树脂结合剂金刚石砂轮设计及应用*

刘 伟, 刘一波,尹 翔,葛 科

(1.安泰科技股份有限公司,北京　100081;2.北京安泰钢研超硬材料制品有限责任公司,北京　102200)



树脂结合剂金刚石砂轮设计及应用*

刘 伟1, 刘一波2,尹 翔,葛 科

(1.安泰科技股份有限公司,北京100081;2.北京安泰钢研超硬材料制品有限责任公司,北京102200)

树脂结合剂金刚石砂轮(resin bond diamond grinding wheel)由于具有自锐性好、胎体柔性和易于修整等特点而广泛用于各种难加工材料精密加工。文章主要就树脂结合剂金刚石砂轮的设计思路、性能影响因素以及加工应用进行简单综述，最后对提高我国树脂结合剂金刚石砂轮性能提出了几点建议。

树脂结合剂;金刚石砂轮;精密加工;修整

1　树脂结合剂金刚石砂轮介绍

树脂结合剂超硬材料工具主要是以金刚石或cBN为磨料，以树脂粉为粘接剂，加入适当的填充材料，经过配方设计、称混料、热压成型、二次固化、后续加工处理等工艺过程制成的适用于不同磨削要求的超硬工具[1]。与陶瓷结合剂或金属结合剂超硬磨具相比，它具有制造工艺简单，原材料易得，成本低等特点，且能够大量适用低品质超硬磨料，加工对象广泛，如各种难加工钢材、硬质合金、玻璃、陶瓷、石材等。由于树脂超硬磨具在磨削过程中具有较好的自锐性，不易堵塞，磨出的工件具有表面质量好，砂轮易于修整等优点而得到广泛的应用。

树脂金刚石工具所用的树脂结合剂主要分为酚醛树脂和聚酰亚胺树脂两大类，其种酚醛树脂金刚石工具实际工作温度不超过120℃，聚酰亚胺树脂耐热性稍好，可在260℃下长期使用。由于聚酰亚胺树脂的价格相对昂贵，尤其是近年来科学家对酚醛树脂进行改性使其实际工作温度也能到达200℃以上，如英国Advanced Resins Limited 公司的939P，故酚醛树脂的使用日益广泛。本文将主要介绍树脂金刚石工具的设计思路及影响因素。

2　树脂结合剂金刚石工具的设计

树脂结合剂金刚石工具的设计主要基于如下五个方面[2]：

(1)粘结性必须好。结合剂能均匀分布于磨料表面,将磨粒牢固地把持在磨具中,并且能牢固地粘结在基体上,既使磨料不易过早脱落,又防止结合剂与基体分离,保证生产安全。

(2)磨削效率高,耐磨性好,加工光洁度(或表面粗糙度)好。树脂结合剂因具有弹性和脆性,所以在磨削中自锐性好,不易堵塞,但耐磨性较差。因此我们在研究和设计结合剂配方时必须考虑在保证光洁度要求的前提下,既要有高的磨削效率,又要尽可能有高的耐磨性。结合剂的配制非常关键,要选择最佳配比的结合剂,既要满足较高的磨削效率,又要满足较好的耐磨性,二者兼顾,才能保证磨削加工的要求,又能达到降低成本的目的。

(3)耐热性要好。如果结合剂的耐热性较差,使磨具在使用过程中不耐高温,消耗快,甚至因为磨削热过高,而使磨具烧伤、裂纹、脱环等,因此(1)选用耐热性好的粘结剂和加入适当的填充料,以提高其耐热性;(2)尽可能采用冷却液进行湿磨,以提高磨具的耐用度;(3)如果采用干磨,则尽可能使进刀量小一些,以提高磨具的耐用度。

