偶联剂处理对金刚石树脂砂轮磨削性能的影响
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偶联剂处理对金刚石树脂砂轮磨削性能的影响
作者:陈雷 曾黎明 叶晓川 张超 宋幼行 来源: 编辑更新:2010/11/19 11:47:05
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摘要:采用NaOH溶液对金刚石磨料进行了预处理,然后用硅烷偶联剂进行表面改性,并研究了用处理过的金刚石磨料制造的树脂砂轮的磨削比和磨削效率。结果表明,在干磨的条件下,处理后的金刚石磨料对砂轮磨削比的提高显著。通过显微镜观察磨削后的砂轮表面形貌,发现树脂对处理后的金刚石颗粒把持力增大,磨粒脱落较少。
关键词:硅烷偶联剂   金刚石磨料    磨削比    预处理


1. 引言
  树脂基金刚石砂轮因其具有自锐性好,磨削效率高等优点而被广泛应用于陶瓷、玻璃、硬质合金等硬脆材料的磨削加工中。目前,世界上大约有60%以上的磨料级金刚石用于制造树脂基金刚石砂轮。但金刚石的化学稳定性极好,在常温下,金刚石对酸、碱、盐等化学试剂都表现为惰性。因此,树脂与金刚石颗粒之间的结合性能不理想。研究表明,在干磨硬质合金时,大约有70%的磨粒没有获得充分利用而直接脱落。目前常用的处理方法如镀铜、镀镍等虽然能改善树脂与金刚石颗粒之间的浸润性,但多是机械嵌合,难以形成化学键的结合,而且还会影响金刚石磨粒的自锐性,在磨削过程中增加了动力消耗(约增加10%—20%)。磨料级的金刚石多为人造金刚石,合成过程中的高温高压环境使得金刚石晶体存在较多的缺陷,含有—COOH、—OH等基团,可以使用偶联剂进行表面处理,改善其与树脂的浸润性。但目前使用的方法多为直接添加,改性效果不稳定,对砂轮的性能提升不明显。
  本文采用NaOH溶液对金刚石磨料进行了预处理,然后用硅烷偶联剂进行表面改性,并对其树脂基砂轮的磨削性能进行了研究。


2. 实验部分
2.1 试剂
  金刚石磨料,RVD 140/170,中南钻石股份有限公司;硅烷偶联剂,武汉泰格斯公司提供;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 仪器与分析表征
  (1)砂轮的压制使用MYS--100型热压机,砂轮二次固化在电热干燥箱中进行。
  (2)在郑州大华机电技术有限公司生产的DHM-3型磨削性能试验机上进行磨削实验。
  (3)用MDA1300型手持式USB数码显微镜对砂轮磨削面进行分析。
2.3 实验过程
2.3.1 金刚石的表面处理
  先将金刚石在0.11g/ml的NaOH溶液中80℃恒温搅拌4h,进行预处理,然后洗涤烘干。最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。
2.3.2 树脂基砂轮的制样
  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,其中1#和4#砂轮使用的是经过硅烷偶联剂处理的金刚石磨料,2#和3#砂轮使用的是未经处理的金刚石磨料。除金刚石磨料不一样外,所用填料、聚酰亚胺树脂、工艺等参数均相同。压制温度为230℃。


2.3.3 磨削比测试
2.3.3.1 实验条件
  砂轮转速:5000转/分
  加载压力:500---1500g,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。
2.3.3.2 测试方法
  先将需要磨削的砂轮和硬质合金刀具用丙酮清洗干净,放入烘箱,80℃烘干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装在磨削试验机上,固定牢固,设定好各参数,测试开始,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烘箱,80℃烘干1h后移入干燥器冷却至室温,称重记录;计算磨削比。  

     
3. 结果与讨论
3.1 磨削比值
  用制成的金刚石砂轮磨硬质合金钢刀具,采用干磨的方式进行实验。采用的磨削比为质量比值,计算后将结果填入表1,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1 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)

砂轮磨除率
Zs(g/s)

