增強纖維對超薄超硬樹脂砂輪切割偏擺問題的影響

杜曉旭, 李大水, 李彩虹, 趙金偉, 刁銀艷, 王思亮, 吳磊濤, 雷來貴, 郝素葉

(鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司, 鄭州 450001)

樹脂超薄超硬切割砂輪用于玻璃、陶瓷、半導體封裝等材料的切斷與開槽，與金屬結合劑砂輪相比，樹脂結合劑砂輪切割時自銳性好，切割效率高，切割品質佳[1-2]。但該類砂輪厚度較薄，常規(guī)厚度在0.06～0.50 mm，在切割工件時，砂輪受到的徑向切割阻力會使砂輪產生一定的軸向形變，加上砂輪在高速旋轉，旋轉速度通常為20 000～30 000 r/min，會使砂輪沿軸向產生一定幅度的擺動，嚴重影響其切割效果，主要表現為：砂輪實際切縫寬度大于砂輪的厚度，切割出來的工件尺寸變小，不符合使用要求；加速砂輪側面磨損，影響被切割工件的側面垂直度；砂輪的偏擺會產生震顫，造成被切割工件的側面崩邊變大。因此，樹脂整體型超薄超硬切割砂輪較差的偏擺性能嚴重影響其在市場的推廣，在高端光學玻璃、高端陶瓷封裝以及高端半導體封裝等領域的應用受到了很大的限制，是樹脂整體型超薄超硬切割砂輪制造亟須解決的問題。

目前，市場上常用的金屬超薄超硬砂輪的切割偏擺幅度較小，偏擺幅度通常在±0.005 mm以內，而樹脂整體型超薄超硬砂輪的切割偏擺幅度在±0.015 mm以內。這是因為金屬結合劑的抗折強度遠遠高于樹脂結合劑的，以規(guī)格為41.0 mm×6.0 mm×4.4 mm的試樣條為例，金屬結合劑試樣條的抗折強度通常為76～152 MPa，而樹脂結合劑試樣條的抗折強度通常為19～38 MPa。因此，金屬結合劑砂輪在切割時能夠有效地抵御砂輪的軸向形變，其切割偏擺性能遠遠優(yōu)于樹脂結合劑超薄超硬切割砂輪的。這也是部分客戶放棄樹脂砂輪而選擇金屬砂輪的重要原因之一[3]。

高性能纖維是近年來纖維高分子材料領域中發(fā)展迅速的一類新型材料，因其具有高強度、高彈性模量、耐高溫、耐化學腐蝕等特性，被廣泛用于制備高性能纖維增強樹脂砂輪制品。高性能纖維品種較多，其中最為典型的是碳纖維(彈性模量為2.3×105MPa)和玻璃纖維(彈性模量為7.3×104MPa)，既可作為結構材料承載負荷，又可作為功能材料發(fā)揮作用，是性能優(yōu)越的新型材料[4]。

近年來，科研人員對纖維增強樹脂砂輪制品進行了研究。專利CN102699834A公開了一種新型纖維增強樹脂砂輪，通過在樹脂砂輪中埋入玻璃纖維增強網片來增強樹脂砂輪的切割性能。專利CN104669131A公開了一種硫酸鈣晶須增強樹脂砂輪，除了在砂輪中埋入碳纖維或玻璃纖維增強網片之外，還添加了硫酸鈣晶須。上述纖維增強樹脂砂輪屬于普通磨料樹脂切割砂輪，其厚度通常大于1 mm，通過埋入纖維網片(厚度一般大于0.5 mm)增強其切割性能，使其具有較高的抗沖擊能力、抗磨損能力以及磨削效率高等特性。但對于厚度小于0.5 mm的樹脂整體型超薄超硬砂輪而言，纖維網片相對較厚，無法埋入其中，因此只能通過將纖維與樹脂共混來提升砂輪的切割性能。目前，行業(yè)內對纖維與樹脂共混提升超薄超硬切割砂輪性能的研究很少，僅有安坤華等[5]介紹了碳纖維與玻璃纖維和聚酰亞胺樹脂共混來制備普通磨料樹脂切割砂輪，未見其在樹脂整體型超薄超硬砂輪中應用的相關報道。

