磨具

　　用磨料和结合剂按一定形状和尺寸黏结而成用于磨削的工具。
　　磨具（Abrasives）是用以磨削、研磨和抛光的工具。大部分的磨具是用磨料加上结合剂制成的人造磨具，也有用天然矿岩直接加工成的天然磨具。磨具除在机械制造和其他金属加工工业中被广泛采用外，还用于粮食加工、造纸工业和陶瓷、玻璃、石材、塑料、橡胶、木材等非金属材料的加工。
　　磨具的使用情况
　　磨具在使用过程中，当磨粒磨钝时，由于磨粒自身部分碎裂或结合剂断裂，磨粒从磨具上局部或完全脱落，而磨具工作面上的磨料不断出现新的切削刃口，或不断露出新的锋利磨粒，使磨具在一定时间内能保持切削性能。磨具的这种自锐性，是磨具与一般刀具相比突出的特点。早在新石器时代，人类就已经开始应用天然的磨石来加工石刀、石斧、骨器、角器和牙器等工具了；1872年，在美国出现了用天然磨料与粘土相结合烧成的陶瓷砂轮；1900年前后，人造磨料问世，采用人造磨料制造的各种磨具相继产生，为磨削和磨床的快速发展创造了条件。此后，天然磨具在磨具中所占比例逐渐减少。
　　磨具按其原料来源分，有天然磨具和人造磨具两类。机械工业中常用的天然磨具只有油石。人造磨具按基本形状和结构特征区分，有砂轮、磨头、油石，砂瓦以上统称固结磨具和涂附磨具五类。此外，习惯上也把研磨剂列为磨具的一类。
磨具的分类及其发展
　　固结磨具按所用磨料的不同，可分为普通磨料固结磨具和超硬磨料固结磨具。前者用刚玉和碳化硅等普通磨料，后者用金刚石和立方氮化硼等超硬磨料制成。此外，还有一些特殊品种，如烧结刚玉磨具等。
　　普通磨料固结磨具是由结合剂将普通磨料固结成一定形状，并具有一定强度的磨具。一般由磨料、结合剂和气孔构成，这三部分常称为固结磨具的三要素。
　　磨料在磨具中起切削作用。结合剂是把松散的磨料固结成磨具的材料，有无机的和有机的两类。无机结合剂有陶瓷、菱苦土和硅酸钠等；有机的有树脂、橡胶和虫胶等。其中最常用的是陶瓷、树脂和橡胶结合剂。
　　气孔在磨削时对磨屑起容屑和排屑作用，并可容纳冷却液，有助于磨削热量的散逸。为满足某些特殊加工要求，气孔内还可以浸渍某些填充剂，如硫黄和石蜡等，以改善磨具的使用性能。这种填充剂，也被称为磨具的第四要素。
　　表示普通磨料固结磨具特征的项目有：形状、尺寸磨料、粒度、硬度、组织和结合剂。磨具硬度是指磨粒在外力作用下，从磨具表面脱落的难易程度，它反映了结合剂把持磨粒的强度。
磨具的粒度
　　粒度是指磨料颗粒的尺寸，其大小用粒度号表示。
　　国标规定了磨料和微粉两种粒度号。
粒度及其选择
　　粒度是指磨料颗粒尺寸的大小。粒度分为磨粒和微粉两类。对于颗粒尺寸大外圆磨砂轮于 40μm的磨料，称为磨粒。用筛选法分级，粒度号以磨粒通过的筛网上每英寸长度内的孔眼数来表示。如60 # 的磨粒表示其大小刚好能通过每英寸长度上有60孔眼的筛网。对于颗粒尺寸小于40μm的磨料，称为微粉。用显微测量法分级，用W和后面的数字表示粒度号，其W后的数值代表微粉的实际尺寸。如W20表示微粉的实际尺寸为20μm。
　　磨具的硬度
