四、砂轮

（一）砂轮的特性和选择

1．砂轮的特性要素

砂轮的特性主要由以下七个要素衡量：磨料、粒度、结和剂、硬度、组织、形状尺寸和最高工作线速度。

1）磨料

磨粒的材料称磨料，为砂轮的主要成分，磨料经压碎后即成为各种粗细不同的磨粒，具有锐利的刃口，因磨削时要承受强烈的挤压、摩擦和高温的作用，故磨料应具有极高的硬度和适当的韧性，并具有一定的强度和耐热性及化学稳定性。

磨料分天然磨料和人造磨料两大类。天然磨料含杂质多，且价格昂贵很少采用。目前制造的砂轮主要采用人造磨料。人造磨料分刚玉类、碳化物类和超硬类三大类。

（1）刚玉类磨料。刚玉类磨料的主要成分是氧化铝（Al2O3）。常用的有以下几种。

①棕刚玉（A），它含杂质多，呈棕褐色。棕刚玉的硬度高，韧性较好，能承受较大的磨削压力，故适用于磨削碳素钢、合金钢和青铜等材料。棕刚玉价格便宜，应用较广泛。

②白刚玉（WA），它含氧化铝的纯度极高，呈白色。白刚玉较棕刚玉硬而脆，磨粒相当锋利，不易磨钝，且磨钝的磨粒也容易破裂而形成新的锋利刃口。因此，白刚玉具有良好的切削性能和自锐性，适用于精磨各种淬硬钢、高速钢及容易变形的工件等。

③铬刚玉（PA），它是在氧化铝中再掺入氧化铬（Cr2O3），呈玫瑰红色。其切削性能略高于白刚玉，在相同条件下，用铬刚玉磨出的工件表面粗糙度值更细小。适合精磨各种淬硬钢件和表面粗糙度要求较小的工件。

④微晶刚玉（MA），其颜色与化学成分与棕刚玉相似，但具有更好的自锐性和韧性。适于磨削不锈钢、轴承钢、特种球墨铸铁等材料，也适于作高精度磨削。

⑤单晶刚玉（SA），它具有更高的硬度、耐磨性和韧性。适于磨削韧性好的不锈钢、高钒高速钢和其他难加工材料，在高精度磨削中也有应用。

（2）碳化物磨料。常用的有以下两种。

①绿碳化硅（GC），它含碳化硅的纯度极高，呈绿色，且有美丽的金属光泽。绿碳化硅硬而脆，刃口锋利，适于磨削高硬度材料，如硬质合金、玻璃等。

②黑碳化硅（C），它含杂质较多，呈黑色，有金属光泽。常用于磨削抗拉强度较低的材料，如铸铁、黄铜、青铜及其非金属材料等。

（3）超硬类磨料。常用的有以下两种。

①人造金刚石（JR），金刚石是目前已知物质中最硬的一种材料，其刃口非常锋利，切削性能优良，但价格昂贵。主要用于加工高硬度材料，如硬质合金和光学玻璃等。人造金刚石无色透明或呈淡黄、淡绿色。

②立方氮化硼（DL），它呈棕黑色，硬度略低于金刚石。它具有极好的磨削性能，且热化学性能稳定，产生的磨削热也少。主要用于磨削高硬度、高韧性的难加工材料，如含钼、钒、钴较高的合金钢和不锈钢等材料，其磨削特种钢材的性能比金刚石还好些。

2）粒度

粒度是表示磨粒尺寸大小的参数，可参考国家标准（GB/T2481.1～2—1998）的规定，粒度用41个粒度代号表示。粒度有两种测定方法：筛网法和沉降法。

（1）筛网法：筛网法用于测定颗粒尺寸大于50μm的磨粒，用筛网筛分的方法测定，粒度代号表示磨粒所能通过的筛网在每英寸（25.4mm）长度上所含有网眼数，又称英制法。这种方法表示的粒度号越大，磨粒就越细。

