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砂轮/磨削工具类型

       在研磨和抛光中，磨粒在工件和研磨体之间滚动，通常在研磨液中进行。在能量约束磨料加工中，磨粒被加速冲向工件材料，并将颗粒冲出表面。第四种主动机制是用较大的力但持续的压力将工具压到工件上。振动磨削和珩磨被认为主要是力约束过程。

       1 砂轮

       砂轮也被称为结合剂工具。大多数普通砂轮由传统磨料 Al2O3 或 SiC 组成，砂轮体为整体（图 1 左）。超硬磨料具有更高的耐磨性，而且价格昂贵，因此通常在砂轮体上使用薄磨料层。根据粘结系统的不同，磨料层是多层的，可以是修整过的（图 1 中），也可以是单层的。

图 1 固结磨具

       对于高速加工，陶瓷结合剂对磨削工具的韧性有更高的安全要求。高效深磨要求磨具具有适当的孔隙率和高韧性。普通磨具通过低温烧结结合剂和增强磨料磨粒获得了竞争力。

       1.1 形状

       磨削的特点是工具形状和磨料层成分。砂轮尺寸以"（外径）×（厚度）×（内径）"的形式表示；对于超硬砂轮，还要加上磨削层厚度。

       层宽对磨削力和可达到的表面粗糙度非常重要。与层宽较小的杯形砂轮相比，层宽较大的杯形砂轮由于通过次数较多，因此工件粗糙度明显较低。

       磨料层由磨粒、结合剂和气孔组成。磨粒、粘结剂和气孔的体积组成决定了磨具的应用。磨粒必须起到切削作用。结合剂将磨粒固定在一起，并释放钝磨粒。此外，结合剂还能传递工具旋转时产生的力，并传导加工过程中产生的热量。气孔将冷却润滑剂带入切削区，并将切屑从切削区带走。气孔既是切屑空间，也是冷却润滑剂空间，其数量、大小和总体积可通过造孔剂在很大范围内变化。

       1.2 特殊砂轮类型

       1.2.1 无心磨砂轮

       无心磨削通常用于大批量生产。在这种圆周磨削方式中，工件不是沿其中心轴线固定，而是支撑在其圆周上。无心磨削可以是 外圆磨削或内圆磨削。外圆磨削时，工件位于砂轮、工件托板和控制砂轮之间。在内侧无心磨削中，工件位于轧辊或轧靴之间，由控制轮或端面板驱动。

       在无心磨砂轮中，必须仔细监测砂轮宽度方向上的结构密度。在制造和压制大宽度砂轮时，与较薄的砂轮相比，需要施加更大的压力和更长的时间。对于无心磨砂轮，从磨削到火花喷出的过渡区域磨损最大。但这与砂轮密度无关，而是与横向磨削操作中的轮廓磨损有关。工件、砂轮、控制轮和工件垫板之间的接触特性决定了加工的稳定性。砂轮弹性影响磨削力和切削深度。

       控制砂轮又称调节砂轮，用于调节工件的速度。它是一种传统的砂轮，通常是橡胶粘合刚玉或带有硬质合金涂层的钢体。控制轮通过摩擦加速或减速来调节工件速度。控制轮形状复杂，可实现对工件的线性支撑。控制轮轮廓受控制轮倾角、工件中心高度和工件直径的影响 。控制轮轮廓的新计算模型可缩短修整时间，降低轮磨损 。

       1.2.2 齿轮磨削砂轮

       齿轮磨削分为成形磨削和轮廓磨削，以及连续磨削和非连续磨削。成形齿轮磨削主要通过复杂的加工运动学产生齿轮形状，成型齿轮磨削主要通过砂轮轮廓产生齿轮形状（图 2）。磨削工具必须能够承受较长的接触长度。齿面成形磨削中的接触长度与蠕变进给磨削中的接触度一样长。

图2 磨齿工具

       1.2.3 圆柱形剥离砂轮

       外圆磨削工艺或所谓的剥离磨削工艺是由横向进给和倾斜砂轮确定的。因此，加工区域很小，理论上接近于点状接触。这种工艺在工件形状方面非常灵活，磨削力也相对较小。然而，由于是点状接触区，磨削力会对单个磨粒造成高压力和高负荷。通常会使用超硬磨粒，它们必须很好地固定在结合基体内。一般来说，磨料层的硬度较高。如今，在剥离磨削应用中使用的大多是陶瓷结合剂 CBN 砂轮，砂轮圆周速度高达 160 m/s。材料去除率可达几百mm3 /mms。

