)(de)(de)(de)微刃(ren)(ren)(ren)首先參(can)與(yu)切(qie)削，并逐漸發生磨(mo)(mo)(mo)(mo)損。在(zai)磨(mo)(mo)(mo)(mo)削力、熱作用下，磨(mo)(mo)(mo)(mo)鈍的(de)(de)(de)(de)微刃(ren)(ren)(ren)發生微破(po)碎，使得磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)內部的(de)(de)(de)(de)微刃(ren)(ren)(ren)出(chu)露，并繼(ji)續參(can)與(yu)磨(mo)(mo)(mo)(mo)削。脫落(luo)的(de)(de)(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)微刃(ren)(ren)(ren)則因磨(mo)(mo)(mo)(mo)削液的(de)(de)(de)(de)高壓沖擊與(yu)快速流動被迅(xun)速移(yi)出(chu)磨(mo)(mo)(mo)(mo)削弧(hu)區，不會影響磨(mo)(mo)(mo)(mo)削表(biao)面(mian)質(zhi)量。該現象顯著提高了(le)磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)的(de)(de)(de)(de)利用率與(yu)服役壽命(ming)，有利于從源頭增強(qiang)多(duo)孔金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)超硬(ying)磨(mo)(mo)(mo)(mo)料(liao)砂輪的(de)(de)(de)(de)鋒利度(du)與(yu)耐磨(mo)(mo)(mo)(mo)性(xing)。

a）原始金剛石

b）多(duo)孔金(jin)剛(gang)石1（催化劑：Fe；溫度(du)：950℃；保溫時間：2h）

c）多孔金剛石2（催化劑：Fe2O3；溫度：950℃；保溫時間：2h）
圖6　多孔(kong)金剛(gang)石磨粒(li)[16]

a）常規(gui)金剛石(shi)磨粒磨削

b）多孔金剛石磨粒磨削
圖7　常規金剛(gang)(gang)石磨(mo)粒(li)與多孔金剛(gang)(gang)石超硬(ying)磨(mo)粒(li)磨(mo)削對(dui)比

       日本宇都宮大學ICHIDA博士所在團隊則研發了一種由超細微晶CBN顆粒燒結而成的新型聚晶CBN磨粒，如圖8所示[17]。憑借其特殊的微觀結構，該磨粒具有宏觀層面各向同性的力學性能。當磨粒的切削刃磨鈍后，磨粒切削刃會在載荷的作用下發生沿晶斷裂，磨鈍的微晶顆粒自行脫落，使磨粒內部新的微晶顆粒出露，并參與磨削，砂輪鋒利度得到有效保持，從而實現砂輪的自銳。南京航空航天大學趙彪等人[18]和上海工程技術大學孫濤等人[7，19]則相繼采用微晶CBN和微晶金剛石開發了具有相似自銳性質的團聚CBN磨料和團聚金剛石磨料，取得了良好的磨削效果。

a）聚晶CBN磨粒

b）聚晶CBN磨粒斷裂面
圖8　聚(ju)晶CBN磨粒SEM圖[17]

       以上研(yan)究(jiu)表(biao)明，通過制(zhi)備具有(you)(you)特殊微結構(gou)的磨(mo)粒，可以實現砂輪(lun)(lun)自(zi)銳。該方法也(ye)可有(you)(you)效(xiao)避免(mian)砂輪(lun)(lun)快速磨(mo)損，以及對(dui)原有(you)(you)設(she)備的大幅改裝，對(dui)于航空發動機關鍵零部(bu)件高質高效(xiao)磨(mo)削加工具有(you)(you)重要意(yi)義。