　　磨具的硬度主要取决于结合剂加入量的多少和磨具的密度，磨粒容易脱落的表示磨具硬度低；反之，表示硬度高。硬度的等级一般分为超软、软、中软、中、中硬、硬和超硬七大级，从这些等级中还可再细分出若干小级。测定磨具硬度的方法，较常用的有手锥法、机械锥法、洛氏硬度计测定法和喷砂硬度计测定法。
　　磨具的硬度与其动态弹性模量具有对应关系，这有利于用音频法测定磨具的动弹性模量来表示磨具硬度。在磨削加工中，若被磨工件的材质硬度高，一般选用硬度低的磨具；反之，则选用硬度高的磨具。
　　树脂结合剂磨具
　　一般是在室温条件下在压力机上成型，也有采用在加热条件下边加热边加压的热压工艺。成型后在硬化炉内硬化。以酚醛树脂为结合剂时，硬化温度为180～200℃。
　　橡胶结合剂磨具主要采用对辊机混料，并滚压成薄片，然后用冲刀冲裁成型；也有的用松散料，投入金属模具内在压力机上成型。成型后在硫化罐内硫化，温度为168～180℃。
　　金属结合剂磨具的制造工艺有粉末冶金法和电镀法两种，主要用于超硬磨料固结磨具。粉末冶金法以青铜等为结合剂，混料后采用热压或在室温条件下加压成型，然后烧结加工。电镀法以镍或镍钴合金等为电镀金属，按电镀工艺将磨料固结在基体上，制成固结磨具。
　　特殊品种的磨具有烧结刚玉磨具和纤维磨具等。烧结刚玉磨具是用氧化铝微粉和适量的氧化铬混合、成型，在1800℃左右烧结制成。这种磨具结构紧密，有较高强度，主要用于加工钟表、仪表等零件。纤维磨具是用含有或粘附有磨料的纤维丝(如尼龙丝)作原料制成的，它的弹性好，主要用于金属材料及其制品的抛光。
　　磨具的硬度与其动态弹性模量具有对应关系，这有利于用音频法测定磨具的动弹性模量来表示磨具硬度。在磨削加工中，若被磨工件的材质硬度高，一般选用硬度低的磨具；反之，则选用硬度高的磨具。磨具组织粗分为紧密、中等和疏松三类。每类又可再细分数等，用组织号来区分。磨具组织号越大，磨料在磨具中所占的体积百分率越小，磨粒之间的间隙越宽，表示组织越松。反之，组织号越小表示组织越紧。较松组织的磨具使用时不易钝化，在磨削过程中发热少，能减少工件的发热变形和烧伤。较紧组织的磨具磨粒不易脱落，有利于保持磨具的几何形状。磨具的组织只在制造时按磨具配方予以控制，一般不作测定。超硬磨料固结磨具主要是由金刚石、立方氮化硼等与结合剂固结成的磨具。由于金刚石、立方氮化硼的价格高、具有很好的耐磨性能，用它们制造的固结磨具与普通磨料固结磨具不同，除超硬磨料层外，还有过渡层和基体。超硬磨料层是起切削作用的部分，由超硬磨料和结合剂组成。基体是在磨削中起支托作用的，由金属、电木或陶瓷等材料组成。过渡层用于连接基体和超硬磨料层，由结合剂构成，有时也可省去。常用的结合剂有树脂、金属、电镀金属和陶瓷等。固结磨具的制造工序有：分配料、混料、成型、热处理、加工和检查等。随结合剂不同，制造工艺也不尽一样。陶瓷结合剂磨具主要采用压型法，将磨料和结合剂按配方的重量比例称量后，置于混料机内混合均匀，投入金属模具内，在压力机上成型出磨具毛坯。毛坯经干燥再装入窑内焙烧，烧成温度一般为1300℃左右。当采用低熔点烧熔结合剂时，烧成温度低于1000℃。再按规定尺寸形状精确加工，最后检查产品。树脂结合剂磨具一般是在室温条件下在压力机上成型，也有采用在加热条件下边加热边加压的热压工艺。