簡介

       磨削加工利用磨料顆粒，能夠實現高的表面質量、尺寸公差和工藝穩定性。磨削作為最重要的磨削加工工藝，既可以作為難加工材料的精加工方法，也可以作為成形方法。

       在磨削過程中，磨削工具是除冷卻潤滑劑和磨削機床之外最重要的工藝元素之一。磨削工具的結構、化學成分、表面形貌和磨損行為決定了工件的質量、表面完整性、工藝穩定性、生產率等。磨削工具可以是整體砂輪，也可以是具有磨削層的工具，或是涂層工具，如磨削帶、墊或盤。磨料顆粒執行切屑形成的功能，并被固定在結合劑中，結合劑的硬度定義了工具的硬度，并影響其磨損行為。

       多層砂輪由陶瓷、樹脂、橡膠或金屬粘結劑制成。所有多層磨削工具的制造過程大致相同，如混合、成型、壓制、熱處理和后處理。

       在成型和壓制過程中，磨料/粘結劑混合物的填充密度變得尤為重要。磨削層的均勻性對于確保磨削過程的可預測性至關重要。

       單層砂輪是通過電鍍或釬焊磨料顆粒到砂輪基體上制成的。涂層磨削工具，如磨削帶、墊或盤，通常也是單層工具，磨料顆粒固定在背襯材料上。在這些工具中，粘結材料可以以一層或多層的形式施加。磨料顆粒要么通過重力散布，要么通過靜電力散布，后者可實現均勻分布和更高的可重復性。

       在磨削操作中，磨料顆粒的數量龐大，且具有尺寸、形狀和其他特性的分布。今天大多數磨削工具仍然是隨機分布磨料顆粒的工具。

       磨料顆粒的特性在很大程度上決定了工具的特性。為了實現均勻和可預測的磨削過程，磨料顆粒必須無雜質，尺寸可控，并且在磨削層內均勻分布。

       磨粒性能

       磨料顆粒特性

       磨料顆粒的主要任務是通過在延展性材料中形成切屑或在脆性材料中表面碎裂和壓力軟化來進行材料去除。因此，磨料顆粒必須比工件材料更硬，以便于切屑形成。當磨削力過大時，通過磨料顆粒斷裂實現自銳是非常理想的。當磨料顆粒變鈍時，粘結劑也可以釋放顆粒，幫助實現自銳。決定切削過程效率的四個主要磨料顆粒特性是：硬度、耐熱性、韌性和脆性。除了這些基于性能的參數外，磨料顆粒的尺寸和形狀/形態決定了磨削過程中的有效切削刃數量。此外，化學、熱、電和磁特性在工具制造中也尤為重要。

       所有這些磨料顆粒特性在磨料批次中以分布的形式存在。堆積密度和均勻性是額外的特性。所有這些特性都必須在工具使用和工具制造之間找到平衡。表 1 總結了最重要的磨料顆粒特性及其主要影響。

       磨料顆粒尺寸

       在磨削工具中，磨料顆粒的尺寸和濃度決定了切削刃的數量。未變形的切屑厚度是切削刃數量的函數。較小的顆粒尺寸通常可實現較小的表面粗糙度，但也會導致更高的加工力和較短的工具壽命。

       過大的顆粒可能對零件表面質量產生負面影響，因此定義明確的顆粒尺寸分布非常重要。

       磨料顆粒的尺寸和尺寸分布影響磨削工具的生產，特別是堆積密度。通過混合不同的顆粒和結合劑尺寸，可以增加模具填充密度和均勻性。

       除了顆粒尺寸外，每克拉顆粒數（PPC）通常用作粗顆粒金剛石的度量標準，例如用于電鍍工具、修整工具或石材鋸切工具。每克拉顆粒數可作為金剛石批次一致性的度量。

       磨料顆粒形狀/形態

       磨料顆粒的形狀和形態源自顆粒合成期間的生長條件和后處理策略。根據壓力/溫度條件，金剛石或CBN可以合成不同的形狀（八面體、立方體、四面體）。氧化鋁則以多晶形式出現，并被打碎成所需的顆粒尺寸。不同的合成方法導致不同的純度和單晶尺寸（例如，單晶氧化鋁、熔融白剛玉或具有非常小晶粒的燒結氧化鋁）。后處理如粉碎或化學過程會改變顆粒的形狀。磨料顆粒的形狀幾乎從未達到理想狀態，需要通過多個幾何指標來描述，例如圓度和橢圓度。

