提高国产树脂结合剂金刚石磨具质量浅议

提高国产树脂结合剂金刚石磨具质量浅议 2004年第2期 2004年4月 超硬 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 与宝石(特辑) SUPERHARDMATERIAL&GEM 第16卷 总第54期 提高国产树脂结合剂金刚石磨具质量浅议? 徐湘涛 (第六砂轮厂,贵州贵阳550023) 摘要:论述了国内树脂结合剂金刚石磨具存在的质量问题,提出了提高其质量的方 介绍了国 法和建议, 外着名公司的一些相关做法,认为国内磨具质量应该从金刚石磨粒,配方优化及制 造工艺三个方面加以提 高. 关键词:金刚石砂轮;磨具;树脂;结合剂;综述 中图分类号:TQ164文献标识码:A文章编号:1OO4—7468(2004)02--0028--04 ELEMENTARYDISCUSSIONAB0UTIMPRoVINGDIAMoND MoULDQUALITYoFHoMEMADERESINMIXTURE XUXiang—tao (No.6grindingwheelfactory,Guizhou,Guiyang550023) Abstract:Dissertationwasmadeaboutqualityproblemexistingindiamondmouldof domesticresinmixture.Methodandadvicewereputforwardaboutimprovingitsquality. Introductionwasmadeaboutsomepertinentmodesoperandiofoverseasfamous company.Itwasconsideredthatdomesticmouldshouldbeimprovedfrom3aspects includinggrindinggranuleofdiamond,optimizingofformulaandproducingtechnics. Keywords:diamondgrindingwheel;resin{mould;mixture;summarize 金刚石磨具最常用的为树脂和金属两大类结合 剂,其中树脂类磨具约占6O,7O.因此提高树脂 结合剂磨具质量对经济的发展和提高行业的国际竞 争力具有重要的意义. 树脂结合剂是由作为粘结材料的树脂和填料组 成,结合剂的优劣主要取决于所用粘结材料的性能. 但填料的作用也不可忽略. 常用的树脂粘结材料 国内金刚石磨具所用树脂主要有两大类:(1)酚 醛树脂——包括普通酚醛树脂(牌号为2123),改性 酚醛树脂(如硼酚醛树脂,新酚树脂,但使用得很少); (2)聚酰亚胺树脂——它是一种比酚醛树脂有更好的 高温强度,且耐腐蚀,耐磨损的有机聚合物.近年来由 于聚酰亚胺树脂性能的不断提高,已经有不少金刚石 磨具厂商采用. 为了逐步替代进口树脂结合剂金刚石磨具,有不 少企业,特别是沿海地区的金刚石磨具厂已较多地选 用由英国先进树脂公司(AdvantedResinsLimited) 提供的芳烷基树脂,牌号为XY1OK939P.这种树脂 粘结材料比"2123"酚醛树脂有好的耐热性能,可长期 在200~C下工作,机械强度也较高,因此其用量在逐 年上升,但价格太高,一定程度上使它的用量受到限 制. 2国产树脂结合剂金刚石磨具存在的 主要质量问题 就国产金刚石磨具而言,绝大部份仍然采用酚醛 ?