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選擇真正合適的砂輪


作者:喬.沙利文
中文翻譯:SEYA編輯部


了解砂輪的基本原理將幫助你找到合適的砂輪。

砂輪是一種切削工作,是一種以磨料來切削的工具。在砂輪中,磨料與鋸刀中的鋸齒的作用相同。但不像鋸刀只有在邊緣有鋸齒,砂輪的磨料分佈在整個砂輪上。成千上萬堅硬的磨粒在工件上移動,以切除微小的材料碎片。

磨料供應商提供各種產品,來用於金屬加工中的各種磨削應用。選擇錯誤的產品,可能會花費很多的時間與金錢。本文提供了一些選擇最佳砂輪的基本原理。



     磨料:砂粒種類   

砂輪或其他結合式磨石,有兩個主要成分:

實際進行切割的磨粒,以及將顆粒固定在一起並在切割時支撐顆粒的的結合剤。磨料、結合劑以及兩者之間空隙的比例,決定了砂輪的結構。 


 

要根據與工件材料相互作用的方式,來選擇砂輪中使用的特定磨料。理想的磨料是有保持銳利的能力,並不容易鈍化。當開始鈍化時,磨料會斷裂形成新的尖點。每種類型的磨料都是獨特的,具有不同的硬度,強度,斷裂韌性和抗衝擊性。
 

氧化鋁是砂輪中最常用的磨料。

通常會被選用來研磨碳鋼、合金鋼、高速鋼、可鍛鑄鐵、鍛鐵、青銅等類似的金屬。氧化鋁磨料有很多不同的類型,每種都是為特殊類型的研磨作業專門製造和混合的。不同的氧化鋁都會有自己的名稱:通常是字母和數字的組合。這些名稱會因製造商而有所不同。

氧化鋯氧化鋁是另一系列的磨料,由氧化鋁和氧化鋯以不同比例混製而成。這種組合產出一種結實、耐用的磨料,該磨料在粗磨應用中(例如在切斷操作中)表現優異。也適用於各種鋼和合金鋼材。
與氧化鋁一樣,有數種不同類型的氧化鋯氧化鋁可供選擇。

碳化矽是另一種磨料,用於研磨灰口鐵,冷鐵,黃銅,軟青銅和鋁,以及石材,橡膠和其他有色金屬。

陶瓷氧化鋁則是磨料工藝中的最新的重點發展。是通過凝膠燒結工藝製造的高純度晶粒。此磨料能夠以可控的速度,進行微米級的斷裂。進而不斷形成數千個新的尖點。陶瓷氧化鋁磨料非常的堅硬,它主要應用於要求嚴苛的鋼類精密研磨,通常會與其他磨料以不同比例混合,以優化其在不同材料、不同應用中的性能。



     粒度:砂粒大小   

清楚了磨料的種類,下個問題便是「顆粒的大小」:粒度

每個砂輪都有一個表示該特性的數字。粒度則是指砂輪中單個磨粒的大小。該數字對應一英吋平方大小的篩網中,所含有的目數。換句話說,數字大表示磨料通過的篩孔較小。(磨料較細)

較小的數字(例如10、16或24)表示砂輪使用的磨料較粗。顆粒越粗,能去除的工件碎屑就越大。較粗的磨料可用於快速去除工件體積,但表面粗糙度較差。

較大的數字(例如70、100和180),則表示砂輪使用的磨料較細。細砂輪適用於要求精細的表面粗度、接觸面小或堅硬、易碎的材料加工上。 



     結合劑   

為了使砂輪中的磨料能有效地切割,砂輪必須具有適當的結合力。結合劑是將磨料黏結在一起的材料,為了讓磨料能有效地進行切削。隨著磨粒的鈍化和脫落,結合劑也必須被磨損掉,才能露出新的尖銳磨料。


★結合劑種類

一般砂輪中主要使用的結合劑有三種:每種類型都能賦予砂輪不同的磨削特性。結合劑種類的選擇,取決於砂輪的運行速度、研磨的類型、所需的精度和要研磨的材料特性等因素。 

大多數砂輪都是用陶瓷結合劑所製成,陶瓷結合劑是以特殊的粘土混合組成。在製造砂輪的窯中,粘土和磨粒會在高溫下融化成熔融玻璃狀態。冷卻過程中,陶瓷會形成鏈接,讓每個磨粒緊緊相鄰,並在研磨時支撐磨粒。

 

陶瓷結合劑 樹脂結合劑 橡膠結合劑

陶瓷結合劑製成的砂輪非常堅固、強韌且多孔。能快速去除材料切屑,並可精確研磨至所要求的精度。陶瓷結合劑砂輪不受水、酸、油或溫度變化的影響。非常堅硬,但同時又像玻璃一樣易碎。同樣會因為研磨的壓力而碎裂。

一些結合劑是由有機物質製成的。這些結合劑會在研磨熱的作用下軟化。最常見的有機結合劑則是合成樹脂製成的樹脂結合劑。對於需要快速去除工件體積以及需要良好面粗度的研磨作業,使用樹脂結合劑的砂輪是不錯的選擇。它們被設計為可高速運行,通常用於製造車間、鑄造廠、鋼坯車間以及鋸子的磨尖與磨齒。 

另一種有機結合劑是橡膠結合劑。用橡膠結合劑製成的砂輪具有平滑的磨削作用。在需要高光潔度的研磨作業中經常使用橡膠結合剤砂輪。(例如滾珠軸承和滾子軸承座圈)而為了將毛刺與燒傷降至最低程度,也常使用橡膠砂輪作為切割輪使用。

(更多結合劑種類可參文章:砂輪的結合劑有哪些?
 

