第2章　磨具

2.1　磨具结构与特性

磨具是由不同粒度的各种磨料用结合剂将磨粒与辅料固结成不同形状尺寸，且有一定强度和刚性的固体或涂附在软质载体上，用于磨削加工的工具。

2.1.1　磨具的分类

由于磨具用途十分广泛，加工对象、加工条件等有很大不同，加之磨具本身的特性也有很大差别，所以磨具的种类也是多种多样的。常见的磨具分类方法如下。

（1）根据磨具的基本形状和使用方法分类

固结磨具：砂轮、磨头、油石、砂瓦。

涂附磨具：砂布、砂纸、砂带等。

研磨膏：软膏、硬膏。

（2）根据结合剂性能分类

无机磨具：陶瓷结合剂磨具、金属结合剂磨具、菱苦土结合剂磨具。

有机磨具：树脂结合剂磨具、橡胶结合剂磨具。

（3）根据磨料性能分类

氧化物系磨具：棕刚玉磨具、白刚玉磨具、天然刚玉磨具、锆刚玉磨具等。

碳化物磨具：黑碳化硅磨具、绿碳化硅磨具、碳化硼磨具等。

超硬磨料磨具：金刚石磨具、立方氮化硼磨具。

（4）根据磨具突出特点分类

细粒度磨具、高硬度磨具、大气孔砂轮、高速砂轮、超薄片砂轮等。

（5）专用砂轮

磨针砂轮、牙科砂轮、磨钢球砂轮、磨纸浆砂轮等。

2.1.2　磨具的结构

磨具是由许多细小的磨粒用结合剂或结合剂将其黏结成固结或非固结状态对工件进行切削加工的一种工具。

对绝大多数磨具来说，均由磨粒、结合剂、辅料和气孔四部分组成，或称磨具结构四要素，如图2-1所示。

磨料是构成磨具的主要原料，它具有高的硬度和适当的脆性。在磨削过程中对工件起切削作用。

结合剂的作用是将磨粒固结起来，使之成为一定形状和强度的磨具。

气孔是磨具中存在的空隙，磨削时起容纳磨屑和散逸磨削热的作用，还可以浸渍某些填充剂或添加剂，如硫、蜡、树脂和金属银等，以改善磨具的性能，满足某些特殊加工的需要。

辅料有湿润剂，如水玻璃、糊精、纸浆、着色剂、成孔剂、浸渍剂。

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从结合剂中脱落的难易程度。磨粒容易脱落的磨具，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结合剂本身的硬度，它与金属的硬度概念不同。

影响磨具硬度的主要因素是结合剂的数量，结合剂数量多时，磨具硬度就高，结合剂少的硬度就低。

在制造磨具过程中，磨具成形时的密度也是影响磨具硬度的重要因素。磨具成形厚度的偏差、模具的磨损、成形料的干湿、单重称量误差等因素，都将使磨具成形密度产生偏差，因而使磨具硬度出现偏差。

此外，磨具的烧结温度及烧结时间也影响磨具的硬度，在其他条件相同的情况下，成形密度大，烧结时间长，温度高，磨具的硬度就高些；反之，则硬度就低些。

（2）磨具硬度等级

为了适应不同工件材料和磨削加工条件的要求，需要有不同硬度等级的磨具供选择使用。GB/T 2484—1994规定磨具硬度代号由软至硬的顺序为

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

磨具硬度对其使用性能有很大影响。同时，磨具生产过程中也有多种因素影响，使磨具的硬度不稳定，造成选择使用时的困难。

2.1.4　磨具结合剂

磨具结合剂的主要作用是将众多细小的磨粒黏结在一起组成磨具，使其具有一定形状和必要的强度、硬度。磨削时，磨粒在结合剂支撑下，可以对工件进行切削。当磨粒磨钝时，又能使磨粒及时破碎或脱落，使磨具保持良好的磨削性能。用于磨具的结合剂名称及代号列于表2-1中。

