新型高效专用重负荷强力和精密无机高分子磨具的制作初探.docx

1、新型高效专用重负荷强力和精密无机高分子磨具的制作初探新型、高效、专用、重负荷强力和精密无机高分子磨具的制作初探2010/7/10/9:24来源：中国磨料磨具网高效磨削加工技术是先进的制造技术必要条件，彻底解决了传统磨削加工高精度、低效率的加工局限，在获得高效率，高精度的同时，又能对各种材料和形状进行高表面完整性加工并降低成本。在我国现有条件下，大力加强高效磨削加工技术的研究、推广和应用，对提高我国机械制造业的加工水平和加快新产品开发具有十分重要的意义。如今超硬材料的应用日益广泛，实施高速高效磨削是加工超硬材料和难切材料的优选加工工艺。由于超硬磨料磨具的应用，高速、大功率精密机床及数控技术发展、

2、新型磨削液和砂轮修整等相关技术的发展、高速超高速磨削和高效率磨削技术应用、磨削自动化和智能化等技术的发展，使高效率磨粒加工在机械制造领域具有更加重要的地位，具有很好的发展前景。高效磨削砂轮应具有好的耐磨性，高的动平衡精度，抗裂性，良好的阻尼特性，高的刚度和良好的导热性，而且其机械强度必须能承受高效磨削时的切削力等。高效磨削砂轮可以使用刚玉、碳化硅、CBN、金刚石磨料。在合适的结合剂和先进的制造工艺条件下，生产的磨具使用速度可达125m/s。现有的陶瓷结合剂砂轮耐水、耐油、耐酸、耐碱的腐蚀，能保持正确的几何形状。气孔率大，磨削率高，强度较大，韧性、弹性、抗振性差，不能承受侧向力，V轮35m/s

3、的磨削，这种结合剂应用最广，能制成各种磨具，适用于成形磨削和磨螺纹、齿轮、曲轴等。现有的树脂结合剂强度大并富有弹性，不怕冲击，能在高速下工作。有摩擦抛光作用，但坚固性和耐热性比陶瓷结合剂差，不耐酸、碱，气孔率小，易堵塞；V轮50m/s的高速磨削，能制成薄片砂轮磨槽，刃磨刀具前刀面，高精度磨削。无机高分子结合剂磨具强度较高，因此有较高的使用速度，一般适用于高速切割、荒磨、重负荷磨削；另外无机高分子结合剂磨具有一定的弹性，且结合剂耐热性高，磨削自锐性好，这样与传统树脂结合剂相比，砂轮的尖角保持性好，形状保持性好，也适用于精磨，如螺纹磨、成型磨、刃磨；可以说无机高分子结合剂既具有陶瓷磨具的性能、也具

4、有树脂磨具的性能，同时也避开了它们的缺陷。无机高分子结合剂制作磨具，是在磨削理论基础和应用研究的基础上，把复合材料的理念引入到磨具的生产来，下面抛开无机高分子结合剂的物理化学基本原理（1.无机高分子材料的晶体化学2.无机高分子材料的热力学3.无机高分子材料的过程动力学）以及复合材料的界面和强韧化机理的介绍，具体谈谈无机高分子结合剂在新型、高效、专用、重负荷强力和精密磨具生产中的应用。虽然这一先进工艺技术已逐渐地为一些工具行业所掌握，但仍有若干具体问题尚有待认真总结经验，研究解决。下面就是具体对无机高分子结合剂制作磨具的设计原则和方法、制作无机高分子复合材料磨具高速重负荷、荒磨磨具、强力磨削磨具

5、、高效深切磨削、缓进给磨削磨具、快速点磨削磨具、高效磨削磨具、主轴及其轴承磨具、高效率磨床磨具、钢轨打磨磨具、砂带磨削的工艺方法提一些粗浅的看法。一、无机高分子结合剂磨具的设计原则和方法在砂轮设计制造中应考虑如下几个问题：首先应考虑加工的材料的性能和材料加工表面的精度，然后选择合适的磨料、粒度以及混合磨料的磨削使用。其次是砂轮工况的各种受力情况、抗冲击性、速度、温度、加工材质和砂轮使用寿命以及选择合适的结合剂、辅料等，并考虑相互间的匹配和科学的工艺。磨具强度取决于结合剂性能、磨具制造工艺和磨具规格。考虑影响磨具强度的因素有：磨料的种类、粒度，结合剂种类及性能，磨具的硬度、组织、密度、混料、成型