成型后在硬化炉内硬化。以酚醛树脂为结合剂时，硬化温度为180~200℃。橡胶结合剂磨具主要采用对辊机混料，并滚压成薄片，然后用冲刀冲裁成型；也有的用松散料，投入金属模具内在压力机上成型。成型后在硫化罐内硫化，温度为165~180℃。金属结合剂磨具的制造工艺有粉末冶金法和电镀法两种，主要用于超硬磨料固结磨具。粉末冶金法以青铜等为结合剂，混料后采用热压或在室温条件下加压成型，然后烧结加工。电镀法以镍或镍钴合金等为电镀金属，按电镀工艺将磨料固结在基体上，制成磨具。特殊品种的磨具有烧结刚玉磨具和纤维磨具等。烧结刚玉磨具是用氧化铝微粉和适量的氧化铬混合、成型，在1800℃左右烧结制成。这种磨具结构紧密，有较高强度，主要用于加工钟表、仪表等零件。纤维磨具是用含有或粘附有磨料的纤维丝(如尼龙丝)作原料制成的，它的弹性好，主要用于金属材料及其制品的抛光。
　　有机磨具的特性
　　有机磨具的特征是使用范围广，具有一定的弹性和较高的结合强度，并具有良好抛光性能。在粗、精、细、抛等磨削工艺中均得到应用，其树脂磨具具有下列特点：
　　1、结合强度高
　　与陶瓷结合剂相比，树脂结合剂结合强度高，其树脂砂轮磨削线速度达80~120m/s，并可承受较大的磨削压力。重负荷砂轮磨削压力高达10×104～40×104N，广泛应用于钢铁工业，如各种钢锭、钢坯等荒磨工序。高速重负荷专用砂轮等粗磨加工具有操作安全，适合高速磨削和大进给磨削，磨削效率高。
　　2、具有一定的弹性
　　相对陶瓷磨具树脂磨具具有良好的韧性，有一定的可塑性和延展性。其弹性模量（E）比陶瓷低几十倍。所以，树脂磨具适宜于制备各种规格的薄片砂轮和高速切割砂轮。同时，由于有一定的弹性变形，可以缓冲磨削力的作用。因而磨削效果好，有抛光效果，能提高加工表面的粗糙度。
　　3、能制成各种复杂形状和特殊要求的磨具
　　由于树脂结合剂磨具硬化温度低，可常温硬化，收缩率较小，可制成各种复杂形状和特殊要求的磨具。如：采用玻璃纤维增强的树脂砂轮，易排屑、散热性好的多孔树脂砂轮和沟槽砂轮；改善磨削工艺条件的螺栓紧固砂轮、电解磨削砂轮、抛光砂轮；以及筒形、碗形、蝶形等异形砂轮。
　　4、适用范围广
　　由于新型树脂结合剂品种多，可以制成各种强度和性能的树脂磨具。因而，可广泛用于荒磨、粗磨、切割、半精磨、精磨、抛光等工序。树脂磨具结合强度高，使用速度高，耐冲击，适于粗磨和荒磨加工；树脂磨具具有良好的韧性，适用于切割加工工序；树脂磨具弹性好，有一定的抛光性，可用于精磨和抛光加工。树脂磨具耐热性较低，易磨损，适用于平面磨和精磨加工。
　　5、有利于防止被磨削工件产生烧伤
　　树脂结合剂耐热性较低，可减少或避免烧伤工件现象。工件在磨削过程中产生的热量，首先使树脂炭化，促使钝化了的磨料自动脱落，露出新的锋利的磨粒，降低了磨削区域的热量，避免了工件烧伤。
　　6、树脂磨具硬化温度低，生产周期短，设备简单
　　有利于专业化生产。不足之处在于：
　　（1）树脂磨具耐碱性、耐水性较差，易老化。一般有效存放期为一年。因此，不能长期存放。
　　（2）树脂磨具耐热性较低，磨削加工时，磨耗较大，不适于定型成形磨削。
