樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪的應(yīng)用

《樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪的應(yīng)用》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪的應(yīng)用（9頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪的應(yīng)用 樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪的應(yīng)用 2016/09/27 《超硬材料工程雜志》2016年第4期 摘要： 樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪由于具有自銳性好、胎體柔性和易于修整等特點(diǎn)而廣泛用于各種難加工材料精密加工。文章主要就樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪的設(shè)計(jì)思路、性能影響因素以及加工應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單綜述，最后對(duì)提高我國(guó)樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪性能提出了幾點(diǎn)建議。 關(guān)鍵詞： 樹(shù)脂結(jié)合劑；金剛石砂輪；精密加工；修整

2、 １樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪介紹 樹(shù)脂結(jié)合劑超硬材料工具主要是以金剛石或ｃＢＮ為磨料，以樹(shù)脂粉為粘接劑，加入適當(dāng)?shù)奶畛洳牧?，?jīng)過(guò)配方設(shè)計(jì)、稱混料、熱壓成型、二次固化、后續(xù)加工處理等工藝過(guò)程制成的適用于不同磨削要求的超硬工具［１］。與陶瓷結(jié)合劑或金屬結(jié)合劑超硬磨具相比，它具有制造工藝簡(jiǎn)單，原材料易得，成本低等特點(diǎn)，且能夠大量適用低品質(zhì)超硬磨料，加工對(duì)象廣泛，如各種難加工鋼材、硬質(zhì)合金、玻璃、陶瓷、石材等。由于樹(shù)脂超硬磨具在磨削過(guò)程中具有較好的自銳性，不易堵塞，磨出的工件具有表面質(zhì)量好，砂輪易于修整等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。樹(shù)脂金剛石工具所用的樹(shù)脂結(jié)合劑主要分為酚醛樹(shù)脂和聚

3、酰亞胺樹(shù)脂兩大類，其種酚醛樹(shù)脂金剛石工具實(shí)際工作溫度不超過(guò)１２０℃，聚酰亞胺樹(shù)脂耐熱性稍好，可在２６０℃下長(zhǎng)期使用。由于聚酰亞胺樹(shù)脂的價(jià)格相對(duì)昂貴，尤其是近年來(lái)科學(xué)家對(duì)酚醛樹(shù)脂進(jìn)行改性使其實(shí)際工作溫度也能到達(dá)２００℃以上，如英國(guó)ＡｄｖａｎｃｅｄＲｅｓｉｎｓＬｉｍｉｔｅｄ公司的９３９Ｐ，故酚醛樹(shù)脂的使用日益廣泛。本文將主要介紹樹(shù)脂金剛石工具的設(shè)計(jì)思路及影響因素。 ２樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石工具的設(shè)計(jì)樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石工具的設(shè)計(jì)主要基于如下五個(gè)方面［２］： （１）粘結(jié)性必須好。結(jié)合劑能均勻分布于磨料表面，將磨粒牢固地把持在磨具中，并且能牢固地粘結(jié)在基體上，既使磨料不易過(guò)早脫落

4、，又防止結(jié)合劑與基體分離，保證生產(chǎn)安全。 （２）磨削效率高，耐磨性好，加工光潔度（或表面粗糙度）好。樹(shù)脂結(jié)合劑因具有彈性和脆性，所以在磨削中自銳性好，不易堵塞，但耐磨性較差。因此我們?cè)谘芯亢驮O(shè)計(jì)結(jié)合劑配方時(shí)必須考慮在保證光潔度要求的前提下，既要有高的磨削效率，又要盡可能有高的耐磨性。結(jié)合劑的配制非常關(guān)鍵，要選擇最佳配比的結(jié)合劑，既要滿足較高的磨削效率，又要滿足較好的耐磨性，二者兼顧，才能保證磨削加工的要求，又能達(dá)到降低成本的目的。 （３）耐熱性要好。如果結(jié)合劑的耐熱性較差，使磨具在使用過(guò)程中不耐高溫，消耗快，甚至因?yàn)槟ハ鳠徇^(guò)高，而使磨具燒傷、裂紋、脫環(huán)等，因此（

