水溶性造孔劑在超薄樹脂切割砂輪中的應用

李大水，杜曉旭，曹劍鋒，陳懷亮，王思亮，吳磊濤，羊松燦，郝素葉，楊劍鋒

（1.鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司, 鄭州 450001）

（2.國機精工股份有限公司，鄭州 450100）

（3.鄭州大學 商學院，鄭州 450001）

光學玻璃、陶瓷及半導體封裝等材料的精密切割需要超薄切割工具，其切割時具備以下特點[1]：（1）砂輪厚度薄，通常為0.1～0.5 mm；（2）切割時砂輪線速度較高，通常為80～150 m/min；（3）進給速度較大，為10～100 mm/s；（4）單次切深較大，為0.5～2.0 mm。同時，需切割的工件通常使用UV膜粘貼并吸附在真空吸盤上[2]，為了徹底切斷工件，砂輪需切入UV膜0.04 mm左右。然而，當砂輪既切割工件又切割UV膜時，產生的切屑和UV膠極易嵌入砂輪刃口或熔結在砂輪刃口表面造成刃口堵塞，導致刃口燒傷或刃口斷裂情況出現[3]。因此，切割砂輪必須具備極好的自銳性和排屑容屑能力。

樹脂結合劑在樹脂、陶瓷、金屬、電鍍4大結合劑中具備最好的自銳性能，但樹脂結合劑砂輪組織較致密、氣孔率較低。圖1為自制的超薄樹脂切割砂輪結塊掃描電鏡形貌，在圖1中未發現砂輪有明顯的氣孔和容屑空間。一般樹脂砂輪是利用模壓法將混合粉末壓制成形的，各粉末之間不可避免地會出現一定縫隙，這種縫隙稱為“間隙孔”。但超薄樹脂切割砂輪成形過程中的樹脂粉會在其軟化點軟化，并在較高的壓力下成形，這樣會填充部分間隙孔，造成超薄樹脂切割砂輪中的間隙孔較少[4]。用其切割韌性較好的材質時，產生的切屑易造成砂輪堵塞，需采取在線清洗等方法清除。因此，在面對越來越高的進給速度和越來越嚴苛的切割條件時，超薄樹脂切割砂輪的排屑容屑能力需進一步提升。

圖1 超薄樹脂切割砂輪結塊SEM形貌Fig.1 SEM morphology of agglomeration of ultra-thin resin cutting grinding wheel

樹脂砂輪中除了“間隙孔”外，還有一種是通過添加造孔劑而形成的“生成孔”。“生成孔”是造孔劑在磨削中蒸發、分解或溶解后產生的，因此其性能主要與造孔劑的類型、顆粒大小、形狀以及加入量等相關[5-7]。故造孔劑可增加砂輪的容屑空間，提升砂輪的鋒利度等[8-9]。造孔劑在大氣孔結合劑砂輪中及砂輪厚度較大的場合中應用較多，對厚度薄尤其是在厚度小于0.5 mm的超薄樹脂切割砂輪上應用較少。

典型的造孔劑可分為3大類[10]：一是帶有空心結構的微球填料。將空心微球加入砂輪中，由于微球球壁較薄，在磨削過程中球壁易破碎，從而形成氣孔。陳衛東等[11]對比了4種造孔劑對陶瓷結合劑CBN砂輪性能的影響，結果表明：在陶瓷結合劑砂輪中添加氧化鋁空心微球和玻璃空心微球，砂輪具有較均勻的氣孔結構，且可兼顧砂輪的強度和鋒利性。但氧化鋁和玻璃空心微球直徑較大，一般在2.0～5.0 mm，對厚度僅為0.1～0.5 mm的超薄樹脂切割砂輪不適用；二是高溫分解類造孔劑。首先將該類造孔劑添加進砂輪配料中，均勻分散后利用砂輪制備過程中需要高溫燒結的工藝特點，使該類造孔劑分解氣化，形成氣孔通道，達到造孔的目的。張元松等[12]在金屬結合劑砂輪中添加酚醛樹脂，利用酚醛樹脂在高溫燒結時分解氣化的特性，在金屬結合劑砂輪中形成氣孔，結果表明加入酚醛樹脂后有效形成的通孔結構有利于砂輪的出刃和排屑。但此方法同樣不適用于超薄樹脂切割砂輪，因為超薄砂輪的樹脂結合劑固化溫度較低，通常在200 ℃左右，并不能使酚醛樹脂氣化，因而也無法形成氣孔；三是水溶性造孔劑。將水溶性造孔劑均勻分散到砂輪胎體中，由于砂輪切削過程中需要循環使用冷卻液或冷卻水，利用其易溶解于水的特性，在砂輪刀刃部位形成氣孔[10]。

因此，根據超薄樹脂切割砂輪厚度薄(0.1～0.5 mm)和成形溫度低（200 ℃左右）的特點，在其中加入水溶性造孔劑是最優選擇。常見的水溶性造孔劑有NaCl、KCl等，在此選擇NaCl為造孔劑，研究NaCl加入量對超薄樹脂切割砂輪機械性能及切割性能等的影響。

