酚醛樹脂影響金剛石砂輪磨削性能試驗研究

師超鈺，朱建輝，錢灌文，趙延軍

（鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，河南 鄭州 450000）

1 引言

在金剛石磨具制品中，樹脂結合劑磨具約占（60～70）%[1]，因其具有自銳性好、磨削鋒利、磨削中產生的磨削熱少、磨削加工表面質量好等優點，被廣泛應用于硬質合金、玻璃、陶瓷、半導體、耐火材料等的磨削、拋光或切割。

在樹脂結合劑磨具中，樹脂結合劑性能是影響磨具力學性能和磨削性能的關鍵因素，應選用耐高溫、粘接性好、工藝性好的樹脂[2-3]。酚醛樹脂及其改性品種具有優異的機械性能、耐熱性能、耐磨性能、尺寸穩定性、成型加工性等，在樹脂結合劑磨具中，其用量約占80%[4]。

酚醛樹脂作為樹脂結合劑砂輪最重要的原材料之一，其機械性能、耐熱性直接影響砂輪的自銳能力、對磨粒的把持能力以及使用壽命，甚至影響磨削性能與加工工件表面質量[5]。目前國內金剛石砂輪用酚醛樹脂及其改性種類較多，性能不確定性較大[6]，關于酚醛樹脂金剛石砂輪磨削性能的研究，多偏重于磨具機械性能測試和單一條件下的磨削效果分析。選用三種不同類型酚醛樹脂制作樣條和金剛石砂輪，測試樣條機械性能，在不同磨削條件下開展磨削試驗，并開發出磨削功率量化分析方法、磨削比精密檢測方法，對比分析砂輪綜合磨削性能差異，探究酚醛樹脂性能對金剛石樹脂砂輪磨削性能影響規律。

2 試驗條件與方法

2.1 試驗條件

選用三種不同的酚醛樹脂，在相同的配方和混料工藝下分別制作樣條和金剛石砂輪，測試樣條機械性能，并利用金剛石砂輪對硬質合金工件開展平面磨削試驗。

試驗用砂輪尺寸 3A1-（250×30×75×5×20）mm，粒度 140/170；工件材料是常用材料YG8，工件尺寸（150×100×30）mm。砂輪、樣條編號和試驗儀器設備分別，如表1、表2所示。

表1 砂輪、樣條編號Tab.1 Number of Wheel and Spline

表2 .試驗儀器設備Tab.2 Experiment Equipments

2.2 試驗方法

對三片砂輪開展磨削試驗，每片砂輪以0.01mm/行程和0.02 mm/行程的進刀量分別進行兩輪磨削試驗，其它各磨削參數相同，如表3所示。磨削試驗平臺示意圖，如圖1所示。利用激光位移傳感器實現砂輪徑跳非接觸式檢測，利用功率儀全程監測磨削功率，采用激光位移傳感器實現磨削后砂輪磨料層損耗厚度的精密測量，采用千分尺測量工件去除厚度，采用粗糙度儀測試工件磨削表面質量，采用超景深顯微鏡定點跟蹤磨削前后砂輪表面微觀形貌變化，如圖2所示。

表3 磨削工藝參數Tab.3 Grinding Process Parameters

圖1 磨削試驗平臺示意圖Fig.1 Grinding ExperimentPlatform

圖2 砂輪磨料層損耗厚度測量Fig.2 Loss Thicknessof Abrasive Section Test

3 試驗結果與分析

3.1 樣條機械性能

樹脂結合劑強度直接影響樹脂砂輪的耐磨性、自銳性、型面保持性等[7]。三種樹脂機械性能對比，如圖3所示。S2樣條的抗沖擊強度比S1高出12%，比S3高出20%，說明增韌樹脂韌性好，B2砂輪耐磨性、型面保持性好，而耐熱性樹脂和未改性樹脂韌性差，B1和B3砂輪在磨削時樹脂結合劑容易脫落損耗而露出新的磨粒；S3樣條的抗拉強度比S1高出24%，抗折強度比S2高出27%，說明未改性樹脂的粘結性能好，可以較好包覆磨粒，但其在磨削中結合劑易損耗而加速磨粒脫落，因此B3砂輪的磨粒把持能力可能優于B1砂輪，而不及B2砂輪。

