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磨具制造及工作原理介紹


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結合劑制成的人造磨具,也有用天然礦岩直接加工成的天然磨具。磨具除在機械制造和其他金屬加工工業中被廣泛采用外,還用于糧食加工、造紙工業和陶瓷、玻璃、石材、塑料、橡膠、木材等非金屬材料的加工。

    磨具在使用過程中,當磨粒磨鈍時,由于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,使磨具在一定時間内能保持切削性能。磨具的這種自銳性,是磨具與一般刀具相比突出的特點。

    早在新石器時代,人類就已經開始應用天然的磨石來加工石刀、石斧、骨器、角器和牙器等工具了;1872年,在美國出現了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産生,為磨削和磨床的快速發展創造了條件。此後,天然磨具在磨具中所占比例逐漸減少。

    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油石。人造磨具按基本形狀和結構特征區分,有砂輪、磨頭、油石,砂瓦(以上統稱固結磨具)和塗附磨具五類。此外,習慣上也把研磨劑列為磨具的一類。

    固結磨具按所用磨料的不同,可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。

    普通磨料固結磨具是由結合劑将普通磨料固結成一定形狀,并具有一定強度的磨具。一般由磨料、結合劑和氣孔構成,這三部分常稱為固結磨具的三要素。

    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。

    氣孔在磨削時對磨屑起容屑和排屑作用,并可容納冷卻液,有助于磨削熱量的散逸。為滿足某些特殊加工要求,氣孔内還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,也被稱為磨具的第四要素。

    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,它反映了結合劑把持磨粒的強度。

    磨具的硬度主要取決于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、硬和超硬七大級,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。

    磨具的硬度與其動态彈性模量具有對應關系,這有利于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。

   磨具組織粗分為緊密、中等和疏松三類。每類又可再細分數等,用組織号來區分。磨具組織号越大,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,組織号越小表示組織越緊。較松組織的磨具使用時不易鈍化,在磨削過程中發熱少,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,有利于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。

    超硬磨料固結磨具主要是由金剛石、立方氮化硼等與結合劑固結成的磨具。由于金剛石、立方氮化硼的價格高、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。

    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。過渡層用于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。

    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。随結合劑不同,制造工藝也不盡一樣。陶瓷結合劑磨具主要采用壓型法,将磨料和結合劑按配方的重量比例稱量後,置于混料機内混合均勻,投入金屬模具内,在壓力機上成型出磨具毛坯。毛坯經幹燥再裝入窯内焙燒,燒成溫度一般為1300℃左右。當采用低熔點燒熔結合劑時,燒成溫度低于1000℃。再按規定尺寸形狀精确加工,最後檢查産品。

    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。成型後在硬化爐内硬化。以酚醛樹脂為結合劑時,硬化溫度為180~200℃。

    橡膠結合劑磨具主要采用對輥機混料,并滾壓成薄片,然後用沖刀沖裁成型;也有的用松散料,投入金屬模具内在壓力機上成型。成型後在硫化罐内硫化,溫度為165~180℃。

    金屬結合劑磨具的制造工藝有粉末冶金法和電鍍法兩種,主要用于超硬磨料固結磨具。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。電鍍法以鎳或鎳钴合金等為電鍍金屬,按電鍍工藝将磨料固結在基體上,制成磨具。

    特殊品種的磨具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适量的氧化鉻混合、成型,在1800℃左右燒結制成。這種磨具結構緊密,有較高強度,主要用于加工鐘表、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,它的彈性好,主要用于金屬材料及其制品的抛光。

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