       1.2.4 工具砂轮

       工具钢和高速钢使用刚玉或 CBN 砂轮进行加工。硬质合金和陶瓷刀具主要使用碳化硅或金刚石砂轮磨削。硬质合金工具砂轮的金刚石粒度通常在 D46 和 D181 之间。韧性低的金刚石磨粒可在磨削过程中实现自锐，而不规则的形状则有利于磨粒在结合剂中的良好把持力。

       在加工坚硬的碳化物和金属陶瓷时，倾向于使用高密度的金刚石磨粒，以获得较小的单个磨粒力。因此砂轮磨损小，可保持加工工件的尺寸公差和形状公差不变。工具磨削加工需要形状复杂的砂轮。树脂结合剂因其柔软的结合力，具有易于修整和阻尼能力强的优点。

       1.2.5 用于涡轮机材料的平面砂轮

       涡轮材料（如镍合金或铝合金）具有很高的延展性，可产生较长的切屑。砂轮有堵塞的危险，切屑形成的特点是沾污和产生毛刺。涡轮材料的低导热性导致磨削过程中表面层受热损坏。因此，用于涡轮材料的砂轮具有高孔隙率的特点。在工业中，磨削过程中会同时进行连续修整，以磨削和清洁磨具。

       所谓的Viper磨削法是利用高压冷却液流持续清洁和修整砂轮。使用的是气孔率较高的砂轮。此外，涡轮材料中的碳化物和金属间相会使磨具受到磨料磨损，从而产生自锐现象。

       1.2.6 磨针

       磨针，也称安装轮或安装点，是一种一端粘接、模压或压铸有心轴的小轮。这些工具通常用于去毛刺、焊缝精加工、倒角或牙科操作过程中的手持操作。其形状多种多样。磨削销的长轴作为悬臂，磨削力导致工具变形。开放式砂轮结构与软性粘合实现了良好的自锐性。

       1.2.7 长针金刚石砂轮

       20 世纪 70 年代末，市场上出现了长针钻石。这些长针金刚石的长度与厚度比例在2:1到 5:1之间。它们的合成生长方向与金刚石主轴方向一致，即晶体学[100]方向[TOML78a]。(111)区域上不断堆积的生长机制导致了阶梯式的表面结构。

       金刚石平行于八面体平面裂开，因此长针金刚石在其主轴的矩形方向上很薄弱。在磨削过程中，磨粒很容易沿着阶梯状生长平面断裂，磨粒也很可能出现磨损。

       长针金刚石的粒度分级无法通过常规的筛分程序进行，因此金刚石砂粒制造商必须使用投影显微镜进行物理测量。

       为了达到理论上的断裂性能以及最佳的磨粒粘附性，可将带有铁磁性涂层的针状磨粒与电磁系统结合在一起。图 3 中的示例在 1A1 圆柱形砂轮模具中使用了径向磁场线。当砂轮与树脂粘结混合物一起装入模具时，其方向与磁场线平行。压制和固化过程与其他树脂结合剂砂轮类似。

图 3 用于确定 1A1 圆柱滚轮中长针状金刚石方向的电磁系统

       在磨削应用中，与相同粒度的类似磨料相比，针状金刚石砂轮表面有更多的活性磨料颗粒。因此，树脂结合剂长针状金刚石工具在加工脆性工件材料时表现出更好的性能 [TOML78b]。然而，长针金刚石砂轮在市场上并不流行 。与磨削不同，针状金刚石广泛应用于陶瓷结合剂砂轮的修整。

       2 涂附磨具

       涂附磨具的磨粒通过粘合剂固定在背衬材料上（图 4）。涂附磨具包括砂带、砂垫或砂盘。研磨盘用于车身喷漆前的准备工作。在金属磨削领域，去毛刺、粗加工和精加工是涂附磨具的重要操作。与砂轮相比，涂附磨具的市场容量更大。

图4 涂附磨具

       图 4 显示了涂附磨具的磨料层结构和常见设计。砂带与工件之间的磨削啮合为也可以在没有接触元件的情况下在砂带的自由部分进行啮合。

       涂附磨具由表 1 中的各部分组成，即磨粒、背衬材料、涂层、尺寸涂层和拼接。此外，磨料的粒度、形状和磨具的尺寸也是重要的特征。

表 1 涂附磨具的组成部分

       2.1 涂附磨具的制造

       砂带的制造过程如图5 所示。制造过程从背衬材料开始，背衬材料可以是纸、天然或合成纤维布或金属（对于金刚石涂层磨具）。此外，衬底还可以防湿或用金属丝加固。强度和柔韧性是背衬材料的主要特点。

