5第四章 金刚石磨具

与普通磨料磨具相比,金刚石磨具具有下列优异性能； (1)磨削效率高，压力低，因而磨削时产生的热量少， 避免了工件表面的烧伤和开裂，而且还降低了设备 的磨损和磨损过程中的能耗。 (2)由于金刚石磨具耐磨性高，在磨削过程中其形状、 尺寸变化小，所以磨削质量好，精度高。 (3)磨具磨损少,寿命长,大大改善了工人劳动环境和条 件。 (4)磨削加工的综合成本低。 (5)可以选择不同的粘结剂调节磨具性能，特别是可以 采用金属结合剂。
表4-1金刚石粒度对表面粗糙度的影响 金刚石粒度对表面粗糙度的影响 金刚石粒度（目） 80/100 100/120 120/140 140/170 200/230 可达粗糙度 0.8 0.4 0.2 0.1
当然，表4-1的关系是定性的，通常，选 用对金刚石粘结牢固的结合剂宜采用较粗颗粒 金刚石，选择对金刚石粘结强度较差的结合剂 宜采用较细颗粒的金刚石。为了保证加工速度， 在能保证光洁度要求的前提下，尽量选用粗颗 粒的金刚石，以提高磨具的工作效率。 关于金刚石的选择问题、国外De Beers公 司、美国G.E公司等已能生产专门适用于磨削 类工具的内部缺陷多的脆性金刚石，通过提高 磨具的自锐性来提高磨具的加工效率。国内由 于金刚石合成水平和金刚石分级技术的限制， 还不能专门生产适用于磨具的脆性金刚石。
4-3 硬化升温曲线示意图
1-聚酰亚胺树脂，2-酚醛树脂 聚酰亚胺树脂， 酚醛树脂 聚酰亚胺树脂
第二节 金刚石金属结合剂磨具 金刚石金属结合剂磨具包括用于磨削修 整硬质合金和特殊工具钢高速线材辊环的磨 轮，用于加工水磨石、花岗岩的磨辊、磨头 和磨块。 一、金刚石金属结合剂磨具 这是一种针对国内高速线材生产的需要 而生产的用于修整轧辊环(形状和尺寸)的磨 轮。如图4-4所示，金属结合剂磨轮的制造 方法与地质钻头、石材切割片类似，冷压法 和热压法是其两种主要的生产方法。由于磨 轮的形状较为复杂，很少采用冷压法；采用 热压法，其成形压力低，烧结温度低，且工 艺简单，产品质量容易控制。
第四章 金刚石磨具
金刚石磨具系指利用不同的粘 结剂和金刚石磨料制造的以磨削加 工,抛光,研磨硬质合金,石材等材料 为主的金刚石工具。
金刚石磨具的种类很多，主要包 括砂轮、磨辊、磨轮、磨头及各种柔 性磨具。结合剂的种类包括树脂、陶 瓷、橡胶和金属结合剂。本章主要介 绍树脂结合剂砂轮和金属结合剂磨具， 也简述了陶瓷结合剂磨具。
砂轮热压结束后，需要进行硬化处理，使砂轮坯体 具有一定的强度和硬度，称之为二次硬化。硬化一般 在烘干箱内进行，若硬化温度高，则所需时间短，反 之亦然。酚醛树脂一般需要在180℃固化2~3h，聚酰 亚胺树脂则需在230 ℃保温4~5h。为了得到硬化均一 的产品，需要制定出升温、保温曲线，如图4-3所示。
第一节 金刚石树脂结合剂砂轮
树脂结合剂砂轮(图4-1)是以树脂粉 为粘结粉末，并添加少量其他材料，经 短时热压，长时间热固化及后序加工等 工序制成。树脂结合剂砂轮具有弹性好、 耐冲击、自锐性好、磨削效率高等优点， 已发展成为磨削加工硬质合金的专用工 具之一。
平行砂轮
杯形砂轮
碟形砂轮
图4-1 树脂结合剂砂轮
三、磨具填充料的选择