圖3 樣條機械性能試驗測試結果Fig.3 Data of Spline Mechanical Property

3.2 砂輪磨削功率

平面磨削中，針對全程監測的功率數據進行有效化處理后分析。每磨削行程取最大功率值，可代表磨削過程中磨削功率的整體變化趨勢及穩定程度，反映主磨削力變化規律[8]。功率上升斜率反映砂輪鈍化速度，功率相對這種上升趨勢的離散程度反映磨削功率和狀態的穩定性。對試驗中最大功率值數據均分兩段進行直線擬合，兩直線斜率之和作為評價砂輪鈍化速度參數，兩直線擬合殘差均方根作為評價磨削功率穩定性參數，參數對比，如圖4、圖5所示。從磨削功率變化趨勢及其擬合斜率、殘差均方根對比中看出：（1）B1砂輪磨削功率上升斜率最大，鈍化速度最快。由于耐熱性樹脂對磨粒的把持能力不強，磨削時磨粒易脫落，因而砂輪鈍化更快；大進刀時砂輪表面摩擦磨損加劇，鈍化更快，功率上升更快。（2）B2砂輪磨削功率上升斜率小于B1砂輪，且0.02mm/行程進刀時的斜率小于0.01mm/行程時，磨削功率波動小。這是因為增韌樹脂磨粒把持力強，砂輪鈍化速度慢，且其韌性好，磨削狀態更穩定；大進刀時產生更多磨削熱使樹脂結合劑體系強度和韌性有所降低，砂輪自銳作用增強，從而減緩磨削功率上升趨勢。（3）B3砂輪在0.01mm/行程進刀時功率上升斜率最小，但在0.02mm/行程進刀時功率上升斜率明顯增大，且磨削功率波動較大。由于未改性樹脂抗拉、抗折強度高，對磨粒有較強的包覆能力，且其磨削時自銳效果好，有效磨粒數多，因而單刀進0.01mm磨削時，磨削功率上升斜率小；未改性樹脂耐熱性差，單刀進0.02mm磨削時，磨削熱增多，樹脂老化嚴重甚至燒蝕，以致結合劑體系性能惡化，樹脂和金剛石脫落嚴重，砂輪鈍化加快；未改性樹脂抗沖擊強度過低，造成砂輪磨削時表面結合劑出現損耗不均勻的現象，磨削功率容易波動。

圖4 磨削功率擬合結果Fig.4 Fitting Data of Grinding Power

圖5 磨削功率參數測試與處理結果Fig.5 Processing Data of Grinding Power Parameters

3.3 砂輪磨削比

試驗中用的磨削比為體積比值，由砂輪磨料層損耗厚度和工件去除厚度計算出磨削比，砂輪磨削比測試結果，如圖6所示。在不同的磨削條件下砂輪磨削比存在較大差異。0.01mm/行程進刀時：（1）B2砂輪磨削比比B1高出46%，比B3高出33%，這是因為增韌樹脂抗沖擊強度高，磨削時表現出較好的耐磨性。（2）B3砂輪磨削比比B1高出9%，這是因為未改性樹脂的抗折、抗拉強度大于耐熱性樹脂，磨粒把持力更強，且磨削時B3砂輪的磨削功率和主磨削力更小，磨削中B1砂輪的損耗更嚴重。0.02mm/行程進刀時：（1）相較0.01mm/行程時，B2砂輪磨削比減小37%，B3砂輪減小21%，這是由于進刀量大時，一方面磨削過程中的摩擦磨損加劇，另一方面產生較多磨削熱，致使耐熱性差的樹脂老化降解，強度、韌性降低，金剛石連同周圍樹脂一同脫落[9]，從而加快了砂輪損耗。（2）B1砂輪磨削比比B2高出32%，比B3高出38%，這是因為耐熱性樹脂耐熱性好，不存在樹脂降解以致損耗增加的問題，磨削狀態穩定。