（1）陶瓷结合剂（V）

组成陶瓷结合剂的原材料如下。

①可塑性原料　主要是黏土、黄土、膨润土等。利用这些原料的可塑性，提高成形料的成形性能，使磨具毛坯保持一定的形状和提高磨具毛坯的湿、干强度。

②瘠性原料　主要有石英、萤石等。这些原料能减少结合剂的线胀系数，增加结合剂在高温状态下的黏度，减少毛坯干燥时的收缩变形和高温烧成时发生弯曲变形。

③催熔原料　有长石、硼玻璃、滑石等。这些原料主要起催熔作用，降低结合剂的耐火度，并促进玻璃相或结晶矿物的形成，从而将磨粒牢固地黏结起来。

将上述三种原材料粉碎至规定的粒度，按配比组成混合物，并与磨料按一定比例配制，经过高温（1300℃）焙烧，磨粒被牢固地黏结在一起，使磨具具有一定形状，并具有一定硬度、强度和自锐性。因此，要求结合剂有一定化学、物理和力学性能，如耐火度、反应能力、流动性、线胀系数和机械强度等。

陶瓷结合剂按其在磨具焙烧过程中所得到的不同状态，可分为烧熔和烧结两种。

烧熔结合剂主要用来制造刚玉系磨具，它的耐火度比磨具烧成时温度低50～80℃（也有低100～300℃）。在烧成过程中，结合剂的大部分或全部被熔融，与刚玉磨料发生作用而使其表面熔解，结合剂与磨粒获得牢固结合。

烧结结合剂的耐火度比磨具烧成温度高100～150℃。在烧成过程中，仅部分结合剂被熔解成烧结状态的陶瓷，将磨粒把持在制件中。这种结合剂主要用于制造碳化硅磨具。但碳化硅磨具也有用烧熔结合剂来制造的。

陶瓷结合剂磨具价格便宜，具有良好的耐热性及化学稳定性，不怕水、油及普通酸碱的侵蚀，但脆性较大，弹性较差，必须高温烧成，生产周期较长。

（2）树脂结合剂（B）

树脂结合剂主要有酚醛树脂、聚酰胺树脂等人造树脂。聚酰胺树脂有液体和粉状两种。用液体树脂结合剂制造磨具时，在混料成形等工序上存在较大缺点，如成形料易结块，混料和摊料不易均匀，造成磨具组织不均匀，而导致报废。粉状树脂结合剂则具有优良的工艺性能，便于操作，有利于实现机械化，易于保证磨具产品质量。

树脂结合剂磨具的特点是结合剂略有弹性，强度较高。磨削时发热量低、粗糙度值低。可制成厚度为0.2～4mm的薄片磨具，但抗热性及抗碱性较差，磨削区的高温可烧毁结合剂，碱性磨削液容易降低磨具的强度和硬度，增加砂轮的磨损。

（3）橡胶结合剂（R）

橡胶结合剂是以人工合成橡胶或天然橡胶为主要原料，并加入一定比例的硫磺、氧化锌等矿物，它与磨料混合，经150～200℃低温硫化可制得磨具。橡胶结合剂磨具的强度高，弹性比树脂磨具大，但组织较密，气孔小，耐油性差。

