樹脂結合劑金剛石砂輪設計及應用*

劉 偉, 劉一波,尹 翔,葛 科

(1.安泰科技股份有限公司,北京　100081;2.北京安泰鋼研超硬材料制品有限責任公司,北京　102200)

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樹脂結合劑金剛石砂輪設計及應用*

劉 偉1, 劉一波2,尹 翔,葛 科

(1.安泰科技股份有限公司,北京100081;2.北京安泰鋼研超硬材料制品有限責任公司,北京102200)

樹脂結合劑金剛石砂輪(resin bond diamond grinding wheel)由于具有自銳性好、胎體柔性和易于修整等特點而廣泛用于各種難加工材料精密加工。文章主要就樹脂結合劑金剛石砂輪的設計思路、性能影響因素以及加工應用進行簡單綜述，最后對提高我國樹脂結合劑金剛石砂輪性能提出了幾點建議。

樹脂結合劑;金剛石砂輪;精密加工;修整

1　樹脂結合劑金剛石砂輪介紹

樹脂結合劑超硬材料工具主要是以金剛石或cBN為磨料，以樹脂粉為粘接劑，加入適當的填充材料，經過配方設計、稱混料、熱壓成型、二次固化、后續加工處理等工藝過程制成的適用于不同磨削要求的超硬工具[1]。與陶瓷結合劑或金屬結合劑超硬磨具相比，它具有制造工藝簡單，原材料易得，成本低等特點，且能夠大量適用低品質超硬磨料，加工對象廣泛，如各種難加工鋼材、硬質合金、玻璃、陶瓷、石材等。由于樹脂超硬磨具在磨削過程中具有較好的自銳性，不易堵塞，磨出的工件具有表面質量好，砂輪易于修整等優點而得到廣泛的應用。

樹脂金剛石工具所用的樹脂結合劑主要分為酚醛樹脂和聚酰亞胺樹脂兩大類，其種酚醛樹脂金剛石工具實際工作溫度不超過120℃，聚酰亞胺樹脂耐熱性稍好，可在260℃下長期使用。由于聚酰亞胺樹脂的價格相對昂貴，尤其是近年來科學家對酚醛樹脂進行改性使其實際工作溫度也能到達200℃以上，如英國Advanced Resins Limited 公司的939P，故酚醛樹脂的使用日益廣泛。本文將主要介紹樹脂金剛石工具的設計思路及影響因素。

2　樹脂結合劑金剛石工具的設計

樹脂結合劑金剛石工具的設計主要基于如下五個方面[2]：

(1)粘結性必須好。結合劑能均勻分布于磨料表面,將磨粒牢固地把持在磨具中,并且能牢固地粘結在基體上,既使磨料不易過早脫落,又防止結合劑與基體分離,保證生產安全。

(2)磨削效率高,耐磨性好,加工光潔度(或表面粗糙度)好。樹脂結合劑因具有彈性和脆性,所以在磨削中自銳性好,不易堵塞,但耐磨性較差。因此我們在研究和設計結合劑配方時必須考慮在保證光潔度要求的前提下,既要有高的磨削效率,又要盡可能有高的耐磨性。結合劑的配制非常關鍵,要選擇最佳配比的結合劑,既要滿足較高的磨削效率,又要滿足較好的耐磨性,二者兼顧,才能保證磨削加工的要求,又能達到降低成本的目的。

(3)耐熱性要好。如果結合劑的耐熱性較差,使磨具在使用過程中不耐高溫,消耗快,甚至因為磨削熱過高,而使磨具燒傷、裂紋、脫環等,因此(1)選用耐熱性好的粘結劑和加入適當的填充料,以提高其耐熱性;(2)盡可能采用冷卻液進行濕磨,以提高磨具的耐用度;(3)如果采用干磨,則盡可能使進刀量小一些,以提高磨具的耐用度。

