弹性研磨轮表面精加工技术综述

聚氨酯和橡胶基磨具被证明是适合许多制造应用的合适工具。

并非所有研磨材料都相同。最有效的研磨材料是专为特定应用而设计的。

采用氧化铝的陶瓷结合磨具和以立方氮化硼（CBN）或金刚石为超研磨材料的研磨工具，是加工各种材料表面的首选工具。这两种研磨材料在决定性方面是相同的：其各自的硬度在应用方面具有一定的限制。

相比之下，较少人了解弹性研磨轮，这种工具可以在各种应用中使用。弹性研磨轮的一个特点是其能够适应工件而不会改变其几何形状。然而，最重要的是，在使用这些砂轮时，可以实现Rz<1μm的表面精度。当制造商发现使用传统研磨轮无法进一步改善时，这些弹性工具就变得非常有用。

第一批弹性研磨工具是在20世纪初开发的。这些磨料块被用来清洁用木材加热的炉灶。它们还被用来去除餐具上的锈膜，当时不是不锈钢。

今天，金属制造商可以从大量不同的粘接系统和相应的磨粒结构中选择，这些设计可以提供特定的表面质量，并考虑到当前的机器技术。弹性研磨轮因其具有特殊的优势而脱颖而出。

结合结构

弹性研磨轮通常由典型的研磨材料组成，如碳化硅、氧化铝或其他抛光介质。当研磨材料整合到聚氨酯、橡胶或改性树脂（如环氧树脂或聚酯树脂）等弹性材料的基质中时，就得到了一个适用于所需应用范围的具有适当弹性水平的研磨材料。

除了研磨颗粒外，结合的化学结构也影响研磨材料的后续性能。硬度、弹性、颗粒类型和颗粒大小等因素可以以不同的方式组合和变化。这有助于定制产品以满足研磨或抛光任务。

生产过程

弹性磨具的生产是一个化学过程。从液体或软材料开始，在粘接基体和磨粒混合后，将混合物倒入模具并硬化。

聚氨酯混合物被送入模具中

当生产基于聚氨酯的工具时，通常液体结合物与研磨颗粒一次性混合，或者通过持续将结合物稳定地添加到混合物中。在倒入模具后，组分会发生反应，并慢慢呈现所需的硬化形式。起始材料的具体组成可以产生不同的泡沫，从海绵状到细孔状再到硬化。

含有橡胶的产品则是在辊磨机上生产的。在这个生产过程中，研磨颗粒和添加剂会慢慢嵌入橡胶中。随后的基础混合物会被塑造成所需的模具，并在热处理中固化。然后，通过加工机械进行相应的定制。

由于该材料的研磨性性能，用于制造橡胶基磨具的机器和加工工具在设计上必须坚固耐用。通常必须使用金刚石工具对磨具进行进一步加工。

弹性磨具的性能特性

硬度：弹性结合研磨材料的硬度通常使用Shore硬度计或根据DIN 53 456标准的球压硬度测试来测量。对弹性的测量通常通过DIN 53 512标准规定的冲击回弹性来进行。

最大工作速度：弹性结合的自然性能也确定了研磨材料在机械负荷能力方面的限制。对于软研磨轮，速度限制通常为每秒49至82英尺（15至25米），而采用加强孔时可达到每秒98英尺（30米/秒）。硬聚氨酯研磨轮的速度可以达到每秒131英尺（40米/秒）或更高。

修整/成形：几乎所有常见的修整器或成形辊都可以用于弹性磨具的修整或成形。金刚石工具是首选。然而，弹性研磨轮也可以使用陶瓷研磨材料进行修整。

与修整陶瓷磨具相比，由于重叠因素，弹性磨具在在磨削性能方面似乎并没有显著下降。

由于在使用过程中不断磨削，弹性研磨盘的成形性能在整个使用寿命内保持不变。相比之下，陶瓷研磨轮必须使用金刚石工具进行再加工。这突显了弹性研磨轮能够调整到工件轮廓的能力。

弹性磨具的物理性质

研磨颗粒的弹性结合是这些消耗品在与陶瓷基产品相比表现出更强性能特性的主要原因。由于研磨材料能够调整其几何形状以适应工件，因此只加工工件的最外层表面；这不会改变工件本身的几何形状。

