手工研磨及抛光

5.1.3　手工研磨及抛光

1．磨料与研磨剂

（1）磨料。磨料的种类很多，一般是按硬度来划分。硬度最高的是金刚石，包括人造金刚石和天然金刚石两种；其次是碳化物，如黑碳化物、绿碳化物、碳化硼和碳硅硼等；再次的是硬度较高的刚玉类，如棕刚玉、白刚玉、单晶刚玉、铬刚玉、微晶刚玉、黑刚玉等；硬度最低的是氧化物类（又称为软质化学磨料），主要有氧化铬、氧化铁、氧化镁和氧化铈等。上述是一般的分类方法，还有按天然磨料和人造磨料来分。天然磨料存在杂质多、磨料不均匀、价格高、资源缺乏等限制，因此，目前几乎全部使用人造磨料。常用磨料的种类及用途见表5-1。

表5-1　常用磨料的种类及用途

磨料的粒度是指磨料的颗粒尺寸。磨料按其颗粒尺寸的大小分为磨粒、磨粉、微粉和超微粉四组。其中，磨粒和磨粉这两组磨料的粒度号数用每一英寸筛网长度上的数目表示，其标志是在粒度号数的数字右上角加“＃”符号。比如240^＃，是指每一英寸筛网长度上有240个孔，粒度号的数值越大，表示磨粒越细小。而微粉和超微粉这两组磨料的粒度号数是以颗粒的实际尺寸来表示的，其标志是在颗粒尺寸数字的前面加一个字母“W”。例如W20，是表示磨料颗粒的实际尺寸在20～14μm之间，折合筛孔号为500^＃。

在各种磨料的粒度中又有粗、中、细不同的颗粒。中粒是研磨粉中的基本粒度，是决定磨料研磨能力的主要因素，在粒度组成中占有较大的比例。基本粒度占35%～40%的研磨粉，如再经过一次离心分选，能将基本粒度提高到60%左右。实践证明：分选后的研磨粉其研磨能力将比分选前提高20%。细粒在研磨中的研磨作用很小，粗粒除对研磨工件的质量不利外，还会降低研磨效率，应在粒度组成中尽量减少它们的数量。因此，从研磨的效率和工件的质量来说，都要求磨料的颗粒均匀。

有关磨粉、微粉和超微粉的粒度分类、颗粒尺寸范围、分选与测定方法及其主要用途见表5-2。表5-2中没有列出12^＃～80^＃的磨粒组，因为它们的颗粒尺寸较大，不适合用于研磨加工的磨料。

表5-2　磨料粒度的分类及分选与测定方法

（2）研磨剂。研磨剂是磨料与润滑剂合成的一种混合剂。常用的研磨剂有液体和固体（或膏状）两大类。

1）液体研磨剂。液体研磨剂由研磨粉、硬脂酸、航空汽油、煤油等配制而成。

白刚玉粉W3.5～W1（15g）、硬脂酸（8g）、航空汽油（200ml）、煤油（35ml）为一种常用的液体研磨剂配方。其中，磨料主要起切削作用；硬脂酸溶于汽油中，可增加汽油的黏度，以降低磨料的沉淀速度，使磨粒分布均匀；此外，在研磨时，硬脂酸还有冷却润滑和促进氧化的作用；航空汽油主要起稀释作用，将磨粒聚团稀释开，以保证磨粒的切削性能；煤油主要起冷却润滑作用。

2）固体研磨剂。固体研磨剂是指研磨膏。常用的有抛光用研磨膏、研磨用研磨膏、研磨硬性材料（如硬质合金）用研磨膏三大类。一般是选择多种无腐蚀性载体（如硬脂酸、硬脂、硬蜡、三乙醇胺、肥皂片、石蜡、凡士林、聚乙二醇硬脂酸酯、雪花膏等）加不同磨料来配制研磨膏。

2．研磨抛光工具

（1）研具材料。研磨抛光时直接和被加工表面接触的研磨抛光工具称为研具。研具的材料很广泛，原则上研具的材料硬度应比被加工材料硬度低，但研具材料过软会使磨粒全部嵌入研具表面而使切削作用降低。总之，研具材料的软硬程度、耐磨性应该与被加工材料相适应。

一般研具材料有低碳钢、灰铸铁、黄铜、紫铜、硬木、竹片、塑料、皮革和毛毡等。灰铸铁中含有石墨，因此，耐磨性、润滑性及研磨效率都比较理想（特别是精研磨），灰铸铁研具用于淬硬钢、硬质合金和铸铁材料的研磨；低碳钢强度较高，用于较小孔径的研磨；黄铜和紫铜用于研磨余量较大的工件，加工效率比较高，但加工后表面光泽较差，常用于粗研磨；硬木、竹片、塑料和皮革等材料常用于窄缝、深槽及非规则几何形状的精研磨和抛光。

（2）研具。常用研具的形式很多，主要有下面几种：

1）普通油石。一般用于粗研磨，它由氧化铝或碳化硅等磨料和黏结剂压制烧结而成。使用时根据型腔形状磨成需要的形状，并根据被加工表面的粗糙度和材料硬度选择硬度和粒度。当被加工零件材料较硬时，应该选择较软的油石，当被加工零件表面粗糙度要求较高时，油石要细一些，组织要致密些。

