耐热酚醛树脂金刚石砂轮的磨削性能

1.前言
本文研究了耐热酚醛树脂和“2123”酚醛树脂作为金刚石砂轮结合剂的耐磨情况。

磨削试验结果表明：耐热酚醛树脂粉制作的金刚石砂轮具有较好的耐磨性，所加工工件的表面质量优良。

通过热性能、力学性能测试和磨削表面分析，找出了两种树脂砂轮耐磨性和磨削效率存在差异的原因，树脂耐热温度的高低、韧性直接影响砂轮的耐磨性；树脂的硬度对砂轮的磨削效率有影响。

目前国内生产树脂金刚石砂轮使用最多的结合剂是各种改性的酚醛树脂和聚酰亚胺树脂，酚醛树脂作为普遍应用的树脂磨具结合剂，具有价格低廉、综合性能优越、生产工艺简单等优点[1]。

国内树脂磨具中酚醛树脂牌号多为“2123”，“2123”树脂在150—180℃成型，具有一定的机械强度。

但“2123”树脂耐热性较低，一般工作温度不能超过170℃，长期工作温度不能超过120℃，不适于大进刀，深切削加工。

本文对一种耐热酚醛树脂的热性能进行了表征，对其进行了力学性能试验和磨削试验，并与“2123”树脂进行了对比，通过对砂轮的磨削面进行观察，分析了两者耐磨性差异的原因。

2. 实验
2.1 实验原材料
人造金刚石：型号RVD，粒度140/170
硬质合金刀具：型号YG8，株州长江硬质合金刀具有限公司
耐热酚醛树脂：武汉泰格斯科技发展有限公司
“2123”酚醛树脂：市售
固化剂：六次甲基四胺（HMTA），市售
2.2 仪器设备及实验过程
2.2.1 砂轮的压制使用MYS-100型热压机，按照相应的固化工艺制度压制，砂轮的后固化在电热干燥箱中进行。

砂轮规格：1A1 100×16×20×4 RVD140/170 B 75。

2.2.2 热失重实验用德国耐驰公司NETZSCH STA 449C型号的综合热分析仪，以10K/min的升温速率分别在空气和N2氛围中测试材料的热稳定性和热分解温度，据此研究材料的结构与性能。

2.2.3力学性能样条按1：1的比例，在树脂中加入预先用甲酚润湿过的220#碳化硅，然后按要求放入模具，按130℃1h+140℃1h+160℃0.5h的固化制度压制固化，后固化温度为180℃2h。

用KZOQ-Ⅰ型全自动抗折强度试验机，NS2000抗拉强度试验机进行力学性能测试；洛氏硬度采用山东华银HR-150A
洛氏硬度机进行测试，载荷100KG。

2.2.4 磨削试验在郑州大华机电技术有限公司生产的DHM-3型磨削性能试验机上进行。

砂轮转速：5000转/分；加载压力：500---1000g，恒力加载；摆动频率：20次/分。

2.2.5 用XTL-3400型体式显微镜对砂轮磨削表面进行微观分析。

3. 结果与讨论
3.1 耐热酚醛树脂的TG-DSC表征
此酚醛树脂残碳率为54.6%，树脂的分解过程基本分为三个阶段。

在200～300℃，树脂在N2中失重为2.19%，DSC曲线在235.9℃有一个微弱的吸热峰，这是树脂进一步交联固化或者羟甲基等端基脱落的失重峰，这一部分的失重是由于树脂中热解产物水和甲醇等小分子的挥发。

300～600℃这一区间为主失重区间，在N2气氛下，失重35.56%， DSC曲线在465.3℃有一个较宽的吸热峰，主要是苯环之间的亚甲基桥的断裂，热解产物为酚类同系物；在空气气氛下，此区间失重高达74.12%，DSC吸热峰在393.6℃，此阶段失重表现为树脂的分解、炭化。

这是因为在氧存在下，亚甲基转化为氢过氧化物，最后形成酮结构，形成的酮容易发生自由基断裂，同时两个酚环之间可经分子内脱水后烷化成氧杂蒽环，酮和醚键的分解形成大量副产物，如水、CO、CO2等。

600～800℃是高温脱氢成炭反应，在N2中，这一区间失重7.02%。

在空气中反应仍很剧烈，DSC 曲线在560.8℃的吸热峰之后又迅速的在606.7℃出现一个吸热峰，说明亚甲基的热解过程已经完成，
有新的剧烈的反应产生，即：酚核在高温下被剧烈氧化成醌式结构，进而分解形成CO2、CH4、水等小分子。

