偶联剂处理对不同树脂基金刚石砂轮磨削性能的影响
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偶联剂处理对不同树脂基金刚石砂轮磨削性能的影响
作者:叶晓川 史东丽 曾黎明 陈雷 张超 来源: 编辑更新:2010/11/19 11:50:05
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摘要:采用NaOH溶液预处理,硅烷偶联剂改性的方法对金刚石表面进行处理,并研究了该处理过程对三种树脂(聚酰亚胺、耐热酚醛和改性酚醛)基砂轮磨削性能的影响。发现该处理过程对聚酰亚胺树脂基砂轮磨削性能的提升显著,其磨削比提高达109.9%。
关键词:偶联剂处理     金刚石磨料      磨削性能     偶联效果


1. 引言
  用树脂作为结合剂制作的磨具,称之为树脂基磨具。由于具有结合强度高、具有一定弹性、能制成各种复杂形状和特殊要求的磨具、硬化温度低和生产周期短等优点,树脂基磨具广泛应用在许多磨削加工工序中,如荒磨、粗磨、切割、精磨、抛光等。目前使用的树脂一般为酚醛树脂和聚酰亚胺树脂[1]。随着人造石金刚工艺的日益成熟和特殊加工工艺的发展,金刚石树脂基砂轮的应用范围越来越广,用量越来越大。但金刚石的化学性能十分稳定,树脂与金刚石磨料的浸润性不好,结合不紧密,在磨削过程中磨料经常还未能发挥磨削性能就提前整颗脱落。为了改善这一状况,本实验采用NaOH溶液对金刚石磨料进行预处理,然后用硅烷偶联剂对其进行表面改性;将处理后的磨料制成酚醛树脂基和聚酰亚胺树脂基砂轮,然后对其磨削性能进行了测试,并与未经任何处理的磨料进行了对比。


2. 实验
2.1 原材料


表1 实验用原材料


原材料名称

规格

供应商

金刚石磨料

RVD 140/170

中南钻石股份有限公司

硅烷偶联剂

 

武汉泰格斯科技发展有限公司

聚酰亚胺树脂

 

武汉泰格斯科技发展有限公司

耐热酚醛树脂

 

武汉泰格斯科技发展有限公司

改性酚醛树脂

 

武汉泰格斯科技发展有限公司

氢氧化钠(NaOH)

分析纯

天津风船化学试剂科技有限公司

无水乙醇

分析纯

国药集团化学试剂有限公司

蒸馏水

 

自制

2.2 实验过程
2.2.1 金刚石的偶联剂处理
  将金刚石在0.11g/ml的NaOH溶液中80℃恒温搅拌4h,除去金刚石表面的杂质,对金刚石进行粗化和羟基化处理后洗涤烘干。然后用硅烷偶联剂的醇水溶液在79℃恒温搅拌的条件下对预处理后的金刚石进行进一步的表面处理,反应6h后将金刚石取出,用无水乙醇洗涤干净后烘干。
2.2.2 砂轮试样的压制
  将处理后的金刚石磨料和未处理的金刚石磨料分别制成规格为1A1 100×16×20×4 RVD 140/170 B 75的砂轮,其配方如表2所示。除磨料和树脂不一样外,所用填料种类和配比、工艺等参数均相同。聚酰亚胺树脂砂轮压制温度为230℃,耐热酚醛树脂砂轮压制温度为190℃,改性酚醛树脂砂轮压制温度为215℃。压制砂轮使用的压机为MYS--100型热压机,砂轮二次固化在电热干燥箱中进行。

 
表2 砂轮配方编号表

 

