堆积磨料的研究开发与应用.docx

积存磨料的争论开发与应用栗正;王兆武【摘 要】Agglomerated abrasive grain is that of large grains which made of small grains cohered by adhe-sives.Owing to agglomerated abrasive grains merits of long grinding duration and easy self-sharpen,it has suc-cessfully 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.%积存磨料是很多细粒度磨料通过黏结剂黏结起来的一种型的粗颗粒磨料，在国内外涂附磨具市场上的应用越来越多。积存磨料具有寿命长、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。本文介绍了积存磨料的研发过程、制备原理及应用前景，并对其技术进展提出建议。【期刊名称】中原工学院学报【年(卷),期】2023(027)003【总页数】4 页(P50-53)【关键词】积存磨料;磨料;刚玉;碳化硅【作 者】栗正;王兆武【作者单位】河南工业大学 材料科学与工程学院，郑州 450001;河南工业大学 材料科学与工程学院，郑州 450001【正文语种】中 文【中图分类】TG732随着现代加工制造业的快速进展，对制造设备所需材料的性能要求也越来越高。在航空航天、周密制造等领域，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，在磨削加工过程中简洁消灭黏附、烧伤等问题。因此，寿命长、自锐性好的积存磨料被研发和应用，以改善难加工材料的磨削质量。积存磨料是很多细粒度磨料通过黏结剂黏结起来的一种型磨料。其构造如图 1所示。积存磨料由气孔、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、润滑材料等关心材料。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 298 和 7525 之间，一般积存密度为 0.71.6 g/cm3，单颗粒抗压强度为 525 N1。积存磨料由很多细粒度磨料黏结而成，每一颗积存磨料类似微型磨具。由积存磨料制备的磨具微观构造如图 2 所示。在制备过程中，积存磨料的磨粒率、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共性化需求。相比同种粒度和植砂密度的砂带，积存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，磨削外表质量稳定，格外适用于数控砂带磨床的使用。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积存磨料的理念，并申请了美国专利 1。该种积存磨料以陶瓷、树脂或橡胶为结合剂， 由 230 颗细粒度刚玉或碳化硅磨粒积存而成。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 等人在高温复原气氛下制备出金属结合剂金刚石积存磨料和碳化硼积存磨料。这两种积存磨料自锐性差，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积存磨料自锐性缺乏和排屑困难等问题，他们又制备了陶瓷结合剂积存磨料，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裂开。这种积存磨料自锐性好，但脆性大。他们又将陶瓷积存超硬磨料使用树脂结合剂再次积存，最终改善了这种积存磨料的弹性、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周体形积存磨料颗粒，并利用纤维来增加结合剂强度。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 等人将树脂积存磨料应用于橡胶磨轮中，在研磨时，积存磨料颗粒之间的运动不相互干预，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，积存磨料的不规章外表可增加结合剂对积存磨料的把持力4。1982 年，Bernhardt E 等人制备了一种脆性陶瓷积存磨料，结合剂占总体积的 45%75%，结合剂的强度大于积存磨料的断裂强度。这种积存磨料抗疲乏磨损，相对于有机结合剂积存磨料而言，具有高导热性，用于涂附磨具制备，可进展连续研磨5。1983 年，Eisenberg G 等人使用挤压法制备出粒度集中的积存磨料。其步骤是将磨料与结合剂颗粒混匀，参加临时黏结剂，使其具有肯定的可塑性，通过在筛网上挤压得到颗粒，固化，过筛，依据筛网直径获得所需粒度的积存磨料6。1985 年，Rostoker D 等人制备了以多孔玻璃为结合剂的积存磨料。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。这种积存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。积存磨料增大气孔率后，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积存磨料，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，比一般的单层磨料研磨工件去除率高9。随机外形积存磨料制备的涂附磨具无法掌握磨削时与工件接触的磨粒数量，为解决此问题，1996 年 Holmes G L 等人制备了周密外形积存磨料及其砂带制品。他们承受固定外形的凹槽(比方金字塔形)，在其中填满磨粒、填料和树脂结合剂的混合物，将布基掩盖在凹槽上，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，得到固定外形、大小、规章分布的积存磨料砂布制品，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积存磨料和立方氮化硼的积存磨粒，将这种超硬材料的积存磨料使用树脂结合剂固定到砂轮的基体上，得到超硬材料积存磨料树脂砂轮11。1999 年，Todd J 等人改进工艺，制备出了梯形台状积存磨料砂布，使在磨削过程中工件与磨料的接触数量根本固定12。2023 年，大石道広制备了具有三层构造的四周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外形的模具，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。