磨具科普知识

吴飞

磨具是用以磨削、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。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。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