5、１）選用耐熱性好的粘結(jié)劑和加入適當(dāng)?shù)奶畛淞?，以提高其耐熱性；（２）盡可能采用冷卻液進(jìn)行濕磨，以提高磨具的耐用度；（３）如果采用干磨，則盡可能使進(jìn)刀量小一些，以提高磨具的耐用度。 （４）結(jié)合劑強(qiáng)度必須高。結(jié)合劑的強(qiáng)度直接影響磨具在使用過(guò)程中的磨削效率、磨耗的大小、工件質(zhì)量好壞以及安全性能等，因此必須對(duì)影響結(jié)合劑強(qiáng)度的因素有所了解。影響結(jié)合劑強(qiáng)度的因素主要有：（１）填充料的加入會(huì)使結(jié)合劑強(qiáng)度提高或降低，多數(shù)填充料加入后能使機(jī)械強(qiáng)度提高，并且在一定范圍內(nèi)隨著添加量的增加而增加，但磨耗比降低。有的填充料，如石墨和固體二硫化鉬，加入后使強(qiáng)度反而降低，因此根據(jù)要求合理選用填充料；（２）磨具

6、的成型密度（或磨具的氣孔率）會(huì)影響結(jié)合劑強(qiáng)度。磨具的成型密度低，氣孔率就高，則結(jié)合劑強(qiáng)度低，反之結(jié)合劑強(qiáng)度高。因此要合理設(shè)計(jì)磨具氣孔率參數(shù)；（３）磨具成型的硬化溫度和二次硬化溫度高低以及升溫曲線都會(huì)影響結(jié)合劑強(qiáng)度。 （５）結(jié)合劑硬度必須合適，耐磨性能好。結(jié)合劑的強(qiáng)度必須與金剛石（或ｃＢＮ）磨粒的磨損速度相匹配，不能因?yàn)榻Y(jié)合劑的磨耗過(guò)快，而使磨粒過(guò)早脫落，那樣的話，磨料就得不到充分使用，造成浪費(fèi)。 ３樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石工具的影響因素 樹(shù)脂金剛石工具由樹(shù)脂結(jié)合劑、填料和金剛石磨料經(jīng)混合后熱壓固化而成。其性能也直接受樹(shù)脂結(jié)合劑、填料和金剛石磨料的影響。

7、 ３．１結(jié)合劑的影響，主要包括結(jié)合劑種類和含量的影響等 （１）各種樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石工具的共同特點(diǎn)是耐熱性較差，在加工工件的過(guò)程中，金剛石工具和工件之間產(chǎn)生的熱量容易使局部溫度過(guò)高，一旦達(dá)到臨界值，樹(shù)脂結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持失效，金剛石在沒(méi)有完全磨鈍的條件下就會(huì)脫落，從而使加工費(fèi)用大幅提升。目前主要是通過(guò)對(duì)樹(shù)脂結(jié)合劑進(jìn)行改性來(lái)提高其耐熱性能的。高良倡［３］采用方烷基醚改性酚醛樹(shù)脂，其耐熱性能夠達(dá)到１８０℃以上。杜楊等［４］以有機(jī)硅預(yù)聚合物、硼酸、苯酚和甲醛為原料合成的新型含硼硅酚醛樹(shù)脂ＢＳＰ，由于酚醛樹(shù)脂結(jié)構(gòu)中引入Ｂ—Ｏ鍵和有機(jī)硅鏈，ＢＳＰ樹(shù)脂具有優(yōu)良的耐熱性和韌性，