6、工艺及固化工艺条件，磨具形状，磨料轮外径与孔径之比等。其中在磨具特性及规格给定之后，结合剂性能、混料成型工艺及固化工艺条件最重要。另外还有砂轮的磨削比也是一个重要的参数。对上面涉及的因素，下面我们就来一一谈谈：磨具基体的组合中磨料及磨料粗细程度和颗粒级配磨料的粗细程度是指不同粒径的磨料，混合在一起后的总体的粗细程度；颗粒级配是指不同种类、大小和数量比例的磨料的组合或搭配情况。磨料是磨具起磨削作用的重要因素，磨料的选择主要根据工件材料的性质，如硬度、抗张强度、韧性等来确定，选择磨具磨料的基本原则是：磨削硬度高的工件材料时，应选择硬度更高的磨料；磨削抗张强度高的工件材料时，应选用韧性大的磨料；磨削

7、抗张强度低的材料时，应选用较脆或强度高的碳化硅磨料。关于各种磨料的性能、用途和选择，这里不作详谈。选择磨料粒度时，主要应根据加工精度、表面粗糙度和磨削效率的要求来选择。一般原则如下：要求被磨工件粗糙度高，应选择粗粒度；要求表面粗糙度低，应选择细粒度。工件要求较高的几何精度和较低的表面粗糙度时，应选择混合粒度。工件几何精度要求高，当磨料轮与工件接触面积小时，应选择细粒度；接触面积大时，选择粗粒度。工件材质硬而脆，应选择细粒度；工件材料软而韧，应选择粗粒度。工件的导热性差，易发热变形，易烧伤，应选择较粗粒度。这些问题也涉及到磨具的导热性能、热容、密度、气孔等影响磨削的因素。磨料通常分为粗磨料、中磨

8、料、细磨料和微粉磨料等几种。在相同用磨料条件下，微粉磨料的总表面积较大，粗磨料的总表面积较小。在磨具生产中表面需用结核剂包裹，赋予粘结强度，磨料子的总表面积愈大，则需要包裹磨料表面的无机高分子结合剂就愈多。一般用粗磨料比用细磨料所用无机高分子结合剂量少。磨料颗粒级配，为了使磨削效率提高，不仅要考虑磨具的强度和加工材料，而且还必须确定用那几种磨料的用量，即磨料的级配。磨具在进行磨削时，磨具一方面受到磨削体的冲击作用，另一方面也受到磨削体的破坏作用，这样才能才能保证磨具的锋利度，完成整个磨削过程。显然，在单位时间内，磨削体参与磨削的接触点越多，即单位时间内参与磨削的磨粒越多，磨削效率越高。当磨料一

9、定时，要增加磨料与磨削体的接触，则研磨料的尺寸越小越好。但另一方面，要想将磨削工件加工完成磨削，则磨具必须有足够的冲击能力才行。磨具的任务是既要保证足够的能力对工件的材料进行磨削，而又要保证磨具对工件磨削到一定的细度，因此，在其它条件一定的情况下（如磨具强度、磨具速度度等），这个任务只有通过选择大小适合的磨料和将它们合理配比才能完成。在磨具制作中磨料之间的空隙理论上是由结合剂包覆磨料之后产生的，为达到少用无机高分子结合剂用量来满足磨具强度、并到达提高磨削效率的目的，就应尽量减小磨料粒之间的空隙。另外一个沿用的观念认为应该澄清的就是人们习惯于将工件磨削时发生烧伤归于磨料轮的组值太密，缺少足够的容