　　（3）树脂磨具气孔率低，加工有气味，应注意环境污染问题。
　　有机磨具的应用
　　有机磨具即是树脂磨具，主要用于钢铁、汽车、轴承、铁道、车辆、造船、化工、仪表、航空航天、建材及其它机械加工工业。可用于加工各种非金属材料和金属材料。如：木材、橡胶、塑料、玻璃、陶瓷、石材、铜、铝、铸铁、钢材等，以及硬质合金、高速钢、高钒钢、钛钢、不锈钢等。此外，在粮食加工，医学及地质勘探等领域都得以应用。
　　根据加工目的和用量不同，可以进行荒磨、粗磨、半精磨、精磨、细磨和高精度低粗糙度磨削。同时，可根据加工对象的不同，进行外圆磨削、内圆磨削、平面磨削、工具磨削、专用磨削、电焊磨削、珩磨、超精加工、研磨及抛光等。
　　1、粗磨加工应用
　　粗磨是指以高效切削大量多余材料为主要特征的磨削方法。荒磨则是许多种粗磨加工广泛使用的俗称。
　　粗磨加工应用领域：
　　（1）用树脂荒磨砂轮和高速重负荷树脂砂轮，粗磨退火或不退火优质合金钢或不锈钢坯的精整加工。用于表面外观缺陷（焊缝、裂纹、氧化层等）的磨削加工。
　　（2）用树脂荒磨砂轮对铸件的浇口、冒口和坯缝进行磨削加工和一般性精整加工。
　　（3）用树脂荒磨砂轮对模锻、锻件的大毛刺或浇口整修后留下来的飞边，进行彻底的磨除。
　　（4）在焊接操作时，残留在焊件表面上的焊缝要采用荒磨平整焊缝和倒圆磨削。
　　（5）对大型板材气割成圆形或其它复杂形状时，气割所产生的熔渣，要采用便携式荒磨机磨除。如：大型热轧建筑型钢和管切的粗切加工等。
　　2、手持磨削加工应用
　　手持磨削是磨削方法的综合概括。它们的共同特征是：无论是工件还是磨削机械的支承使工件与磨具相接触，制导和移动等均直接依靠手工进行。
　　手持磨削又分为固定式手持磨削和移动式手持磨削。将磨削机械固定，手持加工工件进行磨削的方式，称为固定式手持磨削。加工时采用的手持砂轮机进行可移动的磨削方式，称为移动式手持磨削。
　　手持磨削主要应用领域：
　　（1）用手提式树脂荒磨砂轮，加工庞大而笨重难以在磨床上安装的工件。如：大型铸件的粗磨。
　　（2）用高速钹形砂轮或钢纸磨片，加工已装配有其它‘零件的工件。如：重型建筑构件和船舶构件。
　　（3）对小型调整时需要进行的磨削加工。如：在常见大型部件的有限部位上校正装配件。
　　（4）用高速钹形砂轮等，对工件最终成形或对工件与邻接部位接合处的倒圆，对已经装配或已经焊接的工件进行磨削。如：对汽车车体的加工。
　　（5）用于形状不规则表面上的雕塑加工。如：模具的加工。
　　（6）工件光整加工。即要求对工件进行倒圆或光整磨削，使其表面美观，性能满意，而对形状和尺寸无严格要求。如：用可弯曲钹形砂轮加工不锈钢制品，用PVA砂轮加工石材等。
　　（7）在工件表面的有限面积上做少量磨削，以便形成一种特殊的形状，例如：各种刀具的锐磨等。
　　3、切割加工应用
　　树脂薄片砂轮主要用于冶金工业的钢棒、钢管、扁钢、角铁、槽钢、钢轨、钢板等金属材料的切割加工；半导体工业的硅、锗、蓝宝石、铁素体、石墨、陶瓷、石英等金属和非金属材料的精密超薄切片加工；似及建筑材料工业、化学工业、航空航天工业、机械工业、汽车工业、船舶工业的金属材料和非金属材料的切割加工。
