4.1.1配方設計的作用與意義
配方是製造磨具的必要技術條件，一方麵通過它能保證製出滿足用戶要求和具有良好重現性的磨具；另一方麵又為磨具製造規定了結合劑、磨料、濕潤劑等原材料的用量及成型密度、成型壓力等有關施工參數，指導生產。
磨具的質量主要取決於配方和製造工藝，配方不當，盡管製造工藝先進，其效果還是有限的，因此，配方是磨具生產中的關鍵內容之一。配方在生產中具有法律效力，它的製定、修改、作廢等都要經過嚴格的審批程序，具有高度的嚴肅性。
4.1.2配方的分類與表示形式
4.1.2.1配方的分類
普通磨具配方的種類繁多，如從磨削使用的角度出發，可分為通用磨具配方及專用磨具配方；按成型工藝又可分為壓製成型磨具配方、水澆注成型磨具配方和熱蠟注成型磨具配方等；此外根據磨料種類還可以分為棕剛玉、白剛玉、碳化矽、單晶剛玉、鉻剛玉磨具配方等。
通用、專用磨具之間的劃分並不是絕對的，有的通用磨具能起專用磨具的作用；專用磨具也可擴大為通用磨具使用。但是，通用磨具在製造過程中，一般沒有采用專門的技術措施；專用磨具在製造過程中往往采用了專門的技術措施，使製造出的磨具具有特定的使用性能，以適應某些工件、材料及磨削工藝的加工使用。例如大氣孔磨具，在配方中加入一定比例的成孔材料，燒後磨具中留有較多的氣孔，適應於加工易燒傷的工件。
4.1.2.2配方的表示形式
通用磨具的配方形式隨成型工藝的不同而有所區別；專用磨具配方一般是在通用磨具配方的基礎上加上某些技術措施。不同的專用磨具，其技術措施也不相同，通常在配方上附加說明或以某種形式表示出來。
(1)定壓成型磨具配方形式
定壓成型磨具配方表達形式如下：
硬度：H
WA F46：93
結合劑量：7
糊精粉：12g/kg幹料
水玻璃：19mL/kg幹料
成型壓力：MPa
成型密度：2.22g/cm3(參考)
定壓成型磨具配方形式具有如下特點：
①磨料與結合劑質量之和為100份。
②濕潤劑及糊精粉等的加入量均以每千克幹成型料所需的體積（mL）或質量（g）來表示。
③固定成型壓強，一般按2.5MPa或5.0MPa遞增。
④成型密度為參考數據,通過實測確定下來。
(2)定模（密度）成型磨具配方形式
定模成型磨具配方表達形式如下：
硬度：K
WA F60：100
結合劑量：14
糊精粉：1.4g/kg幹料
水玻璃：3.1mL/kg幹料
成型密度：2.30g/cm3
組織號：6
此配方表達形式有如下特點：
①以磨粒質量為100份，結合劑、黏結濕潤劑等均為磨粒質量為100份時所用份數。
②按磨具組織號控製成型密度。
③成型壓強為參考數據。
(3)水澆注成型磨具的配方形式
水澆注成型磨具配方表達形式如下：
硬度：K
GC F240:84
結合劑:16
澱粉液：30～40mL/kg幹料
膨潤土：15～20g/kg幹料
石膏粉：不大於投料幹重的0.2%
成型密度：1.50～1.55g/cm3
水澆注成型磨具配方表達形式的特點：
①以磨料加結合劑的質量和為100份。
②水的加入量可按經驗調整。
③附加材料如膨潤土、石膏、澱粉液等的加入量均以每千克幹料（結合劑+磨料）所需的體積（mL）或質量（g）來表示。
④成型密度為實測數據。
(4)熱蠟注成型的磨具配方形式
熱蠟注成型磨具配方表達形式如下：
硬度：L
GC F150:90
A30結合劑：10
油酸：13
石蠟：17
蜂蠟：2
成型密度：1.77g/cm3
熱蠟注成型磨具配方表達形式如下：
硬度：L
GC F150:90
A30結合劑：10
油酸：13%
石蠟：17%
蜂蠟：2%
成型密度：1.77g/cm3
熱蠟注成型磨具配方表達形式有如下特點：
①磨料與結合劑質量之和為100份。
②配方中加入一定量的油酸、石蠟和蜂蠟，其加入量用占磨料與結合劑質量總和的百分數來表示。