10、屑气孔。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，传统磨具的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，传统也被称为磨具的第四要素。这一点并不一定总是正确，因为高削磨削时产生磨屑数量之多，体积之大绝非小小气孔所能容纳，而超硬磨料磨料轮尽管完全没有气孔。只要将其表面适当修锐就能够很好地工作。如果增大树脂磨料轮的气孔容积比势必会降低其强度，使其过早磨损，这是得不偿失的事。另外，砂轮工作线速度对产生磨屑数量的影响比较复杂，当砂轮从28.8m/s提高到33.6m/s时，速度提高了16%，而堵塞量增加了三倍。因为砂

11、轮线速度的增加使磨粒的最大切深减小，切屑截面积减小，同时切削次数和磨削热增加，这两个因数均使堵塞量增加，但是当砂轮线速度高达一定程度时(如达50m/s以上)砂轮的堵塞量反而大降低。对于各种工件材料来说，各有一定的其堵塞量最小的临界砂轮速度值。无机高分子结合剂制作磨具对这些考虑很少，关于这些磨削理论将在以后的专项中再作介绍。）至于采取什么方法来减少高速磨中的烧伤问题，下面在具体磨具要素中会再谈到。磨料颗粒级配和粗细程度的定量表示，磨料的颗粒级配和粗细程度。用级配区表示磨料的级配，用细度模数表示磨料的粗细。 磨料的粗细比表面积（f）磨料的粗细程度用表示比表面积（f），其计算公式为f=(2+3+4+

12、5+6)-51/100比表面积（f）愈大，表示在同种质量下磨料愈细，磨具用磨料的比表面积范围一般为3.70.7，其中f在3.73.1为粗磨料，f在3.02.3为中磨料，f在2.21.6为细磨料，f在1.50.7为特细磨料磨具的坚固性：是指磨具在外力、环境或其它物理因素作用下抵抗破裂的能力。选择磨具硬度时，主要根据工件材料的性质、磨削方式来选择。磨料轮的硬度是指磨料轮表面上的磨粒在磨削力作用下脱落的难易程度。磨料轮的硬度软，表示磨料轮的磨粒容易脱落，磨料轮的硬度硬，表示磨粒较难脱落。磨料轮的硬度和磨料的硬度是两个不同的概念。同一种磨料可以做成不同硬度的磨料轮，它主要决定于结合剂的性能、数量以及磨

13、料轮制造的工艺。磨削与切削的显著差别是磨料轮具有“自锐性”，选择磨料轮的硬度，实际上就是选择磨料轮的自锐性希望还锋利的磨粒不要太早脱落，也不要磨钝了还不脱落（磨粒磨损机理(1)微观切削磨损机理(2)多次塑变导致断裂的磨损机理(3)微观断裂磨损机理影响磨粒磨损的因素等这里不作介绍）。散粒材料的堆积密度及空隙率堆积密度散粒状材料在规定装填条件下（包括散粒材料中颗粒在自然状态下的体积和颗粒之间空隙的体积）的质量称为堆积密度。如白刚玉堆积密度1.531.99g/cm3，颗粒密度为：3.954.0g/cm3。单位g/cm3或kg/m3。 公式： o=m/Vo式中 o堆积密度（g/cm3）m材料的质量（g

14、） Vo材料的堆积体积（cm3）单位体积磨料的重量称为磨料的堆积密度，其单位习惯上用g/cm3来表示。磨料的堆积密度直接对磨具的强度、硬度及切削性能都有一定的影响，另外，它对磨料的其它性质也有一定的影响。影响磨料堆积密度的因素主要包括磨料的种类、粒度和磨料的破碎方法。一般来说，在相同的条件下，刚玉的堆积密度比碳化硅的大，粗粒度比细粒度的堆积密度大，等积形磨料的堆积密度比片状、剑状的大，用球磨机加工的磨料的堆积密度比对辊机、鄂式破碎机加工的大。就磨具的生产而言，用于生产固结磨具的磨料，其堆积密度应尽可能的大，从而使得磨具具有较高的强度、硬度以及良好的切削性能；用于生产涂附磨具的磨料，其堆积密度应