聚酰亚胺树脂

耐热酚醛树脂

改性酚醛树脂

未经处理的金刚石磨料

1#砂轮

3#砂轮

5#砂轮

经过处理的金刚石磨料

2#砂轮

4#砂轮

6#砂轮

2.3 表征及测试
  利用DHM-3型磨削性能试验机测定砂轮的磨削性能。测试方法为:先将需要磨削的砂轮和硬质合金刀具用丙酮清洗干净,放入80℃烘箱,烘1h后移入干燥器冷却至室温,称重并记录;然后将砂轮和刀具分别固定在磨削试验机上,设定好各参数,开始磨削,磨削过程完成后试验机自动停止;卸下磨削后的砂轮和刀具,用丙酮清洗干净后放入80℃烘箱,烘1h后移入干燥器冷却至室温,称重记录;计算磨削比。
  实验条件为:砂轮转速:5000转/分
  加载压力:1250g,恒力加载
  摆动频率:20次/分
  硬质合金:YG8,株洲长江硬质合金工具有限公司生产。
  利用MDA1300型手持式USB数码显微镜对砂轮磨削面进行分析,研究砂轮表面磨削前后的变化情况。


3. 结果与讨论
3.1 磨削性能
  实验中采用了条件苛刻的干磨方式,磨削比为硬质合金刀具磨耗质量与砂轮磨耗质量的比值,计算公式如下:
                                    (1)
  其中G为磨削比,Δms为砂轮磨耗质量,Δmw为硬质合金刀具磨耗质量。


表3 树脂基金刚石砂轮磨削试验结果

 

砂轮磨耗量Δms(g)

刀具磨耗量Δmw(g)

磨削时间t(s)

加载压力F(g)

磨削比
G(g/g)

磨削效率
Z(g/s)

砂轮磨损率
Zs(g/s)

1#

1.1

36.8

2000

1250

33.45

0.018

0.00055

2#

0.5

35.1

2000

1250

70.20

0.018

0.00025

3#

0.8

25.6

2000

1250

32.00

0.013

0.00040

4#

0.6

25.0

2000

1250

41.67

0.013

0.00030

5#

1.9

41.4

2000

1250

21.79

0.021

0.00095

6#

1.6

39.6

2000

1250

24.75

0.020

0.00080

  磨削比是表征可磨削性的重要参数,是选择砂轮及磨削用量的主要依据。磨削比越大,表示单位体积或质量的砂轮可以磨除更多的金属,砂轮的使用越经济。由表3中的磨削试验数据可以看到,在相同的磨削条件下,经过表面处理的金刚石对树脂砂轮的磨削性能提升显著。这是因为金刚石磨料经过NaOH溶液的处理,其表面的杂质被除去,更容易吸附羟基,而且经过NaOH溶液的腐蚀,磨料表面可能会形成小的凹陷,增加了磨料的表面积。偶联剂分子两端分别带有反应活性基团:一端的基团与被粘物(如玻璃纤维、磨料等)表面发生化学或物理作用;另一端的基团能与胶黏剂(如树脂)发生化学或物理作用,从而使金刚石磨料与树脂表面形成坚固的粘接界面层。经计算可得,聚酰亚胺树脂基砂轮的磨削比提高了109.9%,耐热酚醛树脂基砂轮提高了30.2%,改性酚醛树脂基砂轮提高了13.6%。可见,三种树脂中,经过NaOH溶液和偶联剂处理,聚酰亚胺树脂基砂轮的磨削比提高幅度最大,耐热酚醛树脂基砂轮次之,改性酚醛树脂基砂轮的磨削比提高幅度最小。这可能是因为本实验使用的聚酰亚胺分子链端含有氨基或酸酐基团,偶联剂中的氨基与基体中的氨基有亲和力,能使界面较好粘接;而且氨基还能与酸酐发生反应。同时氨基也能与酚醛树脂发生反应,并且对酚醛树脂的固化有催化作用,但氨基与酚醛树脂上的酚羟基的相容性稍差。所以耐热酚醛树脂基砂轮和改性酚醛树脂的磨削性能提升幅度小于聚酰亚胺树脂基砂轮。
  磨削效率和砂轮磨损率是考核磨具磨削性能的一个重要指标,磨削效率越高,说明砂轮磨削单位质量体积的工件所需的时间越少;砂轮磨损率越高,说明砂轮在磨削过程中单位时间内消耗的砂轮质量或体积越大,砂轮磨损越严重。本实验采用的是磨耗质量与磨削时间的比值,计算公式如下:
                                   (2)
                                   (3)
  由表3的数据可见,同种树脂的砂轮,处理前后的磨削效率基本上是不变的,这说明经过NaOH溶液和硅烷偶联剂处理的金刚石对砂轮的自锐性几乎没有影响。但从砂轮的磨损率可以看出,使用经过NaOH溶液和偶联剂处理的金刚石的砂轮的磨损率明显低于使用未处理金刚石的砂轮。即金刚石经过表面处理以后耐磨性明显提高,而锋利度并未减低(单位时间磨削掉的硬质合金量基本不变,而砂轮损耗量大幅减少)。从表3的数据中还可以看到,虽然改性酚醛树脂基砂轮的砂轮磨耗率较高,但其磨削效率也明显高于酚醛树脂基砂轮,这说明改性酚醛树脂有利于砂轮的自锐性。
3.2 砂轮的表面形貌分析
  通过显微镜对磨削实验后的砂轮表面进行观察,以下为三种树脂基砂轮的图片。