（2）沉降法：尺寸很小的磨粒，呈微粉状，需用此方法测定。微粉用F230～F1200共11个代号表示。

砂轮的粒度对工件表面粗糙度和磨削效率有很大的影响，磨削时要合理选择砂轮的粒度。

3）结合剂

结合剂是将磨粒黏固成砂轮的材料。结合剂的种类和性质，影响砂轮的硬度和强度。

（1）陶瓷结合剂（V）：陶瓷结合剂是应用最广泛的一种结合剂。它由天然花岗石和黏土配制而成。主要特点是：

①力学和化学性能稳定，能耐热和耐腐蚀，极能适用各种切削液的磨削。

②砂轮的多孔性好，有利于散热和容纳磨屑，砂轮不易堵塞。

③呈脆性，不能承受大的冲击力和侧面压力，易产生裂纹，不能制造薄片砂轮，砂轮的最高线速度为35m/s。

④冰冻会产生裂纹。

⑤磨削热较大。

（2）树脂结合剂（B）：它是一种有机结合剂。主要特点是：

①有很高的强度，可制成薄片砂轮和线速度高于50m/s的高速磨削砂轮。

②具有较好的自锐性，磨削效率高。

③砂轮具有一定的弹性，可避免烧伤工件表面，同时还具有一定的抛光作用。

④耐热温度为200℃左右，当磨削温度增高时砂轮会快速损耗，失去正常的外形。

⑤化学性能不稳定，易受碱、油和水的侵蚀，在潮湿的环境中存放会降低砂轮的强度，故一般树脂砂轮的存放期不超过1年。

（3）橡胶结合剂（R）。主要特点是：

①耐热温度低于150℃，耐湿性也较差，易于老化，存放期为2年。

②有较好的弹性，可制成薄片砂轮。

③不易烧伤工件，且有良好的抛光作用。

④砂轮的气孔小。

4）硬度

砂轮硬度是指结合剂黏结磨粒的牢固程度。也表示磨粒在磨削力的作用下，从砂轮表面上脱落的难易程度。磨粒不易脱落的砂轮称为硬砂轮；反之称为软砂轮。

注意：不要把砂轮的硬度与磨粒自身的硬度混同起来。砂轮硬度影响砂轮的自锐性。

国家标准（GB/T2484—2006）规定的磨具硬度分级及其代号见表3-4。

5）组织

砂轮组织是表示砂轮内部结构的松紧程度的参数，与磨粒、结合剂、气孔三者的体积比例有关，如图3-7所示。磨具组织可用数字标记，通常0～14，数字越大，表示组织越疏松。一般外圆、内圆、平面、无心磨削及刃磨刀具都采用中等组织的砂轮。

6）形状和尺寸

国家标准GB/T4127—2007《固结磨具尺寸》和GB/T2484—2006《固结磨具一般要求》，对砂轮的形状和尺寸都已标准化。故操作时可按机床规格及加工要求对照相关国家标准进行合理的选择。

7）最高工作速度

砂轮高速旋转时，砂轮上任一部分都受到很大的离心力作用，如果砂轮没有足够的回转强度，砂轮就会爆裂而引起严重事故。因此，砂轮的最高工作线速度，必须标注在砂轮上。按国家标准GB/T2494—2003《普通磨具安全规则》中的磨具最高工作线速度规定，一般为35m/s。砂轮制造厂按照国家标准GB/T2494—1995《砂轮的回转试验方法》规定，对新砂轮以最高工作线速度的1.6倍（56m/s），在回转试验机中试验，并在达到最高速度时维持30s。

2．砂轮的代号

根据国家标准GB/T2484—2006的规定，砂轮各特性参数以代号形式表示，其书写顺序为：砂轮形状、尺寸、磨料、粒度、硬度、组织、结合剂和最高工作线速度。砂轮标志示例如下。

3．砂轮特性选择的一般原则

（1）磨料的选择：应按工件材料及其热处理方法来选择磨料。通常要使磨料的硬度大于工件材料的硬度，即磨料具有良好的切削性能。

一般选择原则是：

①工件材料为碳素结构钢或优质碳素结构钢，选用棕刚玉。

②工件材料为淬火钢、低合金钢或合金结构钢、高速工具钢、铬轴承钢，选用白刚玉。

③工件材料为硬质合金，可选用人造金刚石或绿碳化硅。

④工件材料为铸铁、黄铜，可选用黑碳化硅。

⑤刃磨高速工具钢及模具制造时，可选用立方氮化硼。

表3-5可供选择时参考。

（2）硬度的选择：砂轮硬度是衡量砂轮自锐性的重要指标之一。磨削硬材料时，磨粒容易变钝，应选用软砂轮；反之宜选用硬砂轮。磨削软而韧的材料时，砂轮容易堵塞，应选用较软的砂轮。

（二）砂轮的平衡和修整

1．砂轮的平衡

1）砂轮不平衡的原因

引起砂轮不平衡的原因主要有以下两方面。

（1）砂轮的制造误差：如砂轮组织不均匀、砂轮内、外轴线不同轴和端面歪斜等原因所致。按国家标准GB/T2492—2003《普通磨具交付砂轮允许的不平衡量测量》规定，砂轮制造厂应对新砂轮作静平衡检验。

（2）粒度的选择：应按工件表面粗糙度值和加工精度来选择粒度，见表3-6。

（3）砂轮在法兰盘上安装所产生的不平衡量。

2）静平衡使用的工具

手工操作的静平衡，须使用平衡架、水平仪、平衡心轴和平衡块等工具。

（1）平衡架：常用的平衡架有圆棒导柱式和圆盘式两种。图3-8所示为圆棒导柱式平衡架，主要由支架和导柱组成。导柱为静平衡心轴滚动的导轨面，对导柱的表面素线的直线度和两导柱的平行度都有较高的精度要求。

（2）水平仪：常用的水平仪有框式水平仪（图3-9a）和条形水平仪（图3-9b）两种。水平仪由框架和水准器组成。水准器外表采用硬玻璃制成，在其内部盛有液体，留有一个气泡，当测量面倾斜时，气泡偏向高的一侧。常用水平仪的读数精度为0.02mm/1000mm，即相当于倾斜4″。水平仪用于调整平衡架导柱面的水平位置（详见第二章第二节）。