15、尽可能的小，这样可以保证磨具的锋利性，故而这也是磨具生产应当注意的。磨料的堆积密度可以通过整形来改变，用球磨机整形可提高磨料的堆积密度，用对辊机或鄂式破碎机整形能降低磨料的堆积密度。另外，采用混合磨粒可以提高磨料的堆积密度，如果粗细粒度搭配适当，能使磨料的堆积密度达到最大值。空隙率散粒材料在自然堆积状态下，其中的空隙体积与散粒在自然堆积状态下的体积之比的百分率称为空隙率公式： P=(1-o/o)100%P散粒材料的空隙率o散粒材料的堆积密度o-材料的体积密度磨料粒度级配的选择连续级配和间断级配连续级配是按颗粒尺寸大小由小到大连续分级（2.5nmDmax），每一级磨料都占有一定比例。连续级配颗粒

16、级差小（D/d2），配制的磨料拌和物和易性好，不易产生大粒现象。间断级配是人为剔除某些中间粒级颗粒，大颗粒的空隙直接由比它小得多的颗粒去填充，颗粒级差大（D/d6）,空隙率的降低比连续级配快得多，可最大限度地发挥磨料的骨架。级配磨料的用量计算：根据紧密嵌挤-骨架密实的原则，设计混合料的思路推导出粗细磨料用量百分比公式：式1.2联解出磨料的百分比，式中k依据磨具的具体情况，如密度、强度、磨削性能等情况来定。完全填充时k为1，若粗磨料用量为M，那么细磨料的用量为（Mo粗）P粗o细，即也为细磨料的最大理论添加量。关于砂轮的磨料级配问题，涉及的引申问题很多，如磨削性能、强度、密度、混料、成型工艺等等，

17、也有很多问题有待进一步研究。磨具的强度磨具强度包括抗拉强度、抗折强度、抗压强度和抗冲击强度。磨具抗拉强度反映磨具在最大张力下的强度，它是磨具制造、使用上的一个重要指标，直接与磨具在高速旋转时可能产生破裂的程度有关；磨具抗折强度反映磨具的最大弯曲应力或弯曲极限，它与磨具磨削中成型磨削性能有关，例如螺纹磨削、曲轴磨削及各类型的切入磨削等，都要求磨具有较好的抗折强度；磨具抗压强度反映在压力作用下磨具的强度极限，磨具在增大径向负荷磨削时磨粒磨钝断裂及磨具发生破裂程度与抗压强度有关；磨具抗冲击强度反映磨具在动负荷下抵抗冲击力的性能；磨具抗拉强度小于抗折强度，而它又是反映磨具在高速旋转时的抗破裂能力，为保

18、证磨具的使用安全，磨具抗拉强度将是磨具十分重要的性能。了解这些在不同情况下磨具面对的工况受力情况，是为了涉及满足磨具不同使用用途、性能设计的必要条件。磨料轮的回转强度是指磨料轮旋转时在离心力作用下抵抗破裂的能力，反映了磨料轮抗张应力的大小和回转速度的高低。抗拉强度是通过拉力试验机把“8”字块试样拉断测定的，磨料轮的破裂速度则是在磨料轮回转过程中造成磨料轮破裂时的速度。根据平均应力学说其关系式：一般在同样条件下，磨料轮的抗拉强度值越高，其破裂速度也越高。因此，可以通过实验室“8”字块试样测出的抗拉强度，近似计算出磨料轮回转破裂速度。有利于磨料轮制备工艺配方设计。磨料轮的回转试验方法按国家标准GB

19、/T 24931995进行。要求最高工作速度小于等于50m/s的磨料轮，其回转试验速度应是最高工作速度的1.6倍。最高工作速度大于50m/s的磨料轮，其回转试验速度应是最高工作速度的1.5倍，国外的回转试验速度应是最高工作速度的2倍；由此可知：磨料轮的回转破裂速度、回转检验速度和最高工作速度，这三者之间的关系如下：v破裂v回转v最高工作由外界硬质颗粒或硬表面的微峰在摩擦副对偶表面相对运动过程中引起表面擦伤与表面材料脱落的现象，称为磨粒磨损。其特征是在摩擦副对偶表面沿滑动方向形成划痕。磨粒磨损分类磨料磨损有多种分类方法，例如，以力的作用特点来分，可分为：(1)低应力划伤式的磨料磨损，它的特点是磨

