磨削層體積構(gòu)成

       磨粒體積 VG 、結(jié)合劑體積VB 和氣孔率 VP 的百分比相加等于 100%。

       磨料層的質(zhì)量 m 由磨粒質(zhì)量和粘結(jié)質(zhì)量組成，由它們各自的密度 ρG 和 ρB 定義。

       磨粒、結(jié)合劑和氣孔的體積組成可以用三元圖來(lái)表示（圖 1）。圖1 中的相圖顯示了具有等屬性的線，如磨粒等體積線、結(jié)合劑等體積線、氣孔率等體積線和磨粒-結(jié)合劑等比例線。

       磨料等體積線通常被稱為 "等結(jié)構(gòu)線"。此外，磨料等體積線通常定義了普通砂輪名稱中的組織號(hào)或超硬砂輪的濃度數(shù)值。

       通過(guò)振動(dòng)和壓縮研磨輪混合物可以獲得最大的填充密度，然后進(jìn)行硬化或燒結(jié)；堆積密度較低的工具仍需要有足夠的磨粒接觸，這樣在淬火或燒結(jié)時(shí)工具的形狀才不會(huì)松散。

圖1中的磨粒-結(jié)合劑等比例線都經(jīng)過(guò)三元相圖的一個(gè)頂點(diǎn)，Vp，此時(shí)磨削層的理論氣孔率為 100% [DECN70]。最大的磨粒-結(jié)合劑比例和最小的結(jié)合劑當(dāng)量由研磨工具體的強(qiáng)度要求決定；最小的磨粒-結(jié)合劑比例由實(shí)際制造經(jīng)驗(yàn)決定。

       一些研究人員在三元圖（ 圖2）中展示了最常見(jiàn)的磨具成分范圍。這些范圍的界限可以通過(guò)添加造孔劑或使用熱壓方法來(lái)突破 。

       一般來(lái)說(shuō)，超硬磨料砂輪的磨粒體積百分比較低 。

       對(duì)于大多數(shù)砂輪來(lái)說(shuō)，硬度等級(jí)通常不會(huì)與氣孔等體積線重合，砂輪制造商在三元圖中會(huì)有更復(fù)雜的硬度線。CBN工具的磨粒濃度往往高于金剛石砂輪（按體積計(jì)算可達(dá)50%），特別是在內(nèi)圓磨削和許多外圓磨削應(yīng)用中。因此，CBN 砂輪的結(jié)構(gòu)數(shù)（組織號(hào)）被限制在一個(gè)較小的范圍內(nèi).

       在磨粒比例不變的情況下，結(jié)合劑比例越高，結(jié)合橋越厚，磨粒越緊密（圖3 (a) 和 (b)）。這將增加砂輪強(qiáng)度、楊氏模量、硬度和密度 。

       磨料含量和結(jié)合劑含量可以通過(guò)保持結(jié)合劑規(guī)格不變并改變磨粒濃度，或同時(shí)改變結(jié)合劑規(guī)格和磨料濃度來(lái)計(jì)算。常見(jiàn)的方法是根據(jù)結(jié)構(gòu)數(shù)（組織號(hào)），Ns，按照下面公式計(jì)算磨粒體積，(來(lái)源[Theory and Application of Machining with Abrasives, 2nd edn. Industrial Press (2008). ISBN9780831132477])

       Ns 結(jié)構(gòu)數(shù)，范圍為0-4（緊密結(jié)構(gòu)）、5-8（中等結(jié)構(gòu)）、9-14（寬松結(jié)構(gòu)）

       實(shí)現(xiàn)成分平衡是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)（圖3）。在磨粒體積不變的情況下，增加結(jié)合劑體積會(huì)使粘結(jié)橋更牢固，并提高整體抗彎強(qiáng)度和彈性。較高的結(jié)合劑體積可能會(huì)導(dǎo)致由于較強(qiáng)的把持力而造成的較高比例的磨粒破碎，導(dǎo)致自銳性降低。磨粒體積越大，意味著更多的活動(dòng)切削刃緣，單個(gè)磨粒的負(fù)荷就越小，磨損就越小，但摩擦就越大。

       磨削層中磨料顆粒、結(jié)合劑材料和氣孔的均勻分布對(duì)于保持穩(wěn)定的加工性能至關(guān)重要。磨料分布不均勻會(huì)導(dǎo)致材料去除過(guò)程不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致切削厚度發(fā)生變化。這導(dǎo)致磨粒上的載荷變化，影響工件表面的生成以及砂輪的磨損行為。

