用以磨削、研磨和拋光的工具。大部分是用磨料加上結合劑製成的人造磨具,也有用天然礦巖直接加工成的天然磨具。磨具在使用過程中,當磨粒磨鈍時,由於磨粒自身部分碎裂或結合劑斷裂,磨粒從磨具上局部或完全脫落,而磨具工作面上的磨料不斷出現新的切削刃口,或不斷露出新的鋒利磨粒,使磨具在一定時間內能保持切削性能。磨具的這種自銳性,是磨具與一般刀具相比突出的特點。磨具除在機械製造和其他金屬加工工業中被廣泛採用外,還用於糧食加工、造紙工業和陶瓷、玻璃、石材、塑膠、橡膠、木材等等非金屬材料的加工。
簡史 早在新石器時代人類就應用天然的磨石(早期的磨具)來加工石刀、石斧、骨器、角器和牙器等。1872年,在美國出現瞭用天然磨料與粘土相結合燒成的陶瓷砂輪。1900年前後,人造磨料問世,采用人造磨料制造的各種磨具相繼產生,為磨削和磨床的快速發展創造瞭條件。此後,天然磨具在磨具中所占比例逐漸減少。
種類 磨具按其原料來源分,有天然磨具和人造磨具兩類。機械工業中常用的天然磨具隻有天然油石。人造磨具按基本形狀和結構特征分,有砂輪、磨頭、油石、砂瓦(以上統稱固結磨具)和塗附磨具(見彩圖)5類。此外,習慣上也把研磨劑列為磨具的一類。表1列出人造磨具的種類和用途。
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固結磨具 按所用磨料不同分為普通磨料固結磨具和超硬磨料固結磨具。前者用剛玉和碳化矽等普通磨料,後者用金剛石和立方氮化硼等超硬磨料制成。此外,還有一些特殊品種如燒結剛玉磨具等。
普通磨料固結磨具 由結合劑將磨料固結成一定形狀並具有一定強度的磨具。一般由磨料、結合劑和氣孔構成(圖1),這3部分常稱為固結磨具的3要素。磨料在磨具中起切削作用。結合劑是把松散的磨料固結成磨具的材料,有無機的和有機的兩類。無機結合劑有陶瓷、菱苦土和矽酸鈉等;有機的有樹脂、橡膠和蟲膠等。其中最常用的是陶瓷、樹脂和橡膠結合劑(表2)。氣孔在磨削時對磨屑起容屑和排屑作用,並可容納冷卻液,有助於磨削熱量的散逸。為滿足某些特殊加工要求,氣孔內可以浸漬某些填充劑如硫黃和石蠟等,以改善磨具的使用性能。這種填充劑,被稱為磨具的第4要素。
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表示普通磨料固結磨具特征的項目有:形狀、尺寸、磨料、粒度、硬度、組織和結合劑。
磨具硬度是指磨粒在外力作用下從磨具表面脫落的難易程度,反映結合劑把持磨粒的強度。磨具硬度主要取決於結合劑加入量的多少和磨具的密度。磨粒容易脫落的表示磨具硬度低;反之,表示硬度高。硬度的等級一般分為超軟、軟、中軟、中、中硬、硬和超硬7大級。從這些等級中還可再細分出若幹小級。測定磨具硬度的方法,較常用的有手錐法、機械錐法、洛氏硬度計測定法和噴砂硬度計測定法。磨具的硬度與其動態彈性模量具有對應關系,這有利於用音頻法測定磨具的動彈性模量來表示磨具硬度。在磨削加工中,若被磨工件的材質硬度高,一般選用硬度低的磨具;反之,則選用硬度高的磨具。
磨具組織表征磨具中磨料、結合劑和氣孔三者之間的體積比例關系,常按磨料占有磨具整個體積的百分率計算。磨具組織粗分為緊密、中等和疏松3類。每類可再細分數等,用組織號(常以0~14表示)來區分。磨具組織號越大,磨料在磨具中所占的體積百分率越小,磨粒之間的間隙越寬,表示組織越松。反之,組織號越小,表示組織越緊。較松組織的磨具使用時不易鈍化,磨削過程中發熱少,能減少工件的發熱變形和燒傷。較緊組織的磨具磨粒不易脫落,有利於保持磨具的幾何形狀。磨具的組織隻在制造時按磨具配方予以控制,一般不作測定。
超硬磨料固結磨具 由於金剛石、立方氮化硼價格高、具有很好的耐磨性能,用它們制造的固結磨具與普通磨料固結磨具不同,除超硬磨料層外,還有過渡層和基體(圖2)。超硬磨料層是起切削作用的部分,由超硬磨料和結合劑組成。基體是在磨削中起支托作用的,由金屬、電木或陶瓷等材料組成。過渡層用於連接基體和超硬磨料層,由結合劑構成,有時也可省去。常用的結合劑有樹脂、金屬、電鍍金屬和陶瓷等。這類磨具的特征標示與普通磨料固結磨具的大體相同,但不標示磨具組織而標示濃度。磨具濃度表征超硬磨料層內每單位體積中超硬磨料的含量,以百分數表示。1厘米3體積中含超硬磨料0.88克(4.4克拉)者稱為100%濃度,含0.44克(2.2克拉)者稱為50%濃度,餘類推。
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制造工藝 固結磨具的制造工序有:分配料、混料、成型、熱處理、加工和檢查等。隨結合劑不同,制造工藝也不盡一樣。①陶瓷結合劑磨具主要采用壓型法,將磨料和結合劑按配方的重量比例稱量後,置於混料機內混合均勻,投入金屬模具內,在壓力機上成型出磨具毛坯(此外,尚有用濕法混料以澆註法成型的工藝)。毛坯經幹燥再裝入窯內焙燒,燒成溫度一般為1300℃左右。當采用低熔點燒熔結合劑時,燒成溫度低於1000℃。再按規定尺寸形狀精確加工,最後檢查產品。②樹脂結合劑磨具一般是在室溫條件下在壓力機上成型,也有采用在加熱條件下邊加熱邊加壓的熱壓工藝。成型後在硬化爐內硬化。以酚醛樹脂為結合劑時,硬化溫度為180~200℃。③橡膠結合劑磨具主要采用對輥機混料並滾壓成薄片,然後用沖刀沖裁成型;也有的用松散料,投入金屬模具內在壓力機上成型。成型後在硫化罐內硫化,溫度為165~180℃。④金屬結合劑磨具的制造工藝有粉末冶金法和電鍍法兩種,主要用於超硬磨料固結磨具。粉末冶金法以青銅等為結合劑,混料後采用熱壓或在室溫條件下加壓成型,然後燒結加工。電鍍法以鎳或鎳鈷合金等為電鍍金屬,按電鍍工藝將磨料固結在基體上,制成磨具。
特殊品種 有燒結剛玉磨具和纖維磨具等。燒結剛玉磨具是用氧化鋁微粉和適量的氧化鉻混合、成型,在1800℃左右燒結制成。這種磨具結構緊密,有較高強度,隻按其氣孔大小分為緊密型和多孔型兩類,用於加工鐘表、儀表等零件。纖維磨具是用含有或粘附有磨料的纖維絲(如尼龍絲)作原料制成的,彈性好,用於金屬材料及其制品的拋光。