8、同時(shí)也改善了樹(shù)脂的耐水性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性。肖東政等［５］采用ＢＭＩ（雙馬來(lái)酰亞胺）改性酚醛樹(shù)脂獲得了耐熱性較好的雙馬來(lái)酰亞胺改性酚醛樹(shù)脂。 （２）樹(shù)脂結(jié)合劑含量的影響。樹(shù)脂結(jié)合劑含量對(duì)金剛石工具加工性能有較大的影響。文獻(xiàn)［２４］介紹了在單晶硅片減薄砂輪中，樹(shù)脂結(jié)合劑含量增加，砂輪的硬度、抗壓強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)樹(shù)脂結(jié)合劑含量增加到一定程度時(shí)，砂輪磨耗比的提高趨于緩慢，同時(shí)砂輪表面容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，同時(shí)含量越高，堵塞現(xiàn)象越嚴(yán)重。 （３）樹(shù)脂結(jié)合劑粒度的影響。國(guó)內(nèi)用作金剛石磨具生產(chǎn)的樹(shù)脂粉粒度大多在８０～１８０目之間，這樣的粒度范圍存在兩個(gè)缺陷，一是影響磨具的壓制成形性能，

9、二是可能影響結(jié)合劑的性能。在壓制過(guò)程中，樹(shù)脂粉雖可受熱軟化，并有一定流動(dòng)性，達(dá)到包覆磨粒的目的，但在壓制過(guò)程中，結(jié)合劑料是在模具內(nèi)受壓的，空間有限，樹(shù)脂的流動(dòng)范圍也有限，當(dāng)樹(shù)脂粉粒度粗時(shí)，就會(huì)有部分磨料粘結(jié)不牢固，從而過(guò)快脫落。有研究表明當(dāng)樹(shù)脂粒度細(xì)化后，可改善成形料的流動(dòng)性，有利于磨具的熱壓成形［６］。 ３．２填充料的影響，主要包括填料種類和含量的影響等 填充料是金剛石磨具的一個(gè)重要組成部分，加入適量的填充料不僅可以大大降低成本，還可提高磨具的機(jī)械強(qiáng)度，延長(zhǎng)使用壽命。（１）填充料種類較多，加入不同種類的填料對(duì)磨具的影響也不同。按性質(zhì)和用途可分為四類：①不活潑填

10、充料。用于可塑工藝，目的是降低磨具成本；②活潑填充料。增塑吸附效應(yīng)，使磨粒與結(jié)合劑粘合能力增強(qiáng)；③補(bǔ)強(qiáng)填料。如玻璃纖維，碳纖維等，目的是增加結(jié)合劑強(qiáng)度；④降低結(jié)合劑強(qiáng)度填料。制成適合修整工具的磨具。在超硬材料樹(shù)脂磨具中，其作用主要是用來(lái)改善結(jié)合劑的耐熱性、硬度、強(qiáng)度，最終目的是提高耐用度。填充料的種類繁多，對(duì)于金剛石樹(shù)脂磨具，酚醛樹(shù)脂結(jié)合劑所用填料，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的是Ｃｒ２Ｏ３，ＺｎＯ和Ｃｕ粉；聚酰亞胺結(jié)合劑所用填料，除Ｃｕ粉外，國(guó)外用于干磨時(shí)加Ｚｒ、Ｃｏ、ＣａＣＯ３等，用于濕磨時(shí)，可加石英粉（ＳｉＯ２）、鋁氧粉（Ａｌ２Ｏ３）等陶瓷材料。車劍飛等［７］人采用原味生產(chǎn)法對(duì)酚醛樹(shù)脂進(jìn)行了納米粒子ＴｉＯ２