收稿日期;2004一o2—1o 作者简介:徐湘涛(194o一),男,高级工程师,长期从事超硬材料制品方面的研发工 作. 28 树脂为粘结剂,因其性能稳定,货源充足,价格便宜而 为广大厂家所采用.本文所述质量缺陷主要是针对这 类粘结剂所制作的磨具.对于用聚酰亚胺或XY10K 939P进口树脂制作的磨具,因其用量尚不大,且主 要用以解决酚醛树脂磨具难以攻克的磨削难题而采 用,故文中未作探讨. (1)国产树脂结合剂磨具普遍存在寿命低,不能 适应先进的自动加工机床的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 .特别对于进口的自 动化生产线,要求磨具能在规定的加工时间内,使工 件完成切削余量的加工,并达到设计的精度和表面粗 糙度等的要求.树脂磨具寿命短,则磨具自身的磨损 足以造成加工件尺寸的波动并很快就出现超差. (2)磨具在较短时间内被磨钝,失去有效的切削 能力,从而增加了停机修正次数.频繁的修正,降低了 生产效率,增加了修正成本,最终使用户的生产成本 增加.同时还有可能影响整个生产周期的完成. (3)磨具精度差.相比进口磨具,同轴度,端面跳 动等偏高数倍,甚至相差一个数量级.因此用户购进 磨具后,不能立即投入使用,往往要重新进行修正和 开刃. 其它如包装,外观质量,使用说明等都还存在需 要改进的地方. 出了De.BeersCo.树脂结合剂专用金刚石磨粒. 我国虽然在标准中也列出了RVD金刚石作为 树脂结合剂的专用磨粒,实际操作中,基本上都是将 无法用于其它用途的低质量金刚石统统作为树脂结 合剂用金刚石,这是十分不规范,也是不科学的. 表1De?Beers公司树脂磨具用金刚石 牌号特性用途 CDA块状,镶嵌结构,脆性好,可控制高速磨削,主要用 破碎产生新切削刃作WC,SYNDITE CDA55镀55高镍合金的CDA磨粒 CDA30N镀3O高镍合金的CDA磨粒 CDA50C镀5O铜的CDA磨粒,导热性 较好 WC,陶瓷类产品 烧结WC,一些钢 材用铜焊于一体的 工件 干磨WC cDA—L长宽比极大,涂镀有磁性外衣,湿磨烧结WC 在磨具中磨粒可呈定向排列 CDA--M微品结构的磨粒,脆性好,可控干磨烧结WC 制破碎产生新的微刃 CXDAMC块状,镀有55的双层金属镀层钢/wc,高Ni高 cr合金,难磨不锈 钢,工具钢模具钢, 铸铁,轴承钢等 3提高树脂结合剂金刚石磨具质量的注.表中所列磨粒镀层增重均为重量比 对策及建议 为适应市场竞争的需要,应对大量进口超硬材料 磨具带来的冲击,提高国产金刚石和CBN磨具的质 量,尤其是树脂结合剂磨具质量已到了刻不容缓的地 步.随着全球经济一体化进程的加快,中国经济的进 一 步对外开放,越来越多的先进加工机械进入中国的 制造业领域,附之而来的高质量的金刚石磨具也越来 越多.这一方面对本行业的市场进行冲击;另一方面 由于磨具价格的极大差距,为降低产品加工成本,不 得不向国内磨具行业寻求可以替代进口的磨具产品. 因此,外资的进入既是挑战,更是机遇.本行业应当不 失时机地积极组织人力,物力,财力进行攻关. 笔者就我国如何提高树脂结合剂金刚石磨具质 量问题提出一些对策和建议,这些对策建议也适用于 CBN磨具.需要说明的是这些建议都是笔者多年实 践的经验之谈. 3.1金刚石磨粒 无论是De?BeersCo.,美国的G?ECO.,还是 其它一些生产金刚石的公司,所产金刚石(或CBN) 磨粒的用途分工都十分细密.也就是说各公司都针对 不同的结合剂,不同的用途推介专用的磨粒.