磨具填充料常用的有铜粉和铝粉等金属粉 末，ZnO、Fe2O3、Cr2O3等金属氧化物以及 石墨、二硫化钼等固体润滑材料。 金属粉的加入是为了提高磨具的硬度和强 金属粉 度，改善导热性能，但添加量过多会降低磨 具的自锐性，导致磨削效率下降，甚至因产 生热量大而烧伤工件。 氧化物类填料除能够提高磨具的强度、硬 氧化物 度和导热性能外，还能获得一定的抛光性能， 改善磨具的吸湿性能。 石墨及二硫化钼的加入可改善磨具的磨削 石墨及二硫化钼 性能，降低磨削力，并且可以在磨具表面形 成微气孔，有助于冷却，特别是在干磨时， 其作用更加明显。
图4-6 金刚石镶嵌块的摆放形式
第三节 金刚石陶瓷结合剂磨具
陶瓷结合剂由于其化学稳定性好、弹性变形小、 脆性大、硬度允许范围宽，因而在普通磨料磨具制 造中应用广泛。但无论国内国外，金刚石磨具使用 陶瓷结合剂者还不多。其主要原因在于： (1)陶瓷脆性大，抗冲击、抗疲劳性能差； (2)适用于制造金刚石磨具的低温烧成陶瓷结合 剂，其制造工艺比树脂结合剂要复杂得多； (3)陶瓷结合剂金刚石磨具性能介于树脂和金属 两种结合剂磨具之间，因此在很多情况下，它可以 被这两种磨具替代。
一、金刚石的选择
金刚石磨具与其它金刚石工具的主要区别在于， 其工作方式是磨削而不是切削或切割，这样就决定 了磨具所用金刚石以低品级、脆性金刚石为主。磨 具的磨削作用主要是将被加工工件磨削到所要求的 形状、尺寸和光洁度。为此，从粗磨→细磨→研磨、 抛光，所采用的金刚石的相应粒度分别为粗、中细 和细；由于磨具加工量小，为避免上一级磨削时产 生较深的划痕，要求各级粒度要均匀一致。树脂结 合剂砂轮一般选用RVD1或RVD2型金刚石，浓度范 围为75％~125％，金刚石粒度对磨削加工表面粗糙 度的影响见表4-l。
抗弯强度 MPa 1000
抗拉强度 MPa 113.3
(二)聚酰亚胺树脂
聚酰亚胺树脂粉，常温下为淡黄色固体粉末， 密度为1.4g/ cm3，不溶于有机溶剂，能耐强酸，对 于强碱比较敏感。聚酰亚胺具有很高的机械强度， 其摩擦磨损性能较好，而且在高温下稳定，挥发物 少，是一种耐高温、耐磨的材料。用于制造金刚石 砂轮的聚酰亚胺树脂粉的技术条件如表4-3。聚酰 亚胺树脂的结构式如图4-2所示，从其分子结构上 看，是线型大分子结构，本应具有热塑性的特点， 但在高温下脱水后会生成环化的酰亚胺链，提高了 分子的刚性，使它的熔点温度接近于分解温度，因 此，成为不溶性树脂，不能用一般的热塑性工艺成 型，只能用热压法成型。
图4-4 金刚石金属结合剂磨轮断面
小规格的金属结合剂磨轮可以直接热压成型， 工艺要求不复杂。大规格(φ200mm以上)磨轮，加 上模具以后的直径可达φ300~400mm，采用中频 加热很难到温；由于其体积大、截面大、电阻式 加热热压炉也很难满足加热及加压要求。所以， 对于φ200mm以上磨轮的生产采用箱式电阻炉加 热、而后在大吨位压机上热压的方法。其具体方 法是：先将铸铁模具、基体组装好，然后装入工 作层料、加上压头再移入已经预热到一定温度的 箱式电阻炉中，预热温度一般为800℃左右，等温 度到达烧结温度后保温1h左右，待磨具内温度均 匀后，使用专用工具连同模具一起放在冷压机上 压制，从而起到了热压烧结的作用。
图4-2 聚酰亚胺树脂的结构式