11、＼Ａｌ２Ｏ３＼ＳｉＯ２填充改性，研究了納米粒子填充改性對(duì)樹(shù)脂分子結(jié)構(gòu)、耐熱性、沖擊性能和流變性能的影響，結(jié)構(gòu)表明，改性結(jié)構(gòu)無(wú)影響，能夠顯著提高樹(shù)脂的耐熱性能，提高其分解溫度約１５０℃，當(dāng)填充量為５ｗｔ％時(shí)，用ＴｉＯ２改性樹(shù)脂的沖擊強(qiáng)度可提高到普通酚醛樹(shù)脂的２３１％。各種改性樹(shù)脂又都具有不同的特性，鄒文俊等［８］利用納米ＳｉＯ２（原位聚合和共混方法分散到酚醛樹(shù)脂中）改性酚醛樹(shù)脂，可提高磨具的耐熱性以及磨削比，且材料價(jià)格廉價(jià)，適用性較高。陳鋒等［９］研究表明，銅錫合金粉的銅錫比例，含量、粒度對(duì)樹(shù)脂結(jié)合劑超硬制品的力學(xué)性能影響顯著，只有選擇適當(dāng)銅錫比例、含量、粒度的銅錫合金粉才能獲得具有優(yōu)異力學(xué)性能

12、的樹(shù)脂超硬制品。 ３．３磨料金剛石的影響，主要包括金剛石鍍覆、種類和粒度等的影響 （１）金剛石表面鍍覆金屬后，單顆粒抗壓強(qiáng)度都有所提高，同時(shí)磨耗比下降，即延長(zhǎng)了使用壽命。與不鍍覆的金剛石相比，具體作用還包括以下幾個(gè)方面：①鍍層減緩對(duì)樹(shù)脂結(jié)合劑的熱脈沖，金剛石鍍層的導(dǎo)熱率比金剛石小，因此金剛石磨粒接觸工具時(shí)，產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫經(jīng)過(guò)鍍層后傳給樹(shù)脂，從而保護(hù)緊接磨料部位的樹(shù)脂不受高溫?fù)p傷；②鍍層提高金剛石與結(jié)合劑的結(jié)合強(qiáng)度，金屬鍍層內(nèi)包金剛石，外部與樹(shù)脂結(jié)合劑能良好粘結(jié)；③鍍層提高金剛石顆?？蛊扑閺?qiáng)度，鍍覆金屬后金剛石顆粒的缺陷得到彌補(bǔ)，起到了補(bǔ)強(qiáng)作用，且鍍層含有韌性金屬

13、，有利于提高顆粒抗破碎強(qiáng)度；④鍍層對(duì)磨粒起隔離保護(hù)作用，隔絕外界氧及其它有害介質(zhì)的作用，同時(shí)在磨削高溫下，鍍層對(duì)金剛石晶體的石墨化能起抑制作用。 （２）國(guó)內(nèi)外超硬材料廠家對(duì)超硬磨料進(jìn)行了較為細(xì)致的分類，其中低品質(zhì)的金剛石磨料或通過(guò)特殊工藝處理的具有高自銳性和微破碎性的金剛石磨料，主要用于樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石工具的制備。如Ｅ６公司提供的ＰＤＡ４３３，ＰＤＡ３２１，ＰＤＡ３１１，ＰＤＡ２１１等牌號(hào)的金剛石，具有高自銳性和微破碎性。目前國(guó)內(nèi)樹(shù)脂模具普遍使用ＲＶＤ型金剛石磨料，其顆粒多為針片狀，晶型不規(guī)則，強(qiáng)度低、脆性大、表面粗糙但磨削鋒利，與樹(shù)脂結(jié)合劑結(jié)合良好；近年來(lái)國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的多晶ＣＳＤ

14、型金剛石磨料用于樹(shù)脂結(jié)合劑磨具，顯著提升了樹(shù)脂金剛石工具的鋒利度。 ３．４修整對(duì)樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪的影響 修整過(guò)程是砂輪制備中不可或缺的因素，通過(guò)整形能夠獲得各種形狀的樹(shù)脂金剛石砂輪，通過(guò)砂輪修銳使樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪表面金剛石出刃，合適的修整加工直接影響砂輪的使用性能。鄒大程［１０］設(shè)計(jì)了一種新型樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪修整方法，并用白剛玉、碳化硅、碳化硼、鉬、鉬鐵合金等方法分別進(jìn)行砂輪修整實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比分析各種方法的修整力、表面形貌精度、砂輪修銳效果以及磨削性能，以此對(duì)比不同修整方法對(duì)樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪的修整效果。選用適合于實(shí)際應(yīng)用的修整技術(shù)將有助于提高樹(shù)脂