表1列 为此,我国应该针对树脂结合剂磨具的磨削特 性,合成出比表面积发达,脆性较大的,自锐性比较好 的金刚石,来作为树脂结合剂的专用磨粒.并且针对 不同的磨削对象和磨削方式,生产出多种牌号的专用 磨粒,并通过一些特定的处理方法增加其使用范围. 3.2金刚石磨粒的表面涂敷 据德国WinterCo介绍,该公司树脂结合剂所用 金刚石中的90是经表面涂敷处理的,只有被磨削 对象对磨削热极为敏感的材料,才不用镀金属衣的磨 粒.磨粒表面镀金属衣的类别主要有铜,镍或其合金. 也有涂镀其它材料的,如陶瓷,塑料等,但实用性还未 肯定. 磨粒表面镀金属衣以后,可以增加磨粒与树脂粘 结材料的粘结牢度,亦即树脂粘结材料对金刚石表面 的浸润性因金属的存在而得到改善.结合力的增强可 以延长每一颗存在于磨具切削表面的磨粒的寿命.与 不镀的磨粒相比,磨具表面几乎不存在整颗磨粒的脱 落;另一个好处是磨粒表面的金属镀衣可以起到热屏 障作用.众所周知,金刚石的导热性高于铜,镍等金 属.当磨具磨削工件产生的磨削热由磨粒尖端通过磨 粒体导给周围的结合剂,不镀的金刚石周围热量积累 29 较镀有金属衣的要快,温度升高也快,所以使传导给 树脂的热量快速积累,温升加剧,当超过树脂的耐热 强度时,树脂受到破坏,使磨粒从结合剂中脱落.而当 金刚石磨粒镀上金属衣后,磨粒刃尖上产生的磨削热 通过磨粒先传递给它表面的金属衣,金属衣的导热性 差于金刚石,因而磨削热便在金属衣上有所积累,然 后通过冷却液或空气的流动,将热量导走,这样就相 应地保护了磨粒周围的结合剂树脂不受或少受到热 的破坏. 3.3改善磨粒表面的浸润性 树脂与金刚石表面的浸润性不良,因而需设法改 善浸润性,以提高结合牢度.除表面镀金属以外,还可 以对金刚石表面洁净处理或粗糙化处理,以及用偶联 剂对磨粒进行处理等.洁净处理主要是用化学,物理 等手段将金刚石表面粘附或吸附的脏物等清除干净. 粗糙化处理主要借助于机械或化学的方法使金刚石 表面粗糙,增加比表面积,增强与树脂结合的机械牢 度.偶联剂种类很多,磨具行业常用硅烷类偶联剂.如 GOJ一103,它是由下列成份组成的混合物:Si (OCH3)4,Si(OC2Hs)4,H2C----CHSi(OCH3)3等.偶联 剂的作用是在结合剂与磨粒之间形成化学键,提高其 粘结强度,使磨粒不易脱落. 3.4树脂材料的选用要针对磨削对象和磨削方式 根据不同用途,选用合适的树脂粘结材料类别, 对提高磨具质量具有关键作用. 对于一般用途,特别是精细磨削及抛光,因工件 加工余量不大,磨削过程中发热量小,对磨具的损耗 较小.因此,选用国产的普通酚醛树脂(2123牌号)即 可满足要求.但必需强调是,对树脂的质量指标应有 严格的要求,特别在软化点,游离酚含量和含水量方 面必需严格控制,其技术要求为:树脂含量>95%;含 水量<1;游离酚?4%;软化点(环球法)95?, 105?;保存期一般为块体6个月,粉末3个月;树脂 是极易吸潮的物质,因此贮运过程中应采取严格的防 潮措施. 对于被加工工件有较大余量或尺寸差别较大的 粗磨作业,要求有较高的磨削进刀量.对于自动化的 磨削加工生产线,要求磨具在较长时间内保持其型面 的稳定,此时可选用聚酰亚胺树脂粘结材料.如果用 聚酰亚胺做粘结材料也不能满足加工要求时,可考虑 选用XY10K939P树脂. 有一个值得思考的现象,在美,德等西方国家,几 乎很少有聚酰亚胺结合剂的金刚石磨具.如德国的 WinterCo.,树脂磨具总量的97%仍用酚醛树脂做 结合剂,聚酰亚胺用量不足3,此外也极少用 3O XY10K939P树脂.