       3 砂輪自銳性能表征研究現狀

       建(jian)立砂(sha)輪(lun)自銳性(xing)能(neng)表(biao)征方法(fa)，對揭(jie)示砂(sha)輪(lun)自銳機理，實現(xian)砂(sha)輪(lun)自銳過(guo)程穩(wen)定(ding)可控(kong)，以獲得(de)砂(sha)輪(lun)鋒利度的長(chang)時穩(wen)定(ding)具(ju)有重(zhong)要意義(yi)。因此，眾多學者重(zhong)點探討了(le)砂(sha)輪(lun)自銳性(xing)能(neng)的定(ding)性(xing)表(biao)征與定(ding)量表(biao)征方法(fa)。

       3.1 砂輪自銳性能定性表征

       砂(sha)輪(lun)(lun)(lun)自(zi)銳(rui)(rui)現象本質(zhi)上(shang)(shang)是砂(sha)輪(lun)(lun)(lun)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)的(de)(de)(de)(de)(de)一(yi)種(zhong)類(lei)型(xing)，眾多學(xue)者首(shou)先從磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)的(de)(de)(de)(de)(de)角度(du)對砂(sha)輪(lun)(lun)(lun)自(zi)銳(rui)(rui)性(xing)能開展定性(xing)表(biao)征(zheng)。早(zao)在(zai)20世紀70年代(dai)，STETIU和LAL[9]就嘗試(shi)對砂(sha)輪(lun)(lun)(lun)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)削后(hou)脫落的(de)(de)(de)(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)進行分(fen)類(lei)統(tong)計(ji)，討(tao)論砂(sha)輪(lun)(lun)(lun)硬度(du)與(yu)(yu)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)類(lei)型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)關系。孫方(fang)宏等(deng)(deng)[20]則采(cai)用(yong)掃(sao)描電子顯微鏡（SEM）等(deng)(deng)設(she)(she)備(bei)(bei)統(tong)計(ji)小(xiao)尺寸(cun)砂(sha)輪(lun)(lun)(lun)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)后(hou)各種(zhong)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)類(lei)型(xing)所占比例，用(yong)于評價金(jin)剛石磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)類(lei)型(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)耐磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)性(xing)。WU等(deng)(deng)[21]采(cai)用(yong)光(guang)學(xue)顯微鏡對砂(sha)輪(lun)(lun)(lun)工(gong)作(zuo)面的(de)(de)(de)(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)形(xing)貌進行了(le)離線(xian)跟蹤，通過跟蹤典型(xing)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)的(de)(de)(de)(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)過程(cheng)，表(biao)征(zheng)砂(sha)輪(lun)(lun)(lun)自(zi)銳(rui)(rui)性(xing)能。上(shang)(shang)述(shu)幾種(zhong)方(fang)法(fa)適用(yong)范圍廣(guang)，但存(cun)在(zai)工(gong)作(zuo)量大、效率低(di)等(deng)(deng)問題，同時，受限于SEM設(she)(she)備(bei)(bei)真空腔尺寸(cun)以及(ji)光(guang)學(xue)顯微鏡較低(di)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)辨力(li)，使(shi)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)的(de)(de)(de)(de)(de)局部(bu)區域磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)特征(zheng)（如微裂(lie)紋(wen)等(deng)(deng)）仍難以觀察(cha)。為(wei)此，南京航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天(tian)大學(xue)陳珍珍博士等(deng)(deng)[22]設(she)(she)計(ji)制備(bei)(bei)了(le)對稱結構的(de)(de)(de)(de)(de)鑲塊式砂(sha)輪(lun)(lun)(lun)（見(jian)圖9），可(ke)(ke)以將磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)削后(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)鑲塊單獨拆卸(xie)并(bing)采(cai)用(yong)SEM觀察(cha)，有效提(ti)(ti)升了(le)分(fen)辨力(li)。BUHL等(deng)(deng)[23]和戴晨偉等(deng)(deng)[24]的(de)(de)(de)(de)(de)單顆磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)削試(shi)驗裝置(zhi)與(yu)(yu)之相似（見(jian)圖10），都(dou)是將磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)削工(gong)具設(she)(she)計(ji)為(wei)部(bu)件可(ke)(ke)單獨拆卸(xie)結構，方(fang)便放置(zhi)在(zai)SEM設(she)(she)備(bei)(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)真空腔或共聚焦顯微鏡設(she)(she)備(bei)(bei)中開展形(xing)貌跟蹤。然而，上(shang)(shang)述(shu)方(fang)法(fa)均無法(fa)實現砂(sha)輪(lun)(lun)(lun)自(zi)銳(rui)(rui)的(de)(de)(de)(de)(de)在(zai)線(xian)、甚至在(zai)機檢(jian)(jian)測。為(wei)此，Zeng等(deng)(deng)[25]提(ti)(ti)出(chu)使(shi)用(yong)復形(xing)膠制作(zuo)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)砂(sha)輪(lun)(lun)(lun)工(gong)作(zuo)面的(de)(de)(de)(de)(de)掩(yan)膜(mo)，并(bing)使(shi)用(yong)SEM觀察(cha)掩(yan)膜(mo)塊上(shang)(shang)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)形(xing)貌演變過程(cheng)，從而實現間(jian)接的(de)(de)(de)(de)(de)在(zai)機檢(jian)(jian)測。