20、具磨料作用于表面的应力不超过磨料的压溃强度，材料表面被轻微划伤。生产中的犁铧，及煤矿机械中的刮板输送机溜槽磨损情况就是属于这种类型。(2)高应力辗碎式的磨料磨损，其特点是磨具磨料与表面接触处的最大压应力大于磨料的压溃强度。生产中球磨机衬板与磨球，破碎式滚筒的磨损便是属于这种类型。(3)凿削式磨料磨损，其特点是磨料对材料表面有大的冲击力，从材料表面凿下较大颗料的磨屑，如挖掘机斗齿及颚式破碎机的齿板。也有以磨损接触物体的表面分类，分为两体磨料磨损和三体磨料磨损。两体磨损的情况是，磨料与一个磨具表面接触，磨料为一物体，磨具表面为另一物体，如犁铧。而三体磨损，其磨损料介于两个滑动磨具表面，或者介于两个

21、滚动物体表面，前者如活塞与汽缸间落人磨料，后者如齿轮间落人磨料。这两种分类法最常用。磨粒磨损的主要试验规律虽然磨具或材料的耐磨性能不是材料的固有特性，它与许多因素有关，但是材料本身的硬度和磨粒的硬度是影响磨料磨损的两个最主要的因素，现已总结出它们的影响规律。(1)如果材料预先已经过加工硬化，则对增加耐磨性就不再起作用。这说明磨损试验本身，已使材料表面达到了最大的加工硬化状态。(2)材料的耐磨性显然与磨粒的硬度、几何形状、物理性能有关。除了提高材料本身硬度可增加抗磨料磨损性能外，还可进行感应加热淬火、渗碳、氮化、表面喷镀与堆焊来提高耐磨性。磨具的组织磨具是由磨粒、结合剂、辅助材料和气孔四要素组成

22、（传统的不包括辅助材料），而磨粒是磨具对被加工工件表面起切削作用的主要要素。所谓磨具组织，就是反映在磨具内起主要磨削作用的磨粒分布的疏密程度，也可以说是磨粒在磨具中的体积分布，以磨粒占磨具体积分数来表示，也称为磨粒率。根据国家标准GB/T 24841994规定，磨具组织号按磨粒率从大到小顺序为014，其磨具组织号与磨粒率的关系：Vg2（31N）式中：Vg磨粒率，；允差为1.55；N组织号（从014或更大）。磨具组织松紧与磨粒粒度有关。粗粒度磨具，由于磨粒颗粒尺寸大，所占体积分数也大，即磨粒率高，所以一般粗粒度磨具组织比较紧密，组织号在05范围内。反之，细粒度磨具，其颗粒尺寸小，表面积大，同样堆

23、积体积重量轻，磨具同样硬度时，所用结合剂量要比粗粒度磨具多，单位体积内磨粒所占体积较少，故组织比较疏松，组织号较大。磨具配合比设计的步骤配方设计原则对于任何砂轮来说，至关重要的当然是根据磨削对象而设计出的配方。配方是组成砂轮产品的原材料种类和数量的反映，是生产中配制成型料的重要依据，它是根据砂轮的使用性能与工艺要求而拟定的。严格地讲它应该包括所使用的磨料、结合剂、填充料等，以及与之有关的磨料类别、浓度和砂轮的成型密度、气孔率、混料成型工艺、固化工艺等。配方设计的一般过程是：首先在分析各种原材料作用的基础上，根据加工要求，进行结合剂成分混配，冷压（热压、浇注模压）制成试样；固化后测定其强度、硬度