15、金剛石砂輪的使用性能。 ４樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石工具的應(yīng)用 樹(shù)脂結(jié)合劑超硬工具具有磨削力小、磨削熱少、自銳性好、加工效率高、加工表面光潔度高等優(yōu)異特性，主要用于切割、精磨、半精磨、刃磨和拋光等加工，目前已經(jīng)成為超硬工具中使用量最大的一類，在貴重陶瓷材料加工，半導(dǎo)體材料加工，磁性材料加工，金屬材料加工方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。樹(shù)脂金剛石研磨盤應(yīng)用于顯示屏玻璃加工，替代傳統(tǒng)游離磨料研磨加工，能夠提高顯示屏的加工效率，改善表面質(zhì)量，降低加工成本。鄧朝暉等［１１］對(duì)納米結(jié)構(gòu)金屬陶瓷（ｎ－ＷＣ／Ｃｏ）涂層材料在金剛石砂輪精密磨削工程中的磨削力進(jìn)行了較詳細(xì)的試驗(yàn)研究。在相同磨削條件下

16、，納米結(jié)構(gòu)陶瓷涂層的磨削力始終高于常規(guī)結(jié)構(gòu)陶瓷涂層的磨削力；同等磨削條件下，樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪磨削工具按所需的磨削力大于金屬結(jié)合劑砂輪。本俊之等［１２］利用紫外線固化樹(shù)脂開(kāi)發(fā)樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石線鋸替代傳統(tǒng)游離磨料切削半導(dǎo)體大直徑硅片，解決了傳統(tǒng)切割加工工作環(huán)境惡劣、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題。Ｋｅ－ｈｕａＬｉ等［１３］對(duì)ＩＣ硅片超精密背面用樹(shù)脂２０００＃金剛石砂輪加工問(wèn)題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明通過(guò)優(yōu)化結(jié)合劑配方，使結(jié)合劑磨損速度與金剛石脫落速度達(dá)到匹配，材料去除率達(dá)到１０．２３６ｍｍ３／ｓ，表面粗糙度Ｒａ為５．１２２ｎｍ。林培勇等［１４］介紹了樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪在單晶硅片磨削中軸向磨削力的變化規(guī)律以及軸向磨削

17、力與磨削工藝參數(shù)之間的關(guān)系，為樹(shù)脂砂輪在單晶硅應(yīng)用方面的力學(xué)分析提供一個(gè)思路。 ５結(jié)語(yǔ) 從目前的市場(chǎng)而言，我國(guó)已經(jīng)是樹(shù)脂金剛石砂輪的生產(chǎn)使用大國(guó)，產(chǎn)品數(shù)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了國(guó)外樹(shù)脂金剛石砂輪，但質(zhì)量上還有相當(dāng)大的差距，國(guó)內(nèi)目前只局限于生產(chǎn)中低端砂輪。例如，筆者曾經(jīng)在國(guó)內(nèi)某合金加工廠見(jiàn)到３Ａ１－１５０的樹(shù)脂砂輪，美國(guó)進(jìn)口單價(jià)為人民幣１００００元，該廠廠長(zhǎng)介紹說(shuō)國(guó)內(nèi)沒(méi)有廠家能夠提供該產(chǎn)品，就連轉(zhuǎn)型比較成功的韓國(guó)金剛石企業(yè)新韓公司和二和公司都不能生產(chǎn)。筆者認(rèn)為提高樹(shù)脂金剛石砂輪質(zhì)量應(yīng)該從如下幾個(gè)方面開(kāi)展工作： （１）從樹(shù)脂源頭來(lái)開(kāi)展工作，樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪制造