1#

0.9

28.0

1500

500

31.11

0.019

0.00060

1#

3.3

42.9

2200

1000

13.00

0.020

0.00150

2#

1.5

41.9

2150

500

27.93

0.019

0.00070

2#

4.7

37.4

2060

1000

7.96

0.018

0.00228

3#

2.3

36.1

2000

750

15.70

0.018

0.00115

3#

1.1

36.8

2000

1250

33.45

0.018

0.00055

4#

1.3

38.0

2000

750

29.23

0.019

0.00065

4#

0.5

35.1

2000

1250

70.20

0.018

0.00025

  由表1的磨削比值可见,在相同的加载压力下,1#砂轮的磨削比在加载压力为500g和1000g的情况下分别比2#砂轮高出11.4%和63.4%,4#砂轮的磨削比在加载压力为750g和1250g的情况下分别比3#砂轮高出86.2%和109.9%。这说明,在相同的树脂基体,相同的工艺参数以及相同的加载压力条件下,经过硅烷偶联剂处理的金刚石对砂轮的磨削比有显著的提高,尤其是当加载压力较大的情况下。
3.2 磨削效率和砂轮磨除率
  磨削效率和砂轮磨除率是考核磨具磨削性能的一个重要指标,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1的数据可见,1#、2#、3#和4#砂轮的磨削效率变化不大,这说明经过硅烷偶联剂处理的金刚石对砂轮的自锐性几乎没有影响。但从砂轮的磨除率可以看出,使用经过处理的金刚石的砂轮的磨除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)。
3.3 砂轮表面分析
  通过显微镜对磨削后的砂轮表面进行观察,以下为不同加载压力下干磨试验时磨削后砂轮的表面。


      
图1 1#砂轮,加载压力1000g                 图2 2#砂轮,加载压力1000g
      
图3 3#砂轮,加载压力1250g                图4 4#砂轮,加载压力1250g
 

  由图可以看出,磨削后,2#和3#砂轮的表面只有少量的金刚石磨粒,说明大部分磨粒已经在磨削过程中脱落,尤其是2#砂轮,磨粒脱落严重;而1#和4#砂轮的表面虽也有磨粒脱落,但和2#和3#砂轮相比,剩余的磨粒较多。这说明经过硅烷偶联剂的处理,树脂基体对金刚石磨粒的把持力增加。这也就降低了砂轮的磨除率,增加了砂轮的使用寿命,降低了生产成本。
 

 

4. 结论
  (1)砂轮表面分析表明,使用硅烷偶联剂对金刚石磨料进行处理,可以改善它与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。
  (2)实验数据表明,1#、2#、3#、4#砂轮的磨削效率基本不变,该处理过程对金刚石磨粒的锋利度和自锐性没有影响。
  (3)磨削比试验表明,在相同实验条件下,与2#和3#砂轮相比,1#和4#砂轮的磨削比得到很大的提高,砂轮的磨除率显著降低,而且磨削效率基本不变。说明该处理过程对提高金刚石树脂基砂轮的磨削性能有着重要意义。


参考文献
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[6] 王德泉.砂轮特性与磨削加工[M].北京:中国标准出版社,2001:88~96
[7] 李伯民,赵波,李清.磨料、磨具与磨削技术[M].北京:化学工业出版社,2010:110~134
 Effect of Silane Coupling Agent on the Grinding Performance of Resin Bond Diamond Wheels
Chen Lei, Zeng Liming, Ye Xiaochuan, Zhang Chao
(College of Material Science and Engineering Wuhan University of Technology, Wuhan 430070; Wuhan Tigers Technology Development Company Limited, Wuhan 430070)
AbstractThe diamond powder was pretreated by sodium hydroxide solution and modified with silane coupling agent. The grinding ratio and grinding efficiency of wheels which were manufactured with the treated diamond abrasive were investigated. The results show that the treated dimond abrasive enhances grinding ratio of wheels observably under the dry condition. By analyzing on the surface of wheels after grinding by microscope, It can be found that the pullout strength of resin was enhanced and less abrasive was brushed off .
Keywordssilane coupling agent     diamond abrasive     grinding ratio     pretreat

 
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