圖6 砂輪磨削比測試結果Fig.6 Test Data of Grinding Ratio

3.4 磨削表面粗糙度和波紋度

磨削試驗后，工件表面均無燒傷、振紋等現象，測量其粗糙度（Ra）和波紋度（Wa）結果，如表4所示。三片砂輪在同一磨削條件下磨削表面的粗糙度和波紋度差別并不大，但存在以下規律：單次進刀量小時磨削表面質量更好；磨削功率不穩定有可能引起磨削表面波紋度增大。B3砂輪在0.02mm/行程磨削時，磨削表面粗糙度較小，但波紋度較大，可能是磨削時砂輪性能惡化，砂輪擠壓工件導致。

表4 磨削表面Ra和WaTab.4 Ra and Wa of Grinding Surface

3.5 砂輪表面形貌

磨削試驗前后，對砂輪外圓表面形貌進行定位跟蹤對比。B1砂輪0.01mm/行程磨削過程中跟蹤照片，如圖7所示。可以看出樹脂金剛石砂輪在磨削中的磨粒形態有脫落圖中（a）、磨耗圖中（b）、破碎圖中（c）、斷裂圖中（d）等；磨粒的脫落不是結合劑橋斷裂，而是磨粒與結合劑界面的脫離；同時有較多磨削前被樹脂包裹的磨粒因樹脂磨除而露出。雖然樹脂砂輪存在自銳性，但露刃較高磨粒的磨耗和脫落，使砂輪表面磨粒露刃高度總體減小[10]，導致砂輪鈍化。三片砂輪在0.01mm/行程磨削后砂輪表面照片，如圖8所示。磨削試驗后，B1砂輪的磨粒脫落更嚴重，B3砂輪新露出的磨粒更多。這是因為耐熱性樹脂磨粒把持力不強，且B1砂輪磨削功率較大；未改性樹脂韌性不強，磨削時包裹磨粒的樹脂更易磨除而露出新的磨粒。三片砂輪在0.02mm/行程磨削后砂輪表面照片，如圖9所示。由于增韌樹脂和未改性樹脂耐熱性差，B3砂輪表面樹脂發生了明顯的燒蝕，大量磨粒脫落，B2砂輪表面磨粒脫落情況也較0.01mm/行程磨削時嚴重；而耐熱性好的B1砂輪表面狀態與0.01mm/行程時基本一致。

圖7 磨削過程中砂輪表面形貌對比Fig.7 Surface Topography of Wheel in Grinding Process

圖8 0.01mm/行程磨削后砂輪表面形貌Fig.8 Surface Topography of Wheel in 0.01mm Grinding

圖9 0.02mm/行程磨削后砂輪表面形貌Fig.9 Surface Topography of Wheel in 0.02mm Grinding

4 結論

（1）樹脂的機械強度直接影響砂輪磨削性能：樹脂抗拉強度和抗折強度高，則樹脂粘接性好，對磨粒的包覆能力強；樹脂抗沖擊強度高，則樹脂韌性好，砂輪型面保持性好，磨削狀態穩定，磨削表面質量高，磨削比大，但抗沖擊強度過高則砂輪自銳性差，鈍化快，降低磨削效率。（2）增韌樹脂韌性好，在冷卻條件好的濕磨、進刀量小的精磨等條件下具有較好的耐磨性和穩定性，磨削比比非增韌樹脂高出約40%，功率穩定程度高出約35%；耐熱性樹脂耐熱性好，在磨削熱多的干磨、進刀量大的粗磨等條件下仍具有較高的強度，磨削比比非耐熱樹脂高出約35%。（3）相同配方、相同修整磨削工藝下，僅樹脂原材料不同的砂輪，其磨削性能不同；同一砂輪在不同的磨削工藝下，其磨削性能也表現出較大差異。應根據加工環境和磨削工藝要求選擇適合的樹脂制作砂輪，物盡其用。

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