用聚酰亚胺树脂制成的磨具，可在260℃的高 温下长期使用，而酚醛树脂结合剂磨具，工作温 度不能高于220℃。实践证明，聚酰亚胺树脂的 耐热性能和力学性能优越，所以其磨削性能比酚 醛树脂好得多。当磨削粘度较大的YT类硬质合金 时，聚酰亚胺树脂结合剂金刚石砂轮比酚醛树脂 结合剂金刚石砂轮磨削能力强，表面粗糙度低25 ％。由此可见，聚酰亚胺树脂具有比酚醛树脂更 优异的性能，在当前的生产使用中，这种新型的 耐热树脂获得了更广泛的应用，逐步取代了酚醛 树脂结合剂。
图4-5 镶嵌式金刚石磨具结构示意图
〔一)直接热压式磨盘 直接热压式磨盘的制造工艺与钻头基本相 同，其不同点是水口多而细长，胎体耐磨性要 求高．因此常常添加大量的wc、w2c以及铁合 金粉,以强化胎体的耐磨性能，这种磨盘主要用 于磨削花岗岩石材。 (二)镶嵌基体式金刚石磨具 镶嵌基体式金刚石磨具是一种新型磨具， 制造时，先压制烧结好一定尺寸的金刚石条块， 然后再镶嵌在基体上，形成镶嵌块，再固定在 磨盘上。该基体的制作方法有热粘式和冷粘式 两种。
二、结合剂的选择
制造磨削硬质合金的树脂结合剂砂轮，其结 合剂一般都采用酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等。 (一)酚醛树脂 酚醛树脂粉是一种白色或淡黄色半透明固体 粉末，在空气中容易吸收水分而结块，密度为 1.25g/cm3,能溶于酒精和丙酮，在末加入乌洛托 品之前是热塑性树脂，加入乌洛托品后，当加热 到170~1800C时就成为热固性树脂，约在2360C 开始分解，3000C以上碳化、其抗弯强度值可达 85~105MPa．压缩强度为70~210MPa．莫氏硬 度为M124~128，线胀系数力2.5~6.0×10-5。强酸 强碱对其有一定影向。用于制造金刚石砂轮的酚 醛树脂粉技术条件如表4-2所列
(1)热粘式。 其工艺流程为： 备料、准备模具→树脂粘结剂与 普通磨料混合→ 金刚石条块与混合 料压制成型→加热硬化处理→成品检 查入库。
(2)冷粘式
其工艺流程为： 备 料、准备模具→树脂粘结剂与普通 磨料混合→金刚石条块与磨料混合料的压 制成型→自然干燥硬化→ 成品检查入库。 金刚石镶嵌块的摆放形式有顺摆式、逆 顺摆式、 顺摆式 摆式和直摆式三种，如图4-6所示，其中以 摆式和直摆式 顺摆式最好，由于镶嵌式磨具具有金刚石 磨具和普通磨料磨具的共同优点，因而在 实践中获得了良好的效果。 金属结合剂的金刚石磨具还有许多种 类型。
玻璃磨轮
磨轮
适用于石材及各种脆硬性材料的打磨加工， 适用于石材及各种脆硬性材料的打磨加工， 特点是磨削快、寿命长。 特点是磨削快、寿命长。
磨头指甲锉Fra bibliotek电镀砂轮嵌块式磨轮
树脂软磨片
树脂软磨片
磨带
END
表4-2酚醛树脂粉技术条件 酚醛树脂粉技术条件
色泽
密度 g/cm3
固体 含量 % >97
游离 酚 % <5
软化 点 ℃ >90
含水 量 % <1
粒度 目 -120
抗拉 强度 MPa 13
白至 淡黄
1.25
4-3聚酰亚胺粉技术条件 表4-3聚酰亚胺粉技术条件
色泽 常温下淡黄
密度 g/cm3 1.4
吸水性 % 0.2~0.3
金属结合剂磨具的胎体与普通金 刚石工具胎体相比，其特点是： (1)为了适合电解磨削的要求，需要添加 一定数量的银来提高导电性能。 (2)为了提高结合剂的自锐能力、防止磨 具变形、润滑磨削表面 、降低磨削力， 需要添加石墨或MoS2等固体润滑剂.