超硬材料树脂磨具的成型

成型是将混好的成型料装入模具，按规程热压成具有一定形状规格和强度的毛坯制品的工艺过程。

超硬材料树脂磨具多以热压为主，其原理是在压制的过程中，使树脂熔融流动，并在保压的时间内逐渐缩聚固化或半固化，以保证磨具的密度、强度和硬度，同时还可避免磨具发泡起层和变形等废品。

1、设备与模具

（1）热压机

热压机是油压机的一种，有50t、63t、100t、200t、500t等几种。它的构造和传动原理与普通磨具所用的设备一样，所不同的是上下压板安有加热系统，并用热电偶控温，保证热压时的温度恒定。加热系统功率的大小可根据压制最大砂轮的热平衡情况而定。各类压机实际采用加热装置的功率如表1所示。

表1 压机加热装置功率

（2）模具

由于金刚石磨具结构较普通磨具复杂，所用模具结构也较为复杂。一般由下列几部分组成：模套、底板、芯棒、芯体、非金刚石压环、金刚石层压环。

由于压制砂轮时，模具本身也需要承受很大压力，因此必须对制造模具的材料进行很好的选择，使模具能具备足够的强度，以免在压制过程中变形或涨裂。通常采用合金工具钢、炭素工具钢、合金结构钢等。在制造过程中模套的内壁及压环、定位芯的外圆柱面等必须要有较好的粗糙度，以减少成型时的摩擦力。模具配合必须达到二级滑配精度，以保证产品质量，具体要求见表2。

表2 模具技术参数表

2、基体

因为超硬材料磨具价格昂贵，所以它不能象普通磨具那样制成整体，只能在磨削层部位采用超硬磨料，而且尽可能地窄些，其余部分只起着支撑磨削层、装卡在机床主轴上的作用，我们把这部分统称为基体。

金刚石树脂磨具有铝基体、胶木基体、酚醛铝粉基体、酚醛铝纤维基体等，个别也有用钢做基体（如很薄的树脂切割片）。

（1）铝基体

目前国内普遍使用锻造铝合金材料做基体。它属于A1-Mg-Si-Cu

合金系，具有较高的强度、良好的塑性和可加工性。锻造铝合金的机械性能（如强度和刚性）介于钢和酚醛树脂之间，这意味着它的性能比钢更接近树脂。因此，在树脂砂轮中应用更加广泛。

基体的形状尺寸与砂轮相适应，可在机床上加工而成。加工表面粗糙度一般达到Ra6.3μm以上；为了与过渡层结合牢固，常在结合面上开沟槽和滚刀花。结合面较宽的可开多道沟槽，结合面较窄无法开槽的，只有滚花。沟槽一般为直槽，深1~2mm。大尺寸基体也可加深，但槽深与槽宽应有比例。窄而深的沟槽内，物料压制后密度低，强度低，起不到增强的作用。为了便于成型和简化模具

结构，对于异形砂轮基体，在成型之前一般先制成类似于平行砂轮的简单形状，待成型固化之后，采用后加工方法车制所需要的准确几何形状。

（2）胶木基体

一般可用11-10胶木粉热压而成。胶木粉比重小，制出的磨具较轻，有较好的弹性，适合制作小规格的各种刃磨砂轮。制造工艺简单，成本低，但加工性能差。

（3）酚醛铝粉基体

工业生产中有两种制造方法：①先将酚醛树脂粉与铝粉按比例混合均匀，然后热压成基本形状，最后再车加工成所需的基体形状。②先投金刚石层料，冷压到要求的尺寸，然后投入酚醛树脂粉与铝粉混好的基体料，最后热压成型。它的特点是：重量略轻于铝基体，弹性较好，导热性好于胶木基体，金刚石层与基体联结十分牢固，但模具结构复杂，操作要求高。

不同类型的基体材质，力学性能不同，对磨削效果会产生一定的影响。如：①基体性能与磨削比的关系：砂轮的磨削比（G值）随着基体的弹性模量E的增大而降低。也就是说，磨削比随砂轮刚性增大而迅速下降。②基体与加工表面质量的关系：一般规律是弹性模量低而磨削比高的砂轮，加工表面粗糙度也低，酚醛铝粉基体高于铝基体，钢基体最低。③基体与磨削效率的关系：在一定范围内，砂轮的磨削效率随基体的柔韧性增大（E值下降）而提高，但当挠曲性过高（E 值很小时），G值很高，砂轮磨耗很少，效率反而降低

3、成型工艺

按工艺流程进行，分以下几个步骤：

（1）基体的准备

铝基体在加工过程中带有油污和杂质，使用前必须用汽油或二甲苯将基体清理干净，然后在基体与料的接触部位，刷上环氧树脂或液体酚醛树脂，以保证磨具与基体的牢固结合。特别是对不带非金刚石层的基体，其联接部位没有滚花及沟槽，更应该涂刷胶粘剂。

（2）模具的装配

将模具与成型料接触的部分均匀地涂上脱模剂，如二硫化钼、硬脂酸锌、肥皂液、硅脂等能起润滑作用的物质，以免砂轮被模壁粘坏，同时可减少成型时料层与模壁的外摩擦力，尽量避免压力损失。然后连基体一起装配在转台上备用。

（3）非金刚石层压制

将非金刚石的料投入模腔内，搅匀后括平、捣实；如果一次投料有困难，可分二、三次投料，再用送料环压紧；然后放上压环送入压机进行冷压。杯、碗、碟、单面凹、双面凹型砂轮，加压使非金刚石层与基体在同一水平。平行砂轮冷压至要求厚度的1.5~2倍。

（4）金刚石层压制

取出非金刚石层毛坯，将非金刚石层与金刚石层的接触面打毛，涂上一层类似环氧树脂的胶粘剂，重新装模；再投入金刚石层料，搅匀、括平、捣实；然后放上压环、垫铁，送入热压机内进行预压；待上面压平后，撤掉模套下的垫铁，再加压使底板全部压入模套内。加垫铁的目的是使模具两面受压均匀，保证磨具密度上下一致。

①成型压力由于粘合剂在热压过程中软化流动，充满模腔各个部位，因此无需太高

的成型压力，通常单位压力为30~60MPa。

②加压速度由于成型料粒度较细，速度过快空气不易跑出，容易造成起层和发泡废品，所以通常加压速度较慢；并且在加压一段时间后，再卸压放气，使空气和挥发物充分逸出，然后重新加压到规定尺寸。

③热压温度酚醛树脂为（180土5）℃；聚酰亚胺树脂为（235±5）℃。

④热压时间：随砂轮的规格变化而变化。

表3 热压时间与规格大小的关系

（5）卸模

磨具压制完毕，从压机取出后，急速冷却，将模套、芯棒、芯体、压环等卸除，这一操作应尽量采用机械卸模的条件，避免撞击，以防止磨具在卸模时损坏。由于树脂的热胀冷缩的现象比较显著，冷却后收缩比较大，影响卸模。为了保证产品的质量，有的砂轮不能冷却，需要趁热卸模：如BW2、D2、PSX、PDX。粉末基体砂轮需要热卸芯棒；B、BW、D、PDA、PSA需热卸芯体。