(4)結合劑強度必須高。結合劑的強度直接影響磨具在使用過程中的磨削效率、磨耗的大小、工件質量好壞以及安全性能等,因此必須對影響結合劑強度的因素有所了解。影響結合劑強度的因素主要有：(1)填充料的加入會使結合劑強度提高或降低,多數填充料加入后能使機械強度提高,并且在一定范圍內隨著添加量的增加而增加,但磨耗比降低。有的填充料,如石墨和固體二硫化鉬,加入后使強度反而降低,因此根據要求合理選用填充料；(2)磨具的成型密度(或磨具的氣孔率)會影響結合劑強度。磨具的成型密度低,氣孔率就高,則結合劑強度低,反之結合劑強度高。因此要合理設計磨具氣孔率參數；(3)磨具成型的硬化溫度和二次硬化溫度高低以及升溫曲線都會影響結合劑強度。

(5)結合劑硬度必須合適,耐磨性能好。結合劑的強度必須與金剛石(或cBN)磨粒的磨損速度相匹配，不能因為結合劑的磨耗過快，而使磨粒過早脫落，那樣的話，磨料就得不到充分使用，造成浪費。

3　樹脂結合劑金剛石工具的影響因素

樹脂金剛石工具由樹脂結合劑、填料和金剛石磨料經混合后熱壓固化而成。其性能也直接受樹脂結合劑、填料和金剛石磨料的影響。

3.1結合劑的影響，主要包括結合劑種類和含量的影響等

(1)各種樹脂結合劑金剛石工具的共同特點是耐熱性較差，在加工工件的過程中，金剛石工具和工件之間產生的熱量容易使局部溫度過高，一旦達到臨界值，樹脂結合劑對金剛石的把持失效，金剛石在沒有完全磨鈍的條件下就會脫落，從而使加工費用大幅提升。目前主要是通過對樹脂結合劑進行改性來提高其耐熱性能的。高良倡[3]采用方烷基醚改性酚醛樹脂，其耐熱性能夠達到180℃以上。杜楊等[4]以有機硅預聚合物、硼酸、苯酚和甲醛為原料合成的新型含硼硅酚醛樹脂BSP，由于酚醛樹脂結構中引入B—O鍵和有機硅鏈，BSP樹脂具有優良的耐熱性和韌性，同時也改善了樹脂的耐水性和儲存穩定性。肖東政等[5]采用BMI(雙馬來酰亞胺)改性酚醛樹脂獲得了耐熱性較好的雙馬來酰亞胺改性酚醛樹脂。

(2)樹脂結合劑含量的影響。樹脂結合劑含量對金剛石工具加工性能有較大的影響。文獻[24]介紹了在單晶硅片減薄砂輪中，樹脂結合劑含量增加，砂輪的硬度、抗壓強度逐漸增大，當樹脂結合劑含量增加到一定程度時，砂輪磨耗比的提高趨于緩慢，同時砂輪表面容易出現堵塞現象，同時含量越高，堵塞現象越嚴重。

(3)樹脂結合劑粒度的影響。國內用作金剛石磨具生產的樹脂粉粒度大多在80～180目之間，這樣的粒度范圍存在兩個缺陷，一是影響磨具的壓制成形性能，二是可能影響結合劑的性能。在壓制過程中，樹脂粉雖可受熱軟化，并有一定流動性，達到包覆磨粒的目的，但在壓制過程中，結合劑料是在模具內受壓的，空間有限，樹脂的流動范圍也有限，當樹脂粉粒度粗時，就會有部分磨料粘結不牢固，從而過快脫落。有研究表明當樹脂粒度細化后，可改善成形料的流動性，有利于磨具的熱壓成形[6]。

3.2填充料的影響，主要包括填料種類和含量的影響等

填充料是金剛石磨具的一個重要組成部分，加入適量的填充料不僅可以大大降低成本，還可提高磨具的機械強度，延長使用壽命。

(1)填充料種類較多，加入不同種類的填料對磨具的影響也不同。按性質和用途可分為四類：①不活潑填充料。用于可塑工藝，目的是降低磨具成本；②活潑填充料。增塑吸附效應，使磨粒與結合劑粘合能力增強；③補強填料。如玻璃纖維，碳纖維等，目的是增加結合劑強度；④降低結合劑強度填料。制成適合修整工具的磨具。