a）多孔CBN砂輪

b）光學顯微鏡圖

c）SEM圖圖

9　鑲塊(kuai)式砂輪(lun)[22]

圖10　單顆磨粒磨削試驗(yan)裝備[24]

       形貌跟(gen)蹤(zong)方法雖然實現了(le)磨(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)損(sun)過(guo)(guo)程(cheng)的(de)定性表征，但僅能辨認(ren)出磨(mo)(mo)粒各階段的(de)典型磨(mo)(mo)損(sun)特征，且受人員操(cao)作影(ying)響(xiang)較大。戴晨偉等(deng)[24]使用共聚焦顯(xian)微鏡對金(jin)剛石磨(mo)(mo)粒切(qie)(qie)削(xue)刃的(de)磨(mo)(mo)損(sun)過(guo)(guo)程(cheng)進行跟(gen)蹤(zong)，并借助共聚焦顯(xian)微鏡的(de)三維成(cheng)像功能成(cheng)功提(ti)(ti)取了(le)切(qie)(qie)削(xue)刃的(de)輪廓，直(zhi)觀展示了(le)磨(mo)(mo)粒切(qie)(qie)削(xue)刃磨(mo)(mo)損(sun)的(de)過(guo)(guo)程(cheng)，如圖11所示。除此之外，還有(you)文(wen)獻[26]提(ti)(ti)及了(le)借助磨(mo)(mo)削(xue)力信號以及聲發(fa)射信號等(deng)間(jian)接(jie)表征砂輪磨(mo)(mo)損(sun)的(de)過(guo)(guo)程(cheng)。

a）磨(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)損三維形貌

b）磨粒切削刃輪廓(kuo)演變

圖11　磨粒(li)三維形貌表征[24]

       在(zai)上述定性(xing)(xing)(xing)表征(zheng)方法中(zhong)，磨(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)損(sun)(sun)形貌的(de)(de)檢(jian)測、自銳性(xing)(xing)(xing)能的(de)(de)評(ping)(ping)價(jia)易(yi)受檢(jian)測條件、人員素質以及判別標準(zhun)等影響，各種(zhong)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)形式(shi)的(de)(de)評(ping)(ping)估誤差比(bi)較大。磨(mo)(mo)削(xue)力信號(hao)以及聲發射信號(hao)雖(sui)然可以反應砂輪(lun)整體磨(mo)(mo)損(sun)(sun)特征(zheng)，但卻無(wu)法表征(zheng)砂輪(lun)磨(mo)(mo)削(xue)中(zhong)最基本(ben)的(de)(de)磨(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)損(sun)(sun)行為[27]。因(yin)此(ci)，砂輪(lun)磨(mo)(mo)損(sun)(sun)定性(xing)(xing)(xing)表征(zheng)仍存(cun)在(zai)局(ju)限性(xing)(xing)(xing)。

