超硬磨料及其磨具的選擇與應(yīng)用

1、超硬磨料及其磨具的選擇與應(yīng)用磨削過程就是磨具中的磨粒對工件的切削過程。選擇磨具就是要充分利用磨粒的切 削能力去克服工件材料的物理力學(xué)性能產(chǎn)生的抗力。由于磨具的品種規(guī)格繁多，而每一 種磨具都不是萬能的切削工具，只有一定的適用范圍。因此對每一種磨削工作，都必須 適當(dāng)選擇磨具的特性參數(shù)，才能達(dá)到良好的磨削效果。磨具特性主要包括磨粒、粒度、 硬度、結(jié)合劑、組織、形狀和尺寸。這里從磨具特性方面敘述選擇磨具的一般原則。超硬磨料及其磨具（一）超硬磨料磨具的加工特點(diǎn)超硬磨料系指金剛石和立方氮化硼均屬立方晶系。與剛玉和碳化硅相比，具有硬 度高、強(qiáng)度好、顆粒形狀好、良好的導(dǎo)熱性和低的熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)。磨削能力強(qiáng)及

2、良好 的磨削性能。是非常優(yōu)異的磨削材料。由超硬磨料制成的磨具，其磨削性能突出，主要加工特點(diǎn)有:極高的磨料硬度耐磨損性能好形狀和尺寸保持性能好能長時間保持磨粒微刃的鋒銳性磨削溫度低（二）超硬磨料磨具的特性磨并層超硬磨料磨具結(jié)構(gòu)磨并層超硬磨料磨具的結(jié)構(gòu)與普通 磨具不同，其結(jié)構(gòu)形式由工作 層、過渡層和基體三部分組成。 如圖一所示。工作層即磨料層， 由金剛石或立方氮化硼磨料、結(jié) 合劑及填料組成。是磨具進(jìn)行磨削加工的部分。過渡層是由結(jié)合劑和其它材料組成，以保圖一超硬磨料金剛石、立方氮化硼磨具結(jié)構(gòu)由結(jié)合劑和其它材料組成，以保圖一超硬磨料金剛石、立方氮化硼磨具結(jié)構(gòu)證工作層的充分使用，不含超硬磨料，將工作層牢

3、固把持在基體上。近年來，有些廠家取 消了過渡層，直接將過渡層把持在基體上?；w是磨具的基本形體，起支承工作層的作 用。超硬磨料磨具的特性及標(biāo)志磨料 超硬磨料的品種有天然金剛、人造金剛石及立方氮化硼(CBN)。人造金剛石 又有多種牌號。人造金剛石、立方氮化硼的品種、代號及適用范圍列于表一表一 人造金剛石和立方氮化硼品種、代號及適用范圍(摘自GB/T6405-1994)品種適用范圍系列代號粒度推薦用途窄范圍寬范圍人造金剛石RVD60/70325/400樹脂、陶瓷結(jié)合劑制品MBD35/40325/40030/4060/80金屬結(jié)合劑磨具，鋸切、鉆探工具及電鍍制品等SCD60/70325/400樹脂結(jié)

4、合劑磨具，加工鋼與硬質(zhì)合金組合件等SMD16/1860/7016/2060/80鋸切、鉆探和修整工具等DMD16/1860/7016/2040/50修整工具等M-SD36/540/0.5硬、脆性材料的精磨、研磨和拋光等立萬氮化硼CBN20/25325/40020/3060/80樹脂、陶瓷、金屬結(jié)合劑制品M-CBN36/540/0.5硬、韌金屬材料的研磨和拋光粒度 粒度系標(biāo)志超硬磨料金剛石、立方氮化硼顆粒尺寸的大小。粒度的標(biāo)記按國 家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，超硬磨料的各粒度顆粒尺寸范圍及粒度組成按表二規(guī)定。結(jié)合劑結(jié)合劑起著把持超硬磨料和使磨具具有正確的幾何形狀的作用。超硬磨料磨 具的結(jié)合劑分四大類，即樹脂結(jié)

