樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

劉 偉, 劉一波,尹 翔,葛 科

(1.安泰科技股份有限公司,北京　100081;2.北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司,北京　102200)

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樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

劉 偉1, 劉一波2,尹 翔,葛 科

(1.安泰科技股份有限公司,北京100081;2.北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司,北京102200)

樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪(resin bond diamond grinding wheel)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(shù)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(jiǎn)單綜述，最后對(duì)提高我國(guó)樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪性能提出了幾點(diǎn)建議。

樹(shù)脂結(jié)合劑;金剛石砂輪;精密加工;修整

1　樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪介紹

樹(shù)脂結(jié)合劑超硬材料工具主要是以金剛石或cBN為磨料，以樹(shù)脂粉為粘接劑，加入適當(dāng)?shù)奶畛洳牧希?jīng)過(guò)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(guò)程制成的適用于不同磨削要求的超硬工具[1]。與陶瓷結(jié)合劑或金屬結(jié)合劑超硬磨具相比，它具有制造工藝簡(jiǎn)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(duì)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(shù)脂超硬磨具在磨削過(guò)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(shù)脂金剛石工具所用的樹(shù)脂結(jié)合劑主要分為酚醛樹(shù)脂和聚酰亞胺樹(shù)脂兩大類，其種酚醛樹(shù)脂金剛石工具實(shí)際工作溫度不超過(guò)120℃，聚酰亞胺樹(shù)脂耐熱性稍好，可在260℃下長(zhǎng)期使用。由于聚酰亞胺樹(shù)脂的價(jià)格相對(duì)昂貴，尤其是近年來(lái)科學(xué)家對(duì)酚醛樹(shù)脂進(jìn)行改性使其實(shí)際工作溫度也能到達(dá)200℃以上，如英國(guó)Advanced Resins Limited 公司的939P，故酚醛樹(shù)脂的使用日益廣泛。本文將主要介紹樹(shù)脂金剛石工具的設(shè)計(jì)思路及影響因素。

2　樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石工具的設(shè)計(jì)

樹(shù)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[2]：

(1)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(guò)早脫落,又防止結(jié)合劑與基體分離,保證生產(chǎn)安全。

(2)磨削效率高,耐磨性好,加工光潔度(或表面粗糙度)好。樹(shù)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?cè)谘芯亢驮O(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,二者兼顧,才能保證磨削加工的要求,又能達(dá)到降低成本的目的。

(3)耐熱性要好。如果結(jié)合劑的耐熱性較差,使磨具在使用過(guò)程中不耐高溫,消耗快,甚至因?yàn)槟ハ鳠徇^(guò)高,而使磨具燒傷、裂紋、脫環(huán)等,因此(1)選用耐熱性好的粘結(jié)劑和加入適當(dāng)?shù)奶畛淞?以提高其耐熱性;(2)盡可能采用冷卻液進(jìn)行濕磨,以提高磨具的耐用度;(3)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。

(4)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(guò)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(duì)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：(1)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；(2)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)；(3)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。

(5)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cBN)磨粒的磨損速度相匹配，不能因?yàn)榻Y(jié)合劑的磨耗過(guò)快，而使磨粒過(guò)早脫落，那樣的話，磨料就得不到充分使用，造成浪費(fèi)。

3　樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石工具的影響因素

樹(shù)脂金剛石工具由樹(shù)脂結(jié)合劑、填料和金剛石磨料經(jīng)混合后熱壓固化而成。其性能也直接受樹(shù)脂結(jié)合劑、填料和金剛石磨料的影響。

3.1結(jié)合劑的影響，主要包括結(jié)合劑種類和含量的影響等

(1)各種樹(shù)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(guò)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(guò)高，一旦達(dá)到臨界值，樹(shù)脂結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持失效，金剛石在沒(méi)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(guò)對(duì)樹(shù)脂結(jié)合劑進(jìn)行改性來(lái)提高其耐熱性能的。高良倡[3]采用方烷基醚改性酚醛樹(shù)脂，其耐熱性能夠達(dá)到180℃以上。杜楊等[4]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(shù)脂BSP，由于酚醛樹(shù)脂結(jié)構(gòu)中引入B—O鍵和有機(jī)硅鏈，BSP樹(shù)脂具有優(yōu)良的耐熱性和韌性，同時(shí)也改善了樹(shù)脂的耐水性和儲(chǔ)存穩(wěn)定性。肖東政等[5]采用BMI(雙馬來(lái)酰亞胺)改性酚醛樹(shù)脂獲得了耐熱性較好的雙馬來(lái)酰亞胺改性酚醛樹(shù)脂。