為此，通過不同長度、直徑的碳纖維、玻璃纖維及二者混雜與酚醛樹脂共混，制備不同的樹脂超薄超硬砂輪樣品，研究和分析其影響切割偏擺性能的機理，以期提高樹脂超薄超硬砂輪的切割偏擺性能。

1 試驗

1.1 試驗原料

酚醛樹脂型號為PF-2802；金剛石微粉粒度代號為M30/38；碳纖維直徑為5.0、7.6、10.0、15.0 μm，長度為50、100、120、150、200 μm；玻璃纖維直徑為10.0、15.0、20.0、25.0 μm，長度與碳纖維相同；石墨粉為F-00(平均粒徑為1.5 μm)。

1.2 試驗儀器、設備

主要試驗儀器和設備如表1所示。

表1 試驗儀器和設備

1.3 制備工藝

稱取酚醛樹脂(體積分數為50%)、金剛石微粉(體積分數為10%)、石墨粉(體積分數為20%)及一定比例的碳纖維和玻璃纖維(總體積分數為20%)，采用定容投料，在180 ℃下用熱壓機壓制10 min，制備規(guī)格型號為1A8 56.0 mm×0.2 mm×40.0 mm的砂輪樣品和規(guī)格為41.0 mm×6.0 mm×4.4 mm的試樣條。

1.4 性能測試方法

砂輪樣品切割時的偏擺性能(即偏擺幅度大小)的計算公式為：

S=(W-T)/2

(1)

其中：S為切割偏擺幅度;W為切縫寬度;T為砂輪厚度。

將制備的砂輪樣品放在型號為DAD3350的DISCO劃片機上，在轉速為30 000 r/min，進給速度為5 mm/s的條件下，切割厚度為75.0 mm×75.0 mm×0.5 mm的K9玻璃，每個砂輪樣品切割10刀。切割完成后，首先在線測量玻璃的切縫寬度，根據切縫寬度平均值計算砂輪樣品切割時的偏擺幅度。然后，記錄砂輪樣品切割玻璃時的主軸電流數據，根據主軸電流平均值檢驗砂輪樣品切割時的切削阻力大小。主軸電流越小，說明砂輪受到的切削阻力越小，即砂輪的切割鋒利度越好，反之亦然。最后，在型號為KIJ5000的抗折強度機上測量制備的試樣條的抗折強度。

2 試驗結果與討論

2.1 不同長度、直徑的碳纖維對切割偏擺幅度的影響

選取碳纖維為補強材料，添加體積分數為20%，其直徑分別為5.0、7.6、10.0、15.0 μm，長度分別為50、100、120、150、200 μm，制備規(guī)格型號為1A8 56.0 mm×0.2 mm×40.0 mm的砂輪樣品。用砂輪樣品切割K9玻璃，其偏擺幅度的結果如圖1所示。

圖1 不同長度、直徑的碳纖維對切割偏擺幅度的影響

從圖1可以看出：加入的碳纖維體積分數為20%維持不變，而碳纖維的長度、直徑不同時，砂輪樣品的切割偏擺幅度明顯不同。當加入的碳纖維直徑為7.6 μm，長度為100 μm時，砂輪樣品的切割偏擺幅度最小。這是因為較長的碳纖維對砂輪樣品在外力作用下產生彈性變形的限制作用大于較短碳纖維的[6]，但隨著碳纖維長度的不斷增大，在同等含量下，碳纖維的數目會明顯減少，并且由于碳纖維質輕，過長(>100 μm)的碳纖維不利于在砂輪內部分散均勻，影響砂輪樣品的成形。同時，碳纖維的直徑越大，模量越大[7]，這對砂輪樣品的彈性模量起到增大作用。但隨著碳纖維直徑的不斷增大，在同等含量下碳纖維的數目同樣會明顯減少，這樣在內部微觀結構中，很難形成三維立體網狀結構，無法起到增大砂輪樣品模量的作用。