原因是这些发达国家的磨具生 产企业都与化工厂联合研发了专用于金刚石和CBN 磨具的改性酚醛树脂.笔者曾与国内多家化工厂或研 究所联系研发改性酚醛树脂的问题,以专用于提高国 内超硬树脂磨具质量,皆因种种原因而未见其果.所 以国产树脂结合剂金刚石磨具质量未见有质的变化, 也是情理之中的事. 3.5结合剂材料的粒度细化 国内用作金刚石磨具生产的树脂粉粒度大多在 80目,180目之间,填料多选用200目以细.这样的 粒度范围存在两个缺陷,其一,影响磨具的压制成型 性能;其二,有可能影响结合剂的性能.在热压过程 中,树脂粉末虽可受热软化,并有一定的流动性,从而 可达到包围磨粒的目的.但在压制过程中,结合剂料 是在模具内受压的,由于空间的限制,树脂的流动范 围受到限制.当树脂粉粒度粗时,就很难到达所有磨 粒的外表面,也就是说有些磨粒只有部分外表面与树 脂有粘结,因此是不牢固的粘结,使这部分磨粒在磨 削时较快脱落. 笔者曾 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 过Winten公司的一个树脂结合剂 产品,粉末粒度全部细于320.填料粒度均细于 Wl4,其组成情况:w10,W14为30;W5,w7为 30%;W3.5及以细为409,6.英国先进树脂公司的 XY10K939P粉中99.9%的颗粒?45/~m.可见国外 所用树脂粉及填料粒度都很细. 笔者所在单位在制造一无芯磨砂轮时,当采用 120目的聚酰亚胺树脂粉末混制的结合剂热压成型 时,几乎无法使砂轮达到致密(中间出现一蜂窝孔 带);当树脂粒度改用40/~m时,砂轮的热压成型非常 顺利,砂轮径向及轴向方向均很致密.这说明结合剂 粒度的细化,使成型料的流动性得到了改善,压制过 程变得顺利起来. 3.6配方优化是提高磨具质量的重要手段 树脂结合剂金刚石磨具适用于硬质合金,铸铁等 金属材料的加工,也适合于陶瓷,铁氧体,玻璃,半导 体以及宝玉石等的加工,既可作常规的磨削加工,也 可以进行成型磨削,精密磨削及抛光.因而要根据不 同的加工对象,不同的磨削方式,不断地优化磨具的 配方,以达到最佳的磨削效果. 配方优化大体上按下述步骤进行: (1)根据加工对象及磨削方式确定金刚石型号, 粒度,并基本确定浓度范围.一般都是参照已有配方 的参数并结合自身经验来确定. (2)选择树脂粉的类别.对于替代进口的磨具,在 树脂粉的选择上倾向于聚酰亚胺树脂或进口XY10K 939P树脂,以应对严格的加工工艺要求. (3)选定填料,确定比例,并根据已有的配方及经 验拟定若干个试验配方. (4)模拟试验,包括工艺试验和样品磨削试验. (5)生产验证,用户试验,即按用户要求制作磨 具,并在其生产线上进行产品的磨削试验,以验证磨 具的真实水平. 有必要着重讨论一下模拟试验的问题.笔者曾访 问过英,德,罗马尼亚等国的多个金刚石磨具生产商, 发现这些厂家不论规模大小,都非常重视模拟试验工 作,都建有非常现代化的磨床供磨削测试之用.其用 途有二:其一,对正常生产的产品进行样品检测,也就 是按结合剂类别制成标准的检测样品砂轮,进行质量 监测;其二,改进配方试验,也就是设计出新的配方后 (或对老产品改进的配方,或新的用途的配方),做成 标准检测样品砂轮,按一定的标准进行各种指标的检 测,以评估这一配方能否在未来的正式产品使用中达 到用户的使用要求. 模拟试验的好处是显而易见的,它可以大大节约 试验成本,缩短试验周期,也易于提高供需双方对产 品使用的信心. 