(2)樹(shù)脂結(jié)合劑含量的影響。樹(shù)脂結(jié)合劑含量對(duì)金剛石工具加工性能有較大的影響。文獻(xiàn)[24]介紹了在單晶硅片減薄砂輪中，樹(shù)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(shù)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。

(3)樹(shù)脂結(jié)合劑粒度的影響。國(guó)內(nèi)用作金剛石磨具生產(chǎn)的樹(shù)脂粉粒度大多在80～180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(guò)程中，樹(shù)脂粉雖可受熱軟化，并有一定流動(dòng)性，達(dá)到包覆磨粒的目的，但在壓制過(guò)程中，結(jié)合劑料是在模具內(nèi)受壓的，空間有限，樹(shù)脂的流動(dòng)范圍也有限，當(dāng)樹(shù)脂粉粒度粗時(shí)，就會(huì)有部分磨料粘結(jié)不牢固，從而過(guò)快脫落。有研究表明當(dāng)樹(shù)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[6]。

3.2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(zhǎng)使用壽命。

(1)填充料種類較多，加入不同種類的填料對(duì)磨具的影響也不同。按性質(zhì)和用途可分為四類：①不活潑填充料。用于可塑工藝，目的是降低磨具成本；②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)；③補(bǔ)強(qiáng)填料。如玻璃纖維，碳纖維等，目的是增加結(jié)合劑強(qiáng)度；④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(shù)脂磨具中，其作用主要是用來(lái)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(duì)于金剛石樹(shù)脂磨具，酚醛樹(shù)脂結(jié)合劑所用填料，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的是Cr2O3，ZnO和Cu粉；聚酰亞胺結(jié)合劑所用填料，除Cu粉外，國(guó)外用于干磨時(shí)加Zr、Co、CaCO3等，用于濕磨時(shí)，可加石英粉(SiO2)、鋁氧粉(Al2O3)等陶瓷材料。

表1　常見(jiàn)填料及其作用

車劍飛等[7]人采用原味生產(chǎn)法對(duì)酚醛樹(shù)脂進(jìn)行了納米粒子TiO2Al2O3SiO2填充改性，研究了納米粒子填充改性對(duì)樹(shù)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(wú)影響，能夠顯著提高樹(shù)脂的耐熱性能，提高其分解溫度約150℃，當(dāng)填充量為5wt%時(shí)，用TiO2改性樹(shù)脂的沖擊強(qiáng)度可提高到普通酚醛樹(shù)脂的231%。

各種改性樹(shù)脂又都具有不同的特性，鄒文俊等[8]利用納米SiO2(原位聚合和共混方法分散到酚醛樹(shù)脂中)改性酚醛樹(shù)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[9]研究表明，銅錫合金粉的銅錫比例，含量、粒度對(duì)樹(shù)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(shù)脂超硬制品。

3.3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。

(1)金剛石表面鍍覆金屬后，單顆粒抗壓強(qiáng)度都有所提高，同時(shí)磨耗比下降，即延長(zhǎng)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：①鍍層減緩對(duì)樹(shù)脂結(jié)合劑的熱脈沖，金剛石鍍層的導(dǎo)熱率比金剛石小，因此金剛石磨粒接觸工具時(shí)，產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫經(jīng)過(guò)鍍層后傳給樹(shù)脂，從而保護(hù)緊接磨料部位的樹(shù)脂不受高溫?fù)p傷；②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(shù)脂結(jié)合劑能良好粘結(jié)；③鍍層提高金剛石顆粒抗破碎強(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；④鍍層對(duì)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(duì)金剛石晶體的石墨化能起抑制作用。

(2)國(guó)內(nèi)外超硬材料廠家對(duì)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(guò)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(shù)脂結(jié)合劑金剛石工具的制備。如E6公司提供的PDA433，PDA321，PDA311，PDA211等牌號(hào)的金剛石，具有高自銳性和微破碎性。目前國(guó)內(nèi)樹(shù)脂模具普遍使用RVD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(shù)脂結(jié)合劑結(jié)合良好；近年來(lái)國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的多晶CSD型金剛石磨料用于樹(shù)脂結(jié)合劑磨具，顯著提升了樹(shù)脂金剛石工具的鋒利度。

