堆积磨料的研究开发与应用

栗正新， 王兆武

(河南工业大学 材料科学与工程学院， 郑州 450001)



堆积磨料的研究开发与应用

栗正新， 王兆武

(河南工业大学 材料科学与工程学院， 郑州 450001)

摘要：堆积磨料是许多细粒度磨料通过黏结剂黏结起来的一种新型的粗颗粒磨料，在国内外涂附磨具市场上的应用越来越多。堆积磨料具有寿命长、自锐性好等优点，应用在黏附性强的难加工磨削材料方面表现出优良的性能。本文介绍了堆积磨料的研发过程、制备原理及应用前景，并对其技术发展提出建议。

关键词：堆积磨料；磨料；刚玉；碳化硅

随着现代加工制造业的快速发展，对制造设备所需材料的性能要求也越来越高。在航空航天、精密制造等领域，钛合金、不锈钢、高强度钢等性能优异的材料被广泛应用，但这些材料强度高、韧性高、延展性高，在磨削加工过程中容易出现黏附、烧伤等问题。因此，寿命长、自锐性好的堆积磨料被研发和应用，以改善难加工材料的磨削质量。

1堆积磨料的概述

堆积磨料是许多细粒度磨料通过黏结剂黏结起来的一种新型磨料。其结构如图1所示。堆积磨料由气孔、黏结剂、磨料3个要素组成。黏结剂的种类包括橡胶、树脂、陶瓷和金属材料等，其中还添加有吸热材料、助磨材料、润滑材料等辅助材料。磨料有刚玉、碳化硅、金刚石或立方氮化硼。黏结剂和磨料的比例在2∶98和75∶25之间，一般堆积密度为0.7～1.6 g/cm3，单颗粒抗压强度为5～25 N[1]。堆积磨料由许多细粒度磨料黏结而成，每一颗堆积磨料类似微型磨具。由堆积磨料制备的磨具微观结构如图2所示。在制备过程中，堆积磨料的磨粒率、气孔率和抗压强度可以调整，以满足不同性能材料和加工工艺的个性化需求。相比同种粒度和植砂密度的砂带，堆积磨料砂带磨削时自锐性和耐用度好，不易堵塞，磨削热少，寿命长，磨削比可达70%以上，磨削表面质量稳定，非常适用于数控砂带磨床的使用。