图5 砂带制作流程

       用于固定磨粒的粘结材料可以分一层或多层涂覆，其中制作涂层为基础粘结层，尺寸涂层为上层粘结层。附加涂层可以起到防尘效果。

       首先，涂上涂层，冷却或干燥后会形成凝胶体。在所谓的矿物涂层步骤中，这种凝胶会通过重力（重力散射）或静电散射固定磨粒。。在重力散射法中，分配装置将磨粒施加到涂层底材上。在静电散射法中，涂覆的背衬材料在传输带上颠倒移动，磨粒在传输带上通过静电场定向。静电散射法的优点是磨粒分布均匀，重现性高，磨粒突出量大（图 6）。

图6 砂带的散射方法

       在磨粒定位后，涂上尺寸涂层。它有助于保持砂带之间的间隙。干燥和硬化后，对传送带进行轧制、切割和可能的拼接。皮带拼接的类型对工艺的稳定性至关重要，可以用铝箔进行加固。重叠式拼接可用于所有情况。然而，靠近搭接接头的区域可能在厚度上有所不同，这可能导致在成品表面上留下痕迹。因此，如果研磨表面需要无痕表面处理，建议使用去除砂粒的搭接接头。直线或正弦波对接可以承受极高的应力，例如用于高性能应用。然而，每一次拼接都会在机器/工具/零件系统中产生振动，从而导致颤动和零件表面痕迹。新型无缝无拼接传送带克服了这些问题。

       2.3 涂附磨具中的磨粒

       涂附磨具中使用的单晶磨粒与砂轮中使用的磨粒类似。与砂轮相比，磨粒的大小通常以更大的间隔分级。砂粒完全嵌入在粘合剂材料中，这导致对砂粒脱落的抵抗力很高。因此，砂带研磨中的砂粒剥裂和磨损机制比砂粒脱落更常见。

除单晶磨料外，多晶磨料也是涂附磨具的标准磨料。空心刚玉是一种烧结成空心球状的磨料，已被证明是一种用于砂带的长效磨料。即使球体磨损，它们也会在外壳上暴露出磨料，并执行均匀的切割动作。

       3 珩磨工具

       珩磨工具的结合剂和磨粒材料与砂轮类似。主要工具有珩磨棒、异形工具和齿轮珩磨工具（图 7）。

 图 7 珩磨工具

       特别是使用了陶瓷、树脂、烧结和电沉积结合剂。磨粒大小和浓度与浓度相对较高的磨削工具类似。细粒度珩磨棒用于定型和表面精加工，而非形状修正。与磨削加工不同，金刚石和 CBN 在加工相同材料时可获得相似的珩磨效果。在珩磨工具中，结合剂硬度的选择与磨粒大小有关。较硬的结合剂通常用于粗金刚石和CBN。对于珩磨棒，较粗尺寸的磨粒（大于D151 或 B151）通常使用铁质结合剂，中等尺寸磨粒（D64-D126 或 B64-B126）通常使用较软的青铜结合剂，而较细尺寸的磨粒至微米级则使用树脂结合剂。

       珩磨的定义是刀具与工件之间的持续接触。这不适用于齿轮珩磨。因此，根据定义，齿轮珩磨工艺属于磨削工艺。在齿轮珩磨中，珩磨工具的轮廓是由内齿轮齿形构成的。珩磨工具上装有齿轮修整滚轮和圆柱修整滚轮，用于珩磨轮齿的后退。Vucetic 在单磨粒划痕试验和珩磨试验中比较了陶瓷结合剂和树脂结合剂齿轮珩磨工具，一致发现陶瓷结合剂比树脂结合剂能更好地保持磨粒。

       4 抛光工具

       在抛光过程中，研磨颗粒被微细地分散在液体介质或粘合剂中，并通过一个反向体被引导到工件表面上。因此，抛光工具更像是研磨颗粒在介质或粘合剂中的糊状物或悬浮液。

       在平板抛光工艺中，粘合剂将磨料颗粒固定在平板表面。粘合剂需要在与抛光板轻度接触时熔化，并很好地附着在抛光板表面。抛光膏的质量取决于粘合剂的熔融温度和汽化温度。这两个温度之间的差异越大，粘合剂的质量就越好。