③成型密度為實測數據。
4.1.3配方設計的內容
製造磨具必須先有配方，而製定磨具配方必須滿足兩個基本要求：一是磨削性能好，能滿足用戶的使用要求；二是工藝性能好，能滿足生產的要求。因此，製定配方時，首先根據被加工工件材料的性質和磨削工藝，來確定磨料、粒度、結合劑、硬度、組織號、使用線速度等；其次是考慮製定合理的生產工藝條件，磨具配方要有較好的成型性能和燒成性能，同時還要考慮原材料的來源，生產成本等因素。
磨具配方的主要內容一般包括結合劑用量、濕潤劑用量、成型壓強、成型密度、磨具組織號等項目，本節主要介紹其確定原則及對磨具質量的影響。
4.1.3.1結合劑用量
配方上的結合劑用量是在確定了磨料的種類（包括混合磨料）、粒度（包括混合粒度）、結合劑種類、磨具硬度的基礎上決定的。結合劑用量有兩種表示方法：一種是磨粒質量加結合劑質量總共為100份；另一種是磨料定為100份，結合劑為100份以外加入的質量。由此可見，兩者隻是計算基準不同，可以互相換算。
配方中結合劑的用量非常重要，直接影響到磨具產品質量和配方生產工藝性能，在製定磨具配方時，結合劑的用量主要從以下幾個方麵進行考慮：
（1）磨具的硬度
磨具的硬度是確定結合劑用量的主要依據，一般而言在其他條件不變時，磨具硬度越高，結合劑用量越多。這是因為，提高配方中的結合劑用量，磨粒間的結合劑橋就變粗，相對地增大了對磨粒的固結強度，這樣，就需要加大外力的作用才能使磨粒破碎、脫落，而反映出磨具硬度的提高；相反，結合劑用量減少，磨具硬度就會降低。實踐證明，通常每提高或降低一小級硬度所需要增減結合劑用量約為2%，而軟級硬度部分為1.0%～1.5%，到中硬以後，增減結合劑量對硬度的變化敏感度降低為2%～3%。
在製定磨具配方時，調整結合劑量的最小增減量一般為0.5%，估計相當於25%小級硬度。由於當前生產水平所限，影響硬度波動的因素較多，還沒有必要將最小調整量降到0.1%，因這樣做作用不大，還會增加算料配料的麻煩。
（2）磨料的種類和粒度
不同磨料種類在相同硬度條件下，結合劑用量不同。比如，由於棕剛玉所含雜質較白剛玉多，而這些雜質在磨具的燒成時，產生反應能力作用而熔入結合劑的熔體中，提高了結合劑的高溫流動性及濕潤性，使磨粒間的固結程度加強，即提高了磨具的硬度，故在相同的硬度下，棕剛玉磨具的結合劑用量要少些。
當磨料種類相同時，不同磨料粒度在相同硬度條件下其結合劑用量不同，一般是細粒度磨料的結合劑用量多於粗粒度。因為細粒度磨料的比表麵積較大，因而需要較多的結合劑分布到各個磨粒表麵而達到與粗粒度相同的固結程度。但有時也有相反情況，這是由於細粒度磨料中雜質含量（無機物）多影響所致。當雜質含量多時，這些雜質往往會起催熔作用，能增強磨粒間的固結強度，此時，其結合劑用量還有所減少。
（3）結合劑的種類
其他條件相同，燒熔結合劑比燒結結合劑的用量少，兩者差值大小與結合劑的種類有關。由於燒熔結合劑在燒成溫度下幾乎都成玻璃相，一般成均質體，且結合劑的分布較均勻。而燒結結合劑在燒成溫度下隻產生少量玻璃相，結合劑中仍殘留相當一部分結晶相，顯微結構致密度極差，微裂紋較多，結合劑“橋”相對強度較低，易破碎脫落，顯得磨具硬度偏軟。
（4）磨具成型方法
當采用不同的成型方法時，同一結合劑，相同的硬度，結合劑的用量不同，水澆注成型的結合劑用量要多於壓製成型。這是因為水澆注成型時成型料處於泥漿狀態，靠本身重力沉積而成磨具坯件，組織較鬆。而壓製成型的成型料受成型壓力的作用而被壓實，故組織較緊，硬度相同所需要的結合劑量就少一些。
4.1.3.2濕潤劑的用量
