第2章　磨具

2.1　磨具結構與特性

磨具是由不同粒度的各種磨料用結合劑將磨粒與輔料固結成不同形狀尺寸，且有一定強度和剛性的固體或涂附在軟質載體上，用于磨削加工的工具。

2.1.1　磨具的分類

由于磨具用途十分廣泛，加工對象、加工條件等有很大不同，加之磨具本身的特性也有很大差別，所以磨具的種類也是多種多樣的。常見的磨具分類方法如下。

（1）根據磨具的基本形狀和使用方法分類

固結磨具：砂輪、磨頭、油石、砂瓦。

涂附磨具：砂布、砂紙、砂帶等。

研磨膏：軟膏、硬膏。

（2）根據結合劑性能分類

無機磨具：陶瓷結合劑磨具、金屬結合劑磨具、菱苦土結合劑磨具。

有機磨具：樹脂結合劑磨具、橡膠結合劑磨具。

（3）根據磨料性能分類

氧化物系磨具：棕剛玉磨具、白剛玉磨具、天然剛玉磨具、鋯剛玉磨具等。

碳化物磨具：黑碳化硅磨具、綠碳化硅磨具、碳化硼磨具等。

超硬磨料磨具：金剛石磨具、立方氮化硼磨具。

（4）根據磨具突出特點分類

細粒度磨具、高硬度磨具、大氣孔砂輪、高速砂輪、超薄片砂輪等。

（5）專用砂輪

磨針砂輪、牙科砂輪、磨鋼球砂輪、磨紙漿砂輪等。

2.1.2　磨具的結構

磨具是由許多細小的磨粒用結合劑或結合劑將其黏結成固結或非固結狀態對工件進行切削加工的一種工具。

對絕大多數磨具來說，均由磨粒、結合劑、輔料和氣孔四部分組成，或稱磨具結構四要素，如圖2-1所示。

磨料是構成磨具的主要原料，它具有高的硬度和適當的脆性。在磨削過程中對工件起切削作用。

結合劑的作用是將磨粒固結起來，使之成為一定形狀和強度的磨具。

氣孔是磨具中存在的空隙，磨削時起容納磨屑和散逸磨削熱的作用，還可以浸漬某些填充劑或添加劑，如硫、蠟、樹脂和金屬銀等，以改善磨具的性能，滿足某些特殊加工的需要。

輔料有濕潤劑，如水玻璃、糊精、紙漿、著色劑、成孔劑、浸漬劑。

2.1.3　磨具的硬度

（1）磨具硬度的概念

磨具硬度是指磨具表面上的磨料在外力作用下從結合劑中脫落的難易程度。磨粒容易脫落的磨具，其硬度就低；反之，磨具硬度就高。因此，磨具硬度并不是指磨粒或結合劑本身的硬度，它與金屬的硬度概念不同。

影響磨具硬度的主要因素是結合劑的數量，結合劑數量多時，磨具硬度就高，結合劑少的硬度就低。

在制造磨具過程中，磨具成形時的密度也是影響磨具硬度的重要因素。磨具成形厚度的偏差、模具的磨損、成形料的干濕、單重稱量誤差等因素，都將使磨具成形密度產生偏差，因而使磨具硬度出現偏差。

此外，磨具的燒結溫度及燒結時間也影響磨具的硬度，在其他條件相同的情況下，成形密度大，燒結時間長，溫度高，磨具的硬度就高些；反之，則硬度就低些。

（2）磨具硬度等級

為了適應不同工件材料和磨削加工條件的要求，需要有不同硬度等級的磨具供選擇使用。GB/T 2484—1994規定磨具硬度代號由軟至硬的順序為

A，B，C，D，E，F，G，H，I，J，K，L，M，N，P，Q，R，S，T，Y

磨具硬度對其使用性能有很大影響。同時，磨具生產過程中也有多種因素影響，使磨具的硬度不穩定，造成選擇使用時的困難。

2.1.4　磨具結合劑

磨具結合劑的主要作用是將眾多細小的磨粒黏結在一起組成磨具，使其具有一定形狀和必要的強度、硬度。磨削時，磨粒在結合劑支撐下，可以對工件進行切削。當磨粒磨鈍時，又能使磨粒及時破碎或脫落，使磨具保持良好的磨削性能。用于磨具的結合劑名稱及代號列于表2-1中。