       3.2 砂輪自銳定量表征

       磨(mo)(mo)(mo)(mo)耗磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)是砂輪(lun)磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)的重要類型之一(yi)，對砂輪(lun)磨(mo)(mo)(mo)(mo)削(xue)性(xing)能影響(xiang)顯著(zhu)。呂(lv)玉山等[28]采(cai)(cai)用二值化處理方法(fa)(fa)提(ti)取(qu)了磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)頂部磨(mo)(mo)(mo)(mo)耗平(ping)臺(tai)面積比(bi)例，并(bing)探明了磨(mo)(mo)(mo)(mo)耗磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)與(yu)磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)排布之間的影響(xiang)機(ji)制(zhi)。GOMES[29]和WIEDERKEHR等[30]提(ti)出采(cai)(cai)用機(ji)器學習方法(fa)(fa)，研究工具切削(xue)的磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)行為，并(bing)實現砂輪(lun)表(biao)面磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)的高(gao)精度分(fen)辨(bian)（見(jian)圖12）。MAHATA等[31]結合支持向量機(ji)，提(ti)出采(cai)(cai)用自適(shi)應時(shi)域分(fen)析技(ji)術（Hilbert Huangtransform方法(fa)(fa)）用于提(ti)取(qu)時(shi)域-頻域中的工具磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)特征。

圖12　基(ji)于深度學習的磨(mo)粒磨(mo)損形貌識(shi)別[30]

       清華大學李學崑等(deng)[32]將(jiang)不(bu)同磨(mo)(mo)損(sun)階(jie)段(duan)(duan)的(de)砂(sha)(sha)(sha)(sha)輪(lun)(lun)(lun)形(xing)貌復(fu)形(xing)至(zhi)石墨表面(mian)(mian)(mian)，通過測量磨(mo)(mo)痕深度，間(jian)接獲得了(le)(le)砂(sha)(sha)(sha)(sha)輪(lun)(lun)(lun)的(de)徑向磨(mo)(mo)損(sun)，從而實現砂(sha)(sha)(sha)(sha)輪(lun)(lun)(lun)磨(mo)(mo)損(sun)時變(bian)特(te)征的(de)研究(jiu)（見圖13）。然而，基于上述方(fang)法(fa)僅能(neng)得到(dao)(dao)砂(sha)(sha)(sha)(sha)輪(lun)(lun)(lun)宏觀層面(mian)(mian)(mian)的(de)磨(mo)(mo)損(sun)信(xin)息。戴(dai)晨偉等(deng)[33]基于復(fu)形(xing)方(fang)法(fa)獲取了(le)(le)砂(sha)(sha)(sha)(sha)輪(lun)(lun)(lun)工(gong)作面(mian)(mian)(mian)三(san)維形(xing)貌，并提出(chu)(chu)磨(mo)(mo)粒(li)(li)各階(jie)段(duan)(duan)的(de)高度信(xin)息，從而為(wei)預測工(gong)件磨(mo)(mo)削表面(mian)(mian)(mian)形(xing)貌提供數據支(zhi)撐。但是(shi)，該方(fang)法(fa)將(jiang)磨(mo)(mo)粒(li)(li)簡化為(wei)垂(chui)直的(de)圓錐，未考慮到(dao)(dao)實際(ji)磨(mo)(mo)粒(li)(li)形(xing)狀、位姿差(cha)異對結果的(de)影響。CUI等(deng)[34]則采用光(guang)學設備逐層采集(ji)、擬合砂(sha)(sha)(sha)(sha)輪(lun)(lun)(lun)工(gong)作面(mian)(mian)(mian)形(xing)貌，并提出(chu)(chu)磨(mo)(mo)粒(li)(li)等(deng)效直徑、橫截面(mian)(mian)(mian)面(mian)(mian)(mian)積等(deng)磨(mo)(mo)粒(li)(li)磨(mo)(mo)損(sun)參(can)數。XIE等(deng)[35]則采用探(tan)針法(fa)開展相似(si)的(de)工(gong)作。