       抛光过程可以根据研磨颗粒尺寸（细或粗）和抛光垫（硬或软）进行分类）。玻璃的光学抛光使用细颗粒和软抛光垫。不过，这种分类并不能说明材料去除的有效机制。一般来说，化学和机械机制的相互作用实现了材料的去除。

图8 研磨和抛光

       在水-酒精悬浮液中使用金刚石磨粒抛光钢材，可以解释为抛光磨粒和工件之间的局部载荷会导致钢材的塑性变形。由于金刚石磨粒具有高导热性，因此不太可能产生热效应和化学反应。材料的去除是通过微犁和微剥落来实现的。

       4.1 抛光磨料

       用于抛光工艺的磨料往往根据所需的材料去除率来选择。常见的磨粒大小约为 1 µm，。在粗研磨膏中，使用硬度较高的磨料：

       • 金刚石 (C)、

       • 氧化镁（MgO）、

       • 浮石（火山熔岩干燥后形成的玻璃状海绵状化合物）、

       • 氧化铍 (BeO)、

       • 氧化铬（Cr2O3 ）、

       • 氧化铁（Fe2O3 ）、

       • 石榴石

       • 刚玉（60-90 % Al2O3 ）、

       • 金刚砂 (60 % Al2O3 和 Fe3O4 , Fe2O3 , SiO2 )、

       • 石英（SiO2 ，内含 CO2 、H2O、NaCl 和 CaCo3 ）、

       • 碳化硅（SiC）

       • 玻璃

       下列软磨料可用于精细抛光研磨膏成分

       • 高岭土，

       • 白垩（从碎石、冲洗和洗涤的石灰石中获得），

       • 重晶石（硫酸钡），

       • 滑石（含水硅酸镁），

       • 硅藻土（在层片中凝结的硅胶形成的白色沉积矿物，压实成软岩块），

       • 维也纳石灰（烧制白云石后获得的细晶钙和镁氧化物的白色粉末复合物）

       4.2 浆料的粘合材料

       糊状物的粘合剂包括以下几种：

       • 硬脂-硬脂酸，CH3 (CH2)16COOH，白色固体结晶物质，熔点 140 °C；硬脂是一种良好的粘合剂，可为浆糊带来凝聚力和硬度。

       • 油酸-油脂，不饱和脂肪酸，熔点 15 °C；油酸通过溶解金属氧化物加速抛光过程。

       • 石蜡-蜡状，脂肪碳氢化合物的结晶混合物，熔点为 44 °C；石蜡不会转化为树脂或碳化。它能为抛光膏带来内聚力、弹性、硬度和附着力。

       • 脂肪-饱和脂肪和不饱和油脂的有机可熔甘油酯；脂肪通常用来代替硬脂。

       • 蜡--固态、不粘稠或液态脂肪酸酯，含较高的脂肪醇；例如棕榈蜡（熔点353-359 K）、蜜蜡（熔点 333-340 K）和蒙坦蜡（熔点 351-353 K）。蜡能增加浆糊的硬度和凝聚力。

       • 凡士林（Petrolatum），从沥青（asphalt）和石蜡基原油中提取；这种物质可降低浆糊的硬度。

       抛光膏中有时会添加表面活性物质和乳化剂。它们的作用是强化加工操作、、增加抛光效果和增加研磨复合物的耐用性。流变性物质（包括铝皂、铝醇酸盐、复杂的膨润土和小于1微米的细滑石粉）被添加到流体糊状物中以增加粘度。例如，在玻璃抛光中，流体对摩擦效应和材料去除过程有很大影响。

       使用沥青抛光可用于加工高价值的光学元件。沥青是一种粘弹性材料，主要来源于松树树脂或石油树脂。

       4.3 抛光垫

       对位剂或抛光垫种类繁多，但缺乏基于应用的模型。对应体可分为三大类： 

       • 可变形的抛光垫，如沥青或铸造聚氨酯，

        • 软抛光垫，如布和具有多孔结构的合成毡，

        • 硬抛光垫，如硬毡，填充或未填充的聚氨酯泡沫，浸渍布，细层压板。垫的选择会影响材料去除率。在自动化玻璃抛光中，聚氨酯泡沫优于沥青垫。

       5 研磨

       具有几何上未定义的切削边缘。定义为一种切削过程，其中松散的磨粒分布在流体或糊状物中，即所谓的研磨浆液，由一个通常是形状传递的对物（也称为研磨工具）引导。理想情况下，各个砂粒的切削路径是无定向的。有效的机制很复杂，被认为是切屑形成、微槽和由微裂纹和颗粒脱落引起的脆性加工的叠加。已知的过程变体包括平面研磨，工件固定或自由移动，外部或内部圆柱研磨，轮廓研磨和超声研磨等。