（3）平衡心轴：平衡心轴（图3-10）由心轴、垫圈和螺母组成。心轴两端的等直径圆柱面，作为平衡时滚动的轴心，故对其同轴度有较高的要求。心轴的外锥面与砂轮法兰锥孔相配合，要求有80%以上的接触面。

（4）平衡块：按大小不同的砂轮，有不同的平衡块。图3-11所示平衡块安装在法兰盘的环形槽内、按平衡需要可安置若干个平衡块，不断调整平衡块在圆周上位置，即可达到平衡目的。砂轮平衡后需将平衡块上的螺钉拧紧，以防发生移动。

2．静平衡的方法及要求

平衡前，用水平仪调整平衡架导柱面至水平面内。如图3-12所示为平衡架横向位置调整，如图3-13所示为平衡架纵向位置调整，使水平仪气泡偏移在一格以内。将平衡心轴连同砂轮放在平衡架的圆柱形导轨上作缓慢滚动。若砂轮不平衡，则砂轮会来回摆动（图3-14a），直至摆动停止，其不平衡量必然在砂轮下方。在砂轮另一侧作一记号A，在相应部位装上第一块平衡块1（图3-14b），并在其对称两侧装上另外两块平衡块2和3，直至砂轮可在任何位置都能静止即砂轮平衡（图3-14c）。一般新安装的砂轮须作两次平衡，即砂轮经修整后再作第二次平衡。

3．砂轮的修整

1）砂轮修整的原理

用砂轮修整工具将砂轮工作面已磨钝的表面修去，以恢复砂轮的切削性能和正确的几何形状的过程，称为砂轮的修整。修整层厚度一般为0.1mm左右，图3-15所示为各种修整的原理。

图3-15a所示为利用尖锐的高强度金刚石颗粒作刀头车削砂轮表面，修去砂轮磨钝层。

图3-15b所示为利用高硬度材料制成的滚轮与砂轮相滚压，滚轮轴线相对砂轮轴线倾斜5°左右，滚轮由砂轮带动高速旋转，滚压修除砂轮的磨钝层。

图3-15c所示的滚轮，另由电动机传动，磨削砂轮表面，以修除砂轮的磨钝层。

2）修整砂轮的方法

（1）金刚石刀车削法：金刚石刀是将大颗粒的金刚石镶焊在特制的刀杆上，金刚石的尖端研成70°～80°尖角（图3-16）。修整时，砂轮磨粒碰到金刚石坚硬的尖角，就会碎裂形成微刃，金刚石越尖，与砂轮的接触面就越小，引起的弹性变形也越小，可获得精细平整的表面。此法为目前广泛应用的一种。

金刚石刀修整砂轮时应注意如下几点：①应根据砂轮的直径选择金刚石颗粒的大小。一般情况下，砂轮直径为φ100mm以下时，可选0.25克拉的金刚石（1克拉=0.2g）；砂轮直径为φ300～φ400mm时，选用0.5～1克拉的金刚石。

②金刚石的价格昂贵，使用时应检查其焊接是否牢固，以免失落。金刚石在修整时，要不间断地加注切削液，以免使金刚石碎裂。

③金刚石刀的安装角度，一般取10°～15°，金刚石的安装高度要低于砂轮中心1～2mm，且装夹要牢固，以防止金刚石刀振动或扎入砂轮（图3-17）。

④根据加工要求选择修整用量。粗修整时，可以增大修整的背吃刀量和纵向进给速度，以获得尖锐的微刃；精修整时则相反。精修整时，一般需作2～3次吃刀，然后在无吃刀的情况下作一次纵向进给。修整用量为：粗修整时，背吃刀量取0.01～0.03mm；纵向速度取0.4m/min。精修整时，背吃刀量取0.005～0.01mm；纵向速度取0.05～0.2m/min。

⑤修整时应充分的冷却。

（2）金刚石笔车削法：金刚石笔是由较小颗粒的金刚石或金刚石粉，用结合力很强的合金结合并压入金属刀杆而制成。根据金刚石的分布情况，金刚石笔有三种：层状金刚石笔（图3-18a）、链状金刚石笔（图3-18b）和粉状金刚石笔（图3-18c）。金刚石笔的使用方法与金刚石刀相同，它可在某些工序中代替金刚石刀修整砂轮，其中粉状金刚石笔主要用于修整细粒度砂轮。

（3）滚动式割刀滚压法：割刀片是多片掺碳淬火钢制的金属盘。其形状为尖角形（图3-19），修整时金属盘随砂轮高速转动，并对砂轮表面滚压。这种工具只用于大型砂轮的整形粗修整。

（4）金刚石滚压磨削法：金刚石滚压一般用电镀法，将细小的金刚石颗粒均匀地黏固在滚轮轮体的表面（图3-20），金刚石滚动由电动机传动，具有较高的修整精度。但由于价格昂贵，一般很少应用。