樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪的應(yīng)用

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1、樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪的應(yīng)用樹脂結(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)行簡單綜述，最后對提高我國樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪性能提出了幾點(diǎn)建議。關(guān)鍵詞：樹脂結(jié)合劑；金剛石砂輪；精密加工；修整樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪介紹樹脂結(jié)合劑超硬材料工具主要是以金剛石或?yàn)槟チ希詷渲蹫檎辰觿?，加入適當(dāng)?shù)奶畛洳牧希?jīng)過配方設(shè)計(jì)、稱混料、熱壓成型、二次固化、后續(xù)加工處理等工藝過程制成的適用于不同磨削要求的超硬工具。與

2、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。由于樹脂超硬磨具在磨削過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。樹脂金剛石工具所用的樹脂結(jié)合劑主要分為酚醛樹脂和聚酰亞胺樹脂兩大類，其種酚醛樹脂金剛石工具實(shí)際工作溫度不超過，聚酰亞胺樹脂耐熱性稍好，可在下長期使用。由于聚酰亞胺樹脂的價(jià)格相對昂貴，尤其是近年來科學(xué)家對酚醛樹脂進(jìn)行改性使其實(shí)際工作溫度也能到達(dá)以上，如英國公司的，故酚醛樹脂的使用日益廣泛。本文將主要介紹樹脂金

3、剛石工具的設(shè)計(jì)思路及影響因素。樹脂結(jié)合劑金剛石工具的設(shè)計(jì)樹脂結(jié)合劑金剛石工具的設(shè)計(jì)主要基于如下五個(gè)方面：（）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，既使磨料不易過早脫落，又防止結(jié)合劑與基體分離，保證生產(chǎn)安全。（）磨削效率高，耐磨性好，加工光潔度（或表面粗糙度）好。樹脂結(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。因此我們在研究和設(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

4、顧，才能保證磨削加工的要求，又能達(dá)到降低成本的目的。（）耐熱性要好。如果結(jié)合劑的耐熱性較差，使磨具在使用過程中不耐高溫，消耗快，甚至因?yàn)槟ハ鳠徇^高，而使磨具燒傷、裂紋、脫環(huán)等，因此（）選用耐熱性好的粘結(jié)劑和加入適當(dāng)?shù)奶畛淞希蕴岣咂淠蜔嵝?；（）盡可能采用冷卻液進(jìn)行濕磨，以提高磨具的耐用度；（）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。（）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：（）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

5、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；（）磨具的成型密度（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)；（）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。（）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）磨粒的磨損速度相匹配，不能因?yàn)榻Y(jié)合劑的磨耗過快，而使磨粒過早脫落，那樣的話，磨料就得不到充分使用，造成浪費(fèi)。樹脂結(jié)合劑金剛石工具的影響因素樹脂金剛石工具由樹脂結(jié)合劑、填料

6、和金剛石磨料經(jīng)混合后熱壓固化而成。其性能也直接受樹脂結(jié)合劑、填料和金剛石磨料的影響。結(jié)合劑的影響，主要包括結(jié)合劑種類和含量的影響等（）各種樹脂結(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高，一旦達(dá)到臨界值，樹脂結(jié)合劑對金剛石的把持失效，金剛石在沒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。目前主要是通過對樹脂結(jié)合劑進(jìn)行改性來提高其耐熱性能的。高良倡采用方烷基醚改性酚醛樹脂，其耐熱性能夠達(dá)到以上。杜楊等以有機(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脂，由于酚醛樹脂結(jié)構(gòu)中引入鍵和有機(jī)硅鏈，樹脂具有優(yōu)良的耐熱性和韌

7、性，同時(shí)也改善了樹脂的耐水性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性。肖東政等采用（雙馬來酰亞胺）改性酚醛樹脂獲得了耐熱性較好的雙馬來酰亞胺改性酚醛樹脂。（）樹脂結(jié)合劑含量的影響。樹脂結(jié)合劑含量對金剛石工具加工性能有較大的影響。文獻(xiàn)介紹了在單晶硅片減薄砂輪中，樹脂結(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。（）樹脂結(jié)合劑粒度的影響。國內(nèi)用作金剛石磨具生產(chǎn)的樹脂粉粒度大多在目之間，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，二是可能影響結(jié)合劑的性能。在壓制過程中，樹脂粉雖可受熱軟化，并有一定