圖13　砂輪磨損時變特(te)征(zheng)研(yan)究示意[32]

       由(you)于設(she)備(bei)尺寸和軟件效率的(de)限制，磨粒(li)工(gong)作(zuo)面(mian)上成千上萬顆磨粒(li)的(de)高效表征仍(reng)然是困(kun)擾學者的(de)難題。為(wei)此，數學分(fen)(fen)析(xi)方法已逐(zhu)漸引入砂(sha)輪自銳研究(jiu)。以分(fen)(fen)形幾(ji)(ji)何學為(wei)例，該(gai)方法是Mandelbrot教授于1975年(nian)提(ti)出并(bing)建立的(de)數學分(fen)(fen)支(zhi)，用于研究(jiu)不規(gui)則離散型(xing)面(mian)以及(ji)多尺度下(xia)結構幾(ji)(ji)何學中整體與局(ju)部特(te)(te)(te)征的(de)關系(xi)[36]。其(qi)核(he)心思想即為(wei)物(wu)理的(de)自相似性(xing)，也就是物(wu)體形貌(mao)在(zai)經歷(li)多次放大后，仍(reng)然能(neng)保持與原形貌(mao)較好的(de)相似性(xing)特(te)(te)(te)征。這種(zhong)整體與局(ju)部通過某種(zhong)方式的(de)相似的(de)特(te)(te)(te)征稱(cheng)為(wei)分(fen)(fen)形。具(ju)有(you)分(fen)(fen)形特(te)(te)(te)征的(de)物(wu)體均可使(shi)用分(fen)(fen)形理論(lun)表征其(qi)形貌(mao)的(de)內在(zai)聯系(xi)，如圖14所示(shi)。

a）原始結構       ;  b）初次迭(die)代         c）多(duo)次迭(die)代

圖14　具有分形(xing)特征(zheng)的結構(gou)構(gou)建過程(cheng)[36]

       FUJIMOTO等[37]基于分形理論，將光學顯微鏡采集的磨粒三維形貌信息數值化，并建立磨粒切削刃區域形貌分形維數的計算模型，結果表明，可以使用磨粒形貌分形維數數值表征磨粒磨損形態。當磨粒表面磨耗平臺較多時，磨粒的分形維數數值較低；而當磨粒磨損以微破碎為主時，磨粒的分形維數數值較高（見圖15）。因此，分形維數可以用于定量評價磨粒的形貌變化過程，從而反映砂輪的磨損行為。基于上述理論，WANG等[38]將分形維數應用于金剛石砂輪磨損過程研究，驗證了分形維數用于表征砂輪自銳過程的可行性。李灝楠等[39]在開展團聚剛玉磨粒砂帶磨削鈦合金研究時，成功將分形理論應用于砂輪自銳性能、材料去除率以及磨削參數之間的關系分析，并取得了良好的效果。上述學者通過試驗測試、數學分析、理論建模等多方面建立了可用于表征磨粒自銳過程的方法，進一步揭示了磨粒自銳機理，從而實現磨粒自銳過程有效控制，最終實現“依材制刀，依材設刀”的高質高效加工。

a）網格尺寸r1

b）網格尺寸r2

c）網格尺寸r3

圖15　三維分形分析示意[39]

       4 砂輪自銳機理研究現狀
       砂輪自銳表征方法可以為砂輪自銳過程研究提供工具支持，但是，只有闡明砂輪自銳機理，才能為實現砂輪自銳過程可控、提高磨削性能提供理論支撐。

