磨料磨具网

       简介

       磨削加工利用磨料颗粒，能够实现高的表面质量、尺寸公差和工艺稳定性。磨削作为最重要的磨削加工工艺，既可以作为难加工材料的精加工方法，也可以作为成形方法。

       在磨削过程中，磨削工具是除冷却润滑剂和磨削机床之外最重要的工艺元素之一。磨削工具的结构、化学成分、表面形貌和磨损行为决定了工件的质量、表面完整性、工艺稳定性、生产率等。磨削工具可以是整体砂轮，也可以是具有磨削层的工具，或是涂层工具，如磨削带、垫或盘。磨料颗粒执行切屑形成的功能，并被固定在结合剂中，结合剂的硬度定义了工具的硬度，并影响其磨损行为。

       多层砂轮由陶瓷、树脂、橡胶或金属粘结剂制成。所有多层磨削工具的制造过程大致相同，如混合、成型、压制、热处理和后处理。

       在成型和压制过程中，磨料/粘结剂混合物的填充密度变得尤为重要。磨削层的均匀性对于确保磨削过程的可预测性至关重要。

       单层砂轮是通过电镀或钎焊磨料颗粒到砂轮基体上制成的。涂层磨削工具，如磨削带、垫或盘，通常也是单层工具，磨料颗粒固定在背衬材料上。在这些工具中，粘结材料可以以一层或多层的形式施加。磨料颗粒要么通过重力散布，要么通过静电力散布，后者可实现均匀分布和更高的可重复性。

       在磨削操作中，磨料颗粒的数量庞大，且具有尺寸、形状和其他特性的分布。今天大多数磨削工具仍然是随机分布磨料颗粒的工具。

       磨料颗粒的特性在很大程度上决定了工具的特性。为了实现均匀和可预测的磨削过程，磨料颗粒必须无杂质，尺寸可控，并且在磨削层内均匀分布。

       磨粒性能

       磨料颗粒特性

       磨料颗粒的主要任务是通过在延展性材料中形成切屑或在脆性材料中表面碎裂和压力软化来进行材料去除。因此，磨料颗粒必须比工件材料更硬，以便于切屑形成。当磨削力过大时，通过磨料颗粒断裂实现自锐是非常理想的。当磨料颗粒变钝时，粘结剂也可以释放颗粒，帮助实现自锐。决定切削过程效率的四个主要磨料颗粒特性是：硬度、耐热性、韧性和脆性。除了这些基于性能的参数外，磨料颗粒的尺寸和形状/形态决定了磨削过程中的有效切削刃数量。此外，化学、热、电和磁特性在工具制造中也尤为重要。

       所有这些磨料颗粒特性在磨料批次中以分布的形式存在。堆积密度和均匀性是额外的特性。所有这些特性都必须在工具使用和工具制造之间找到平衡。表 1 总结了最重要的磨料颗粒特性及其主要影响。

       磨料颗粒尺寸

       在磨削工具中，磨料颗粒的尺寸和浓度决定了切削刃的数量。未变形的切屑厚度是切削刃数量的函数。较小的颗粒尺寸通常可实现较小的表面粗糙度，但也会导致更高的加工力和较短的工具寿命。

       过大的颗粒可能对零件表面质量产生负面影响，因此定义明确的颗粒尺寸分布非常重要。

       磨料颗粒的尺寸和尺寸分布影响磨削工具的生产，特别是堆积密度。通过混合不同的颗粒和结合剂尺寸，可以增加模具填充密度和均匀性。

       除了颗粒尺寸外，每克拉颗粒数（PPC）通常用作粗颗粒金刚石的度量标准，例如用于电镀工具、修整工具或石材锯切工具。每克拉颗粒数可作为金刚石批次一致性的度量。

       磨料颗粒形状/形态

       磨料颗粒的形状和形态源自颗粒合成期间的生长条件和后处理策略。根据压力/温度条件，金刚石或CBN可以合成不同的形状（八面体、立方体、四面体）。氧化铝则以多晶形式出现，并被打碎成所需的颗粒尺寸。不同的合成方法导致不同的纯度和单晶尺寸（例如，单晶氧化铝、熔融白刚玉或具有非常小晶粒的烧结氧化铝）。后处理如粉碎或化学过程会改变颗粒的形状。磨料颗粒的形状几乎从未达到理想状态，需要通过多个几何指标来描述，例如圆度和椭圆度。