5、合劑(B)、金屬(青銅)結(jié)合劑(M)，陶瓷結(jié)合劑(V)，電鍍 金屬結(jié)合劑(M)濃度濃度是超硬磨料磨具所特有的概念。它表示磨具工作層單位體積中超硬磨料的 含量。一般規(guī)定為每立方厘米體積中含4.4克拉(1克拉= 0.2g，0.88g/cm3)的超硬磨料 磨具的濃度為100%；每增加或減少1.1克拉磨料，則濃度增加或減少25%。不同濃度超 硬磨料磨具中磨料含量及代號列于表三。表二金剛石、立方氮化硼粒度標(biāo)記、各粒度顆粒尺寸范圍及粒度組成(摘自GB/T6406-1996)顆粒標(biāo)記公稱篩孔 尺寸范圍/u m99.9% 通 過的網(wǎng) 孔尺寸/u m上檢查篩下檢查篩不多于 2%通過 的網(wǎng)孔 尺寸(下 限篩)網(wǎng)孔

6、尺 寸/um篩上物不多于(%)網(wǎng)孔尺 寸/um篩上物不少于(%)篩上物不多于(%)16/181180/1000170011808100090871018/201000/85014001000885090860020/25850/7101180850871090850025/30710/6001000710860090842530/35600/500850600850090835535/40500/425710500842590830040/45425/355600455836090825545/50355/300500384830290821350/60300/2504553228255908

7、18160/70250/212484271821390815170/80212/180322227818190812780/100180/150271197101518710107100/120150/12522716510127871090120/140125/10619713910107871075140/170106/901651161190851165170/20090/75139971175851157200/23075/63116851165851149230/27063/5397721157851141270/32553/45856515498015325/40045/38755

8、715418015寬范圍16/201180/85017001180885090860020/30850/6001180850860090842530/40600/425850600842590830040/50425/300600455830290821360/80250/1803842718181908127注：隔離粗線以上者用金屬編織篩，其余用電成型篩篩分。表三金剛石、立方氮化硼的濃度代號(摘自GB/T64091-1994)代號磨料含量 /(g.cm-3)濃度代號磨料含量 /(g.cm-3)濃度250.2225%1000.88100%500.4450%1501.32150%750.6675

9、%超硬磨料磨具形狀尺寸超硬磨料磨具形狀及代號：砂輪類，油石磨頭類，鋸類。參見GB/T6409.1-1994 超硬磨料磨具的形狀標(biāo)記系統(tǒng)包括二或三種代號，僅用于金剛石與立方氮化硼砂輪、油 石、磨頭和鋸形狀。超硬磨料磨具的基本形狀代號分為：1、2、3、4、6、9、11、12、14、15。共10個代號。 參見GB/T6409.1-1994標(biāo)準(zhǔn)中表4的規(guī)定，基本形狀可根據(jù)需要進(jìn)行改型，其代號按 GB/T6409.1-1994表7的規(guī)定。超硬磨料磨具的磨料層在基體上位置代號按GB/T6409.1- 1994中的表6規(guī)定。磨料層斷面形狀代號按GB/T6409.1-1994標(biāo)準(zhǔn)的表5規(guī)定。超硬磨料磨具特性的

10、選擇（一）超硬磨料的選擇鑒于金剛石和立方氮化硼磨料性能上有差異，其使用范圍也不同。金剛石的硬度、 強(qiáng)度、研磨能力、導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)均優(yōu)于立方氮化硼，因此適于加工硬而脆的材 料，如硬質(zhì)合金、陶瓷、瑪瑙、光學(xué)玻璃、石材、混凝土、半導(dǎo)體材料等，但由于金剛石 是碳的同素異體，在較高溫度下易與鋼中的鐵族金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成碳化物，造成 嚴(yán)重的化學(xué)磨損，影響磨具的磨削性能，且加工效果也不好，所以，金剛石不適宜用來加 工鐵族金屬材料。與金剛石比，立方氮化硼磨料的熱穩(wěn)定性，化學(xué)惰性均較優(yōu)，不易和鐵 族金屬及其它元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此，盡管其硬度等物理性能比金剛石稍差一些，但 用它來加工硬而脆的金屬材料，