       FUJIMOTO等[37]探討了陶瓷結合劑CBN砂輪磨損形貌與材料去除量的關系，并指出砂輪磨損存在初期磨損與穩定磨損兩個階段，而磨粒脫落與微破碎是該類砂輪自銳的主要表現形式。SHI和MALKIN等[40]將磨耗平臺面積比例作為電鍍CBN砂輪磨損的評價指標，并發現砂輪實際磨耗平臺面積比例遠低于理論值。其主要原因在于，過大的磨耗平臺面積比例引起了較高的磨削載荷，導致磨鈍的磨粒發生破碎而形成新的切削刃，從而降低了理論磨耗平臺面積的比例。由此表明，砂輪自銳性能已經是建立磨削模型時不可忽視的因素。此外，這兩位學者也以磨粒徑向磨損量為判定標準，提出了砂輪失效的判定準則。
       于(yu)(yu)(yu)天宇等[41]發現電鍍CBN砂輪磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)削(xue)時(shi)存在(zai)疲勞失(shi)效(xiao)與(yu)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)失(shi)效(xiao)兩種失(shi)效(xiao)形(xing)(xing)(xing)式(shi)，基于(yu)(yu)(yu)Paris模(mo)(mo)型(xing)和Preston-type模(mo)(mo)型(xing)對上述兩種失(shi)效(xiao)形(xing)(xing)(xing)式(shi)分(fen)別建模(mo)(mo)，成(cheng)(cheng)功預測了高(gao)(gao)速(su)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)削(xue)以及高(gao)(gao)效(xiao)深(shen)切磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)削(xue)工藝中(zhong)砂輪的(de)(de)(de)(de)使(shi)用壽命(ming)。該(gai)模(mo)(mo)型(xing)綜合考慮了磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)削(xue)力(li)與(yu)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)削(xue)溫度等因素，并(bing)指出高(gao)(gao)效(xiao)深(shen)切磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)削(xue)中(zhong)，磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)削(xue)溫度引(yin)起的(de)(de)(de)(de)應力(li)損(sun)(sun)傷是造(zao)成(cheng)(cheng)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)損(sun)(sun)傷的(de)(de)(de)(de)主(zhu)(zhu)要(yao)(yao)原因，同時(shi)，工件進給速(su)度對砂輪磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)速(su)率的(de)(de)(de)(de)影響也高(gao)(gao)于(yu)(yu)(yu)砂輪線速(su)度。李(li)學(xue)崑等[42]通過(guo)研究認為，原子(zi)間結合鍵的(de)(de)(de)(de)斷裂是引(yin)起磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)的(de)(de)(de)(de)主(zhu)(zhu)要(yao)(yao)原因，主(zhu)(zhu)要(yao)(yao)受(shou)導入(ru)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)能量高(gao)(gao)低的(de)(de)(de)(de)影響。當砂輪線速(su)度超過(guo)閾值(zhi)時(shi)，大(da)量導入(ru)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)的(de)(de)(de)(de)能量激發了磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)表(biao)面的(de)(de)(de)(de)結合鍵，從(cong)而(er)使(shi)表(biao)層原子(zi)逐層脫落，形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)以磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)耗磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)為主(zhu)(zhu)的(de)(de)(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)形(xing)(xing)(xing)貌；當砂輪線速(su)度低于(yu)(yu)(yu)閾值(zhi)時(shi)，產生的(de)(de)(de)(de)能量不足以激發結合鍵，因此，磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)內部優先產生裂紋(wen)擴展(zhan)，從(cong)而(er)形(xing)(xing)(xing)成(cheng)(cheng)以微破碎(sui)/大(da)塊破碎(sui)為主(zhu)(zhu)的(de)(de)(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)形(xing)(xing)(xing)貌，如圖(tu)16所(suo)示。

a）CBN磨粒磨耗磨損

b）CNB磨粒破碎

圖16　基于磨削能量理論(lun)的磨粒磨損機(ji)理示(shi)意[42]