2.2 不同長度、直徑的玻璃纖維對切割偏擺幅度的影響

選取玻璃纖維作為補強材料，添加體積分數為20%，直徑分別為10.0、15.0、20.0、25.0 μm，長度分別為50、100、120、150、200 μm。制備規(guī)格型號為1A8 56.0 mm×0.2 mm×40.0 mm的砂輪樣品。根據1.4中檢驗砂輪樣品切割時偏擺幅度的測試方法進行切割試驗，并對試驗結果進行記錄，如圖2所示。

從圖2可以看出：加入的玻璃纖維體積分數為20%維持不變，加入不同長度、直徑的玻璃纖維時，砂輪樣品的切割偏擺幅度明顯不同。當加入的玻璃纖維直徑為15 μm，長度為120 μm時，砂輪樣品的切割偏擺幅度最小，其原因與2.1節(jié)中碳纖維的相似。

圖2 不同長度、直徑的玻璃纖維對切割偏擺幅度的影響

2.3 碳纖維與玻璃纖維不同比例混雜對切割偏擺幅度的影響

將酚醛樹脂、金剛石微粉、碳纖維(直徑為7.6 μm，長度為100 μm)、玻璃纖維(直徑為15 μm，長度為120 μm)和石墨粉按表2配比，采用定容投料，在180 ℃下用熱壓機壓制10 min，制備規(guī)格型號為1A8 56.0 mm×0.2 mm×40.0 mm的砂輪樣品，按表2的試驗方案編號為1、2、3、4、5。根據1.4中檢驗砂輪樣品切割時偏擺幅度的測試方法進行切割試驗，并對試驗結果進行記錄，具體如圖3所示。

表2 樣品配方

圖3 不同砂輪樣品切割時的切割偏擺幅度

從圖3可以看出：加入的總的纖維體積分數為20%維持不變，按不同的比例加入碳纖維和玻璃纖維，砂輪樣品切割時的切割偏擺幅度差異明顯。1號砂輪加入體積分數為20%的玻璃纖維，未加入碳纖維，切割偏擺幅度最大；2、3和4號砂輪隨碳纖維加入量的增多，切割偏擺幅度逐漸降低，且4號砂輪樣品切割偏擺幅度最低，最小可達0.006 7 mm；5號砂輪碳纖維體積分數占比20%，未加入玻璃纖維，切割偏擺幅度又增大，但仍小于1號砂輪樣品的切割偏擺幅度。

2.4 機理分析

2.4.1 混雜纖維對超薄超硬樹脂砂輪性能的影響

按照表2中的具體試驗方案制備規(guī)格為41.0 mm×6.0 mm×4.4 mm的試樣條，編號為1、2、3、4、5。根據1.4中抗折強度的測試方法進行試驗，并對試驗結果進行記錄，具體如圖4所示。

圖4 不同試樣條的抗折強度

從圖4可以看出：維持加入的總的纖維體積分數為20%不變，按不同的比例加入碳纖維和玻璃纖維，試樣條的抗折強度明顯不同。1號樣僅加入體積分數為20%的玻璃纖維，抗折強度為29 MPa；隨加入的碳纖維量增多(相應的玻璃纖維量減少)，2、3、4號樣的抗折強度明顯增加，分別為30 MPa、31 MPa和33 MPa；當5號試樣加入的碳纖維體積分數達20%時，其抗折強度最高，為33 MPa，與未加碳纖維的1號樣相比提高了13.79%。

試驗結果說明：加入碳纖維可以在一定程度上提高試樣條的抗折強度，并且隨著碳纖維加入量的增加，試樣條的抗折強度進一步提高[8-9]，即提高了試樣條的韌性。

根據1.4中切削阻力的測試方法進行試驗，對表中的5種砂輪樣品切割玻璃時的主軸電流數據進行記錄，具體如圖5所示。

圖5 不同砂輪樣品切割時的主軸電流

從圖3、圖5中可知：加入的總的纖維體積分數為20%維持不變，隨著碳纖維所占比例由0逐漸增加到15%，切割偏擺幅度逐漸降低，切縫寬度逐漸變窄，主軸電流出現下降趨勢，分別為1.956、1.909、1.843、1.777 A。當碳纖維所占比例為20%時(即玻璃纖維含量為0)，切割偏擺幅度突然變大，切縫寬度變寬，主軸電流突然大幅度上升，由1.777 A變?yōu)?.919 A。