在超硬材料樹脂磨具中，其作用主要是用來改善結合劑的耐熱性、硬度、強度，最終目的是提高耐用度。填充料的種類繁多，對于金剛石樹脂磨具，酚醛樹脂結合劑所用填料，國內常見的是Cr2O3，ZnO和Cu粉；聚酰亞胺結合劑所用填料，除Cu粉外，國外用于干磨時加Zr、Co、CaCO3等，用于濕磨時，可加石英粉(SiO2)、鋁氧粉(Al2O3)等陶瓷材料。

表1　常見填料及其作用

車劍飛等[7]人采用原味生產法對酚醛樹脂進行了納米粒子TiO2Al2O3SiO2填充改性，研究了納米粒子填充改性對樹脂分子結構、耐熱性、沖擊性能和流變性能的影響，結構表明，改性結構無影響，能夠顯著提高樹脂的耐熱性能，提高其分解溫度約150℃，當填充量為5wt%時，用TiO2改性樹脂的沖擊強度可提高到普通酚醛樹脂的231%。

各種改性樹脂又都具有不同的特性，鄒文俊等[8]利用納米SiO2(原位聚合和共混方法分散到酚醛樹脂中)改性酚醛樹脂，可提高磨具的耐熱性以及磨削比，且材料價格廉價，適用性較高。

陳鋒等[9]研究表明，銅錫合金粉的銅錫比例，含量、粒度對樹脂結合劑超硬制品的力學性能影響顯著，只有選擇適當銅錫比例、含量、粒度的銅錫合金粉才能獲得具有優異力學性能的樹脂超硬制品。

3.3磨料金剛石的影響，主要包括金剛石鍍覆、種類和粒度等的影響。

(1)金剛石表面鍍覆金屬后，單顆粒抗壓強度都有所提高，同時磨耗比下降，即延長了使用壽命。與不鍍覆的金剛石相比，具體作用還包括以下幾個方面：①鍍層減緩對樹脂結合劑的熱脈沖，金剛石鍍層的導熱率比金剛石小，因此金剛石磨粒接觸工具時，產生的瞬時高溫經過鍍層后傳給樹脂，從而保護緊接磨料部位的樹脂不受高溫損傷；②鍍層提高金剛石與結合劑的結合強度，金屬鍍層內包金剛石，外部與樹脂結合劑能良好粘結；③鍍層提高金剛石顆粒抗破碎強度，鍍覆金屬后金剛石顆粒的缺陷得到彌補，起到了補強作用，且鍍層含有韌性金屬，有利于提高顆粒抗破碎強度；④鍍層對磨粒起隔離保護作用，隔絕外界氧及其它有害介質的作用，同時在磨削高溫下，鍍層對金剛石晶體的石墨化能起抑制作用。

(2)國內外超硬材料廠家對超硬磨料進行了較為細致的分類，其中低品質的金剛石磨料或通過特殊工藝處理的具有高自銳性和微破碎性的金剛石磨料，主要用于樹脂結合劑金剛石工具的制備。如E6公司提供的PDA433，PDA321，PDA311，PDA211等牌號的金剛石，具有高自銳性和微破碎性。目前國內樹脂模具普遍使用RVD型金剛石磨料，其顆粒多為針片狀，晶型不規則，強度低、脆性大、表面粗糙但磨削鋒利，與樹脂結合劑結合良好；近年來國內開發的多晶CSD型金剛石磨料用于樹脂結合劑磨具，顯著提升了樹脂金剛石工具的鋒利度。

3.4修整對樹脂結合劑金剛石砂輪的影響

修整過程是砂輪制備中不可或缺的因素，通過整形能夠獲得各種形狀的樹脂金剛石砂輪，通過砂輪修銳使樹脂結合劑金剛石砂輪表面金剛石出刃，合適的修整加工直接影響砂輪的使用性能。鄒大程[10]設計了一種新型樹脂結合劑金剛石砂輪修整方法，并用白剛玉、碳化硅、碳化硼、鉬、鉬鐵合金等方法分別進行砂輪修整實驗，通過對比分析各種方法的修整力、表面形貌精度、砂輪修銳效果以及磨削性能，以此對比不同修整方法對樹脂結合劑金剛石砂輪的修整效果。選用適合于實際應用的修整技術將有助于提高樹脂金剛石砂輪的使用性能。