★結合劑種強度:結合力

結合劑的強度,會以特定的等級級距標示於砂輪上。

如果每個磨料顆粒之間的鏈結非常強,對抗阻力的保持性強,則結合力視為等級較硬;若只需要很小的力量就能切斷鏈結,磨粒輕易就可脫落,則視為軟的等級。

砂輪中結合劑的量,會決定砂輪的硬度。結合力硬的砂輪使用壽命較長,應用於大功率機器上的作業,以及接觸面積小或窄的作業。結合力軟的砂輪用於快速移除工件,應用於接觸面積大的作業,或高硬度的材質,如工具鋼和碳化材料。




     砂輪的形狀   
 

砂輪本身有許多種形狀,平直形狀的砂輪是我們通常第一個想到的砂輪形狀。

平直形砂輪的研磨面(用於加工的那面)是在砂輪的外圈。平直形砂輪的另一個常見變化是內凹輪。之所以這樣稱呼,是因為砂輪的中心是內凹的,為了砂輪可以安裝在機床主軸法蘭組件上。

而某些砂輪,其研磨面則在砂輪的側面。這些砂輪通常以其獨特形狀來命名。如:圓柱砂輪、杯形砂輪、盤形砂輪。以側面為切削面的砂輪,通常用於切削工具的齒溝或和其他難以觸及的表面。

另有時候會將各式形狀的砂輪排列組合成一個砂輪的型態,這些產品叫做塊狀砂輪或角砂輪

帶柄砂輪是具有特殊形狀的小型砂輪,常見的有圓錐形狀或塞子形狀。砂輪固定在金屬軸上。它們多用於手持工具或精密的內部研磨作業。 、



     綜合上述   

為了選擇最適合當前工作的砂輪,必須考慮許多因素。

首先要考慮的是①要研磨的材料。這決定了砂輪所需要的磨料種類。例如,研磨鋼或合金鋼,應使用氧化鋁或氧化鋯氧化鋁來研磨。研磨鑄鐵、有色金屬和非金屬材料,會選擇碳化矽磨料。

堅硬、易碎的材料,通常需要粒度更細、硬度柔軟的砂輪。因為硬的材料會抵抗磨粒的切割並使其容易變鈍。所以細粒度搭配較軟的硬度,可使磨粒在變鈍時快速脫咯,馬上露出尖銳、鋒利的新磨粒。相對的,對於柔軟、易延展且易於切割的材料,應選擇粗粒度且硬度較硬的砂輪。 


②去除量也是一個考量的重點。

粗粒度的磨料可以快速削除工件體積,因為它們具有更大的穿透力和更大的切削力。但若是很難切入的材料,砂輪粒度細一點,切削效率會更好,因為有更多的尖點可以進行切削。

陶瓷結合劑的砂輪,切削效率高。但若是預計去除量小或者對表粗度要求較高,則應選擇樹脂、橡膠或蟲膠粘合劑的砂輪。 

 


 

另一個會影響結合劑選擇的因素是③砂輪運行速度

通常,陶瓷結合劑砂輪的使用速度,會低於6,500ft/min。(33m/s)太高速度,陶瓷結合劑會破裂。

有機結合劑的砂輪,使用速度約為每分鐘6500~9500ft/min。(33~48m/s)若要以更高的速度作業,則需要經專門配製的高速砂輪,才能進行高速磨削。 

在任何情況下,都請勿超過標示在砂輪上最高安全線速度。

單位可能是RPM或每分鐘表面英呎ft/min(台灣常用是公尺/秒=m/s)



再來選擇砂輪也需要考量:④砂輪和工件之間的研磨接觸面積

接觸面積較大,會使用粗粒度且較軟的砂輪。這樣可以確保,在阻力負載較大的大面積研磨下,仍然保持正常且相對低溫的研磨。研磨面積較小,則會使用細粒度且硬度高的砂輪,以承受較大的單位壓力。

 


接下來,⑤研磨工件的嚴苛程度也是要考量的重點。

是指在砂輪和工件之間的壓力。有些磨料會被設計應用於研磨鋼或合金鋼,得以承受較為嚴格的磨削條件。



⑥磨床的功率(馬力)也需要被考量進來。

通常,較硬的砂輪需要使用功率高的磨床。若是功率小於砂輪直徑,就使用軟一點的砂輪。如果功率大於砂輪直徑,則選擇較硬的砂輪。 


 