       GRAHAM等[43]則(ze)基(ji)于(yu)Griffiths脆性斷裂準則(ze)建立(li)(li)了剛玉磨(mo)(mo)(mo)(mo)料磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)模(mo)型(xing)(xing)，并(bing)指出(chu)磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒切削(xue)刃存在兩處易(yi)磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)區域(yu)，分別是前刀面上(shang)(shang)距離磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒頂部2～3倍(bei)切削(xue)接(jie)觸長度區域(yu)，以(yi)及磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒切削(xue)刃區域(yu)。宿崇(chong)[44]基(ji)于(yu)光滑粒子流體動力(li)學建立(li)(li)了CBN磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)模(mo)型(xing)(xing)，并(bing)指出(chu)磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒破(po)碎(sui)(sui)的(de)(de)主要原因是磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒內部的(de)(de)應力(li)超出(chu)了磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒的(de)(de)強(qiang)(qiang)(qiang)度極(ji)限，同時磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒頂部易(yi)出(chu)現磨(mo)(mo)(mo)(mo)耗磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)，而微(wei)破(po)碎(sui)(sui)則(ze)易(yi)出(chu)現在磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒棱(leng)邊處。在此基(ji)礎(chu)上(shang)(shang)，余中華等[45]基(ji)于(yu)強(qiang)(qiang)(qiang)度極(ji)限理論(lun)建立(li)(li)了磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒切削(xue)過程(cheng)磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)模(mo)型(xing)(xing)，研究表明，磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒斷裂的(de)(de)主要原因是磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒內部承受的(de)(de)最大主應力(li)，該模(mo)型(xing)(xing)也間接(jie)預(yu)測了磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒的(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)(mo)損(sun)(sun)演變。王子琨等[46]依據赫茲(zi)接(jie)觸理論(lun)，綜合考慮(lv)固(gu)結聚集體金剛石(shi)墊(dian)的(de)(de)結構特征，建立(li)(li)了固(gu)結聚集體金剛石(shi)墊(dian)與工件微(wei)觀接(jie)觸的(de)(de)模(mo)型(xing)(xing)，并(bing)結合強(qiang)(qiang)(qiang)度模(mo)型(xing)(xing)，建立(li)(li)了聚集體金剛石(shi)微(wei)破(po)碎(sui)(sui)條件。

       磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)自身的(de)微觀結(jie)(jie)構(gou)是決定磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)自銳(rui)(rui)特性的(de)內(nei)(nei)在(zai)原(yuan)因(yin)，磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)削(xue)復(fu)合的(de)作(zuo)用是導致磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)自銳(rui)(rui)的(de)外在(zai)因(yin)素，通(tong)過構(gou)建(jian)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)微觀結(jie)(jie)構(gou)模(mo)型(xing)，進(jin)而闡明(ming)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)自銳(rui)(rui)過程是一條有(you)效途徑。具(ju)有(you)典型(xing)自銳(rui)(rui)性的(de)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)普(pu)遍具(ju)有(you)微晶結(jie)(jie)構(gou)（例(li)如SG磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)、聚(ju)晶CBN磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)），以及(ji)類微晶結(jie)(jie)構(gou)（例(li)如多(duo)孔金剛石(shi)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)）。ZHOU等(deng)[47]建(jian)立了(le)(le)(le)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)內(nei)(nei)部應力(li)分(fen)布的(de)仿真模(mo)型(xing)，并研究了(le)(le)(le)砂輪參數（磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)出露高度、磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損體積和結(jie)(jie)合劑磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損量(liang)）對磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)內(nei)(nei)部殘余應力(li)分(fen)布的(de)影(ying)響，進(jin)而提出了(le)(le)(le)可(ke)有(you)效抑(yi)制磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)損的(de)策略。饒志文等(deng)[48]基于Voronoi模(mo)型(xing)構(gou)建(jian)了(le)(le)(le)PCBN磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)的(de)微觀結(jie)(jie)構(gou)模(mo)型(xing)，實現(xian)了(le)(le)(le)聚(ju)晶CBN磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)(li)裂紋擴展的(de)預(yu)測，并探明(ming)了(le)(le)(le)材料性能與裂紋形成間的(de)關系。