       磨料颗粒的形状影响切削刃的数量和形状以及颗粒的断裂行为。每个磨料颗粒可以有一个或多个切削刃，颗粒的碎裂会改变切削刃的数量和形状。

       颗粒表面决定了颗粒在粘结剂中的机械附着效果，因此粗糙表面更受青睐。通常通过涂层增加颗粒表面积或提供化学键合来支持附着。堆积密度也受颗粒形状影响。块状颗粒比不对称形状颗粒具有更高的堆积密度。

       磨料颗粒硬度

       磨料颗粒的硬度是通过 Knoop 或 Vickers 硬度测试定义的静态压痕硬度。硬度对于传递所需的切削力以进行切屑形成是必要的。切削刃的稳定性和锋利度也受磨料颗粒硬度的影响。只有当磨料颗粒比磨损材料更硬时，才能在摩擦过程中发生磨料磨损。然而，即使是硬度较高的金刚石磨料颗粒，在与氧化铝磨料接触时也会发生磨损，因为金刚石的温度稳定性低于氧化铝。因此，温度硬度非常重要，因为磨削通常具有较高的峰值温度。

       磨料颗粒韧性和脆性

       韧性是指材料抵抗断裂和裂纹扩展的能力，通常在动态条件下测量。

       磨料颗粒的韧性表示颗粒在与工件接触时发生断裂的可能性。断裂行为可以从大颗粒到小颗粒的剥落，留下一个或多个切削刃的光滑或粗糙表面。硬而脆的磨料通常用于精密磨削，而韧性强的大颗粒更适用于重型磨削。韧性强的颗粒意味着工具磨损较低，但它们可能变钝并增加摩擦，从而带来热损伤和工艺振动的危险。脆性颗粒容易暴露新的、锋利的切削刃，但可能导致工具寿命短和形状误差。颗粒断裂在工具修整中也很重要，因为它定义了工具的锋利度。

       磨料颗粒的韧性和硬度无关，但通常硬度较高的颗粒更脆。颗粒尺寸和韧性相关，因为较小的单晶颗粒具有较少的缺陷。

       磨料颗粒的热特性和化学反应性

       耐热性受温度硬度的影响，但也受磨料材料在高温和高压下的化学反应性的影响。必须考虑磨料颗粒的反应性，包括大气、冷却润滑剂和工件材料。

       在工具使用期间，最重要的热特性是导热性、在负载下的软化点和熔点。后两者定义了工具的使用寿命，而导热性则影响工件表面的完整性。磨料颗粒在切削刃处承受摩擦热，但高导热性会将热量快速分布到整个颗粒体积中。这可能对表面完整性产生积极影响，例如超硬磨料作为热沉的情况下。氧化铝颗粒在室温下具有相对较低的导热性，而且在较高温度下导热性还会降低。这导致了颗粒内部的高热应力。此外，磨料颗粒和粘结剂的不同热膨胀系数会产生进一步的应力。

       对于陶瓷工具，烧结温度可以超过1300°C。金刚石在空气中的低热磨损耐受性尤为突出，因此需要惰性气氛或低温烧结粘结剂。

       磨料颗粒的电和磁特性

       电和磁特性主要对工具制造而非工具使用重要。首先，它们影响电镀粘结剂在磨料颗粒和工具体上的沉积。在电镀粘结剂中，合成金刚石中的金属夹杂物可能会引发问题。其次，磨削工具的静电分布可能会受到磨料颗粒电特性的影响。

       堆积密度

       堆积密度或堆积密度取决于颗粒的尺寸和形状。例如，等轴形状的颗粒比扁平形状的颗粒具有更高的堆积密度。如果已知颗粒尺寸和尺寸分布，堆积密度是一种简单但有效的度量方法，用于评估一批颗粒的主要形状。