（1）陶瓷結合劑（V）

組成陶瓷結合劑的原材料如下。

①可塑性原料　主要是黏土、黃土、膨潤土等。利用這些原料的可塑性，提高成形料的成形性能，使磨具毛坯保持一定的形狀和提高磨具毛坯的濕、干強度。

②瘠性原料　主要有石英、螢石等。這些原料能減少結合劑的線脹系數，增加結合劑在高溫狀態下的黏度，減少毛坯干燥時的收縮變形和高溫燒成時發生彎曲變形。

③催熔原料　有長石、硼玻璃、滑石等。這些原料主要起催熔作用，降低結合劑的耐火度，并促進玻璃相或結晶礦物的形成，從而將磨粒牢固地黏結起來。

將上述三種原材料粉碎至規定的粒度，按配比組成混合物，并與磨料按一定比例配制，經過高溫（1300℃）焙燒，磨粒被牢固地黏結在一起，使磨具具有一定形狀，并具有一定硬度、強度和自銳性。因此，要求結合劑有一定化學、物理和力學性能，如耐火度、反應能力、流動性、線脹系數和機械強度等。

陶瓷結合劑按其在磨具焙燒過程中所得到的不同狀態，可分為燒熔和燒結兩種。

燒熔結合劑主要用來制造剛玉系磨具，它的耐火度比磨具燒成時溫度低50～80℃（也有低100～300℃）。在燒成過程中，結合劑的大部分或全部被熔融，與剛玉磨料發生作用而使其表面熔解，結合劑與磨粒獲得牢固結合。

燒結結合劑的耐火度比磨具燒成溫度高100～150℃。在燒成過程中，僅部分結合劑被熔解成燒結狀態的陶瓷，將磨粒把持在制件中。這種結合劑主要用于制造碳化硅磨具。但碳化硅磨具也有用燒熔結合劑來制造的。

陶瓷結合劑磨具價格便宜，具有良好的耐熱性及化學穩定性，不怕水、油及普通酸堿的侵蝕，但脆性較大，彈性較差，必須高溫燒成，生產周期較長。

（2）樹脂結合劑（B）

樹脂結合劑主要有酚醛樹脂、聚酰胺樹脂等人造樹脂。聚酰胺樹脂有液體和粉狀兩種。用液體樹脂結合劑制造磨具時，在混料成形等工序上存在較大缺點，如成形料易結塊，混料和攤料不易均勻，造成磨具組織不均勻，而導致報廢。粉狀樹脂結合劑則具有優良的工藝性能，便于操作，有利于實現機械化，易于保證磨具產品質量。

樹脂結合劑磨具的特點是結合劑略有彈性，強度較高。磨削時發熱量低、粗糙度值低。可制成厚度為0.2～4mm的薄片磨具，但抗熱性及抗堿性較差，磨削區的高溫可燒毀結合劑，堿性磨削液容易降低磨具的強度和硬度，增加砂輪的磨損。

（3）橡膠結合劑（R）

橡膠結合劑是以人工合成橡膠或天然橡膠為主要原料，并加入一定比例的硫磺、氧化鋅等礦物，它與磨料混合，經150～200℃低溫硫化可制得磨具。橡膠結合劑磨具的強度高，彈性比樹脂磨具大，但組織較密，氣孔小，耐油性差。