  
图1 1#砂轮,金刚石未处理                图2 2#砂轮,金刚石经过处理
  
图3 3#砂轮,金刚石未处理                图4 4#砂轮,金刚石经过处理
  
图5 5#砂轮,金刚石未处理                图6 6#砂轮,金刚石经过处理
 

  由图可以看出,使用未经过表面处理金刚石的砂轮磨削后的表面,金刚石明显少于使用经过处理金刚石的砂轮,而且表面有明显的金刚石脱落后留下的坑洞;2#、4#、6#砂轮中砂轮与树脂基体结合较紧密,坑洞较少。2#、4#、6#砂轮相比较,可以看出,2#砂轮磨削后的表面状况优于4#和6#,存留的金刚石较多,也没有大块脱落的痕迹。这说明金刚石的表面改性处理对3种树脂基砂轮的磨削性能都有所提升,但对耐热酚醛树脂和改性酚醛树脂砂轮磨削性能的提升不够明显。


4 结论
  (1)实验结果表明,本实验所采用的处理方法可以改善金刚石与聚酰亚胺、耐热酚醛和改性酚醛树脂基体的结合状态,增加树脂基体对金刚石磨粒的把持力,使其在磨削的过程中不易脱落,提高砂轮的磨削比,而且对金刚石磨粒的锋利度和自锐性没有影响。
  (2)磨削实验数据表明,金刚石表面的改性处理对不同的树脂基砂轮磨削性能的提升效果是不同的,其中对聚酰亚胺树脂基砂轮磨削性能提升最为显著。


参考文献
[1] 邹文俊.有机磨具制造[M]. 北京:中国标准出版社,2001:97~151
[2] 王晓东等.偶联剂处理玻纤改性热塑性聚酰亚胺[J].塑料工业,2007(7):22~25
[3] 李宝智等.硅烷偶联剂用于非金属粉体表面改性的机理及应用中应注意的问题[J].中国粉体工业,2006(4):12~14
[4] 张士华等.偶联剂处理对玻璃纤维/尼龙复合材料力学性能的影响[J].复合材料学报,2006(3):31~36
[5] Junwei Gu,et al. Preparation and mechanical properties researches of silane coupling reagent modified β-silicon carbide filled epoxy composites[J]. Polymer Bulletin,2009,5 (62):689~697

Influences of Silane Coupling Agent on the Grinding Performance of different Resin Bond Diamond Wheels
Ye Xiaochuan1, 2, Shi Dongli3, Zeng Liming1, Chen Lei1, Zhang Chao1
(1. College of Material Science and Engineering Wuhan University of Technology, Wuhan 430070; 2.Wuhan Tigers Technology Development Co. Ltd, Wuhan 430070
3. Zhengzhou Research Institute for Abrasives&Grinding,Zhengzhou,450013)
 

AbstractThe diamond abrasives were firstly preprocessed by sodium hydroxide solution. After surface modification with silane coupling agent, they were used to make different resinoid bond wheels, the grinding performance of which was then investigated. Experimental results indicated that the treatment process enhanced the grinding performance of polyimide resin bond wheels observably, the grinding ratio was increased by 109.9%.
Keywords treat by silane coupling agent    diamond abrasive    grinding performance  coupling effect

 
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