目前国内的模拟试验限于各厂自身条件,缺乏合 适的试验设备,没有统一的检测标准和评估指标.因 此很难达到满意的效果,搞得不好还会产生误导,造 成人力和物力的浪费. 配方改进的另一重要试验是寻找更加合适的填 料,以改进结合剂的某些性能.新的填料如碳粒,氧化 镁,聚四氟乙烯等.国外用碳化硅微粉作填料已十分 普遍,而且加入的量比较大.早期国内树脂结合剂金 刚石磨具也用碳化硅作填料,但都为粗粉料. 3.7工艺改进 可以把金刚石磨具制作的工艺过程分成四个阶 并提出工艺改进方面的建议. 段来加以分析, (1)配混料工艺.配料即是按配方正确计量配置 各种原材料的量,有条件的企业可以采用自动计量技 术,以减少人为误差. 将各种填料先行混合,再加入树脂粉混制成结合 剂料.当填料,树脂粉等均采用微米级的材料时,必需 采用机械混合的方式,并不断摸索混制工艺,以确保 混合均匀.检验料是否混制均匀,可将待检料平摊在 一 平板玻璃上,用显微镜观察其混合均匀程度. 同样,金刚石与结合剂的混合也都采用机械混 合.三维摆式混料机比较适用. (2)压制成型工艺.首先应根据所用树脂粉类别 制定严格的压制成型工艺.需特别加以强调的有以下 几点:?压制成型过程中要进行排气,即卸去外压,模 具脱离压板处于常压状态.结合剂中的水汽,吸附在 各种材料表面的气体以及树脂反应过程中产生的气 体都应该排出模具.?加压时间与温度要匹配.?当 采用粉末基体时(铝粉+树脂粉),要采用预制基体. 而不应该采用基体与磨削层同时压制的工艺.?对于 厚度超过40mm的磨具,应尽可能采用多片组合,以 保证磨具组织密度均匀一致,保证磨削时均匀一致地 磨损.?压模,基体等的精度将会影响到磨具的后加 工成本和最终精度.国内各生产厂的模具,基体的设 计精度普遍偏低,压制成型上也存在一定问题,因而 制出磨具坯体的同轴度,厚度偏差普遍较大,大大增 加了随后的车,磨加工的工作量,同时也影响到磨具 的使用寿命. (3)硬化工艺优化. 不同类型的树脂结合剂,都有一套对应的磨具硬 化工艺.这里值得研究的是:?在一台硬化炉内装多 少产品合适,产品的摆放方式,位置是否对磨具硬化 带来质量影响?对于这一问题很少有工艺规定,因此 也就成为了应该加以改进的环节.?应采取自动控制 硬化过程的装置,以减少人为误差造成的质量缺陷. (4)后加工工艺优化.根据磨具标准,对硬化后的 磨具进行车,磨,镗孔等加工作业,称为后加工.在后 加工工艺中,国产磨具最缺乏的是没有明确规定开刀 工艺.用户在刚开始使用时,感觉到磨具不锋利,几乎 处于钝态,因此不得不自己开刃.对磨具的磨削层端 面和外圆等进行修磨,以提高磨具的同轴度和平行 性,使其径向和轴向跳动符合标准.由于这种修磨都 是用碳化硅砂轮(刚玉砂轮也可)对金刚石磨具进行 对磨,在精度得到提高的同时,磨具表面的金刚石磨 粒的尖端被修平(在显微镜下观察,磨粒尖端成小平 台状),而且磨粒凸出于结合剂外的量很小,因此磨削 能力很差.开刃的目的就是让修整过程中磨钝的磨粒 脱落,使新的锋利的磨粒凸出于结合剂外,磨具就恢 复了正常的切削能力了. 加工中最后一个关键问题是磨具的平衡问题.国 产金刚石磨具的平衡问题始终未作为硬性标准列出. 无论是从工件的磨削质量,还是磨具的正常使用,乃 至设备和人身安全都是与磨具的平衡性密切相关的. 磨具的不平衡会使磨削时产生震动,影响工件精度和 粗糙度.严重不平衡的磨具甚至会使机床主轴精度变 坏.高速磨削时甚至发生安全事故,必须给予重视. 3】