(4)结合剂强度必须高。结合剂的强度直接影响磨具在使用过程中的磨削效率、磨耗的大小、工件质量好坏以及安全性能等,因此必须对影响结合剂强度的因素有所了解。影响结合剂强度的因素主要有：(1)填充料的加入会使结合剂强度提高或降低,多数填充料加入后能使机械强度提高,并且在一定范围内随着添加量的增加而增加,但磨耗比降低。有的填充料,如石墨和固体二硫化钼,加入后使强度反而降低,因此根据要求合理选用填充料；(2)磨具的成型密度(或磨具的气孔率)会影响结合剂强度。磨具的成型密度低,气孔率就高,则结合剂强度低,反之结合剂强度高。因此要合理设计磨具气孔率参数；(3)磨具成型的硬化温度和二次硬化温度高低以及升温曲线都会影响结合剂强度。

(5)结合剂硬度必须合适,耐磨性能好。结合剂的强度必须与金刚石(或cBN)磨粒的磨损速度相匹配，不能因为结合剂的磨耗过快，而使磨粒过早脱落，那样的话，磨料就得不到充分使用，造成浪费。

3　树脂结合剂金刚石工具的影响因素

树脂金刚石工具由树脂结合剂、填料和金刚石磨料经混合后热压固化而成。其性能也直接受树脂结合剂、填料和金刚石磨料的影响。

3.1结合剂的影响，主要包括结合剂种类和含量的影响等

(1)各种树脂结合剂金刚石工具的共同特点是耐热性较差，在加工工件的过程中，金刚石工具和工件之间产生的热量容易使局部温度过高，一旦达到临界值，树脂结合剂对金刚石的把持失效，金刚石在没有完全磨钝的条件下就会脱落，从而使加工费用大幅提升。目前主要是通过对树脂结合剂进行改性来提高其耐热性能的。高良倡[3]采用方烷基醚改性酚醛树脂，其耐热性能够达到180℃以上。杜杨等[4]以有机硅预聚合物、硼酸、苯酚和甲醛为原料合成的新型含硼硅酚醛树脂BSP，由于酚醛树脂结构中引入B—O键和有机硅链，BSP树脂具有优良的耐热性和韧性，同时也改善了树脂的耐水性和储存稳定性。肖东政等[5]采用BMI(双马来酰亚胺)改性酚醛树脂获得了耐热性较好的双马来酰亚胺改性酚醛树脂。

(2)树脂结合剂含量的影响。树脂结合剂含量对金刚石工具加工性能有较大的影响。文献[24]介绍了在单晶硅片减薄砂轮中，树脂结合剂含量增加，砂轮的硬度、抗压强度逐渐增大，当树脂结合剂含量增加到一定程度时，砂轮磨耗比的提高趋于缓慢，同时砂轮表面容易出现堵塞现象，同时含量越高，堵塞现象越严重。

(3)树脂结合剂粒度的影响。国内用作金刚石磨具生产的树脂粉粒度大多在80～180目之间，这样的粒度范围存在两个缺陷，一是影响磨具的压制成形性能，二是可能影响结合剂的性能。在压制过程中，树脂粉虽可受热软化，并有一定流动性，达到包覆磨粒的目的，但在压制过程中，结合剂料是在模具内受压的，空间有限，树脂的流动范围也有限，当树脂粉粒度粗时，就会有部分磨料粘结不牢固，从而过快脱落。有研究表明当树脂粒度细化后，可改善成形料的流动性，有利于磨具的热压成形[6]。

3.2填充料的影响，主要包括填料种类和含量的影响等

填充料是金刚石磨具的一个重要组成部分，加入适量的填充料不仅可以大大降低成本，还可提高磨具的机械强度，延长使用寿命。

(1)填充料种类较多，加入不同种类的填料对磨具的影响也不同。按性质和用途可分为四类：①不活泼填充料。用于可塑工艺，目的是降低磨具成本；②活泼填充料。增塑吸附效应，使磨粒与结合剂粘合能力增强；③补强填料。如玻璃纤维，碳纤维等，目的是增加结合剂强度；④降低结合剂强度填料。制成适合修整工具的磨具。