       磨料顆粒的形狀影響切削刃的數量和形狀以及顆粒的斷裂行為。每個磨料顆粒可以有一個或多個切削刃，顆粒的碎裂會改變切削刃的數量和形狀。

       顆粒表面決定了顆粒在粘結劑中的機械附著效果，因此粗糙表面更受青睞。通常通過涂層增加顆粒表面積或提供化學鍵合來支持附著。堆積密度也受顆粒形狀影響。塊狀顆粒比不對稱形狀顆粒具有更高的堆積密度。

       磨料顆粒硬度

       磨料顆粒的硬度是通過 Knoop 或 Vickers 硬度測試定義的靜態壓痕硬度。硬度對于傳遞所需的切削力以進行切屑形成是必要的。切削刃的穩定性和鋒利度也受磨料顆粒硬度的影響。只有當磨料顆粒比磨損材料更硬時，才能在摩擦過程中發生磨料磨損。然而，即使是硬度較高的金剛石磨料顆粒，在與氧化鋁磨料接觸時也會發生磨損，因為金剛石的溫度穩定性低于氧化鋁。因此，溫度硬度非常重要，因為磨削通常具有較高的峰值溫度。

       磨料顆粒韌性和脆性

       韌性是指材料抵抗斷裂和裂紋擴展的能力，通常在動態條件下測量。

       磨料顆粒的韌性表示顆粒在與工件接觸時發生斷裂的可能性。斷裂行為可以從大顆粒到小顆粒的剝落，留下一個或多個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，而韌性強的大顆粒更適用于重型磨削。韌性強的顆粒意味著工具磨損較低，但它們可能變鈍并增加摩擦，從而帶來熱損傷和工藝振動的危險。脆性顆粒容易暴露新的、鋒利的切削刃，但可能導致工具壽命短和形狀誤差。顆粒斷裂在工具修整中也很重要，因為它定義了工具的鋒利度。

       磨料顆粒的韌性和硬度無關，但通常硬度較高的顆粒更脆。顆粒尺寸和韌性相關，因為較小的單晶顆粒具有較少的缺陷。

       磨料顆粒的熱特性和化學反應性

       耐熱性受溫度硬度的影響，但也受磨料材料在高溫和高壓下的化學反應性的影響。必須考慮磨料顆粒的反應性，包括大氣、冷卻潤滑劑和工件材料。

       在工具使用期間，最重要的熱特性是導熱性、在負載下的軟化點和熔點。后兩者定義了工具的使用壽命，而導熱性則影響工件表面的完整性。磨料顆粒在切削刃處承受摩擦熱，但高導熱性會將熱量快速分布到整個顆粒體積中。這可能對表面完整性產生積極影響，例如超硬磨料作為熱沉的情況下。氧化鋁顆粒在室溫下具有相對較低的導熱性，而且在較高溫度下導熱性還會降低。這導致了顆粒內部的高熱應力。此外，磨料顆粒和粘結劑的不同熱膨脹系數會產生進一步的應力。

       對于陶瓷工具，燒結溫度可以超過1300°C。金剛石在空氣中的低熱磨損耐受性尤為突出，因此需要惰性氣氛或低溫燒結粘結劑。

       磨料顆粒的電和磁特性

       電和磁特性主要對工具制造而非工具使用重要。首先，它們影響電鍍粘結劑在磨料顆粒和工具體上的沉積。在電鍍粘結劑中，合成金剛石中的金屬夾雜物可能會引發問題。其次，磨削工具的靜電分布可能會受到磨料顆粒電特性的影響。

       堆積密度

       堆積密度或堆積密度取決于顆粒的尺寸和形狀。例如，等軸形狀的顆粒比扁平形狀的顆粒具有更高的堆積密度。如果已知顆粒尺寸和尺寸分布，堆積密度是一種簡單但有效的度量方法，用于評估一批顆粒的主要形狀。

