作者：乔．沙利文
中文翻译：SEYA编辑部


「了解砂轮的基本原理将帮助你找到合适的砂轮。」

砂轮是一种切削工作，是一种以磨料来切削的工具。在砂轮中，磨料与锯刀中的锯齿的作用相同。但不像锯刀只有在边缘有锯齿，砂轮的磨料分布在整个砂轮上。成千上万坚硬的磨粒在工件上移动，以切除微小的材料碎片。

磨料供应商提供各种产品，来用于金属加工中的各种磨削应用。选择错误的产品，可能会花费很多的时间与金钱。本文提供了一些选择最佳砂轮的基本原理。

磨料：砂粒种类

砂轮或其他结合式磨石，有两个主要成分：

实际进行切割的磨粒，以及将颗粒固定在一起并在切割时支撑颗粒的的结合剤。磨料、结合剂以及两者之间空隙的比例，决定了砂轮的结构。

要根据与工件材料相互作用的方式，来选择砂轮中使用的特定磨料。理想的磨料是有保持锐利的能力，并不容易钝化。当开始钝化时，磨料会断裂形成新的尖点。每种类型的磨料都是独特的，具有不同的硬度，强度，断裂韧性和抗冲击性。

氧化铝是砂轮中最常用的磨料。

通常会被选用来研磨碳钢、合金钢、高速钢、可锻铸铁、锻铁、青铜等类似的金属。氧化铝磨料有很多不同的类型，每种都是为特殊类型的研磨作业专门制造和混合的。不同的氧化铝都会有自己的名称：通常是字母和数字的组合。这些名称会因制造商而有所不同。

氧化锆氧化铝是另一系列的磨料，由氧化铝和氧化锆以不同比例混制而成。这种组合产出一种结实、耐用的磨料，该磨料在粗磨应用中（例如在切断操作中）表现优异。也适用于各种钢和合金钢材。
与氧化铝一样，有数种不同类型的氧化锆氧化铝可供选择。

碳化矽是另一种磨料，用于研磨灰口铁，冷铁，黄铜，软青铜和铝，以及石材，橡胶和其他有色金属。

陶瓷氧化铝则是磨料工艺中的最新的重点发展。是通过凝胶烧结工艺制造的高纯度晶粒。此磨料能够以可控的速度，进行微米级的断裂。进而不断形成数千个新的尖点。陶瓷氧化铝磨料非常的坚硬，它主要应用于要求严苛的钢类精密研磨，通常会与其他磨料以不同比例混合，以优化其在不同材料、不同应用中的性能。

粒度：砂粒大小

清楚了磨料的种类，下个问题便是“颗粒的大小”：粒度

每个砂轮都有一个表示该特性的数字。粒度则是指砂轮中单个磨粒的大小。该数字对应一英寸平方大小的筛网中，所含有的目数。换句话说，数字大表示磨料通过的筛孔较小。（磨料较细）

较小的数字（例如10、16或24）表示砂轮使用的磨料较粗。颗粒越粗，能去除的工件碎屑就越大。较粗的磨料可用于快速去除工件体积，但表面粗糙度较差。

较大的数字（例如70、100和180），则表示砂轮使用的磨料较细。细砂轮适用于要求精细的表面粗度、接触面小或坚硬、易碎的材料加工上。

结合剂

为了使砂轮中的磨料能有效地切割，砂轮必须具有适当的结合力。结合剂是将磨料黏结在一起的材料，为了让磨料能有效地进行切削。随着磨粒的钝化和脱落，结合剂也必须被磨损掉，才能露出新的尖锐磨料。


★结合剂种类

一般砂轮中主要使用的结合剂有三种：每种类型都能赋予砂轮不同的磨削特性。结合剂种类的选择，取决于砂轮的运行速度、研磨的类型、所需的精度和要研磨的材料特性等因素。

大多数砂轮都是用陶瓷结合剂所制成，陶瓷结合剂是以特殊的粘土混合组成。在制造砂轮的窑中，粘土和磨粒会在高温下融化成熔融玻璃状态。冷却过程中，陶瓷会形成链接，让每个磨粒紧紧相邻，并在研磨时支撑磨粒。

用陶瓷结合剂制成的砂轮非常坚固、强韧且多孔。能快速去除材料切屑，并可精确研磨至所要求的精度。陶瓷结合剂砂轮不受水、酸、油或温度变化的影响。非常坚硬，但同时又像玻璃一样易碎。同样会因为研磨的压力而碎裂。

一些结合剂是由有机物质制成的。这些结合剂会在研磨热的作用下软化。最常见的有机结合剂则是合成树脂制成的树脂结合剂。对于需要快速去除工件体积以及需要良好面粗度的研磨作业，使用树脂结合剂的砂轮是不错的选择。它们被设计为可高速运行，通常用于制造车间、铸造厂、钢坯车间以及锯子的磨尖与磨齿。