　　在金属材料切割加工中，采用树脂薄片砂轮切割，具有以下优点：
　　（1）切割速度快。在切割金属材料时，切割砂轮的切割速度是其它切削方法（如锯、车切）的10倍。
　　（2）切割尺寸精度高。采用砂轮切割，其切口宽度和切割面的平整度，一般来说比金工锯切要好。
　　（3）切割表面平滑。砂轮切割后其表面经常不须进行精加工，而锯切后的切断面很明显。
　　（4）可用于硬质材料的切割加工。如淬硬钢和金属碳化物以及硬脆非金属材料的切割加工。
　　（5）磨具使用过程中，自锐性好，不需要修整。
　　（6）成本低。使用砂轮切割所需成本明显低于其它切割方法。
　　（7）其它方面的应用。如窄槽切口，或者淬硬钢或超硬非金属加工件的切缝等。
　　树脂磨具切割加工所具有的这些特性，使其在许多金属加工业和非金属加工业，以及在工业生产的其它领域得到广泛应用。
　　4、常规磨削加工应用
　　（1）用树脂砂轮在外圆磨床或万能磨床上对轴类、套筒以及其他类型零件的圆柱面、圆锥面和肩端面进行磨削加工。
　　（2）用树脂砂轮外圆周面或砂轮的端面，如螺栓紧固砂轮、大气孔砂轮、开槽砂轮、多孔砂轮和多孔带沟槽砂轮，以及多用杯形砂轮、筒形砂轮的端面等，对机械零件的各种平直为满足平直度、表面粗糙度和平面之间相互位置精度等要求而进行平面磨削加工。
　　（3）用树脂砂轮的外圆面或树脂磨头，在内圆磨床、万能磨床或专用磨床上，对表面质量要求较高的通孔、盲孔、台阶孔、锥孔和轴承内沟道等部件进行内圆磨削加工。
　　（4）用树脂砂轮、树脂和橡胶导轮，在无心磨床上，采用柔性定位的方式，使用砂轮的外圆周面，对旋转对称的内圆或外圆表面进行无心磨削加工。
　　（5）用专用树脂砂轮磨螺纹砂轮。在螺纹磨床上，对高精度及表面粗糙度的传动螺纹，测量机件的螺纹，工量具螺纹和淬硬处理的螺纹部分进行螺纹加工。如螺纹、蜗杆、丝锥、滚刀、量规等带锥螺纹、多头螺纹、平行螺纹等磨削加工。
　　（6）用环氧树脂珩磨轮以及双锥面、蝶型、双蝶型、蜗杆式砂轮等，在齿轮磨床上，对经淬硬处理的齿轮进行齿轮磨削加工。
　　（7）用树脂强力磨砂轮，在工具磨削上，对具有较高的硬度热硬性，耐磨性与足够的强度和韧性的切削工具材料，如碳素工具钢、合金工具钢、高速钢、硬质合金等，进行工具磨削加工，以达到理想的精度，表面粗糙度和正确的几何形状，使切削刃具具有较高的锋利性和耐用度。
　　5、其它专用磨削加工中的应用
　　（1）用树脂磨钢轨砂轮，在专用钢轨修磨列车上，对钢轨进行修磨加工。
　　（2）用导电树脂砂轮，在电解磨床上，对一些高硬度的零件，如各种硬质合金刀具、量具、挤压拉丝模具、轧辊等，以及普通磨削很难加工的小孔、深孔、薄壁筒、细长杆零件和复杂型面的零件，进行电解磨削加工。其中电解作用占加工量的95%。磨料的机械加工作用仅占5%。因此，电解磨削比普通磨削加工效率高。
　　（3）用PVA（聚乙烯醇）抛光轮，PU（聚氨酯）抛光轮、无纺布抛光轮等，在抛光机上，对石材、玻璃、不锈钢等进行抛光加工。
　　（4）磨录音机磁头、钟表、仪器行业所用的精磨抛光砂轮。如FBB（耐水聚乙烯醇）砂轮等。