2）研磨平板。主要用于单一平面及中小镶件端面的研磨抛光，如冲裁凹模端面、塑料模中的平面分型面等。研磨平板用灰铸铁材料，并在平面上开设相交成60°或90°、宽1～3mm、距离为15～20mm的槽，研磨抛光时在研磨平板上放置微粉和抛光液。

3）研磨环。用于车床或磨床上对外圆表面进行研磨的一种研具，如图5-1所示，研磨环2有固定和可调式两类，固定式研磨环的研磨内径不可调节，而可调式研磨环的研磨内径可以在一定范围内调节，以适应工件外圆的变化。

4）研磨芯棒。如图5-2所示，图（a）为可调式研磨棒，由锥形芯棒1和研套3组成。拧动两端的螺母2，即可以在一定范围内调整直径的大小。图（b）、（c）为研磨套，其上的槽和缺口，在调整时能均匀地张开或收缩，并可储存研磨剂。

固定式研磨芯棒的外径不可调节，芯棒外圆形面带有螺旋槽，以容纳研磨抛光剂。

5）研磨抛光辅助工具。研磨抛光辅助工具有多种，如手持电动往复式研抛工具等，应根据被加工表面的形状特点进行选择。

图5-1　外圆研磨环

1—研磨套；2—研磨环；3—限位螺钉；4—调节螺钉

（a）可调式内圆研磨芯棒

1—锥形芯棒；2—螺母；3—研套；4—垫圈

图5-2　研磨芯棒

① 电动往复式。如图5-3所示，它的质量约0.5kg，操作灵活方便，工作时手握研磨柄，动力从软轴传来，带动球头杆作直线往复运动，最大行程为20mm，往复次数为5000次/min。球头杆前端配2～6mm大小的圆形或矩形研磨环，可进入狭长沟槽研磨抛光。若将球头杆换成油石夹头、砂纸夹头或金刚石什锦锉刀等，可进行较大尺寸平面或曲面的研磨抛光。

图5-3　手持电动往复式研磨抛光工具

1—工件；2—研磨环；3—球头杆；4—软轴

② 电动直杆旋转式。手持电动直杆旋转式研磨抛光工具如图5-4所示。安装研磨抛光工具的夹头高速旋转实现研磨抛光。夹头上可以配置φ 2～φ12的特形金刚石砂轮，研磨抛光不同曲率的凹弧面。还可配置R4～R12的塑胶研磨抛光套或毛毡抛光轮，可以研磨抛光复杂形状的型腔或型孔。

③ 电动弯头旋转式。手持电动弯头旋转式研磨抛光工具如图5-5所示，它可以伸入型腔，对有角度的拐槽、弯角部位进行研磨抛光加工。

图5-4　手持电动直杆旋转式研磨抛光工具

1—抛光套；2—砂轮；3—软轴

图5-5　手持电动弯头旋转式研磨抛光工具

1—工件；2—抛光环；3—软轴

辅助研磨抛光工具可以提高研磨抛光效率和减轻劳动强度，但是研磨抛光质量仍取决于操作者的技术水平。

研磨抛光辅助工具上使用的磨削头，主要有带轴砂轮、旋转锉刀、往复运动锉刀、旋转刷、毛毡夹紧器等形式。

除以上介绍的3种电动机械式研磨抛光辅助工具以外，还有超声波-机械复合式、超声波-电火花机械复合式研磨抛光等辅助工具。

3．研磨抛光工艺

（1）研磨抛光余量。研磨抛光余量取决于零件尺寸、原始表面粗糙度、最终精度等要求，原则上研磨抛光余量只要能去除表面加工痕迹和变质层即可。研磨抛光余量过大，使加工时间延长，材料消耗增加，加工成本增大；研磨抛光余量过小，加工后表面粗糙度和精度达不到要求。当零件的尺寸公差较大时，研磨抛光余量可以取在零件尺寸公差范围以内。

淬硬后的成型表面由R_a=0.8μm提高到R_a=0.05μm时的研磨抛光余量为：

平面：取0.015～0.8μm；

内圆：当d=φ 25～φ 125mm时，取0.04～0.8μm；

外圆：当d≤10时，取0.03～0.04μm；

当d≤10～30mm时，取0.03～0.05μm；

当d≥31～60mm时，取0.04～0.06μm。

（2）研磨抛光阶段和轨迹。研磨抛光加工一般经过粗研磨→细研磨→精研磨→抛光四个阶段，四个阶段中总的研磨抛光次数依据研磨抛光余量以及初始和最终的表面粗糙度与精度而定。磨料的粒度从粗到细，每次更换磨料都要清洗工具和零件。各部位的研磨顺序根据被加工面的具体情况确定。

研磨抛光中，磨料的运动轨迹要使被加工表面各点有相同（或近似）的切削（磨削）条件，运动轨迹可以往复、交叉，但不应该重复。磨料运动轨迹要根据被加工表面的大小和形状来选择，有直线式、正弦曲线式、不规则圆环式、摆线式和椭圆线式等。