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知識超硬樹脂磨具的制造工藝流程及配方設計

來源: 鄒文俊

時間:2017-04-07

超硬材料    樹脂磨具    金剛石   

摘要:時光匆匆,轉眼又是一年畢業季,身在磨料磨具行業打拼的你是否會偶爾回憶起那些年求學的時光?是否在某個技術攻關的瞬間后悔當初沒能認真的聽一聽恩師的教誨?小編覺得有必要再去回憶一下那些年老師們劃過的重點,有必要再把那些快要弄丟的“知識”拿出來見見天,如果能再去聽一節課,磨友(校友)們你們可愿?

制造工藝流程

超硬材料樹脂磨具的制造生產與普通樹脂磨具基本相同,但在配方和工藝操作上略有 區別。配方特點是填料多,磨料少;工藝特點是熱壓成型,熱壓溫度分別為:酚醛樹脂180°C、 聚酰亞胺225 °C左右,單位壓力30?75MPa,甚至100MPa,固化時間為10~30h。由于超硬材料樹脂磨具結構的特殊性,使得成型模具和成型操作變得復雜,要求操作更加細致和精確。圖8-2是酚醛樹脂結合劑金剛石砂輪生產工藝流程。圖8-3是樹脂結合劑CBN砂輪生產工藝流程。

配方設計

對于任何磨具來說,至關重要的當然是根據磨削對象而設計出的配方配方是組成磨具 產品的原材料種類和數量的反映,是生產中配制成型料的重要依據,它是根據磨具的使用性 能與工藝要求而擬定的。嚴格地講它應該包括所使用的磨料、結合劑填充料等,以及與之有 關的磨料類別、濃度和砂輪的成型密度、氣孔率等。

配方設計的一般過程是:首先在分析各種原材料作用的基礎上,根據加工要求,進行結 合劑成分混配’熱壓制成試樣!固化后測定其強度、硬度等各項性能參數;選擇性能良的配 方,進一步試制成磨具;對磨具進行性能測試以及磨削鑒定對比試驗,從而選取最佳配方:最 后經反復試驗,并經一定時間的生產驗證,達到穩定成熟。

配方設計原則

配方設計的總原則是:應該對技術可 行性所設計的配方中原材料的性能及配比能不能適合磨削加工質量的要求;經濟上則要考慮 包括砂輪制造和使用兩方面因素在內的總的加工費用。

超硬材料樹脂磨具配方與普通樹脂磨具一樣,由磨料(金剛石、CBN)、結合劑、氣孔三部分組成,磨具的總體積等于三者之和。

假設磨具的總體積為100,則:

配方中各數據取決于三者的比例關系,要使三者的比例關系搭配合理,須抓住影響配方 的幾個因素,如濃度、硬度、磨料粒度,進行分析。

(1)磨料濃度與結合劑的關系

磨料濃度即代表了磨料在磨具中的所占的體積,濃度越高,說明在同等體積的磨具中磨料占的體積越多,磨削時單位時間內有較多的磨粒切削刃切削工件。根據磨具三要素的關系,濃度過高,結合劑量減少,金剛石把持不牢,使磨料過早脫落,不能充分發揮每顆金剛石應起的作用,而且造成砂輪的成本髙。濃度過低,磨具的磨削能力降低,摩擦阻力大,造成磨削力增大。必須根據加工要求選用各種濃度,根據濃度的大小,采用粘結劑量不同的結合劑。 濃度小時,粘結劑加人量少;當濃度大增加時,粘結劑量也相應增加,減少填料量,以增加對 磨粒的把持力。

(2)磨料粒度和結合劑用量的關系

配方中磨料粒度決定被加工工件的粗糙度和磨削效率,粗糙度要求髙,使用細粒度金剛石要求磨削效率高,使用粗粒度金剛石。粒度與粗糙度的關系如圖8-4。由于粒度的粗細不同,磨料的比表面積也不同。粒度越細,比表面積越大,所需結合劑量要求也多,所以氣孔率相同的磨具,細粒度比粗粒度軟。