在超硬材料树脂磨具中，其作用主要是用来改善结合剂的耐热性、硬度、强度，最终目的是提高耐用度。填充料的种类繁多，对于金刚石树脂磨具，酚醛树脂结合剂所用填料，国内常见的是Cr2O3，ZnO和Cu粉；聚酰亚胺结合剂所用填料，除Cu粉外，国外用于干磨时加Zr、Co、CaCO3等，用于湿磨时，可加石英粉(SiO2)、铝氧粉(Al2O3)等陶瓷材料。

表1　常见填料及其作用

车剑飞等[7]人采用原味生产法对酚醛树脂进行了纳米粒子TiO2Al2O3SiO2填充改性，研究了纳米粒子填充改性对树脂分子结构、耐热性、冲击性能和流变性能的影响，结构表明，改性结构无影响，能够显著提高树脂的耐热性能，提高其分解温度约150℃，当填充量为5wt%时，用TiO2改性树脂的冲击强度可提高到普通酚醛树脂的231%。

各种改性树脂又都具有不同的特性，邹文俊等[8]利用纳米SiO2(原位聚合和共混方法分散到酚醛树脂中)改性酚醛树脂，可提高磨具的耐热性以及磨削比，且材料价格廉价，适用性较高。

陈锋等[9]研究表明，铜锡合金粉的铜锡比例，含量、粒度对树脂结合剂超硬制品的力学性能影响显著，只有选择适当铜锡比例、含量、粒度的铜锡合金粉才能获得具有优异力学性能的树脂超硬制品。

3.3磨料金刚石的影响，主要包括金刚石镀覆、种类和粒度等的影响。

(1)金刚石表面镀覆金属后，单颗粒抗压强度都有所提高，同时磨耗比下降，即延长了使用寿命。与不镀覆的金刚石相比，具体作用还包括以下几个方面：①镀层减缓对树脂结合剂的热脉冲，金刚石镀层的导热率比金刚石小，因此金刚石磨粒接触工具时，产生的瞬时高温经过镀层后传给树脂，从而保护紧接磨料部位的树脂不受高温损伤；②镀层提高金刚石与结合剂的结合强度，金属镀层内包金刚石，外部与树脂结合剂能良好粘结；③镀层提高金刚石颗粒抗破碎强度，镀覆金属后金刚石颗粒的缺陷得到弥补，起到了补强作用，且镀层含有韧性金属，有利于提高颗粒抗破碎强度；④镀层对磨粒起隔离保护作用，隔绝外界氧及其它有害介质的作用，同时在磨削高温下，镀层对金刚石晶体的石墨化能起抑制作用。

(2)国内外超硬材料厂家对超硬磨料进行了较为细致的分类，其中低品质的金刚石磨料或通过特殊工艺处理的具有高自锐性和微破碎性的金刚石磨料，主要用于树脂结合剂金刚石工具的制备。如E6公司提供的PDA433，PDA321，PDA311，PDA211等牌号的金刚石，具有高自锐性和微破碎性。目前国内树脂模具普遍使用RVD型金刚石磨料，其颗粒多为针片状，晶型不规则，强度低、脆性大、表面粗糙但磨削锋利，与树脂结合剂结合良好；近年来国内开发的多晶CSD型金刚石磨料用于树脂结合剂磨具，显著提升了树脂金刚石工具的锋利度。

3.4修整对树脂结合剂金刚石砂轮的影响

修整过程是砂轮制备中不可或缺的因素，通过整形能够获得各种形状的树脂金刚石砂轮，通过砂轮修锐使树脂结合剂金刚石砂轮表面金刚石出刃，合适的修整加工直接影响砂轮的使用性能。邹大程[10]设计了一种新型树脂结合剂金刚石砂轮修整方法，并用白刚玉、碳化硅、碳化硼、钼、钼铁合金等方法分别进行砂轮修整实验，通过对比分析各种方法的修整力、表面形貌精度、砂轮修锐效果以及磨削性能，以此对比不同修整方法对树脂结合剂金刚石砂轮的修整效果。选用适合于实际应用的修整技术将有助于提高树脂金刚石砂轮的使用性能。