由於磨具配方中結合劑和磨料都是粉狀或顆粒狀物料，它們之間的作用力很小，往往不能滿足磨具壓製成型工藝的需要，因此，在壓製成型磨具配方中還需加入一定量的濕潤劑。濕潤劑加入的作用，一是便於濕潤磨粒與結合劑成型料混料均勻；二是提高成型料的成型性及壓製坯體的濕幹坯強度。濕潤劑的種類與用量對壓製成型工藝及磨具內在質量都有重要影響，因此，是配方製定的重要項目之一。關於濕潤劑的種類與選擇及對磨具生產、質量的影響參見本書第2章2.3節內容，在此隻介紹其用量的影響因素及確定方法。
（1）濕潤劑用量的影響因素
磨料粒度越細，比表麵積越大，濕潤劑的加入量要多；粒度相同，剛玉磨料要多於碳化矽磨料，因剛玉磨粒多為柱狀或等積形，其比表麵積大於呈片狀的碳化矽磨料；結合劑中黏土的可塑性越強及配方中結合劑用量較大時濕潤劑加入量較多；濕潤劑的濃度大、黏度高的加入量較多。
（2）濕潤劑加入量的測試方法
①手試法：混料時逐次增加濕潤劑的加入量，每當成型料混好後，用手取料，手握成團，濕度感適當，即為較佳的濕潤劑加入量。這是一種常用的測試方法，雖有一定誤差，但簡單易行，故現場操作時，均以此法檢查。
②儀器測試法：將不同數量濕潤劑的成型料壓製成205mm×18mm×12mm的試條。試驗時，緩慢拉動紙帶（或開動小電機）約以0.01m/s的速度走動，則試樣與紙帶一起移動，當試條露出一定長度時，由於自重作用超過試條的抗折強度時，試條被折斷。
當料過幹或過濕時，濕坯抗折強度都會下降，在相對比較中，抗折強度大者，則認為是較合適的濕潤劑加入量。
（3）濕潤劑加入量的推算方法
濕潤劑的加入量可以采用測試推算法，即先做測試，得出數據後，再進行推算。目前行業中所采用的有兩種方法。
①磨料為100份的配方係統：通過測試，算出每100份質量單位磨料及每份質量單位結合劑（包括糊精粉）所需的濕潤劑加入量（質量單位），然後可列出某種磨料粒度的計算式，當結合劑量有增減時，代入公式中即可算出濕潤劑的加入量。
②磨料加結合劑為100份的配方係統：如WA F46結合劑為10%的成型料，經過測試，認為每千克幹料加入相對密度為1.4水玻璃24mL時，幹濕度較好，當結合劑用量增至20%時，每千克幹料需加44mL較合適。根據兩次試驗結果可算出當配方中結合劑量增加1%時，水玻璃的加入量相應增加2mL。由此，可推算出配方中結合劑10%～20%其水玻璃相應加入量。
當然，上述兩種推算結果都必須經過生產驗證，才能最後確定下來。通常相鄰粒度及幾種性能相類似的結合劑可使用同一規定數值。
4.1.3.3成型密度
成型密度是指磨具坯體（濕、幹坯）單位體積的質量，它是計算投料質量、組織號等的必要數據，是控製磨具質量的重要因素。
（1）常用密度形式
①模具腔體密度：該密度等於成型料質量除以成型模具腔體體積。
②成型密度：成型濕砂輪坯的質量除以濕砂輪坯的體積。
濕坯體積與模具腔體體積的差別是由於坯體的反彈造成的。鬆組織砂輪和性能良好的黏結劑坯體的反彈性可忽略不計，但對高壓力成型，采用非水溶性的黏結劑，坯體具有相當大的反彈，在一般情況下必須考慮。
③無機物（生坯）成型密度：此種密度隻適用於配方表，它純係理論表達式，是以磨具坯重中除去可燃性臨時黏結劑（例如糊精）、成孔劑和水而得到的（無機物）密度。當計算砂輪單重時，以配方表中找出已給的無機成型密度，此密度僅包含磨料與結合劑的質量，再加入臨時黏結劑、水和成孔劑的質量，最後算出砂輪實際單重。
采用無機物成型密度的優點是，臨時黏結劑、水含量的任何變化均可很方便地在計算中加以考慮，即把成型密度對磨具硬度有作用和沒作用的部分分開了。
④成品密度：磨具質量除以磨具的體積。成品密度與無機成型密度的差別，取決於結合劑黏土質量的灼減、磨料質量的灼減以及與配方有關的磨具坯體體積變化。除了細粒度、高硬度剛玉砂輪外，兩者失重與增重互相抵消，成品密度與無機成型密度大致相等。