(3)結合劑用量與硬度的關系

在同一濃度的磨具中,隨著結合劑用量的增加,磨具的硬度提高,但結合劑量過多,不但硬度提高很少,同時給混料與成型帶來很多困難。因此往往不用增加結合劑的辦法來提高硬度,而用增加填料的辦法來提高磨具的硬度和強度。提高硬度的另一個辦法就是增加成型壓 力,使磨具密度增大,磨粒之間的距離縮小,結合劑橋加粗,因而使磨粒被粘結的更牢,硬度更高。

配方的表示方法

超硬材料樹脂磨具配方表示方法,最常用的方法有兩種:即體積表示法和質量分數表示法。

1.體積表示法

由磨具的結構可知:

V磨具=V磨料+V結+V氣

 =V磨料+V粘+V填+V氣填 (8-6)

此表達式可直觀地表現出三者之間的關系:當磨具的濃度確定以后,其磨料的體積 即已確定,然后根據:

(1)同一濃度,粒度越粗,粘結劑量愈小,孔隙體積愈小;

(2)同一 粒度,濃度愈髙,粘結劑量愈大,孔隙體積基本不變;

(3)粒度愈細,濃度愈高,粘結劑量愈大的原則,確定按濃度分檔的各種粒度磨具的配方。

為簡化起見,同時也考慮到磨削加工工藝的要求,一般將磨粒粒度合并成四個檔次,分別用作粗磨60?100、半精磨120?180、精磨240?320、拋光M22/36?M0.5/1.5。表8-2列出了幾種常用濃度以體積(體積/質量)表示法表示的金剛石磨具配方表。

2.質量分數表示法

質量分數表示法實際上是由體積表示法演變而來,它在工業生產中使用起來比較方便。 將表8-2中的各種材料的體積乘以該材料的密度,然后換算成質量分數就使體積表示法的 配方變成了質量分數表示法的配方表。

例如:在表8-2中選取75%濃度、120-180粒度這一組數據進行配方換算。由式(8-1)可知:

由此將表8-2進行換算,得到表8-4。

但是,質量表示法配方在工業生產中操作起來仍有諸多不便,主要表現在每一種材料都 要現稱現配,大大增加了工作量,而且材料愈多,所出的差錯也愈多。另外每一種磨具計算出 磨削層的體積后,還需對各種材料進行計算。因此必須簡化這一手續。目前行業上普遍采取 的方法是:先按照體積表示法設計好配方,再通過質量計算,將粘結劑(樹脂)和填料所占的 質量算出,列出結合劑的重量配方表,然后按此表將結合劑預先混合好。使用時只需按磨具 體積,計算出金剛石的用量,再混合均勻即可使用。

為配料方便起見,需將上述結合劑配比折合成質量分數,并列成表8-5的形式。

這樣在配制成型料時,僅需按磨具的體積算出金剛石及結合劑質量,準確稱量后就可 以配制出成型料。

上例中成型料配比列人表8-6。

3.非金剛石層配方表示方法

國內生產的超硬材料樹脂磨具大部分均帶有非磨削層(又稱過渡層〉。過渡層的作用有:

(1)磨具制造過程中,基體與模具之間存在有一定配合間隙,致使模具定位孔和外圓的 磨削層(指外圓磨具)之間存在著事實上的不同心,通過隨后的機械加工,不同心的情況雖有 所校正,但仍難以做到絕對的同心。也就是說磨具在使用到后期出現部分區域金剛石已使用 完,而另一部分區域還存在有較多的金剛石,為了充分地利用過產部分金剛石,有過渡層的磨具就可以達到這一目的。

(2)過渡層可以是磨削層和基體間的緩沖區,有利于聯結牢固、減震等。

過渡層既然必須具備“緩沖”作用’那么它的力學性能等應該處于“中介”狀態,并對基體 有良好的粘結強度。行業生產廠家的過渡層配方各不相同,過渡層配方如表8-7。

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