第2章　磨具

2.1　磨具結(jié)構(gòu)與特性

磨具是由不同粒度的各種磨料用結(jié)合劑將磨粒與輔料固結(jié)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(zhì)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(jù)磨具的基本形狀和使用方法分類

固結(jié)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(jù)結(jié)合劑性能分類

無機磨具：陶瓷結(jié)合劑磨具、金屬結(jié)合劑磨具、菱苦土結(jié)合劑磨具。

有機磨具：樹脂結(jié)合劑磨具、橡膠結(jié)合劑磨具。

（3）根據(jù)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(jù)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(jié)構(gòu)

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

對絕大多數(shù)磨具來說，均由磨粒、結(jié)合劑、輔料和氣孔四部分組成，或稱磨具結(jié)構(gòu)四要素，如圖2-1所示。

磨料是構(gòu)成磨具的主要原料，它具有高的硬度和適當?shù)拇嘈浴Ｔ谀ハ鬟^程中對工件起切削作用。

結(jié)合劑的作用是將磨粒固結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)合劑的數(shù)量，結(jié)合劑數(shù)量多時，磨具硬度就高，結(jié)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(chǎn)生偏差，因而使磨具硬度出現(xiàn)偏差。

此外，磨具的燒結(jié)溫度及燒結(jié)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(jié)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(yīng)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(guī)定磨具硬度代號由軟至硬的順序為

A，B，C，D，E，F(xiàn)，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(chǎn)過程中也有多種因素影響，使磨具的硬度不穩(wěn)定，造成選擇使用時的困難。

2.1.4　磨具結(jié)合劑

磨具結(jié)合劑的主要作用是將眾多細小的磨粒黏結(jié)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(jié)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(jié)合劑名稱及代號列于表2-1中。

（1）陶瓷結(jié)合劑（V）

組成陶瓷結(jié)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(jié)合劑的線脹系數(shù)，增加結(jié)合劑在高溫狀態(tài)下的黏度，減少毛坯干燥時的收縮變形和高溫燒成時發(fā)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(jié)合劑的耐火度，并促進玻璃相或結(jié)晶礦物的形成，從而將磨粒牢固地黏結(jié)起來。

將上述三種原材料粉碎至規(guī)定的粒度，按配比組成混合物，并與磨料按一定比例配制，經(jīng)過高溫（1300℃）焙燒，磨粒被牢固地黏結(jié)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(jié)合劑有一定化學(xué)、物理和力學(xué)性能，如耐火度、反應(yīng)能力、流動性、線脹系數(shù)和機械強度等。

陶瓷結(jié)合劑按其在磨具焙燒過程中所得到的不同狀態(tài)，可分為燒熔和燒結(jié)兩種。

燒熔結(jié)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(jié)合劑的大部分或全部被熔融，與剛玉磨料發(fā)生作用而使其表面熔解，結(jié)合劑與磨粒獲得牢固結(jié)合。

燒結(jié)結(jié)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(jié)合劑被熔解成燒結(jié)狀態(tài)的陶瓷，將磨粒把持在制件中。這種結(jié)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(jié)合劑來制造的。

陶瓷結(jié)合劑磨具價格便宜，具有良好的耐熱性及化學(xué)穩(wěn)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(chǎn)周期較長。

（2）樹脂結(jié)合劑（B）

樹脂結(jié)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(jié)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(jié)塊，混料和攤料不易均勻，造成磨具組織不均勻，而導(dǎo)致報廢。粉狀樹脂結(jié)合劑則具有優(yōu)良的工藝性能，便于操作，有利于實現(xiàn)機械化，易于保證磨具產(chǎn)品質(zhì)量。

樹脂結(jié)合劑磨具的特點是結(jié)合劑略有彈性，強度較高。磨削時發(fā)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(qū)的高溫可燒毀結(jié)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(jié)合劑（R）

橡膠結(jié)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(jīng)150～200℃低溫硫化可制得磨具。橡膠結(jié)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(jié)合劑（Mg）

菱苦土結(jié)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(fù)合結(jié)合劑

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

2.1.5　磨具的組織

磨具組織是指磨具中的磨料、結(jié)合劑、氣孔三者之間的體積關(guān)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(fā)物質(zhì)，如萘、焦炭，經(jīng)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(shù)，也就是磨粒率來表示；另一種是用磨具中氣孔的數(shù)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(shù)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(guī)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(guī)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(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)，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(fù)雜，所以“8”字塊的抗拉強度還不能完全反映磨具的回轉(zhuǎn)強度。對于磨具直徑在150mm以上的，還必須進行高速回轉(zhuǎn)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(yīng)保持一定比例關(guān)系，稱為安全系數(shù)f。磨具使用速度在60m/s以下的安全系數(shù)為2，80m/s以上的安全系數(shù)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(shù)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(zhuǎn)軸中心線上，砂輪存在不平衡，在砂輪高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心力而引起振動，影響被加工表面質(zhì)量，加快磨床磨損，還會引起砂輪的斷裂，造成設(shè)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(zhuǎn)中心線兩邊質(zhì)量不等，砂輪重心不在旋轉(zhuǎn)中心線上產(chǎn)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(zhì)量對旋轉(zhuǎn)中心不對稱，砂輪也就不平衡。

為了保證砂輪的質(zhì)量和安全使用，對于外徑為150mm以上的砂輪，規(guī)定了不平衡的數(shù)值，允許的最大不平衡數(shù)值Ma的經(jīng)驗公式為

式中　M——砂輪質(zhì)量，g；

k——與砂輪特性和使用條件有關(guān)的經(jīng)驗系數(shù)（表2-4）。