8、流動(dòng)性，達(dá)到包覆磨粒的目的，但在壓制過程中，結(jié)合劑料是在模具內(nèi)受壓的，空間有限，樹脂的流動(dòng)范圍也有限，當(dāng)樹脂粉粒度粗時(shí)，就會(huì)有部分磨料粘結(jié)不牢固，從而過快脫落。有研究表明當(dāng)樹脂粒度細(xì)化后，可改善成形料的流動(dòng)性，有利于磨具的熱壓成形。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，延長使用壽命。（）填充料種類較多，加入不同種類的填料對磨具的影響也不同。按性質(zhì)和用途可分為四類：不活潑填充料。用于可塑工藝，目的是降低磨具成本；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)；補(bǔ)強(qiáng)填料。如玻璃纖維，碳纖

9、維等，目的是增加結(jié)合劑強(qiáng)度；降低結(jié)合劑強(qiáng)度填料。制成適合修整工具的磨具。在超硬材料樹脂磨具中，其作用主要是用來改善結(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，對于金剛石樹脂磨具，酚醛樹脂結(jié)合劑所用填料，國內(nèi)常見的是，和粉；聚酰亞胺結(jié)合劑所用填料，除粉外，國外用于干磨時(shí)加、等，用于濕磨時(shí)，可加石英粉（）、鋁氧粉（）等陶瓷材料。車劍飛等人采用原味生產(chǎn)法對酚醛樹脂進(jìn)行了納米粒子填充改性，研究了納米粒子填充改性對樹脂分子結(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)無影響，能夠顯著提高樹脂的耐熱性能，提高其分解溫度約，當(dāng)填充量為時(shí)，用改性樹脂的沖擊強(qiáng)度可提高到普通酚

10、醛樹脂的。各種改性樹脂又都具有不同的特性，鄒文俊等利用納米（原位聚合和共混方法分散到酚醛樹脂中）改性酚醛樹脂，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。陳鋒等研究表明，銅錫合金粉的銅錫比例，含量、粒度對樹脂結(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)性能的樹脂超硬制品。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（）金剛石表面鍍覆金屬后，單顆?？箟簭?qiáng)度都有所提高，同時(shí)磨耗比下降，即延長了使用壽命。與不鍍覆的金剛石相比，具體作用還包括以下幾個(gè)方面：鍍層減緩對樹脂結(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

11、石磨粒接觸工具時(shí)，產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫經(jīng)過鍍層后傳給樹脂，從而保護(hù)緊接磨料部位的樹脂不受高溫?fù)p傷；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，外部與樹脂結(jié)合劑能良好粘結(jié)；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，有利于提高顆粒抗破碎強(qiáng)度；鍍層對磨粒起隔離保護(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，鍍層對金剛石晶體的石墨化能起抑制作用。（）國內(nèi)外超硬材料廠家對超硬磨料進(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，主要用于樹脂結(jié)合劑金剛石工具的制備。如公司提供的，等

12、牌號的金剛石，具有高自銳性和微破碎性。目前國內(nèi)樹脂模具普遍使用型金剛石磨料，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，與樹脂結(jié)合劑結(jié)合良好；近年來國內(nèi)開發(fā)的多晶型金剛石磨料用于樹脂結(jié)合劑磨具，顯著提升了樹脂金剛石工具的鋒利度。修整對樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪的影響修整過程是砂輪制備中不可或缺的因素，通過整形能夠獲得各種形狀的樹脂金剛石砂輪，通過砂輪修銳使樹脂結(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。鄒大程設(shè)計(jì)了一種新型樹脂結(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)，通過對比分析各種方法的修整力、表面

13、形貌精度、砂輪修銳效果以及磨削性能，以此對比不同修整方法對樹脂結(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)將有助于提高樹脂金剛石砂輪的使用性能。樹脂結(jié)合劑金剛石工具的應(yīng)用樹脂結(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)用越來越廣泛。樹脂金剛石研磨盤應(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。鄧朝暉等對納米結(jié)構(gòu)金屬陶瓷（）涂層材料

