一种金刚石砂轮专用新型树脂的性能研究
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一种金刚石砂轮专用新型树脂的性能研究
作者:叶晓川 来源:泰格斯 编辑更新:2009/8/17 13:18:19
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  随着人造金刚石工业的发展和树脂砂轮的广泛应用,超硬材料磨料砂轮专用树脂也得到了迅速发展,相继出现了酚醛树脂、硅树脂、环氧树脂等多种结合剂。但实践证明这些树脂耐热性差,使用一段时间后金刚石未充分发挥作用便过早脱落,表现为砂轮不耐磨,干磨中常出现龟裂、掉块等现象。针对这些现象,新型的树脂结合剂大量出现,通过改性传统树脂的性能,得到能够满足实际使用需求的金刚石砂轮结合剂。本文介绍了一种新型的金刚石砂轮结合剂YF,通过磨削对比试验、力学性能测试、综合热分析和体式显微镜分析了该砂轮具有优良耐磨性的原因。

 

1 实验部分

 
1.1原材料
 
  人造金刚石:型号ZD2010,粒度140/170
  硬质合金型号 YG10X 产地:镇江永昌硬质合金工具厂
  酚醛树脂(FQ);市售常用酚醛树脂
  聚酰亚胺树脂(YA):武汉泰格斯科技发展有限公司
  新型树脂YF:武汉泰格斯科技发展有限公司
 
1.2仪器设备
 
  (1)砂轮及力学实验用的式样的压制使用MYS-100型热压机,砂轮二次固化在电热干燥箱中进行。
  (2)在咸阳机床厂生产地MM9116型万能工具磨床上进行磨削实验。
  (3)用XTL-3400型体式显微镜对砂轮磨削面进行分析。
  (4))用德国施耐公司NETZSCH STA 449 C型号的综合热分析仪在10℃/min升温速率下空气氛围中测试材料的热稳定性和热分解温度。
 
1.3 试样制备
 
1.3.1 力学性能样条的制备
  两种树脂均按同样的配方配料,除去了辅料的影响因素,配方仅含220#碳化硅和树脂粉,二者按1:1比例混合,碳化硅预先用甲酚润湿。然后按要求放入不同模具,在一定温度下压制固化,每种试样制作5块。
 
1.3.2砂轮压制
  三种类型的树脂金刚石砂轮除树脂粉不同外,所用填料、金刚石配方等参数均相同。FQ树脂砂轮压制温度为190℃,YA树脂砂轮为230℃,YF树脂砂轮为215℃。
 
1.3.3 试验条件
  砂轮转速:4200转/分
  进刀:0.01-0.02mm,每往复一次进一次刀
  冷却液:10%的RN-M02水溶液
  湿磨时工件面积:0.02 mm2
  干磨时工件面积:0.00785 mm2
 
2 结果与讨论
 
2.1 热性能
 
 
1 FQYAYF树脂的DSC
 
  从FQ、YA和YF树脂的DSC曲线图可以看出,新型树脂YF的最高分解温度为645℃,要比酚醛树脂FQ和聚酰亚胺树脂YA高,说明其耐热性好。从FQ、YA和YF树脂的TG曲线分析得知,该树脂在365℃之前重量比较稳定,具有较好的热稳定性;并且当温度高于510℃时,YF树脂的热稳定性高于FQ和YA。因为在固化时,YF树脂中的受热不稳定基团进行反应,使树脂分子结构中的受热不稳定基团大量减少。由于砂轮在磨削过程中产生大量的热,通过金刚石传给周围的树脂,因此树脂的耐热温度越高对提高砂轮的耐用度越有益处。
 
 
2 FQYAYF树脂的TG
 
2.2 力学性能
 
1 树脂的力学性能
名称
FQ
YA
YF
抗拉强度(N/mm2)
39.7
38.8
52.5
冲击强度(kJ/m2)
3.42
4.06
4.47
抗折强度(kg.f)
82.4
73.2
100
洛氏硬度(HRB)
22.2
63.5
82.8
 
  树脂的力学性能从表1可以看出,树脂YF的抗拉强度、冲击强度、抗折强度和洛氏硬度都要好于其他两种树脂,其中抗拉强度、冲击强度和洛氏硬度分别为52.5 N/mm2、4.47 kJ/m2和82.8 HRB。抗折强度测试结果,YA稍低,YF满负荷100kg也无法把抗这条压断。
 
2.3 干湿磨削实验
 
  用制成的金刚石砂轮磨硬质合金棒,按照:砂轮磨削比=工件磨耗量/砂轮磨耗量 ,计算出结果后添入下表:
  在湿磨进刀0.01mm/次的条件下,YA比FQ磨削比可以提高21.6%,YF比FQ可以提高82.5%。电流值均小,声音清脆;YF砂轮表面稍微有点粘屑。
  