4　树脂结合剂金刚石工具的应用

树脂结合剂超硬工具具有磨削力小、磨削热少、自锐性好、加工效率高、加工表面光洁度高等优异特性，主要用于切割、精磨、半精磨、刃磨和抛光等加工，目前已经成为超硬工具中使用量最大的一类，在贵重陶瓷材料加工，半导体材料加工，磁性材料加工，金属材料加工方面的应用越来越广泛。树脂金刚石研磨盘应用于显示屏玻璃加工，替代传统游离磨料研磨加工，能够提高显示屏的加工效率，改善表面质量，降低加工成本。邓朝晖等[11]对纳米结构金属陶瓷(n-WC/Co)涂层材料在金刚石砂轮精密磨削工程中的磨削力进行了较详细的试验研究。在相同磨削条件下，纳米结构陶瓷涂层的磨削力始终高于常规结构陶瓷涂层的磨削力；同等磨削条件下，树脂结合剂砂轮磨削工具按所需的磨削力大于金属结合剂砂轮。本俊之等[12]利用紫外线固化树脂开发树脂结合剂金刚石线锯替代传统游离磨料切削半导体大直径硅片，解决了传统切割加工工作环境恶劣、生产效率低等问题。Ke-hua Li等[13]对IC硅片超精密背面用树脂2000#金刚石砂轮加工问题进行了研究，结果表明通过优化结合剂配方，使结合剂磨损速度与金刚石脱落速度达到匹配，材料去除率达到10.236mm3/s,表面粗糙度Ra为5.122nm。林培勇等[14]介绍了树脂结合剂金刚石砂轮在单晶硅片磨削中轴向磨削力的变化规律以及轴向磨削力与磨削工艺参数之间的关系，为树脂砂轮在单晶硅应用方面的力学分析提供一个思路。

5　结　语

从目前的市场而言，我国已经是树脂金刚石砂轮的生产使用大国，产品数量已经远远超过了国外树脂金刚石砂轮，但质量上还有相当大的差距，国内目前只局限于生产中低端砂轮。例如，笔者曾经在国内某合金加工厂见到3A1-150的树脂砂轮，美国进口单价为人民币10000元，该厂厂长介绍说国内没有厂家能够提供该产品，就连转型比较成功的韩国金刚石企业新韩公司和二和公司都不能生产。笔者认为提高树脂金刚石砂轮质量应该从如下几个方面开展工作：

(1)从树脂源头来开展工作，树脂结合剂砂轮制造厂家、树脂生产厂家和砂轮使用厂家形成联盟共同开发合适的树脂结合剂，同时细化树脂的粒度。

(2)引进控温精度高的热压机，优化热压合成工艺以及二次固化工艺。笔者了解国外树脂砂轮生产商采用的热压机温度误差控制在3℃以内，而国内设备温差基本上都在5℃以上。

(3)优化砂轮配方，根据不同的加工对象来设计砂轮配方，形成配方与使用对象相对应的数据库，便于指导砂轮的配方设计。

[1]邹文俊.有机磨具制造[M].北京： 中国标准出版社，2001 ：226-250．

[2]宋月清，刘一波. 人造金刚石工具手册[M]. 北京：冶金工业出版社，2014．

[3]高良倡.芳烷基醚-苯酚树脂的改性研究[J].玻璃钢/复合材料，1994，(1)：14-16．

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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

刘伟，男1982，硕士，工程师，主要从事超硬材料精密磨削制品研发及其应用。E-mail：liuwei@gangyan-diamond.com

刘一波, 博士生导师， 安泰科技股份有限公司，北京安泰钢研超硬材料制品有限责任公司副总经理兼总工程师。E-mail: liuyibo@atmcn.com

TQ164

A

1673-1433(2016)04-0047-04

引文格式：刘 伟, 刘一波,尹 翔,等.树脂结合剂金刚石砂轮设计及应用[J].超硬材料工程，2016，28(4)：47-50.