（2）成型密度與磨具性能之間的關係
①成型密度與磨具硬度之間的關係：當固定結合劑量時，在一定範圍內提高成型密度，磨具硬度也相應提高，但成型密度過高並且結合劑量較大時，磨具燒後發生變形和發泡等體積變化，則磨具硬度反而下降。
提高成型密度使磨具硬度相對提高的原因是：
a.顆粒間距縮短，結合劑橋相對縮短，其橫截麵增大，結合劑橋的強度以及與磨粒結合強度也相對提高。
b.成型密度提高，使結合劑與磨粒之間接觸麵積增大，有利於磨粒表麵與結合劑的化學反應，從而提高磨具的硬度。這在含硼結合劑磨具中效果更加明顯。因此，采用低熔點的含硼結合劑時，要獲得硬度高的磨具，除了增加一定量的結合劑外，更主要以提高成型密度來達到P級以上的硬度。
c.磨具組織越緊密，在現有的硬度檢測條件下，也反映出磨具硬度較硬。成型密度提高使組織緊密，因而磨具硬度也相對較硬。
固定結合劑量時，提高成型密度對磨具硬度的影響。一般情況下，成型密度提高0.04～0.10g/cm3，磨具硬度提高一小級。結合劑量較大的情況下成型密度提高0.10～0.15g/cm3，磨具硬度提高一小級。但結合劑量很大時，過高地提高成型密度，則磨具焙燒時可能發泡、變形，硬度反而下降。
但對於水澆注成型，A/WA幹坯密度下降0.04g/cm3，硬度提高一大級，而碳化矽則由軟到硬，幹坯密度變化不大。
②成型密度與磨具組織的關係。
同一磨料同一粒度的磨粒真密度基本上是一個常數，當成型料配比一定時，成型密度與磨具坯體磨粒率呈直線關係。
一般情況，剛玉磨具的成型密度每提高0.08～0.09g/cm3，毛坯磨粒率增加2%（即組織號降低一個號）。碳化矽磨具的成型密度提高0.08g/cm3，坯體磨粒率增加2%。實際上，磨具坯體的磨粒率不完全等於燒後磨具的磨粒率，這是因為：
a.機壓成型時坯體卸壓後不同程度產生彈性變形，體積略有增大，一般造成成型密度會降低0.01～0.06g/cm3；
b.幹燥及燒成後變形；
c.磨粒、結合劑、濕潤劑等在燒成中產生灼減及化學反應，改變了磨粒、結合劑、濕潤劑等的總質量數。
因此，成型密度與磨具成品的磨粒率在固定結合劑量時不是呈明顯的直線關係。實際的成型密度，即按計劃成型密度成型後實測的成型密度與磨具成品磨粒率隨著結合劑的不同而有所變化，當結合劑量較小時，實際成型密度提高0.10g/cm3，磨粒率增加2%；當結合劑量較大時，實際成型密度提高0.12～0.14g/cm3，成品磨粒率增加2%，即磨具的組織變化一個號。
但是，設計磨具配方時，一般仍采用成型密度與磨粒體積百分比的對應關係。對於燒後磨具組織有十分嚴格要求的情況下，可以略加調整。
③成型密度與磨具氣孔率關係：已知氣孔與體積密度的關係為：
ε=1-ρ/d（4-5）
對於一定配比的成型料，d為定值，ρ為成型密度，且ρ＜d。所以當成型密度提高，氣孔率ε下降，並呈線性關係。當固定結合劑量時，燒成中結合劑、濕潤劑等灼減也是常數值，所以成型密度與磨具燒後氣孔率也呈線性關係。一般情況，成型密度提高0.10g/cm3，氣孔率下降2.0%～2.5%。
④成型密度與磨具坯體濕、幹強度的關係：提高成型密度，成型料顆粒間接觸表麵積增加，顆粒間的物理吸附、黏結作用增強，因而坯體濕、幹強度都相應提高。實驗表明，成型密度提高0.10g/cm3時，幹坯抗折強度可提高0.2～0.3MPa。
坯體濕坯強度太低，在磨具成型脫模後的搬運中易受振動而產生裂紋。坯體幹強度太低，裝窯時會產生掉砂、掉邊甚至斷裂等現象。因此，如果要求組織十分疏鬆而氣孔率很大的砂輪，單純降低成型密度不能在生產中使用。此時必須加添填充材料（如萘粒、炭粒等），並同時添加臨時黏結劑（如糊精粉、樹脂液等）以增加坯體的濕強度和幹燥後的強度。