引言

       磨削是一種結(jié)合了摩擦，耕犁和剪切并利用微粒進(jìn)行材料磨除的多點(diǎn)切削工藝。通過砂輪速度、切削深度和工作臺(tái)速度等磨削參數(shù)的選擇可以加工出理想的工件。除了磨削參數(shù)，修整參數(shù)對(duì)于被磨削產(chǎn)品的質(zhì)量也有著重要影響。修整是一種加工出適宜的砂輪表面形態(tài)的工藝過程；它包括修整導(dǎo)程、修整深度、修整角度和修整器刃尖半徑等參數(shù)；其中修整導(dǎo)程和修整深度尤為重要。有研究就提出“磨削即修整”的說法。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，通過頻繁地更換砂輪來滿足被磨削產(chǎn)品的質(zhì)量要求不太實(shí)際；此外，頻繁更換砂輪也會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間從而增加整體生產(chǎn)成本。因此，為了得到一個(gè)較好的表面磨削和較高的材料磨除率，對(duì)特定磨料粒度的砂輪進(jìn)行修整參數(shù)優(yōu)化就十分的必要。盡管有研究提出了磨粒粒度對(duì)表面光潔度和磨削力的影響，磨粒越大，表面粗糙度就越大，磨削力也就越大。但在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，按照被磨削產(chǎn)品的要求用特定粒度的砂輪進(jìn)行加工幾乎不太可能。本研究在眾多實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上對(duì)修整導(dǎo)程和修整深度參數(shù)進(jìn)行了討論研究。

       本研究采用超合金英高鎳718進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。英高鎳718熱強(qiáng)度高、抗腐蝕、抗蠕變性能好。表1是英高鎳718的機(jī)械性能參數(shù)。
       英高鎳718是難加工/磨削材料，在對(duì)其進(jìn)行磨削處理時(shí)需要較大的磨削力和苛刻加工硬化。高磨削力會(huì)在磨削區(qū)引起高溫，而英高鎳718的熱傳導(dǎo)性能比較弱，從而導(dǎo)致過度的熱積聚并最終影響砂輪壽命。這種熱積聚通過表面灼燒和拉伸殘余應(yīng)力的方式影響工件表面整體性能。此外，英高鎳718的焊接性高，這就容易是磨粒和碎屑片粘附在一起從而導(dǎo)致頻繁的砂輪堵塞。有時(shí)候碎屑片還會(huì)沉淀在工件表面影響表面光潔。因此，為了將砂輪堵塞降低到最小化，就需要確定適當(dāng)?shù)男拚麉?shù)和磨削參數(shù)。本研究則通過實(shí)驗(yàn)得到最佳修整參數(shù)以實(shí)現(xiàn)較好的表面光整加工和較低的磨削力。

       實(shí)驗(yàn)

       磨削實(shí)驗(yàn)在Chevalier SMART-H1224兩軸CNC平面磨床上進(jìn)行。英高鎳718試樣為100mm×70mm×10mm；砂輪速度18m/s，工作臺(tái)速度9m/min，磨削深度15μm，采用全因子分析方法選擇各種修整導(dǎo)程和修整深度。實(shí)驗(yàn)采用兩個(gè)因子（修整導(dǎo)程和修整深度）和五個(gè)水平級(jí)。利用全因子分析法實(shí)驗(yàn)共做了25組，修整導(dǎo)程值分別為50，150，250，350和450mm/min，修整深度為10，20，30，40，50μm。按照實(shí)驗(yàn)具體設(shè)計(jì)對(duì)修整條件進(jìn)行適時(shí)調(diào)整。實(shí)驗(yàn)用單粒金剛石修整器進(jìn)行修整，用切削冷卻液進(jìn)行降溫處理。修整完畢再對(duì)試樣進(jìn)行無火花磨削。隨后進(jìn)行15μm深度的磨削，用壓電式測力計(jì)進(jìn)行磨削力測定。所有磨削實(shí)驗(yàn)都為順磨。采用白剛玉砂輪A60K5V。用泰勒霍布森輪廓儀在三個(gè)不同的位置測定表面粗糙度。所有Ra測定都采用橫向長度6mm，試樣長度0.8mm。