（4）菱苦土结合剂（Mg）

菱苦土结合剂是以煅烧氧化铁、氧化镁配制而成。在常温下即可硬化，无需焙烧工序。使用时需用水漆保护其非工作面。

（5）复合结合剂

为了改进上述各单一结合剂性能，可将几种结合剂混合使用，成为复合结合剂，如橡胶树脂结合剂、陶瓷金属结合剂等。

2.1.5　磨具的组织

磨具组织是指磨具中的磨料、结合剂、气孔三者之间的体积关系，一般通过配方来控制。有时，也在磨具中加入一些高温焙烧时易挥发物质，如萘、焦炭，经焙烧后形成气孔。

磨具组织的表示方法有两种：一种是用磨具体积中磨料所占的体积分数，也就是磨粒率来表示；另一种是用磨具中气孔的数量和大小，即气孔率表示。

以磨粒率表示磨具组织的方法，间接说明了磨具组织的松紧程度，反映了磨具工作部位单位面积上可参加磨削的磨粒数目的多少。按磨粒率表示的磨具组织共分15个组织号。其划分的原则是以62％的磨粒率为0号组织，以后磨粒率每减少2％，组织号增加一号，依此类推。我国GB/T 2484—1994规定，磨具组织号按磨粒率从大到小的顺序为0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14。

以气孔率表示磨具组织的方法，说明了磨具的松紧程度，能充分反映磨具气孔量和大小及分布，对磨削加工的影响具有更直接的意义。但由于目前用气孔率表示磨具组织还有困难，因此尚未明确分级。常用磨具高密度的松紧程度，气孔率趋于零，中等密度的气孔率为20％～40％；大气孔的气孔率为40％～60％或更高。

2.1.6　磨具形状尺寸

磨具的正确几何形状和尺寸，是满足各种磨削加工方式和保证磨削加工正常进行的重要条件。由于磨具的使用范围十分广泛，因而磨具的形状也是多种多样的。各类磨具的名称、形状代号及其基本用途和油石、沙瓦、磨头的形状代号与尺寸标志参见GB/T 2484—1994。

砂轮的标志图示代号如图2-2所示。

磨具的书写顺序按GB/T 2484—1994规定。

磨具形状标志举例：平形砂轮外径300mm，厚50mm，孔径75mm，棕刚玉磨料，粒度60#，硬度L，5号组织，陶瓷结合剂（V）砂轮最高工作速度35m/s，则标志写为砂轮1-300×50×75-A60L5V-35。

2.1.7　磨具的强度

磨具的强度是指磨具回转时受到离心力的作用而破裂的难易程度。磨削时，磨具的强度十分重要。因为磨具是一种脆性物体，且在高速下回转，没有足够的强度是难以保证磨具安全工作的，特别是在高速磨削时，磨具速度更高，破裂时带来的危害更为严重，更需要有足够强度，才能保证磨削工作正常进行。

磨具的强度是通过测定“8”字块试样断面的抗拉强度来间接确定的。“8”字块的抗拉强度值越高，则按“8”字块配方做成的磨具的破裂速度也越高。由于影响磨具强度的因素复杂，所以“8”字块的抗拉强度还不能完全反映磨具的回转强度。对于磨具直径在150mm以上的，还必须进行高速回转试验来检查磨具的强度。

为了保证磨具工作时不致破裂，要求磨具的破裂速度与磨具工作速度之间应保持一定比例关系，称为安全系数f。磨具使用速度在60m/s以下的安全系数为2，80m/s以上的安全系数为1.8。

磨具在出厂前的检验中常将检验速度vj与工作速度vs之比称为检验系数fj，即fj=vj/vs。fj值见表2-2。

影响砂轮强度的因素很多。磨具本身特性的影响列于表2-3中。

2.1.8　磨具的静平衡度

磨具（砂轮）的重心不在旋转轴中心线上，砂轮存在不平衡，在砂轮高速旋转时产生离心力而引起振动，影响被加工表面质量，加快磨床磨损，还会引起砂轮的断裂，造成设备人身事故。

引起砂轮不平衡的原因：一是砂轮组织不均，使旋转中心线两边质量不等，砂轮重心不在旋转中心线上产生不平衡；二是砂轮几何形状的缺陷，如砂轮孔偏心、两端不平行等，造成砂轮两边质量对旋转中心不对称，砂轮也就不平衡。

为了保证砂轮的质量和安全使用，对于外径为150mm以上的砂轮，规定了不平衡的数值，允许的最大不平衡数值Ma的经验公式为

式中　M——砂轮质量，g；

k——与砂轮特性和使用条件有关的经验系数（表2-4）。