14、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，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。本俊之等利用紫外線固化樹脂開發(fā)樹脂結(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)效率低等問題。等對硅片超精密背面用樹脂金剛石砂輪加工問題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明通過優(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，表面粗糙度為。林培勇等介紹了樹脂結(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)律以及軸向磨削力與磨削工藝參數(shù)之間

15、的關(guān)系，為樹脂砂輪在單晶硅應(yīng)用方面的力學(xué)分析提供一個(gè)思路。結(jié)語從目前的市場而言，我國已經(jīng)是樹脂金剛石砂輪的生產(chǎn)使用大國，產(chǎn)品數(shù)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國外樹脂金剛石砂輪，但質(zhì)量上還有相當(dāng)大的差距，國內(nèi)目前只局限于生產(chǎn)中低端砂輪。例如，筆者曾經(jīng)在國內(nèi)某合金加工廠見到的樹脂砂輪，美國進(jìn)口單價(jià)為人民幣元，該廠廠長介紹說國內(nèi)沒有廠家能夠提供該產(chǎn)品，就連轉(zhuǎn)型比較成功的韓國金剛石企業(yè)新韓公司和二和公司都不能生產(chǎn)。筆者認(rèn)為提高樹脂金剛石砂輪質(zhì)量應(yīng)該從如下幾個(gè)方面開展工作：（）從樹脂源頭來開展工作，樹脂結(jié)合劑砂輪制造廠家、樹脂生產(chǎn)廠家和砂輪使用廠家形成聯(lián)盟共同開發(fā)合適的樹脂結(jié)合劑，同時(shí)細(xì)化樹脂的粒度。（）引進(jìn)控溫精度

16、高的熱壓機(jī)，優(yōu)化熱壓合成工藝以及二次固化工藝。筆者了解國外樹脂砂輪生產(chǎn)商采用的熱壓機(jī)溫度誤差控制在以內(nèi)，而國內(nèi)設(shè)備溫差基本上都在以上。（）優(yōu)化砂輪配方，根據(jù)不同的加工對象來設(shè)計(jì)砂輪配方，形成配方與使用對象相對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，便于指導(dǎo)砂輪的配方設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)：鄒文俊有機(jī)磨具制造北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，：宋月清，劉一波人造金剛石工具手冊北京：冶金工業(yè)出版社，高良倡芳烷基醚苯酚樹脂的改性研究玻璃鋼復(fù)合材料，（）：杜楊，吉法洋，等含硅硼酚醛樹脂的合成和性能高分子材料科學(xué)與工程，（）：肖東政，吳振耀新型磨阻材料酚醛樹脂改性及應(yīng)用塑料工程，（）：唐鵬國，趙寧，等提高樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪壽命的方法海峽兩岸超硬材料

17、技術(shù)發(fā)展論壇，車劍飛，肖迎紅，等納米粒子改性硼酚醛樹脂的研究塑料工業(yè)，（）：孫寶帥，彭進(jìn)，鄒文俊納米改性酚醛樹脂結(jié)合劑耐熱性能的研究化學(xué)工程師，（）：陳鋒吳磊濤，王威樹脂結(jié)合劑超硬制品中銅錫合金粉的應(yīng)用與分析金剛石與磨料磨具工程，（）：，鄒大程樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪精密修整技術(shù)研究天津大學(xué)儀器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)碩士論文，鄧朝暉，張壁，孫宗禹納米結(jié)構(gòu)金屬陶瓷（）涂層材料精密磨削的實(shí)驗(yàn)研究金剛石與磨料磨具工程，（）：本俊之，等利用紫外線固化樹脂開發(fā)樹脂結(jié)合劑金剛石線鋸珠寶科技，（）李克華，郭強(qiáng)，趙延軍，等硅片超精密背磨用樹脂金剛石砂輪研究超硬材料工程，（）：林培勇，魏昕，陳卓，等樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪精密磨削單晶硅片的磨削力研究金剛石與磨料磨具工程，（）：