       5.1 用于研磨的磨料

       研磨过程中常用的磨料包括碳化硅、刚玉、碳 化 硼 (B4C)和金刚石。氮化硼（B4 N）用于研磨碳化物。常规磨粒尺寸如下：

       • 碳化硅和刚玉：5-1 μm

       • 碳化硼：60 -5 μm

       • 金刚石：5-0.5 微米

       • 氧化铬：2 -1 μm

       金刚石研磨液的设计使粗粒也能均匀地分散在液体中。即使研磨液粘合剂的粘度很低，磨料也不会沉淀下来。普通的磨料会被不断送入研磨板，以恢复已破碎的颗粒。金刚石磨粒的补给频率较低。

       在使用松散磨料的研磨工艺中，磨粒的形状、粒度、粒度分布和磨粒破碎特性是工艺控制的重要变量。至于磨粒的形状，块状等轴磨粒被认为是最好的，因为它们介于球状和针状这两个极端之间。球形磨粒倾向于在研磨板和工件之间滚动 ，而不是进行加工；相反，针状磨粒会造成很深的划痕。少数超大磨粒的存在会导致严重的工件损坏。

       6 锯切工具

       金刚石锯最大的用途是切割石材和耐火材料。电子和太阳能行业也使用线锯将硅和石英晶体切割成晶片。在多线切割中，一根线由几个线圈引出，形成几条线，同时进行切割。金属丝既可以含有磨粒粒，也可以在含有磨粒的泥浆中工作（图 9 左）。

图9 线锯和孔锯

       6.1 粘接线锯

       粘合砂粒的线由一个涂有研磨颗粒的芯组成，主要是金刚石。金刚石可以通过树脂粘合或电镀粘合。

       6.2松散磨料线锯

       在线研磨过程中，研磨介质由磨粒（通常为SiC）和介质（通常为油或乙二醇）组成，通过喷涂在非涂层线上。

       6.3 内径锯

       内径锯，又称内孔锯或内径锯，由旋转钢锯条组成，其内径电镀有金刚石磨粒（图 9 右）。钢锯条在其外径处夹紧，锯条或工件沿径向移动。

       7 使用游离磨料的其他方法

       7.1 粉碎

       在材料加工术语中，通过机械方法减小颗粒尺寸称为研磨。其他术语有破碎、研磨或自然研磨。破碎一词用于较大的最终粒度颗粒（如直径约 13-19 毫米）；研磨一词指低微米或以下的粒度。

       用于这些过程的机器通常被称为研磨磨床。研磨机可以是介质磨床（翻滚磨床、离心磨床、搅拌介质磨床、振动磨床）、冲击磨床（锤磨床）或流体能量磨床。粉碎过程中的尺寸减小是由于应力下的颗粒断裂。

       在减小尺寸的过程中，需要使用大量的磨料，如钢、刚玉、玻璃、尼龙、碳化硅、碳化硅萘、碳化钨、氧化锆、硅酸锆等。在选择研磨介质时，必须考虑磨粒大小、硬度、比重、形状和化学反应等因素。

       7.2 自由研磨加工

       在桶式研磨或翻滚研磨中，工件、研磨颗粒和流体在一个慢速旋转的容器中翻滚。在振动研磨中，也被称为“投料研磨”，容器会振动。流体可以是水、酸或碱性化合物。桶式研磨和振动研磨应用于模具制造、医疗和航空航天工程，用于去毛刺、脱脂、抛光或除锈。

图10 振动研磨用磨料颗粒形状示例 

       研磨颗粒，可以是陶瓷、塑料或金属材料，并有各种形状（图10）。尺寸范围从边长3-25毫米或更大。陶瓷粘合剂是具有研磨作用的切片的主要粘合剂类型。钢颗粒用于球形抛光，即产生压应力。

       液态载体化合物的 pH 值从酸性到碱性不等，还具有其他功能，如去除加 工过程中的污染物、保持加工部件清洁等。化合物类型的选择要考虑环境和 经济因素。

       7.3 喷砂

       喷砂中，磨料颗粒通过压缩空气、离心力或加压水激活，并对准工件材料。刚玉、硅碳化物和石英是典型喷砂磨料。排放颗粒和颗粒危险空气污染物是与喷砂相关的主要问题。存在几种控制空气排放的方法，如喷射罩、真空喷射器、帷幕、水幕、湿喷射和回收系统。