弹性磨具还能够减轻操作错误的影响。例如，如果操作员设置进给速度过高，研磨材料的弹性可以防止机器受到损坏，同时避免立即毁坏工件。

然而，弹性研磨轮的一个独特特点是其能够达到表面深度（高达Rz<1μm），实际上已经进入抛光范围。在某些应用中，术语“磨削”和“抛光”可以互换使用。

机械装置概览

当操作员在使用台式磨床手动进给零件时，弹性结合的阻尼特性产生了积极影响。零件可以轻松适应弹性研磨轮而不会抖动。这使操作员能够变化压力，以手动控制表面处理效果。

在数控自动生产过程中，弹性研磨材料可提供最佳效果，以实现与原始项目规格相符的表面。

最终成形是在这种弹性研磨轮上进行的。

在无心磨床上，使用橡胶粘结的滚轮作为控制滚轮。对于某些工件，可以使用聚氨酯粘结的研磨轮作为研磨介质，以实现所需的材料磨损。

工艺设计

当为围绕使用陶瓷研磨料的工作创建工作程序时，制造者关注的是加工时间和进给速率等因素。当将弹性粘结研磨材料引入精加工过程时，必须重新考虑所有这些因素并进行适当的测试。

进给速率是影响最大的变量。这个参数定义了力的水平，对于使用弹性结合研磨材料获得的工作结果至关重要。

由于弹性研磨轮的弹性，制造商必须考虑在精加工过程中必须超过的特定最小力。整个系统必须足够支撑，以确保适当的精加工结果。

聚氨酯结合的应用

泡沫聚氨酯系统的相对硬度可以在一个很大的范围内设置，从非常软（约30 Shore A）到非常硬（95 Shore A或60 Shore D）。根据结合物的化学结构和研磨颗粒的填充水平，弹性结合研磨材料制造商可以调整其产品的弹性水平。这种结合的一个有利的副作用是泡沫的高多孔性，导致了非常冷却的磨削。这些弹性研磨材料可以根据磨削任务的不同，用于干磨或几乎所有常见的冷却润滑剂中。

聚氨酯磨具成功应用于以下一些工艺：

·对所有类型金属进行的精细磨削和精细抛光，如机械轴

·去毛刺边缘，比如冲压片上的边缘

·对锻制金属零件进行去鳞和精细磨削

·对有色金属和贵金属进行哑光整理、光泽整理和抛光

·对金属表面进行粗化

·对硬化和高产钢进行剥离，如刀具

·橡胶结合的应用

与聚氨酯系统相比，含有研磨颗粒的硫化橡胶结合具有更高的热稳定性。由于其硬度（高达70 Shore D），这种类型的研磨材料更强大，寿命更长，超过了聚氨酯。

当制造商使用橡胶磨具时，他也应该注意到比使用陶瓷工具产生的热量更少。在使用研磨材料时，橡胶结合的研磨材料会以非常快的速度去除掉磨粒的钝化部分。

橡胶磨具可以在以下工艺中使用：

·对焊缝进行缝合整理，如在罐体建造中

·对钻孔进行去毛刺和抛光，如发动机缸体中的钻孔

·对机械、光学和外科零件进行精密磨削

·特殊应用

德国不来梅大学材料工程基金会研究所进行的研究分析了弹性研磨材料在加工机械轴上的潜力。在研究过程中，研究人员将弹性研磨材料应用于高品质的非合金钢板，以降低表面结构至非常低的Rz值。

由于使用了用于制造研磨轮的研磨混合物和结合剂，这种聚氨酯研磨轮在使用过程中会保持锋利。

研究人员首先使用陶瓷研磨轮，并通过使用矿物油作为润滑剂，在普通的圆柱磨床上进行测试，达到了Rz=3.5-4.0μm的表面粗糙度（Ra:0.55μm）。在使用泡沫聚氨酯结合的研磨材料进行磨削测试的过程中，实现了高达Rz=0.2μm的表面质量。

除了在精加工过程中进给速率的重要性之外，研究人员发现，最重要的工艺参数通常是退火时间。此外，通过将研磨轮横向摆动到磨削方向，还可以进一步显著改善表面质量。

最近的发展表明，硬质聚氨酯泡沫中的细磨砂粒也可以用于平面或轮廓磨削，从而实现Rz<1µm的精细表面处理。即使在齿轮的轮廓磨削中进行精细加工，也可以使用传统的数控齿轮磨床，唯一的要求是使用双砂轮。

尽管弹性磨具已经存在了将近100年，但这些研磨材料并非在技术上停滞不前。例如，泡沫聚氨酯研磨轮可以在不需要任何其他特殊设备的情况下实现Rz<1的表面精加工。因此，可以想象在同一台机器上使用陶瓷和弹性研磨轮，而工件仍然可以在夹具中保持不动。

无论是出于审美还是技术原因，使用弹性研磨材料总是可以实现新的表面质量。与使用其他类型的研磨材料相比，需要付出更多的努力才能获得这样的结果。

（PME）

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