     保養與安裝注意事項   
 

  • 砂輪的搬運、安裝和使用,必須採取適當的預防和保護措施。
  • 應當適當的保存,以避免被碰撞或被腐蝕,而造成損壞。
  • 儲藏空間應有穩定的溫度與濕度,避免因為極端的溫度或濕度變化,而損壞砂輪的結合結構。
  • 打開包裝後,應立即檢查所有新砂輪,以確保它們在運輸中沒有損壞。
  • 使用過的砂輪在收回倉庫時,也要仔細的檢查過。
  • 拿取砂輪時應小心避免摔落或碰撞,因為這可能導致砂輪損壞或破裂。
  • 砂輪要以搬運的方式移動,而不要以滾動的方式。
  • 若是砂輪太重無法手動搬運,請使用配有緩衝墊的推車、貨車或堆高機,以免過程中損壞。
  • 在安裝陶瓷砂輪時,請按照美國國家標準協會的《 B7.1砂輪的使用,保養和保護安全規範》中的說明進行「環形測試」。
  • 環形測試是在檢測砂輪上是否有裂紋。 破裂的砂輪是不能使用的。
  • 最明智的預防措施就是,確定磨床的主軸轉速不超過砂輪的最大安全速度。
  • 務必使用內孔尺寸合適主軸的砂輪,不可強行塞入。
  • 也切勿嘗試擅自更改砂輪內孔。
  • 使用合適且乾淨的法蘭,其直徑至少為砂輪直徑的三分之一。
  • 法蘭軸承的表面必須平整、沒有毛刺或污垢堆積。
  • 只要將主軸的螺母擰緊至足以固定砂輪即可,而不要擰得太緊。
  • 若是使用固定方向的砂輪,請依照砂輪上標記的箭頭,確保旋轉方向與主軸同向。
  • 在操作機器之前,請務必確保所有砂輪和機器的護罩都已安裝定位,所有蓋板都要關緊。
  • 固定好砂輪並確定好防護裝置後,打開機器,後退一步,讓砂輪以作業速度運轉至少一分鐘,再開始研磨。
  • 正確使用砂輪的研磨面,例如:平直形砂輪的研磨面就僅限邊緣面,杯型砂輪僅用側面研磨。
  • 研磨時控制砂輪與工件接觸面沒有碰撞或彈跳,平緩地切進。
  • 當磨床明顯減速或工件變熱時,切勿強行研磨。
  • 磨床安培計可以作為磨床性能的正確指標。
  • 如果在使用過程中砂輪破裂,請先仔細檢查磨床的保護罩是否損壞。另外,也要檢查法蘭、主軸和安裝螺母,確保它們沒有彎曲、彈起或以其他方式損壞。

     分析整個作業系統   

砂輪只是作業系統中的一部分。全部的作業系統是由砂輪、機床、工件材料和操作條件所組成。

彼此環環相扣,因此,若想要優化研磨的性能,就需要選擇最符合所有作業條件的砂輪


本文作者;喬.沙利文(馬薩諸塞州伍斯特市諾頓公司高級產品經理)
原文連結:https://www.mmsonline.com/articles/choosing-the-right-grinding-wheel





     補充資料:什麼是超級磨料?   

什麼是超級磨料?

超級磨料是磨料中的特殊類別。用來研磨最堅硬、最具挑戰性的工件材料。

像是碳化物、高速鋼、PCD、PCBN、陶瓷和其他一些用於製造切削工具的材料,這些材質硬度幾乎與傳統磨料一樣高,因此要研磨這些材質,就需要這些特殊的磨料,即金剛石和CBN(超級磨料) 。 


這些材料具有極高的硬度,但價格會比傳統的磨料(碳化矽和氧化鋁)還要貴。因此,超級磨料砂輪的結構會與一般磨料砂輪不同。

不像一般傳統磨料砂輪,整顆都是由磨料所組成。超級模料砂輪只有切削邊緣有磨料,磨料黏結在金屬內盤上,以這樣的方式形成砂輪的形狀。

超級磨料的粒度表示與一般砂輪一樣(通常為#46~#2000),和一般砂輪一樣,超級磨料砂輪可以透過不同的硬度等級和集中度(結合劑中的含砂量)來製作成符合作業條件的砂輪。


超級磨料砂輪中,有四種類型的結合方式。

使用①樹脂結合劑的超磨料砂輪,切割速度極快且溫度低。它們非常適合磨多尖的齒刀具和鉸刀,並且適用於所有精密磨削操作。樹脂結合劑是最常應用於超級磨料砂輪的主要結合剤

②陶瓷結合劑的超磨料砂輪,則有快速切割及耐磨的特性。它們通常被應用於大量生產的作業上。

③金屬結合劑的超磨料砂輪,使用於研磨或切割非金屬材料、塑料或其他切割工具無法加工的半導體材料。


超磨料砂輪。④單層電鍍當需要快速清除工件和需要形成複雜形狀時,則可使用





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