18、廠家、樹(shù)脂生產(chǎn)廠家和砂輪使用廠家形成聯(lián)盟共同開(kāi)發(fā)合適的樹(shù)脂結(jié)合劑，同時(shí)細(xì)化樹(shù)脂的粒度。 （２）引進(jìn)控溫精度高的熱壓機(jī)，優(yōu)化熱壓合成工藝以及二次固化工藝。筆者了解國(guó)外樹(shù)脂砂輪生產(chǎn)商采用的熱壓機(jī)溫度誤差控制在３℃以內(nèi)，而國(guó)內(nèi)設(shè)備溫差基本上都在５℃以上。 （３）優(yōu)化砂輪配方，根據(jù)不同的加工對(duì)象來(lái)設(shè)計(jì)砂輪配方，形成配方與使用對(duì)象相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，便于指導(dǎo)砂輪的配方設(shè)計(jì)。 參考文獻(xiàn)： ［１］鄒文?。袡C(jī)磨具制造［Ｍ］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，２００１：２２６－２５０． ［２］宋月清，劉一波．人造金剛石工具手冊(cè)［Ｍ］．北京：冶金工

19、業(yè)出版社，２０１４． ［３］高良倡．芳烷基醚－苯酚樹(shù)脂的改性研究［Ｊ］．玻璃鋼／復(fù)合材料，１９９４，（１）：１４－１６． ［４］杜楊，吉法洋，等．含硅硼酚醛樹(shù)脂ＢＳＰ的合成和性能［Ｊ］．高分子材料科學(xué)與工程，２００３，１９（４）：４４－４７． ［５］肖東政，吳振耀．新型磨阻材料－酚醛樹(shù)脂改性及應(yīng)用［Ｊ］．塑料工程，１９９６，２４（２）：７３－７６． ［６］唐鵬國(guó)，趙寧，等．提高樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪壽命的方法［Ｃ］．海峽兩岸超硬材料技術(shù)發(fā)展論壇，２０１０． ［７］車劍飛，肖迎紅，等．納米粒子改性硼酚醛樹(shù)脂的研究［Ｊ］

20、．塑料工業(yè)，２００１，２９（６）：１５－１６． ［８］孫寶帥，彭進(jìn)，鄒文?。{米ＳｉＯ２改性酚醛樹(shù)脂結(jié)合劑耐熱性能的研究［Ｊ］．化學(xué)工程師，２００９，２３（９）：４－６． ［９］陳鋒吳磊濤，王威．樹(shù)脂結(jié)合劑超硬制品中銅錫合金粉的應(yīng)用與分析［Ｊ］．金剛石與磨料磨具工程，２０１１，３１（５）：４８－５０，５５． ［１０］鄒大程．樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪精密修整技術(shù)研究［Ｄ］．天津大學(xué)儀器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)碩士論文，２０１４． ［１１］鄧朝暉，張壁，孫宗禹．納米結(jié)構(gòu)金屬陶瓷（ｎ－ＷＣ／Ｃｏ）涂層材料精密磨削的實(shí)驗(yàn)研究［Ｊ］．金剛石與磨料磨具工程，２００３，（１）：１２－１７． ［１２］本俊之，等．利用紫外線固化樹(shù)脂開(kāi)發(fā)樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石線鋸［Ｊ］．珠寶科技，２００４，１６（５）． ［１３］李克華，郭強(qiáng)，趙延軍，等．ＩＣ硅片超精密背磨用樹(shù)脂２０００＃金剛石砂輪研究［Ｊ］．超硬材料工程，２０１０，２２（２）：Ｐ１４－２０． ［１４］林培勇，魏昕，陳卓，等．樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪精密磨削單晶硅片的磨削力研究［Ｊ］．金剛石與磨料磨具工程，２０１２，（４）：１９－２１．