另一种有机结合剂是橡胶结合剂。用橡胶结合剂制成的砂轮具有平滑的磨削作用。在需要高光洁度的研磨作业中经常使用橡胶结合剤砂轮。（例如滚珠轴承和滚子轴承座圈）而为了将毛刺与烧伤降至最低程度，也常使用橡胶砂轮作为切割轮使用。

（更多结合剂种类可参文章：砂轮的结合剂种类有哪些？）

★结合剂种强度：结合力

结合剂的强度，会以特定的等级级距标示于砂轮上。

如果每个磨料颗粒之间的链结非常强，对抗阻力的保持性强，则结合力视为等级较硬；若只需要很小的力量就能切断链结，磨粒轻易就可脱落，则视为软的等级。

砂轮中结合剂的量，会决定砂轮的硬度。结合力硬的砂轮使用寿命较长，应用于大功率机器上的作业，以及接触面积小或窄的作业。结合力软的砂轮用于快速移除工件，应用于接触面积大的作业，或高硬度的材质，如工具钢和碳化材料。

砂轮的形状

砂轮本身有许多种形状，平直形状的砂轮是我们通常第一个想到的砂轮形状。

平直形砂轮的研磨面（用于加工的那面）是在砂轮的外圈。平直形砂轮的另一个常见变化是内凹轮。之所以这样称呼，是因为砂轮的中心是内凹的，为了砂轮可以安装在机床主轴法兰组件上。

而某些砂轮，其研磨面则在砂轮的侧面。这些砂轮通常以其独特形状来命名。如：圆柱砂轮、杯形砂轮、盘形砂轮。以侧面为切削面的砂轮，通常用于切削工具的齿沟或和其他难以触及的表面。

另有时候会将各式形状的砂轮排列组合成一个砂轮的型态，这些产品叫做块状砂轮或角砂轮。

带柄砂轮是具有特殊形状的小型砂轮，常见的有圆锥形状或塞子形状。砂轮固定在金属轴上。它们多用于手持工具或精密的内部研磨作业。

综合上述

为了选择最适合当前工作的砂轮，必须考虑许多因素。

首先要考虑的是①要研磨的材料。这决定了砂轮所需要的磨料种类。例如，研磨钢或合金钢，应使用氧化铝或氧化锆氧化铝来研磨。研磨铸铁、有色金属和非金属材料，会选择碳化矽磨料。

坚硬、易碎的材料，通常需要粒度更细、硬度柔软的砂轮。因为硬的材料会抵抗磨粒的切割并使其容易变钝。所以细粒度搭配较软的硬度，可使磨粒在变钝时快速脱咯，马上露出尖锐、锋利的新磨粒。相对的，对于柔软、易延展且易于切割的材料，应选择粗粒度且硬度较硬的砂轮。

而②去除量也是一个考量的重点。

粗粒度的磨料可以快速削除工件体积，因为它们具有更大的穿透力和更大的切削力。但若是很难切入的材料，砂轮粒度细一点，切削效率会更好，因为有更多的尖点可以进行切削。

陶瓷结合剂的砂轮，切削效率高。但若是预计去除量小或者对表粗度要求较高，则应选择树脂、橡胶或虫胶粘合剂的砂轮。

另一个会影响结合剂选择的因素是③砂轮运行速度。

通常，陶瓷结合剂砂轮的使用速度，会低于6,500ft/min。（33m/s）太高速度，陶瓷结合剂会破裂。

有机结合剂的砂轮，使用速度约为每分钟6500~9500ft/min。（33~48m/s）若要以更高的速度作业，则需要经专门配制的高速砂轮，才能进行高速磨削。

在任何情况下，都请勿超过标示在砂轮上最高安全线速度。

单位可能是RPM或每分钟表面英呎ft/min（台湾常用是公尺/秒＝m/s）

再来选择砂轮也需要考量：④砂轮和工件之间的研磨接触面积。

接触面积较大，会使用粗粒度且较软的砂轮。这样可以确保，在阻力负载较大的大面积研磨下，仍然保持正常且相对低温的研磨。研磨面积较小，则会使用细粒度且硬度高的砂轮，以承受较大的单位压力。