到了660℃以后，吸热峰很快下降并结束，说明此时反应基本完全，在空气中，最终残余量为8%。

从整个TG-DSC曲线分析可以得知，该树脂在250 ℃之前的热稳定性较好，树脂的耐热温度越高对提高砂轮的磨削性能很有益处。

3.2 力学性能分析
树脂结合剂的强度高低决定了磨具在磨削过程中的耐磨性、生产率等方面的性能。

耐热酚醛树脂的抗折强度普遍高于“2123”，平均抗折强度达到82.4 kg·f，说明此耐热酚醛树脂有较好的韧性，制成的砂轮会不易崩边，型面保持性较好。

耐热酚醛树脂的洛氏硬度明显低于“2123”，只有44.7HRB，略高于砂轮用树脂结合剂对硬度的要求，而“2123”酚醛树脂的硬度高达82 HRB。

硬度代表砂轮抵抗外力侵入的能力，此树脂硬度较低，可能使树脂难以用于重负荷砂轮，以及砂轮要求耐磨性较好，强制修整的场合。

如果要提高砂轮硬度可以调整辅料和工艺。

表1 耐热酚醛树脂和“2123”酚醛树脂的抗拉强度
样品 1 2 3 4 平均值
耐热 41 35 44 39 39.7
2123 38 38 40 42 39.5
两种树脂的抗拉强度可从表1中看出，平均值分别为39.7 N·mm-2和39.5 N·mm-2，说明两种酚醛树脂的粘结性能相差不多。

粘结性能好，能使树脂更好的包覆金刚石，使其不易脱落。

3.3 磨削性能研究
3.3.1 磨削试验
本节对此种耐热酚醛树脂（NR）及国内使用较多的“2123”酚醛树脂的磨削性能进行了分析，进而说明此种耐热酚醛树脂的磨削能力及应用价值。

研究中一般采用磨削比对磨具的磨削性能进行评估，本实验采用的磨削比为质量比值。

磨削比=硬质合金刀具磨耗质量/砂轮磨耗质量。

磨削效率和砂轮磨除率也是考察磨具磨削性能的一个重要指标，本实验采用的是磨耗质量与磨削时间的比值，磨削效率=硬质合金刀具磨耗质量/磨削时间，砂轮磨除率=砂轮磨耗质量/磨削时间。

表3-2是磨削实验结果。

从磨削效率值，可以看到“2123”的磨削效率比NR略低，这可能是由于“2123”硬度较高，使得砂轮的自锐性不好，结合剂硬度高时，结合剂脱落的速度相对于金刚石的脱落速度慢；从砂轮磨除率数值，可以发现“2123”比NR高了近150 %，这是由于“2123”耐热性较差，磨削区高热的温度使结合剂脱落速度很快，而且“2123”韧性较差，砂轮多处出现甭边导致大块脱落。

对磨削现象的观察还发现，两种树脂磨削过程中都有糊味，但“2123”糊味很重，这说明“2123”的烧蚀情况很严重，NR体现出其耐热性较好的优越性。

表2 酚醛树脂金刚石砂轮的磨削实验数据
项目刀具磨耗量/g 砂轮磨耗量/g 电流值磨削时间/s 磨削比磨削效率/g·s-1 砂轮磨除率/g·s-1
耐热酚醛 64.2 0.1428 0.1 1200 449.6 0.0535 0.000119
耐热酚醛 64.6 0.1466 0.1 1200 440.7 0.0538 0.000122 2123 64.0 0.3878 0.14 1200 165.0 0.0533 0.000323 2123 63.2 0.3824 0.14 1200 175.3 0.0527 0.000318
在相同加载压力下，耐热酚醛砂轮的磨削比较普通酚醛树脂砂轮提高了160 %左右，因为砂轮在磨削时局部高温，磨粒受力时产生的热量迅速传递给磨粒周围的树脂，普通树脂迅速老化降解，失去对磨粒的把持力。

大部分磨粒的脱落使砂轮在磨削时大部分都是结合剂在挤压工件，而磨削力很弱。

由于普通酚醛高的强度指标使结合剂的脱落速度慢于磨料的脱落速度，砂轮产生糊味，甚至烧伤工件。

而耐热酚醛由于其较高的热稳定性。

使结合剂不至于在局部高温时失去对磨料的把持能力，有更多的磨粒参与磨削。

同时由于其设计硬度不高，使磨粒脱落的同时结合剂也同时脱落，保证了砂轮的锋利性，提高了砂轮的磨削效率。

电流值能代表砂轮与工件的压力，从以上磨削数据中可以看出耐热酚醛的磨削比高出普通酚醛很多，电流值小，磨削阻力也小，证明砂轮又锋利又耐磨。

而普通酚醛的电流值大，证明磨削阻力大，实际磨削中要增加修整次数，降低了磨削效率。

从以上可以看出，NR树脂磨削性能优良，比“2123”酚醛树脂磨削比高很多。

针对此树脂的特性，NR树脂比较适合于制作要求自锐性较高的砂轮，从而减少了砂轮的修整间歇，提高了砂轮的耐用度。

也可通过调整辅料配方和压制工艺，提高砂轮硬度制作耐磨性较高的砂轮。

4. 结论
a 通过实验表明：耐热酚醛树脂粉是一种较为理想的金刚石砂轮结合剂，所制造的金刚石砂轮耐磨性和所加工工件的表面质量优良。

b TG-DSC曲线表明：耐热酚醛树脂粉在250 ℃之前的热稳定性较好，这对提高砂轮的磨削性能很有益处。

c 耐热酚醛树脂有较好的韧性，较高的抗折强度能让金刚石砂轮有较好的型面保持性，提高耐磨性。