24、等各项性能参数；选择性能科学配比后经反复试验，并经一定时间的产生验证，达到稳定成熟。配方设计的总原则是：应该对技术可行性研究与经济指标进行综合评估。技术上主要考虑所设计的配方中原材料的性能及配比能不能适合磨削加工性能、质量的要求；经济上则要考虑包括砂轮制造和使用两方面因素在内的总的加工费用。所有的无机高分子结合剂砂轮（树脂、陶瓷、超硬）都一样，由磨料、结合剂、辅助材料和气孔等部分组成，磨具的总体积等它们者之和。假设磨具的总体积为100，则：V磨具V磨料V结V气100式中：V磨具磨具的总体积；V磨料磨料所占的体积；V结结合剂所占的体积；V气气孔所占的体积；V结V粘V辅助材料式中：V粘粘合剂所占的

25、体积；V辅助材料辅助材料所占的体积。成型密度（V磨料磨料V粘粘V辅辅）100式中：磨料磨料的密度，gcm3；粘树脂粉的密度，gcm3；填填料的密度，gcm3。配方中各数据取决于三者的比例关系，要使三者的比例关系搭配合理，须抓住影响配方的几个因素，如结合剂浓度、硬度、磨料粒度，进行分析。第一步：磨具配制强度的确定依据公式：fo=fk+t式中：fo磨具配制强度MPa；fk设计要求的磨具强度等级MPa；结合剂实际强度,如无法取得实际强度可按 来定（k与成型压力、坯体密度、磨料种类形状、成型工艺（热压、冷压、浇注压）、温控曲线等有关）t 概率度系数-磨具强度标准差MPa。第二步：选取合理磨料率值方法：

26、、依据填充理论和磨料态参数，计算磨料率；、根据通过试验求出合理磨料率坍落度最大的最小磨料率；、如无试验资料，可根据磨料品种、规格和结合剂的经验比。第三步：初步确定比（磨料结合剂） 依磨具强度公式：100份磨料所需结合剂基本满足上述要求的多重回归回归方程作为表达磨具配方的函数式。C=bo+b1X1+b2X2+b3X3 bo代表截距， b1、b2、b3为回归系数 X1、X2、X3为变量。第四步：计算磨料、结合剂的用量S，GA、质量法：若原材料情况比较稳定，所配制的磨料拌和物的堆积密度将接近一个固定值。B、积法：假定磨料拌和物的体积等于各组成材料绝对体积和磨料拌和物中所含空气体积之总和。配合比的试配

27、、调整以上求出的各材料用量，是借助于一些经验公式和数据计算出来的，或是利用经验资料查得的，因而不一定能够完全符合具体的生产实际情况，必须通过试拌调整，直到磨料拌和物的符合要求为止，然后提出供检验强度用的基准配合比。实验室配合比强度校验采用三个不同的配合比，其一为基准配合比，另外两个配合比的W/C较基准配合比分别增加或减少3。每种配合比至少制作一组（三块）试件，固结后，用作图法或计算法求出与磨具配制强度（f0）相对应的结合剂,并确定出设计配合比。实验室配合比的确定用磨料量（W）取基准配合比中的用磨料量，并根据制作强度试件时测得的强度，进行适当的调整；结合剂用量（C）比计算确定；粗、细磨料用量（S

28、,G）取基准配合比中的粗、细磨料用量，并按选定的比进行适当的调整。第五步：换算生产配合比经测生产配合比为：备注：(1)磨料直径的大小要合适。因为少量颗粒直径过大，会引起应力集中或本身破碎，从而导致磨具基体强度降低；磨料直径太小，则起不到大的强化作用。关于磨料粗细的合理配合还有待于进一步研究。(2)磨料的数量一般大于60。数量太少，达不到最佳的磨削效果。(3)磨料与结合剂形成的基体应有一定的强度。二、无机高分子结合剂重负荷砂轮的应用1、重负荷砂轮的发展重负荷砂轮主要使用树脂结合剂，树脂重负荷的磨削效率居其它各种磨具之首。它主要用于钢铁工业中对钢锭、钢坯、钢板的修磨以及各种铸件的表面清理等。故又把这种砂轮称之为荒磨砂轮或磨钢坯砂轮，它的发展依赖于钢铁工业的发展，以及相应的高效磨床的发