接下来，⑤研磨工件的严苛程度也是要考量的重点。

是指在砂轮和工件之间的压力。有些磨料会被设计应用于研磨钢或合金钢，得以承受较为严格的磨削条件。


⑥磨床的功率（马力）也需要被考量进来。

通常，较硬的砂轮需要使用功率高的磨床。若是功率小于砂轮直径，就使用软一点的砂轮。如果功率大于砂轮直径，则选择较硬的砂轮。

保养与安装注意事项

• 砂轮的搬运、安装和使用，必须采取适当的预防和保护措施。
• 应当适当的保存，以避免被碰撞或被腐蚀，而造成损坏。
• 储藏空间应有稳定的温度与湿度，避免因为极端的温度或湿度变化，而损坏砂轮的结合结构。
• 打开包装后，应立即检查所有新砂轮，以确保它们在运输中没有损坏。
• 使用过的砂轮在收回仓库时，也要仔细的检查过。
• 拿取砂轮时应小心避免摔落或碰撞，因为这可能导致砂轮损坏或破裂。
• 砂轮要以搬运的方式移动，而不要以滚动的方式。
• 若是砂轮太重无法手动搬运，请使用配有缓冲垫的推车、货车或堆高机，以免过程中损坏。
• 在安装陶瓷砂轮时，请按照美国国家标准协会的《 B7.1砂轮的使用，保养和保护安全规范》中的说明进行“环形测试”。
• 环形测试是在检测砂轮上是否有裂纹。 破裂的砂轮是不能使用的。
• 最明智的预防措施就是，确定磨床的主轴转速不超过砂轮的最大安全速度。
• 务必使用内孔尺寸合适主轴的砂轮，不可强行塞入。
• 也切勿尝试擅自更改砂轮内孔。
• 使用合适且干净的法兰，其直径至少为砂轮直径的三分之一。
• 法兰轴承的表面必须平整、没有毛刺或污垢堆积。
• 只要将主轴的螺母拧紧至足以固定砂轮即可，而不要拧得太紧。
• 若是使用固定方向的砂轮，请依照砂轮上标记的箭头，确保旋转方向与主轴同向。
• 在操作机器之前，请务必确保所有砂轮和机器的护罩都已安装定位，所有盖板都要关紧。
• 固定好砂轮并确定好防护装置后，打开机器，后退一步，让砂轮以作业速度运转至少一分钟，再开始研磨。
• 正确使用砂轮的研磨面，例如：平直形砂轮的研磨面就仅限边缘面，杯型砂轮仅用侧面研磨。
• 研磨时控制砂轮与工件接触面没有碰撞或弹跳，平缓地切进。当磨床明显减速或工件变热时，切勿强行研磨。
• 磨床安培计可以作为磨床性能的正确指标。
• 如果在使用过程中砂轮破裂，请先仔细检查磨床的保护罩是否损坏。另外，也要检查法兰、主轴和安装螺母，确保它们没有弯曲、弹起或以其他方式损坏。

分析整个作业系统

砂轮只是作业系统中的一部分。全部的作业系统是由砂轮、机床、工件材料和操作条件所组成。彼此环环相扣。

因此，若想要优化研磨的性能，就需要选择最符合所有作业条件的砂轮。


本文作者；乔．沙利文（马萨诸塞州伍斯特市诺顿公司高级产品经理）
原文连结：https://www.mmsonline.com/articles/choosing-the-right-grinding-wheel

补充资料：什么是超级磨料？

什么是超级磨料？

超级磨料是磨料中的特殊类别。用来研磨最坚硬、最具挑战性的工件材料。

像是碳化物、高速钢、PCD、PCBN、陶瓷和其他一些用于制造切削工具的材料，这些材质硬度几乎与传统磨料一样高，因此要研磨这些材质，就需要这些特殊的磨料，即金刚石和CBN（超级磨料） 。

这些材料具有极高的硬度，但价格会比传统的磨料（碳化矽和氧化铝）还要贵。因此，超级磨料砂轮的结构会与一般磨料砂轮不同。

不像一般传统磨料砂轮，整颗都是由磨料所组成。超级模料砂轮只有切削边缘有磨料，磨料黏结在金属内盘上，以这样的方式形成砂轮的形状。

超级磨料的粒度表示与一般砂轮一样（通常为#46~#2000），和一般砂轮一样，超级磨料砂轮可以透过不同的硬度等级和集中度（结合剂中的含砂量）来制作成符合作业条件的砂轮。


超级磨料砂轮中，有四种类型的结合方式。

使用①树脂结合剂的超磨料砂轮，切割速度极快且温度低。它们非常适合磨多尖的齿刀具和铰刀，并且适用于所有精密磨削操作。树脂结合剂是最常应用于超级磨料砂轮的主要结合剤

②陶瓷结合剂的超磨料砂轮，则有快速切割及耐磨的特性。它们通常被应用于大量生产的作业上。

③金属结合剂的超磨料砂轮，使用于研磨或切割非金属材料、塑料或其他切割工具无法加工的半导体材料。


当需要快速清除工件和需要形成复杂形状时，则可使用④单层电镀的超磨料砂轮。


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