3.4修整對(duì)樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪的影響

修整過(guò)程是砂輪制備中不可或缺的因素，通過(guò)整形能夠獲得各種形狀的樹(shù)脂金剛石砂輪，通過(guò)砂輪修銳使樹(shù)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[10]設(shè)計(jì)了一種新型樹(shù)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(guò)對(duì)比分析各種方法的修整力、表面形貌精度、砂輪修銳效果以及磨削性能，以此對(duì)比不同修整方法對(duì)樹(shù)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(shù)脂金剛石砂輪的使用性能。

4　樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石工具的應(yīng)用

樹(shù)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(lái)越廣泛。樹(shù)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[11]對(duì)納米結(jié)構(gòu)金屬陶瓷(n-WC/Co)涂層材料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(shù)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[12]利用紫外線固化樹(shù)脂開(kāi)發(fā)樹(shù)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(wèn)題。Ke-hua Li等[13]對(duì)IC硅片超精密背面用樹(shù)脂2000#金剛石砂輪加工問(wèn)題進(jìn)行了研究，結(jié)果表明通過(guò)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10.236mm3/s,表面粗糙度Ra為5.122nm。林培勇等[14]介紹了樹(shù)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)之間的關(guān)系，為樹(shù)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。

5　結(jié)　語(yǔ)

從目前的市場(chǎng)而言，我國(guó)已經(jīng)是樹(shù)脂金剛石砂輪的生產(chǎn)使用大國(guó)，產(chǎn)品數(shù)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了國(guó)外樹(shù)脂金剛石砂輪，但質(zhì)量上還有相當(dāng)大的差距，國(guó)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(guó)內(nèi)某合金加工廠見(jiàn)到3A1-150的樹(shù)脂砂輪，美國(guó)進(jìn)口單價(jià)為人民幣10000元，該廠廠長(zhǎng)介紹說(shuō)國(guó)內(nèi)沒(méi)有廠家能夠提供該產(chǎn)品，就連轉(zhuǎn)型比較成功的韓國(guó)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(shù)脂金剛石砂輪質(zhì)量應(yīng)該從如下幾個(gè)方面開(kāi)展工作：

(1)從樹(shù)脂源頭來(lái)開(kāi)展工作，樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪制造廠家、樹(shù)脂生產(chǎn)廠家和砂輪使用廠家形成聯(lián)盟共同開(kāi)發(fā)合適的樹(shù)脂結(jié)合劑，同時(shí)細(xì)化樹(shù)脂的粒度。

(2)引進(jìn)控溫精度高的熱壓機(jī)，優(yōu)化熱壓合成工藝以及二次固化工藝。筆者了解國(guó)外樹(shù)脂砂輪生產(chǎn)商采用的熱壓機(jī)溫度誤差控制在3℃以內(nèi)，而國(guó)內(nèi)設(shè)備溫差基本上都在5℃以上。

(3)優(yōu)化砂輪配方，根據(jù)不同的加工對(duì)象來(lái)設(shè)計(jì)砂輪配方，形成配方與使用對(duì)象相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，便于指導(dǎo)砂輪的配方設(shè)計(jì)。

[1]鄒文俊.有機(jī)磨具制造[M].北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001 ：226-250．

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Design and Application of Resin Bond Diamond Grinding Wheels

LIU Wei1, LIU Yi-bo2, YIN Xiang, GE Ke

(1.AdvancedTechnology&Materials,Co.,Ltd.,Beijing,China100081；2.BeijingGangYanDiamondProductsCompany,Beijing,China102200)

Resin bond diamond grinding wheel is widely used in precision finishing for various kinds of difficult-to-machine materials due to its characteristics such as excellent self-sharpening, bond flexibility and easy for truing and dressing, etc. Design idea, performance influencing factors and processing and application of resin bond diamond grinding wheel have been outlined in this article. In the end, several suggestions on how to improve the performance of the resin bond diamond grinding wheel of our country have been put forward.

resin bond; diamond grinding wheel; precision finishing; truing and dressing

2016-05-20

劉偉，男1982，碩士，工程師，主要從事超硬材料精密磨削制品研發(fā)及其應(yīng)用。E-mail：liuwei@gangyan-diamond.com

劉一波, 博士生導(dǎo)師， 安泰科技股份有限公司，北京安泰鋼研超硬材料制品有限責(zé)任公司副總經(jīng)理兼總工程師。E-mail: liuyibo@atmcn.com

TQ164

A

1673-1433(2016)04-0047-04

引文格式：劉 偉, 劉一波,尹 翔,等.樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].超硬材料工程，2016，28(4)：47-50.