11、如磨削工具鋼、磨具鋼、不銹鋼、耐熱合金，高釩高速鋼 等黑色金屬，具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是理想的磨料。天然金剛石以NC為代號，人造金剛石分為RVD、MBD、SCD、SMD、DMD、M-SD六個 牌號；立方氮化硼有CBN，M-CBN兩個牌號，其相應(yīng)地適應(yīng)范圍參見表3.8.3.2。（二）超硬磨料的粒度選擇超硬磨料的粒度選擇，一般是根據(jù)被加工工件的表面粗糙度和加工效率的要求而 決定的。金剛石磨具與立方氮化硼磨具選擇原則基本相同，與普通磨具比較，如要達(dá)到 相同的表面粗糙度要求，選用磨料粒度應(yīng)細(xì)12個粒度號；同時，在滿足粗糙度要求的 前提下，還是應(yīng)考慮能達(dá)到較高的加工效率，取得滿意的加工效果，應(yīng)盡量選取盡可能

12、粗的粒度，磨料粒度與加工表面粗糙度的關(guān)系如表四表四超硬磨料粒度與加工表面粗糙度的關(guān)系粒度號用樹脂結(jié)合劑砂輪時的Ra/um用金屬結(jié)合劑砂輪時的Ra/ u m80#100#1.60.8100#150#0.40.20.80.2150#240#0.20.10.40.2280#240#0.10.05WW0.050.025147WW0.0250.012573.5不同磨削工序的磨具粒度選擇應(yīng)針對加工條件和加工要求及最佳粒度范圍綜合考 慮。磨削加工各工序推薦選擇的粒度號如下：粗磨選用80#100#；半精磨120#180#；精磨細(xì)磨選用180#W40；研磨拋光選 用W40W1。（三）超硬磨料磨具結(jié)合劑的選擇金剛

13、石磨具與立方氮化硼磨具常用的結(jié)合劑有樹脂結(jié)合劑、陶瓷結(jié)合劑、金屬結(jié) 合劑和電鍍金屬結(jié)合劑四類。金屬結(jié)合劑有青銅結(jié)合劑、鑄鐵結(jié)合劑及鑄鐵短纖維結(jié)合 劑。按結(jié)合能力及耐磨性排序如下：樹脂陶瓷金屬電鍍金屬漸強(qiáng)結(jié)合能力及耐磨性*（四）濃度的選擇濃度是超硬磨料磨具的重要特性之一，它對磨削效率和加工成本有很大的影響。 濃度低，磨削效率不高，滿足不了生產(chǎn)的要求；濃度過高，很多磨粒過早脫落、造成浪 費(fèi)。不同種類的結(jié)合劑對磨粒的結(jié)合力不同，因此對每一種結(jié)合劑都有它的最佳濃度 范圍。樹脂結(jié)合劑超硬磨具的濃度范圍為5075；陶瓷結(jié)合劑磨具的濃度為75100； 金屬結(jié)合劑磨具的濃度為100150。結(jié)合劑對磨粒的結(jié)合強(qiáng)

14、度越高，最佳濃度范圍越高。（五）超硬磨料磨具形狀和尺寸的選擇超硬磨料磨具形狀的選擇，主要根據(jù)磨床和工件加工表面形狀對磨具的要求來決 定。如平行砂輪（1A1）主要用于外圓、平面、工具刃磨及砂輪機(jī)上的磨削；平行小砂輪（1A8） 主要用于內(nèi)圓磨削；單面凹砂輪（6A2）主要用于工具刃磨和平面磨削等；碗形砂輪（11A2） 主要用于刀具刃磨和平面磨削。超硬材料磨具的尺寸選擇是根據(jù)磨床的規(guī)格、型號及加工工件形狀大小來決定。 可參考磨床說明書上對磨具尺寸的要求予以選擇超硬磨料磨具即金剛石或立方氮化硼磨具的形狀和尺寸按GB/T6409.2-1996選取。三、超硬磨料磨具的使用1、砂輪速度的選擇金剛石砂輪磨削速度