試驗結果說明：隨著碳纖維加入量的增加，可以一定程度上降低砂輪受到的切削阻力，提高砂輪的切割鋒利度，但當碳纖維所占比例為20%時(即玻璃纖維含量為0)，砂輪受到的切削阻力瞬間變大，砂輪的切割鋒利度變差。

2.4.2 微觀結構分析

通過SEM對碳纖維與玻璃纖維按不同比例混雜的5種砂輪樣品進行微觀形貌表征。其中，加入的總的纖維體積分數為20%維持不變，具體如圖6a～圖6e所示。

圖6a為1號砂輪的SEM圖，其加入體積分數為20%的玻璃纖維，未加入碳纖維，可以清晰地看到玻璃纖維分布較均勻，呈現較粗的光亮棒狀結構。由于玻璃纖維表面光滑，樹脂結合劑對其浸潤性較差，因此兩者界面結合不牢固。圖6e為加入體積分數為20%的碳纖維，未加入玻璃纖維，可以清晰看到SEM圖中全部為細長的深色碳纖維棒狀結構，且分布較均勻。由于碳纖維表面略粗糙，樹脂結合劑對其浸潤性較好，因此兩者界面結合較牢固。從圖6b、圖6c和圖6d可以看出：隨著碳纖維加入量的增加，樹脂結合劑對混雜纖維的浸潤性逐漸加強，界面結合逐漸牢固。

從圖6還可看出：碳纖維和玻璃纖維具有不同的尺寸、形貌及性能，2種纖維混雜可以在不同結構層次和荷載階段發(fā)揮增強作用，表現出正混雜效應[10]。當兩者混雜的砂輪產品受到外力作用，力從樹脂基體傳到高性能纖維時，力的作用方向會發(fā)生變化，即沿著纖維取向方向傳遞；同時，在砂輪內部，纖維取向是隨機的，會使得部分軸向力轉換為徑向力和切向力，這種傳遞作用在一定程度上起到分散力的作用[11]。切割過程中產生的力沿著不同的纖維方向傳遞，可以有效降低軸向力對砂輪造成的形變，大大增強砂輪承受外力作用的能力。在宏觀上，顯示出砂輪形變降低，抗折強度提高以及切割偏擺幅度降低。

綜上可知，在砂輪厚度不變、金剛石濃度不變的前提下，影響砂輪切割偏擺幅度的因素通常包括砂輪自身的強度和砂輪所受的切削阻力。碳纖維具有較高的彈性模量[12-13]，且與樹脂結合劑的界面結合更加較牢固，因此砂輪的剛性和韌性增幅較明顯。同時，玻璃纖維具有一定的脆性，且與樹脂結合劑的界面結合力較差，受到沖擊后易破碎、易脫落，增加了砂輪的自銳性能，降低了砂輪所受到的切削阻力。因此，將兩者按適當比例混雜和酚醛樹脂共混制備樹脂整體型超薄超硬砂輪，可增強砂輪的剛性，從而有效降低切割過程中的砂輪形變和切割偏擺幅度，減小工件切縫寬度，防止其缺陷產生[14]。

3 結論

(1)加入的總的纖維體積分數為20%維持不變，隨著碳纖維加入量的增加，樹脂整體型超薄超硬砂輪的抗折強度逐漸提高，當碳纖維體積分數達到20%時，其抗折強度最高，為33 MPa，抗折強度的提高有利于改善砂輪切割偏擺性能。

(2)加入的總的纖維體積分數為20%維持不變，隨著碳纖維加入量的增加，樹脂整體型超薄超硬砂輪切割時的主軸電流先減小后增大，當碳纖維體積分數為15%，玻璃纖維體積分數為5%時，主軸電流最小，為1.777 A，即切削阻力最小，減小切削阻力有利于降低砂輪切割偏擺幅度。

(3)加入的總的纖維體積分數為20%維持不變，當碳纖維(直徑為7.6 μm，長度為100 μm)體積分數為15%，玻璃纖維(直徑為15.0 μm，長度為120 μm)體積分數為5%時，砂輪切縫寬度最窄，切割偏擺幅度最小可達0.006 7 mm，切割偏擺性能達到最優(yōu)。