2023 年，Mcardle J L 等人承受挤压制粒的方法制备了陶瓷积存磨料。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。2023 年，斯坦利·B·科林斯等人制备了具有抛物面构造的积存磨料，磨料外表覆有涂层15。这种积存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进展，近年来国内外承受积存磨料制备磨具的研发和商业推广成为趋势。2023 年，王基峰制备了球形磨料体，单颗粒磨料的粒径为 0.0052 mm，提高了抛光效果和磨削成效，磨具的耐用程度提高了 510 倍，大幅度降低了生产本钱16。2023 年， 牛文龙等人制备了一种无机结合剂积存磨料，并承受积存磨料制造了砂布17。这种积存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，承受低温固化工艺制备而成。同时还有有机结合剂积存磨料，是以有机高分子为结合剂，同样承受低温固化工艺而成。将其用于砂带，可使磨削效率和磨具寿命、工件外表质量都得到提高。2023 年， 方文俊等人提出了一种超细金刚石陶瓷结合剂积存磨料的制备方法18-19。其工艺是：在陶瓷结合剂的溶胶里参加超细金刚石微粉，浆料经喷雾枯燥，获得干坯球形积存磨料，经煅烧后，获得超细金刚石陶瓷结合剂积存磨料。2023 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，承受压制法制备了积存磨料， 探讨了结合剂的化学成分、烧结工艺对积存磨料性能的影响20。蒋蒙宁等人制备 了一种高空隙率的轻积存复合磨料，用于涂附磨具，可显著提高工件外表质量、磨 削效率和使用寿命21。积存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 自然磨料，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加、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。积存磨料的外形分随机颗粒和几何外形颗粒，依据制备方 法不同可以是不规章外形、圆形、四周体形、带形、板形等。针对棕刚玉积存磨料的需求，本文制备了有机结合剂和陶瓷结合剂刚玉积存磨料。 其原料配方分别如表 1、表 2 所示。承受了压粒法和滚粒法制粒工艺，分别如图 3、图 4 所示。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 。通过工艺掌握，制备出了 D50 为 500 m 的积存磨料。将制备好的棕刚玉积存磨料承受重力植砂方式加工成砂带，对 TC4 钛合金进展磨削试验。试验条件如表 3 所示。磨削到砂带失效为止，试验结果如表 4 所示。从试验结果可知，积存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。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积存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积存磨料，广泛用于各种材料的磨削。积存磨料的长寿命、高效率将会推动磨削技术的快速进展，并产生良好的经济和社会效益。【相关文献】1 Jackson G H, Falls N. 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Erodible Agglomerates and Abrasive Products Containing the Same: America, 4799939P.1989-06-24.9 Bloecher U, Paul S, Duwell E J, et al.Erodable Agglomerates and Abrasive Products Containing the Same: America, 4652275P.1987-03-24.10 Holmes G L, Heights V, Culler S R, et al.Precisely Shaped Particles and Method of Making the Same: America, 5549962P.1996-09-27.11 Benguerel R. Grinding Wheel, Grinding Rim for a Grinding Tool, and Method of Manufacturing A Grinding Tool: America, 5651729P. 1997-07-29.12 Todd J, Oakdale C. Coated Abrasive Article, Method for Preparing the Same, and Method of Using a Coated Abrasive Article to Abrade a Hard Workpiece: America, 5975988P.1999-11-02.13大石道広. 具有三维构造研磨层的磨料: 中国, 00817334P. 2023-12-21.14Mcardle J L，Wood W P. Grain Abrasif Agglomere et Procede de Production Correspondant: America, 1356008P.2023-10-29.15斯坦利·B·科林斯，约翰·D·哈斯. 具有抛物面的构造磨料: 中国, CN1882420P. 2023-12-20. 16王基峰. 耐磨砂布: 中国, 202320531478P.2023-05-25.17 牛文龙，孔德夫，麻金凤，等. 一种无机结合剂积存磨料及承受积存磨料制造砂布的方法: 中国, 202310240753.0P.2023-10-17.18 方文俊，万隆，宋冬冬，等.溶胶凝胶法陶瓷结合积存磨料的制备与性能争论J.人工晶体学 报，2023,43(9):2192-2197.19 方文俊，万隆，王俊沙，等.一种超细金刚石陶瓷结合剂积存磨料及其制备方法: 中国, CN103273434 AP.2023-09-04.20 仝俊峰，栗正，高飞，等. 煅烧工艺对棕刚玉磨料力学性能影响的争论J. 超硬材料工程, 2023(1): 11-14.21蒋蒙宁,卢志安.一种轻积存复合磨料及其制备方法: 中国, 104440608 AP. 2023-11-17.