       5 基于砂輪自銳特性的航空發動機高質高效磨削應用現狀

       大連理工(gong)大學康仁科等學者[49]將SG砂輪應用(yong)于鈦合金磨削(xue)(xue)加工(gong)中，結(jie)果表(biao)明使用(yong)微(wei)晶剛玉砂輪磨削(xue)(xue)時(shi)，砂輪堵塞程(cheng)度(du)顯(xian)著好轉，同(tong)時(shi)工(gong)件表(biao)面完整性(xing)得到了明顯(xian)改(gai)善(shan)，熱影(ying)響層厚度(du)降低40%，提高了砂輪壽命和加工(gong)效率。

       湖(hu)南大學萬隆等(deng)(deng)[50]將(jiang)多孔(kong)金(jin)剛(gang)石磨(mo)(mo)(mo)粒應用于難加(jia)工材料磨(mo)(mo)(mo)削(xue)(xue)后，發(fa)現(xian)(xian)磨(mo)(mo)(mo)削(xue)(xue)比降低了15.5%，表(biao)面粗糙度(du)值降低了27.5%，砂輪具有極大的(de)(de)優勢。南京航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)大學趙彪等(deng)(deng)[51]將(jiang)團聚CBN磨(mo)(mo)(mo)粒應用于鈦合金(jin)TC4的(de)(de)緩磨(mo)(mo)(mo)中，發(fa)現(xian)(xian)砂輪的(de)(de)磨(mo)(mo)(mo)削(xue)(xue)力降低了7.2%～30.4%，同時可以獲得更(geng)好的(de)(de)表(biao)面質量(liang)。

       南京航空航天大學丁文鋒等[52]研制了具有磨粒自銳功能的釬焊聚晶CBN超硬磨料砂輪，結合單顆磨粒磨削負荷與應力，提出通過調控單顆磨粒切厚進而主動控制砂輪自銳行為的工藝策略，并將其應用于航空發動機導向葉片櫞板外型面磨削，結果表明加工精度滿足要求，工件表面紋理清晰，無褶皺、撕裂和振紋等現象，工件表面粗糙度值Ra為0.7μm，同時，加工效率提升了12.5%，實現了航空發動機導向葉片的高質高效加工。
       6 結束語

       隨(sui)著對(dui)(dui)航空發動機(ji)(ji)(ji)推(tui)重比、可靠性(xing)等要求的(de)(de)不斷(duan)(duan)提高(gao)(gao)，對(dui)(dui)發動機(ji)(ji)(ji)零(ling)部(bu)件的(de)(de)磨(mo)削(xue)加工(gong)(gong)技術和加工(gong)(gong)效率要求也不斷(duan)(duan)上升。如(ru)何實現(xian)砂(sha)輪(lun)(lun)長時穩定的(de)(de)高(gao)(gao)鋒利(li)度已經(jing)成為發動機(ji)(ji)(ji)高(gao)(gao)質(zhi)高(gao)(gao)效加工(gong)(gong)的(de)(de)關鍵。盡管(guan)眾(zhong)多(duo)學者(zhe)在新(xin)型(xing)磨(mo)粒(li)開發、砂(sha)輪(lun)(lun)磨(mo)損表征以及砂(sha)輪(lun)(lun)自銳機(ji)(ji)(ji)理(li)等方面開展了卓有成效的(de)(de)研究，但依然無法完全(quan)滿足高(gao)(gao)性(xing)能(neng)航空發動機(ji)(ji)(ji)核(he)心(xin)零(ling)部(bu)件的(de)(de)加工(gong)(gong)需求。為此，有必要進一步挖(wa)掘磨(mo)粒(li)改(gai)性(xing)與砂(sha)輪(lun)(lun)制備技術、砂(sha)輪(lun)(lun)磨(mo)損表征技術，并深入探索砂(sha)輪(lun)(lun)自銳機(ji)(ji)(ji)理(li)，為先進航空發動機(ji)(ji)(ji)核(he)心(xin)零(ling)部(bu)件高(gao)(gao)質(zhi)高(gao)(gao)效磨(mo)削(xue)加工(gong)(gong)提供(gong)理(li)論支撐。