图1　堆积磨料结构　　　图2　堆积磨料制备磨具结构

2堆积磨料的研究过程

1940年,Jackson G H等人为解决涂附磨具磨削过程中磨屑的堵塞问题提出了堆积磨料的理念，并申请了美国专利[1]。该种堆积磨料以陶瓷、树脂或橡胶为结合剂，由2～30颗细粒度刚玉或碳化硅磨粒堆积而成。将其应用于涂附磨具，磨削时取得了较好的排屑效果。同年，Benner R C等人在高温还原气氛下制备出金属结合剂金刚石堆积磨料和碳化硼堆积磨料。这两种堆积磨料自锐性差，易黏附，排屑能力差，其应用受到限制。为解决金属结合剂超硬材料堆积磨料自锐性不足和排屑困难等问题，他们又制备了陶瓷结合剂堆积磨料，其方法是将硼硅酸盐玻璃料与金刚石微粉均匀混合，烧熔成致密的大块并破碎。这种堆积磨料自锐性好，但脆性大。他们又将陶瓷堆积超硬磨料使用树脂结合剂再次堆积，最终改善了这种堆积磨料的弹性、塑性和回复性，取得了较好的效果[2]。1962年，Hurst E以树脂或硫化橡胶为结合剂制备出四面体形堆积磨料颗粒，并利用纤维来增强结合剂强度。该种磨料用于涂附磨具,大大延长了磨具的寿命[3]。1976年，Elbel K等人将树脂堆积磨料应用于橡胶磨轮中，在研磨时，堆积磨料颗粒之间的运动不互相干涉，增大了研磨效率和工件去除量，降低了磨料损耗。相对于大颗粒磨料，堆积磨料的不规则表面可增加结合剂对堆积磨料的把持力[4]。1982年，Bernhardt E等人制备了一种脆性陶瓷堆积磨料，结合剂占总体积的45%～75%，结合剂的强度大于堆积磨料的断裂强度。这种堆积磨料抗疲劳磨损，相对于有机结合剂堆积磨料而言，具有高导热性，用于涂附磨具制备，可进行连续研磨[5]。1983年，Eisenberg G等人使用挤压法制备出粒度集中的堆积磨料。其步骤是将磨料与结合剂颗粒混匀，加入临时黏结剂，使其具有一定的可塑性，通过在筛网上挤压得到颗粒，固化，过筛，根据筛网直径获得所需粒度的堆积磨料[6]。1985年，Rostoker D等人制备了以多孔玻璃为结合剂的堆积磨料。其是将多孔玻璃粉末与磨料混合后烧结而成，磨料被多孔玻璃包裹在气孔的边缘。这种堆积磨料具有很大的气孔率和脆性，自锐性很好，冷却效果显著，用于砂布、砂纸，效果很好[7]。堆积磨料增大气孔率后，用于涂附磨具，可显著提高研磨效率[8]。1987年，Bloecher U等人制备了易冲蚀的树脂黏结剂堆积磨料，结合剂中添加了木粉、蛭石等物质，填料起到了助磨和增大自锐性的作用，用于砂纸和研磨剂，比普通的单层磨料研磨工件去除率高[9]。随机形状堆积磨料制备的涂附磨具无法控制磨削时与工件接触的磨粒数量，为解决此问题，1996年Holmes G L等人制备了精密形状堆积磨料及其砂带制品。他们采用固定形状的凹槽(比如金字塔形)，在其中填满磨粒、填料和树脂结合剂的混合物，将布基覆盖在凹槽上，使用紫外光、红外光等加热手段使结合剂固化，然后将混合物从凹槽中脱出来，得到固定形状、大小、规则分布的堆积磨料砂布制品，使磨削过程中与工件接触的磨料数量可控[10]。1997年，Benguerel R制备了金属或陶瓷结合剂的金刚石堆积磨料和立方氮化硼的堆积磨粒，将这种超硬材料的堆积磨料使用树脂结合剂固定到砂轮的基体上，得到超硬材料堆积磨料树脂砂轮[11]。1999年，Todd J等人改进工艺，制备出了梯形台状堆积磨料砂布，使在磨削过程中工件与磨料的接触数量基本固定[12]。2000年，大石道広制备了具有三层结构的四面体或棱柱磨料的磨具[13]。将金刚石磨料、结合剂和填料混合后注入特定形状的模具，加热后涂上一层黏结剂，将基体层铺上，加热固化形成磨具，将其用于磨削光纤连接器端面，磨削质量和效率良好。2003年，Mcardle J L等人采用挤压制粒的方法制备了陶瓷堆积磨料。这种磨料是将陶瓷和有机材料作为前躯体与磨料混合，挤压成颗粒，通过加热制备而成的。将其用于磨削滚筒摇臂，磨削效率很好[14]。2006年，斯坦利·B·科林斯等人制备了具有抛物面结构的堆积磨料，磨料表面覆有涂层[15]。这种堆积磨料是以树脂为结合剂制成浆料，然后滚压、固化而成。制备的每颗磨料具有4个抛物面，在磨削不锈钢、钛合金等黏附材料中效果良好。

随着高强、高韧和硬脆材料的不断开发和高效率、高精度加工技术的不断发展，近年来国内外采用堆积磨料制备磨具的研发和商业推广成为趋势。2010年，王基峰制备了球形磨料体，单颗粒磨料的粒径为0.005～2 mm，提高了抛光效果和磨削功效，磨具的耐用程度提高了5～10 倍，大幅度降低了生产成本[16]。2012年，牛文龙等人制备了一种无机结合剂堆积磨料，并采用堆积磨料制造了砂布[17]。这种堆积磨料是以无机材料为结合剂，以磨料单颗粒群为主体，包含活性吸热材料、无机吸热材料、惰性助磨材料、润滑材料等，采用低温固化工艺制备而成。同时还有有机结合剂堆积磨料，是以有机高分子为结合剂，同样采用低温固化工艺而成。将其用于砂带，可使磨削效率和磨具寿命、工件表面质量都得到提高。2013年，方文俊等人提出了一种超细金刚石陶瓷结合剂堆积磨料的制备方法[18-19]。其工艺是：在陶瓷结合剂的溶胶里加入超细金刚石微粉，浆料经喷雾干燥，获得干坯球形堆积磨料，经煅烧后，获得超细金刚石陶瓷结合剂堆积磨料。2014年，仝俊峰等人以棕刚玉微粉为单颗磨粒，以低温陶瓷为结合剂，采用压制法制备了堆积磨料，探讨了结合剂的化学成分、烧结工艺对堆积磨料性能的影响[20]。蒋蒙宁等人制备了一种高空隙率的轻堆积复合磨料，用于涂附磨具，可显著提高工件表面质量、磨削效率和使用寿命[21]。