2 在进刀0.01mm/次的条件下树脂金刚砂轮的磨削实验数据

砂轮编号
冷却液
电流值
磨削比
FQ
水冷
0.5
268
YA
水冷
0.6
326
YF
水冷
0.8
489
FQ
干磨
1.0
64.3
YA
干磨
1.0
113
YF
干磨
1.0
126

 
  在干磨进刀0.01mm/次的条件下,YA比FQ磨削比可以提高75.7% YF比YA磨削比高11.5%,比FQ提高96%;电流值均小,声音清脆。酚醛树脂在干磨时,有明显的糊味,而YA和YF没有,此时,YA和YF树脂的优越性得到了明显的体现。而且,干磨时磨削区高热的温度使结合剂脱落速度很快,砂轮表面都很干净,不粘屑。
 
3 在进刀0.02mm/次的条件下树脂金刚砂轮的磨削实验数据

砂轮编号
冷却液
电流值
磨削比
FQ
水冷
1.0
165
YA
水冷
1.2
227
YF
水冷
1.6
342
FQ
干磨
1.4
38
YA
干磨
1.0
94
YF
干磨
1.0
66

 
  在湿磨进刀0.02mm/次的条件下,YA比FQ磨削比可以提高37.6%,YF比FQ可以提高107.3%。YF磨削时电流值稍大,声音也有点钝,砂轮表面明显粘屑,这是由于进刀大时,磨粒受冲击大,脱落较多,但是相对来说,结合剂的强度高,脱落速度较慢。针对树脂的这种特性,推荐用于制作要求耐磨性较高的砂轮,如果要制作自锐性较好的砂轮,还需要调整结合剂配方,或者直接选用YA结合剂。
  在干磨进刀0.02mm/次的条件下,YA比FQ磨削比可以提高147.3%,YF比FQ可以提高73.7%。但YF的磨削比YA低42.4%,主要原因可能是YF对金刚石的把持力强,大进刀量磨削时,金刚石不易从砂轮上脱落,砂轮表面出现粘屑现象,磨削产生的热量不能迅速的散掉,使金刚石周围的树脂很容易被烧蚀,因此干磨大进刀量时YF树脂的磨削性能下降。
  从以上可以看出,新型树脂YF在干湿条件下的磨削性能优良,在湿磨条件下更为突出,比酚醛树脂砂轮和聚酰亚胺树脂砂轮的磨削比都大。
 
2.4 砂轮表面分析
 
  以下是三种树脂砂轮进行进刀0.02mm/次的湿磨试验时砂轮磨过的表面,在体式放大镜下放大25倍的照片。
 
 
 
3 FQ的湿磨试验时砂轮磨过的表面
 
 
4 YA的湿磨试验时砂轮磨过的表面
 
 
5 YF的湿磨试验时砂轮磨过的表面
 
  从砂轮的表面可以看出FQ树脂砂轮的表面,磨料成片脱落,而YA树脂砂轮磨料部分脱落,YF树脂砂轮表面磨料保留的最多。树脂YF具有优良的耐热性和机械性能,保证了磨削过程能顺利进行,不会出现砂轮掉块等现象。所以结合剂对磨料的把持能力是影响砂轮磨削性能的决定性因素。而结合剂对磨料的把持能力,由两方面来决定:树脂的力学强度和树脂的耐热性。即使两种树脂的力学性能不差上下,耐热性好的树脂在实际的磨削中也会体现出优异的磨削性能,干磨条件下自不必说,即使在湿磨的条件下,磨削区的瞬间温度也会很高,高的温度对结合剂的破坏作用是很强的。而且,冷却条件也有差异,国内很多使用磨床的厂家,冷却都不够充分,所以选择耐热性树脂成为必然趋势。
 
3 结论
 
  (1) TG-DSC分析表明,树脂YF的最高分解温度为645℃,具有优良的热稳定性。
  (2)经力学性能测试,树脂YF的各项机械性能较酚醛树脂和聚酰亚胺的要好。
  (3) 磨削实验表明,树脂YF在干湿条件下的磨削性能较好,尤其湿磨条件下的磨削性能优越。
  (4)体式放大镜观察砂轮磨过的表面,YF树脂砂轮中的金刚石颗粒较其他两种保持完整,说明YF树脂在湿磨大进刀量下更耐磨。
 
参考文献:
 
[1]曾方舟. 酚烷基树脂砂轮[J].超硬材料,1992,(1):20-23.
[2]何康,孙亦. 聚酰亚胺树脂金刚石砂轮的制造和应用. 湖南冶金,2002,(2):28-30.
[3]Qin HH, Mather PT, Baek JB, et al. Modification of Bisphenol-A BMI resin (BPA-BMI) with allyl-terminated hyperbranched polyimide (AT-PAEKI)[J]. Abstracts of Papers of the American Chemical Society, 2003, 225: U544-U545.
 

 

 
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