       磨料颗粒的密度和尺寸与结合在磨削工具中的切削刃数量有关。堆积密度影响多层磨削工具制造中的模具填充密度。

       均匀性

       磨削层需要均匀，以展现稳定的磨削行为，并避免旋转不平衡。颗粒特性的狭窄分布使得工具性能具有良好的可预测性。

       磨料选择及检测方法

       磨料颗粒的选择与分析方法

       磨料颗粒的选择与分析方法可以通过不同的因素来描述：精度、准确性、分辨率和可重复性。

       筛分

       筛分是一种通过定义网目尺寸的筛网分离颗粒的简单方法。筛分可以手动或机械进行，并且可以用于干性或湿性材料。较大的磨料颗粒通过筛分按尺寸分级，较细的颗粒通过沉降法分级。

       通过筛分定义的尺寸并不意味着单一值，而是一个尺寸范围。该尺寸范围通过一组筛网来分类，筛网保留和通过定义数量的颗粒。筛分质量还取决于颗粒的形状。对于圆形颗粒，网目定义了最大直径，但对于不规则颗粒（例如针状），最大尺寸可能大于网目尺寸，因为不规则颗粒可能以其最小截面通过。因此，不规则颗粒的尺寸分布较宽。

       沉降法

       沉降法或斯托克斯法使用静止介质和自由下落的颗粒。这些方法通常用于对较细的颗粒进行分级。斯托克斯定律将小球形颗粒的沉降速度与球体半径、密度、介质的密度和粘度联系起来。由于斯托克斯法最适用于球体，而扁平颗粒每单位质量的阻力更大，因此沉降过程可能会导致尺寸过大的颗粒。这在研磨或抛光操作中可能成为问题，破坏零件的表面质量。沉降法还可能是一个非常耗时的方法（对于非常细的颗粒，时间可能超过24小时）。

       激光颗粒测量

       激光颗粒测量是一种计数方法，其中颗粒混合物在流体介质中流经一个环。激光束穿过环并根据颗粒的尺寸产生阴影效应。其他尺寸测量方法包括激光光散射、动态光散射、光子相关光谱、布朗运动浊度等。

       图像分析

       图像分析通过例如背光显微镜、胶片扫描仪、扫描电子显微镜（SEM）图像等进行磨料颗粒的二维投影分析。需要考虑的是，颗粒的放置和方向会干扰测量结果。例如，一些颗粒形状更有可能落在某些颗粒平面上。图像分析的常见指标包括最大和最小颗粒直径、颗粒周长以及投影平面内的颗粒横截面积。粒子分析仪可以与分选设备配合使用。

       形状分选

       形状分选机械基于不同颗粒形状在倾斜、振动的台面上运动方式不同的原理。在台面一侧的箱子收集不同的形状。较圆的形状如立方八面体往下滚动，而不规则形状如针状晶体或片状则可能向上移动。形状分选仅适用于具有相同颗粒尺寸范围的颗粒批次。

       堆积密度测量方法

       堆积密度可以通过已知体积的圆柱中堆积的颗粒重量来确定，颗粒通过漏斗从固定高度落下。

       冲击强度测试

       冲击强度测试，即所谓的脆性测试，评估颗粒的断裂行为。定义重量的颗粒样品和钢球封装在一个冲击罐中，并以定义的周期数振动。未被破坏的颗粒百分比被定义为韧性指数（TI），需要破坏50%颗粒的周期数被定义为脆性指数（FI）。此外，还可以测量加热后的热韧性指数（TTI）。

       单颗抗压强度

       测量沿一个轴破坏颗粒的最大力。单个颗粒被放置在两个砧之间。最大断裂力被测量并除以颗粒面积以定义断裂强度。

       磁力分选

       通过将颗粒靠近具有高于颗粒重力的磁力的鼓或带来进行磁力分选。磁力分选用于分离磁性和非磁性颗粒或从喷砂工艺中分离磨料颗粒与金属屑。

       磁化率分析

       磁化率分析通过标准化磁分析仪对定义的样品尺寸进行。电激发的参考线圈和样品线圈之间的不平衡转化为样品的相对磁含量。

       静电分离器

       具有导电表面的颗粒可以通过静电分离器进行选择。可以在两个平板电极之间建立静电场。

       方法比较

       上述描述的方法通常用于工业中。它们评估常规或超硬磨料颗粒的不同特性。一些方法提供定量测量，一些用于（相对）分选颗粒，还有一些是非破坏性测试。