3堆积磨料的制备和性能

堆积磨料的配方包括单颗磨粒、结合剂和添加剂。单颗磨粒可以是石榴石、河沙等天然磨料，或刚玉、碳化硅、金刚石、立方氮化硼等人造磨料；结合剂可以是陶瓷、树脂或金属；添加剂主要是具有增强、散热和助磨作用的材料。制备的工艺包括滚粒法、压粒法、浇注法。堆积磨料的形状分随机颗粒和几何形状颗粒，根据制备方法不同可以是不规则形状、圆形、四面体形、带形、板形等。

3.1堆积磨料的配方、制备工艺

针对棕刚玉堆积磨料的需求，本文制备了有机结合剂和陶瓷结合剂刚玉堆积磨料。其原料配方分别如表1、表2所示。采用了压粒法和滚粒法制粒工艺，分别如图3、图4所示。

表1　有机结合剂堆积磨料配方　wt%

注：A表示粒度号为P400的棕刚玉磨料，以此为100份，其他含量为相对磨料的比例。

表2　陶瓷结合剂堆积磨料配方　wt%

注：A表示粒度号为P400的棕刚玉磨料，以此为100份，其他含量为相对磨料的比例。

图3　压粒法制备堆积磨料工艺

图4　滚粒法制备堆积磨料工艺

有机结合剂主要成分是酚醛树脂，固化温度为185 ℃；陶瓷结合剂属于Li-Al-Si低温体系，烧结温度是750 ℃。通过工艺控制，制备出了D50为500 μm的堆积磨料。

3.2磨削实验

将制备好的棕刚玉堆积磨料采用重力植砂方式加工成砂带，对TC4钛合金进行磨削实验。实验条件如表3所示。磨削到砂带失效为止，实验结果如表4所示。

从实验结果可知，堆积磨料砂带寿命提高了2.35倍。由于是恒进给磨削，因此磨削比的变化不是很明显，但是相对传统砂带有所提高。

4结语

在工业生产中随着钛合金、低碳钢、合金钢、不锈钢、有色金属及其合金的大量使用，难加工材料的磨削加工对堆积磨料的要求越来越高。刚玉、碳化硅、金刚石和立方氮化硼可制备成不同粒度、不同力学性能和磨削性能的堆积磨料，广泛用于各种材料的磨削。堆积磨料的长寿命、高效率将会推进磨削技术的快速发展，并产生良好的经济和社会效益。

表3　棕刚玉堆积磨料砂带磨削TC4钛合金实验条件

表4　堆积磨料砂带与普通砂带磨削TC4钛合金实验结果

参考文献:

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(责任编辑：席艳君)

收稿日期：2016-02-27

作者简介：栗正新(1964-)，男，河南沁阳人, 教授, 主要研究方向为磨料磨具制造。

文章编号：1671-6906(2016)03-0050-04

中图分类号：TG732

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.03.012

Research and Application of Agglomerated Abrasive Grains

LI Zheng-xin， WANG Zhao-wu

(Henan University of Technology, Zhengzhou 450001， China)

Abstract:Agglomerated abrasive grain is that of large grains which made of small grains cohered by adhesives. Owing to agglomerated abrasive grains merits of long grinding duration and easy self-sharpen, it has successfully applied to grind difficult-to-cut materials as coated abrasive belt recent years. It performs better than conventional abrasives to grind parts that made from the materials with more ductile. The fabricated method, development and prospect are discussed in this paper as well as suggestions on its developing in future.

Key words:agglomerated abrasive grains; abrasives；corundum; SiC