       磨料顆粒的密度和尺寸與結合在磨削工具中的切削刃數量有關。堆積密度影響多層磨削工具制造中的模具填充密度。

       均勻性

       磨削層需要均勻，以展現穩定的磨削行為，并避免旋轉不平衡。顆粒特性的狹窄分布使得工具性能具有良好的可預測性。

       磨料選擇及檢測方法

       磨料顆粒的選擇與分析方法

       磨料顆粒的選擇與分析方法可以通過不同的因素來描述：精度、準確性、分辨率和可重復性。

       篩分

       篩分是一種通過定義網目尺寸的篩網分離顆粒的簡單方法。篩分可以手動或機械進行，并且可以用于干性或濕性材料。較大的磨料顆粒通過篩分按尺寸分級，較細的顆粒通過沉降法分級。

       通過篩分定義的尺寸并不意味著單一值，而是一個尺寸范圍。該尺寸范圍通過一組篩網來分類，篩網保留和通過定義數量的顆粒。篩分質量還取決于顆粒的形狀。對于圓形顆粒，網目定義了最大直徑，但對于不規則顆粒（例如針狀），最大尺寸可能大于網目尺寸，因為不規則顆粒可能以其最小截面通過。因此，不規則顆粒的尺寸分布較寬。

       沉降法

       沉降法或斯托克斯法使用靜止介質和自由下落的顆粒。這些方法通常用于對較細的顆粒進行分級。斯托克斯定律將小球形顆粒的沉降速度與球體半徑、密度、介質的密度和粘度聯系起來。由于斯托克斯法最適用于球體，而扁平顆粒每單位質量的阻力更大，因此沉降過程可能會導致尺寸過大的顆粒。這在研磨或拋光操作中可能成為問題，破壞零件的表面質量。沉降法還可能是一個非常耗時的方法（對于非常細的顆粒，時間可能超過24小時）。

       激光顆粒測量

       激光顆粒測量是一種計數方法，其中顆粒混合物在流體介質中流經一個環。激光束穿過環并根據顆粒的尺寸產生陰影效應。其他尺寸測量方法包括激光光散射、動態光散射、光子相關光譜、布朗運動濁度等。

       圖像分析

       圖像分析通過例如背光顯微鏡、膠片掃描儀、掃描電子顯微鏡（SEM）圖像等進行磨料顆粒的二維投影分析。需要考慮的是，顆粒的放置和方向會干擾測量結果。例如，一些顆粒形狀更有可能落在某些顆粒平面上。圖像分析的常見指標包括最大和最小顆粒直徑、顆粒周長以及投影平面內的顆粒橫截面積。粒子分析儀可以與分選設備配合使用。

       形狀分選

       形狀分選機械基于不同顆粒形狀在傾斜、振動的臺面上運動方式不同的原理。在臺面一側的箱子收集不同的形狀。較圓的形狀如立方八面體往下滾動，而不規則形狀如針狀晶體或片狀則可能向上移動。形狀分選僅適用于具有相同顆粒尺寸范圍的顆粒批次。

       堆積密度測量方法

       堆積密度可以通過已知體積的圓柱中堆積的顆粒重量來確定，顆粒通過漏斗從固定高度落下。

       沖擊強度測試

       沖擊強度測試，即所謂的脆性測試，評估顆粒的斷裂行為。定義重量的顆粒樣品和鋼球封裝在一個沖擊罐中，并以定義的周期數振動。未被破壞的顆粒百分比被定義為韌性指數（TI），需要破壞50%顆粒的周期數被定義為脆性指數（FI）。此外，還可以測量加熱后的熱韌性指數（TTI）。

       單顆抗壓強度

       測量沿一個軸破壞顆粒的最大力。單個顆粒被放置在兩個砧之間。最大斷裂力被測量并除以顆粒面積以定義斷裂強度。

       磁力分選

       通過將顆粒靠近具有高于顆粒重力的磁力的鼓或帶來進行磁力分選。磁力分選用于分離磁性和非磁性顆粒或從噴砂工藝中分離磨料顆粒與金屬屑。

       磁化率分析

       磁化率分析通過標準化磁分析儀對定義的樣品尺寸進行。電激發的參考線圈和樣品線圈之間的不平衡轉化為樣品的相對磁含量。

       靜電分離器

       具有導電表面的顆粒可以通過靜電分離器進行選擇。可以在兩個平板電極之間建立靜電場。

       方法比較

       上述描述的方法通常用于工業中。它們評估常規或超硬磨料顆粒的不同特性。一些方法提供定量測量，一些用于（相對）分選顆粒，還有一些是非破壞性測試。