       氣孔率

       氣孔是將冷卻潤(rùn)滑劑輸送到切削點(diǎn)并將切削從切削點(diǎn)帶走的必要條件。在高材料去除率和高速磨削過(guò)程中，氣孔對(duì)于將足夠的冷卻潤(rùn)滑劑輸送到磨削間隙中更為重要。切削面不連續(xù)的砂輪與多孔砂輪具有類似的效果。

       通過(guò)公式 上節(jié)的公式，氣孔率可受磨料和結(jié)合計(jì)材料體積成分的影響。原則上，有兩種方法可以主動(dòng)產(chǎn)生氣孔。一種是在工具制造過(guò)程中物質(zhì)燃燒，另一種是在磨料加工過(guò)程中中空物質(zhì)破裂。氣孔的比例因研砂輪結(jié)合劑類型而異。樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪基本上沒(méi)有氣孔，而陶瓷結(jié)合劑砂輪的氣孔率可以達(dá)到體積的70%。金屬結(jié)合砂輪中的氣孔不能像陶瓷結(jié)合劑砂輪中的氣孔那樣容納冷卻潤(rùn)滑液。超多孔砂輪的氣孔可超過(guò)磨粒尺寸的數(shù)倍。

       磨具的氣孔率會(huì)影響其機(jī)械強(qiáng)度。研究人員指出，氣孔率增加20% 可使彈性模量降至原始值的 60%。工具變得更軟，有效動(dòng)態(tài)硬度也會(huì)受到影響。氣孔可視為磨具材料中的不連續(xù)性，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中。后者會(huì)導(dǎo)致裂紋和疲勞斷裂。然而，不連續(xù)性的影響取決于結(jié)合劑系統(tǒng)、幾何孔隙結(jié)構(gòu)、氣孔大小、均勻性和分布。在脆性（陶瓷）粘接中，材料不連續(xù)性的影響比塑料或青銅等軟性粘接更嚴(yán)重。此外，球形氣孔優(yōu)于細(xì)長(zhǎng)或尖角孔隙。磨削層中不同的氣孔濃度會(huì)導(dǎo)致不同的特性，如密度不均勻。較軟的區(qū)域磨損較快，甚至?xí)?dǎo)致工具損壞。此外，氣孔率較高的區(qū)域?qū)嵝暂^低。

       磨具中氣孔的體積百分比可通過(guò)多種方法確定：

       ? 氣孔率可通過(guò)砂輪重量與無(wú)氣孔砂輪理論重量的比較計(jì)算得出——假設(shè)所有的氣孔都是中空的并且與表面相連，那么可以應(yīng)用阿基米德原理。上升力與磨粒和結(jié)合劑的重量有關(guān)。可以通過(guò)加熱水、慢慢地將工具浸入水中，以及添加降低表面張力的試劑來(lái)減少磨具中的殘余空氣。這種方法只對(duì)普通磨具有用。

       ? 氣孔橫截面的面積可以通過(guò)砂輪的顯微鏡照片來(lái)測(cè)量。氣孔表面積與總橫截面積的比值就是氣孔率。這種方法可以應(yīng)用于超硬工具。

       輔助磨料

       通常會(huì)使用第二種類型的磨料（也稱輔助磨料），砂輪規(guī)格中可能會(huì)顯示，也可能不會(huì)顯示。在樹(shù)脂結(jié)合劑中，輔助磨料可以減少結(jié)合劑的磨損。在陶瓷結(jié)合劑中，輔助磨料是結(jié)合劑中的填充物，或參與切削形成。將主磨料與輔助磨料結(jié)合使用可以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)[HAY90]。在制造過(guò)程中，輔助磨料可以增加模具的堆積密度。混合不同大小的磨料和結(jié)合劑材料具有相同的效果。

       添加輔助磨料可以降低砂輪的成本，例如對(duì)于價(jià)格昂貴的燒結(jié)剛玉的情況下。燒結(jié)剛玉的輔助磨料可以是熔融氧化鋁、共熔氧化鋁氧化鋯、碳化硅、BC、石榴石、金剛砂、燧石、CBN、金剛石或其混合物。陶瓷結(jié)合劑CBN的輔助磨料可以是Al2O3和/或SiC，主要作為填料和支撐磨料。剛玉磨料可能會(huì)被陶瓷結(jié)合劑蝕刻。