（4）菱苦土結合劑（Mg）

菱苦土結合劑是以煅燒氧化鐵、氧化鎂配制而成。在常溫下即可硬化，無需焙燒工序。使用時需用水漆保護其非工作面。

（5）復合結合劑

為了改進上述各單一結合劑性能，可將幾種結合劑混合使用，成為復合結合劑，如橡膠樹脂結合劑、陶瓷金屬結合劑等。

2.1.5　磨具的組織

磨具組織是指磨具中的磨料、結合劑、氣孔三者之間的體積關系，一般通過配方來控制。有時，也在磨具中加入一些高溫焙燒時易揮發物質，如萘、焦炭，經焙燒后形成氣孔。

磨具組織的表示方法有兩種：一種是用磨具體積中磨料所占的體積分數，也就是磨粒率來表示；另一種是用磨具中氣孔的數量和大小，即氣孔率表示。

以磨粒率表示磨具組織的方法，間接說明了磨具組織的松緊程度，反映了磨具工作部位單位面積上可參加磨削的磨粒數目的多少。按磨粒率表示的磨具組織共分15個組織號。其劃分的原則是以62％的磨粒率為0號組織，以后磨粒率每減少2％，組織號增加一號，依此類推。我國GB/T 2484—1994規定，磨具組織號按磨粒率從大到小的順序為0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14。

以氣孔率表示磨具組織的方法，說明了磨具的松緊程度，能充分反映磨具氣孔量和大小及分布，對磨削加工的影響具有更直接的意義。但由于目前用氣孔率表示磨具組織還有困難，因此尚未明確分級。常用磨具高密度的松緊程度，氣孔率趨于零，中等密度的氣孔率為20％～40％；大氣孔的氣孔率為40％～60％或更高。

2.1.6　磨具形狀尺寸

磨具的正確幾何形狀和尺寸，是滿足各種磨削加工方式和保證磨削加工正常進行的重要條件。由于磨具的使用范圍十分廣泛，因而磨具的形狀也是多種多樣的。各類磨具的名稱、形狀代號及其基本用途和油石、沙瓦、磨頭的形狀代號與尺寸標志參見GB/T 2484—1994。

砂輪的標志圖示代號如圖2-2所示。

磨具的書寫順序按GB/T 2484—1994規定。

磨具形狀標志舉例：平形砂輪外徑300mm，厚50mm，孔徑75mm，棕剛玉磨料，粒度60#，硬度L，5號組織，陶瓷結合劑（V）砂輪最高工作速度35m/s，則標志寫為砂輪1-300×50×75-A60L5V-35。

2.1.7　磨具的強度

磨具的強度是指磨具回轉時受到離心力的作用而破裂的難易程度。磨削時，磨具的強度十分重要。因為磨具是一種脆性物體，且在高速下回轉，沒有足夠的強度是難以保證磨具安全工作的，特別是在高速磨削時，磨具速度更高，破裂時帶來的危害更為嚴重，更需要有足夠強度，才能保證磨削工作正常進行。

磨具的強度是通過測定“8”字塊試樣斷面的抗拉強度來間接確定的。“8”字塊的抗拉強度值越高，則按“8”字塊配方做成的磨具的破裂速度也越高。由于影響磨具強度的因素復雜，所以“8”字塊的抗拉強度還不能完全反映磨具的回轉強度。對于磨具直徑在150mm以上的，還必須進行高速回轉試驗來檢查磨具的強度。

為了保證磨具工作時不致破裂，要求磨具的破裂速度與磨具工作速度之間應保持一定比例關系，稱為安全系數f。磨具使用速度在60m/s以下的安全系數為2，80m/s以上的安全系數為1.8。

磨具在出廠前的檢驗中常將檢驗速度vj與工作速度vs之比稱為檢驗系數fj，即fj=vj/vs。fj值見表2-2。

影響砂輪強度的因素很多。磨具本身特性的影響列于表2-3中。

2.1.8　磨具的靜平衡度

磨具（砂輪）的重心不在旋轉軸中心線上，砂輪存在不平衡，在砂輪高速旋轉時產生離心力而引起振動，影響被加工表面質量，加快磨床磨損，還會引起砂輪的斷裂，造成設備人身事故。

引起砂輪不平衡的原因：一是砂輪組織不均，使旋轉中心線兩邊質量不等，砂輪重心不在旋轉中心線上產生不平衡；二是砂輪幾何形狀的缺陷，如砂輪孔偏心、兩端不平行等，造成砂輪兩邊質量對旋轉中心不對稱，砂輪也就不平衡。

為了保證砂輪的質量和安全使用，對于外徑為150mm以上的砂輪，規定了不平衡的數值，允許的最大不平衡數值Ma的經驗公式為

式中　M——砂輪質量，g；

k——與砂輪特性和使用條件有關的經驗系數（表2-4）。