4　樹脂結合劑金剛石工具的應用

樹脂結合劑超硬工具具有磨削力小、磨削熱少、自銳性好、加工效率高、加工表面光潔度高等優異特性，主要用于切割、精磨、半精磨、刃磨和拋光等加工，目前已經成為超硬工具中使用量最大的一類，在貴重陶瓷材料加工，半導體材料加工，磁性材料加工，金屬材料加工方面的應用越來越廣泛。樹脂金剛石研磨盤應用于顯示屏玻璃加工，替代傳統游離磨料研磨加工，能夠提高顯示屏的加工效率，改善表面質量，降低加工成本。鄧朝暉等[11]對納米結構金屬陶瓷(n-WC/Co)涂層材料在金剛石砂輪精密磨削工程中的磨削力進行了較詳細的試驗研究。在相同磨削條件下，納米結構陶瓷涂層的磨削力始終高于常規結構陶瓷涂層的磨削力；同等磨削條件下，樹脂結合劑砂輪磨削工具按所需的磨削力大于金屬結合劑砂輪。本俊之等[12]利用紫外線固化樹脂開發樹脂結合劑金剛石線鋸替代傳統游離磨料切削半導體大直徑硅片，解決了傳統切割加工工作環境惡劣、生產效率低等問題。Ke-hua Li等[13]對IC硅片超精密背面用樹脂2000#金剛石砂輪加工問題進行了研究，結果表明通過優化結合劑配方，使結合劑磨損速度與金剛石脫落速度達到匹配，材料去除率達到10.236mm3/s,表面粗糙度Ra為5.122nm。林培勇等[14]介紹了樹脂結合劑金剛石砂輪在單晶硅片磨削中軸向磨削力的變化規律以及軸向磨削力與磨削工藝參數之間的關系，為樹脂砂輪在單晶硅應用方面的力學分析提供一個思路。

5　結　語

從目前的市場而言，我國已經是樹脂金剛石砂輪的生產使用大國，產品數量已經遠遠超過了國外樹脂金剛石砂輪，但質量上還有相當大的差距，國內目前只局限于生產中低端砂輪。例如，筆者曾經在國內某合金加工廠見到3A1-150的樹脂砂輪，美國進口單價為人民幣10000元，該廠廠長介紹說國內沒有廠家能夠提供該產品，就連轉型比較成功的韓國金剛石企業新韓公司和二和公司都不能生產。筆者認為提高樹脂金剛石砂輪質量應該從如下幾個方面開展工作：

(1)從樹脂源頭來開展工作，樹脂結合劑砂輪制造廠家、樹脂生產廠家和砂輪使用廠家形成聯盟共同開發合適的樹脂結合劑，同時細化樹脂的粒度。

(2)引進控溫精度高的熱壓機，優化熱壓合成工藝以及二次固化工藝。筆者了解國外樹脂砂輪生產商采用的熱壓機溫度誤差控制在3℃以內，而國內設備溫差基本上都在5℃以上。

(3)優化砂輪配方，根據不同的加工對象來設計砂輪配方，形成配方與使用對象相對應的數據庫，便于指導砂輪的配方設計。

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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

劉偉，男1982，碩士，工程師，主要從事超硬材料精密磨削制品研發及其應用。E-mail：liuwei@gangyan-diamond.com

劉一波, 博士生導師， 安泰科技股份有限公司，北京安泰鋼研超硬材料制品有限責任公司副總經理兼總工程師。E-mail: liuyibo@atmcn.com

TQ164

A

1673-1433(2016)04-0047-04

引文格式：劉 偉, 劉一波,尹 翔,等.樹脂結合劑金剛石砂輪設計及應用[J].超硬材料工程，2016，28(4)：47-50.