       結(jié)果和討論

       磨削力

       圖1和圖2為法向磨削力和切向磨削力隨修整深度的變化。圖3和圖4為法向磨削力（Fn）和切向磨削力（Ft）隨修整導(dǎo)程的變化。從圖表中可以看出，修整導(dǎo)程對(duì)磨削力的影響要遠(yuǎn)大于修整深度對(duì)其影響。

       表面粗糙度

       圖5為表面粗糙度隨修整導(dǎo)程的變化。細(xì)鑿修整下的工件表面更光滑，而粗糙修整下的粗糙度就很大。

       磨削力和表面粗糙度建模

       利用反應(yīng)曲面分類研究法（RSM）對(duì)求得的法向磨削里（Fn）、切向磨削力（Ft）和表面粗糙度值進(jìn)行分析；RSM結(jié)合數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)技術(shù)用于建模和分析問題， 是一種反應(yīng)曲面作為輸入變量的函數(shù)的序貫實(shí)驗(yàn)程序。

       由兩個(gè)因子和五個(gè)水平級(jí)求得的模型方程如下：
       其中，F(xiàn)n-法向磨削力N/mm；Ft-切向磨削力N/mm；d-修整深度μm；f-修整導(dǎo)程 mm/min

       以上三個(gè)方程的R2值分別為92.3%、80.1%、59.2%，可以用來預(yù)測修整深度和修整導(dǎo)程的反應(yīng)。表2為預(yù)測值和測量值之間的對(duì)比總結(jié)。實(shí)驗(yàn)隨機(jī)挑選修整導(dǎo)程（f）和修整深度（d）。

       磨削力優(yōu)化

       未得到最優(yōu)化修整參數(shù)如最小表面粗糙度或者最小磨削力，實(shí)驗(yàn)采用遺傳算法（GA）的優(yōu)化技術(shù)。在遺傳算法中，統(tǒng)計(jì)建模求得的方程式為適應(yīng)度函數(shù)，如式4、式5所示：
       其中，F(xiàn)n-法向磨削力N/mm；Ft-切向磨削力N/mm；Ra-表面粗糙度mm；X1-修整深度mm；X2-修整導(dǎo)程mm/min
限制條件為：10≤X1≤50 50≤X2≤450

       單極優(yōu)化的修整參數(shù)最佳水平為：
       實(shí)驗(yàn)在規(guī)定的修整條件下利用Fn和Ra求得多目標(biāo)最優(yōu)化。圖6為非支配點(diǎn)形成的Pareto front，對(duì)于Fn (2 - 2.5 N/mm) 和 Ra (0.6 - 0.8 µm)的優(yōu)化范圍，修整深度和修整導(dǎo)程范圍分別落入35.5 - 37 µm 和 130 - 205 mm/min。分析Pareto front可以發(fā)現(xiàn)Pareto front有著典型的漸近分布和明顯的分區(qū)：

       •從最左邊到最佳分區(qū)1，法向磨削力明顯下降，對(duì)應(yīng)的表面粗糙度則上升。

       •從優(yōu)化點(diǎn)到最右邊，（分區(qū)3），法向磨削力上升，對(duì)應(yīng)的表面粗糙度則下降。

       •最佳分區(qū)2：該分區(qū)表面粗糙度和法向磨削力的值都比較穩(wěn)定。
       根據(jù)輸出參數(shù)的要求，以上三個(gè)最佳分區(qū)都可以選擇使用。例如：分區(qū)3可以用于表面精整；分區(qū)1可用于低磨削力和低溫；分區(qū)2可用于中間值的表面粗糙度和磨削力。

       結(jié)論

       本論文研究了剛玉砂輪（磨料粒度60）的修整深度和修整導(dǎo)程。得出以下結(jié)論：

       1、磨削力（法向磨削力和切向磨削力）受修整深度影響比較顯著。對(duì)于最小磨削力，修整深度有一個(gè)最佳范圍30-40μm。

       2、磨削力隨修整導(dǎo)程的增加而降低。本實(shí)驗(yàn)最大修整導(dǎo)程為450mm/min時(shí)磨削力達(dá)到最小。

       3、表面粗糙度只受修整導(dǎo)程影響修整導(dǎo)程越小，表面粗糙度就越低。本實(shí)驗(yàn)修整導(dǎo)程最小為50mm/min時(shí)表面粗糙度最低。

       （翻譯：中國磨料磨具網(wǎng)）