15、結(jié)合劑種類冷卻條件砂輪速度青銅干磨12 18濕磨15 22樹脂干磨15 20濕磨18 25不同磨削方式的金剛石砂輪速度磨削方式砂輪速度（m/s）平面磨削20 30外圓磨削20 25內(nèi)圓磨削12 15工具磨削12 20CBN砂輪速度磨削方式砂輪速度（m/s）結(jié)合劑備注干磨濕磨平面磨削28 4520 30樹脂、陶瓷通常用濕式外圓磨削23 4820 30樹脂、陶瓷通常用濕式內(nèi)圓磨削17 2815 25樹脂、陶瓷通常用濕式工具磨削22 3015 28樹脂、陶瓷通常用干式2、磨削深度的選擇一般地，磨料粒度越粗，選用的磨削深度越大，平面磨削方式的磨削深度大于外圓 磨削；結(jié)合劑強(qiáng)度越高時，選擇的磨削深度可大

16、些。超硬磨料磨具磨削深度的選擇磨具粒度號磨削深度t/mm陶瓷、樹脂結(jié)合劑青銅結(jié)合劑70/80130/1400.01 0.020.01 0.03140/170230/2700.005 0.0150.01 0.02230/270 以細(xì)0.0020.005不同磨削方式磨削深度的選擇磨削方式磨削深度t/mm平面磨0.005 0.02外圓磨0.005 0.015內(nèi)圓磨0.002 0.01刃磨0.01 0.033、工件速度的選擇一般來說，工件速度增高，磨具漸耗增大，加工表面粗糙度略有上升。在一般磨削加 工中，建議工件速度在1020m/min范圍選擇，內(nèi)圓磨削或細(xì)砂輪粒度精磨時，可適當(dāng) 提高工件速度。對于深

17、切緩進(jìn)給磨削，工件速度十分緩慢，一般為每分鐘幾十至幾百毫 米。4、軸向進(jìn)給速度和軸向進(jìn)給量經(jīng)驗(yàn)證明，超硬磨料磨具磨削時，隨著軸向進(jìn)給速度的增大，磨削效率提高，粗糙度 值上升。一般情況磨削下，內(nèi)、外圓磨削的軸向進(jìn)給速度建議取0.51m/min，平面磨取 0.52mm/行程。刃磨時工作臺多為操作者手動控制，常在12m/min范圍內(nèi)選擇。5、使用超硬磨料磨具對磨削液的選擇超硬磨料磨具工作表面組織疏松，氣孔很少，有的甚至沒有氣孔，在磨削過程中極 易堵塞。所以，要求對磨削液具有很好的浸潤性和清洗性，能及時沖洗粘結(jié)在磨具表面 的磨屑，保證磨粒的切削能力。金剛石磨具在磨削硬質(zhì)合金，鋼結(jié)硬質(zhì)合金時，采用的磨削液有輕質(zhì)礦物油（如煤油、 低號機(jī)油和汽油等）、蘇打水（不適用樹脂結(jié)合劑）及各種水溶性磨削液；磨削非金屬材 料時，常采用水作磨削液。但立方氮化硼磨具在高溫度下易于水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。所以，使 用立方氮化棚磨削時，采用輕質(zhì)礦物油（如煤油，清柴油）磨削液能獲得良好的磨削效 果。當(dāng)必須采用水溶液時，則應(yīng)加入極壓添加劑以減弱水解作用。6、使用超硬磨