1 試驗條件與過程

1.1 樣品試制

超薄樹脂切割砂輪以酚醛樹脂為結合劑，白剛玉、石墨粉等為填料，金剛石為磨料，NaCl顆粒為造孔劑，在200 ℃下壓力為8 MPa時，熱壓10 min成形。其中：金剛石類型為SD，其粒度代號為M30/38，磨粒粒徑范圍為30～38 μm；NaCl為分析純顆粒，使用前先用篩網過篩，宜選擇顆粒代號為400/500的部分使用，其顆粒尺寸范圍為28～38 μm；白剛玉粒度代號為F500，中值粒徑為12.8 μm；石墨粉基本顆粒尺寸為10～15 μm。用于抗折強度和SEM測試的試驗樣條長×寬×高為41.0 mm×6.0 mm×4.4 mm，其配方如表1所示，試驗樣條成品如圖2所示。

表1 試驗樣條配方Tab.1 Test spline formula

圖2 試驗樣條成品Fig.2 Test spline

1.2 樣條性能測試方法

將樣條折斷，用水浸泡10 min，晾干，得到多孔超薄樹脂切割砂輪樣條，其造孔原理如圖3所示。

圖3 造孔劑造孔原理圖Fig.3 Schematic diagram of pore preparation of pore-forming agent

利用型號為INSPECT S50的掃描電鏡觀察樣條斷口處的形貌，觀察斷口處氣孔大小及氣孔分布情況。在型號為KIJ5000的單杠桿（三點抗折）抗折強度機上測量制備的樣條的抗折強度，測量時的載荷加載速度為（10±1）N/s。

2 結果與討論

2.1 對樣條性能的影響

2.1.1 對微觀結構的影響

根據表1中的具體試驗配方制備樣條，對NaCl造孔劑及表1中的5個樣條進行微觀形貌觀察，結果如圖4所示。由圖4可以看出：NaCl造孔劑形貌為不規則塊狀或球狀，經過篩網篩分后其顆粒大小均勻，利于造孔；當樣品未添加造孔劑時，樣條內部未出現明顯氣孔；隨著樣品中造孔劑的加入及加入量逐漸增加，樣條內部的氣孔數逐漸增多，且樣品中的孔隙大小和分布均勻，孔壁之間聯結緊密，每個孔洞完美地復制了NaCl造孔劑的原有形貌，未發生坍塌變形，造孔效果理想。這主要是由于造孔劑的造孔方式為占位式造孔，當NaCl造孔劑溶解于水后，樣條內部形成的氣孔形貌與NaCl造孔劑形狀一致。

圖4 不同樣條及NaCl造孔劑的SEM形貌Fig.4 SEM morphologies of different strips and NaCl pore-forming agent

但圖4c中造孔劑加入量偏少，造出的氣孔數較少；圖4d中造孔劑加入的體積分數為10%，造出的氣孔數均勻適中；圖4e中造孔劑加入量進一步增加，樣條出現較大氣孔，這主要是由于造孔劑含量較多，相互聚集在一起，溶于水后形成了較大的連通性氣孔；圖4f中造孔劑加入的體積分數為20%，造孔劑相互聚集的情況更加嚴重，造出的氣孔尺寸也非常大。

2.1.2 對氣孔率的影響

利用破碎浸出法測量樣條的氣孔率。測量方法如下：首先根據樣條的尺寸，計算其體積V0，然后測量樣條質量m1。再將樣條充分搗碎，將搗碎的碎塊浸泡在裝有蒸餾水的真空容器中，抽真空后靜置10 min，使碎塊內部的造孔劑充分溶解，過濾后烘干，稱重得到樣條殘余質量m2，通過NaCl的密度ρNaCl=2.165 g/cm3換算，得到樣條的氣孔率P：

經過測量，1#～5#樣條的氣孔率分別為0.3%，5.2%，10.3%，15.3%和20.4%。1#樣條的氣孔率為0.3%，是因為樣條制作時會產生一定的“間隙孔”，2#～5#樣條的氣孔率基本上等于造孔劑添加的體積分數和1#樣條的“間隙孔”之和。

2.1.3 對力學性能的影響

5種不同造孔劑含量的樣條抗折強度測試結果如圖5所示。從圖5可以看出：隨造孔劑含量增加，樣條的抗折強度直線下降。1#樣條未添加造孔劑，其抗折強度為3.235 MPa；2#，3#，4#樣條隨造孔劑含量增加，其抗折強度明顯降低，分別為2.833，2.508和2.295 MPa；當5#樣條的造孔劑加入體積分數為20%時，其抗折強度最低，為2.038 MPa，與未加造孔劑的1#樣條的比降低了37%。主要原因是隨著造孔劑加入量增多，樣條中的氣孔數量也隨之增多，孔與孔之間逐漸相互貫通，孔隙越來越大，導致樣條的抗折強度隨著造孔劑加入量的增多而急劇下降。

圖5 不同樣條的抗折強度Fig.5 Flexural strengths of different strips

2.2 對砂輪切割性能的影響

在切割行業中，在滿足工件切割品質的前提下，用戶更注重切割砂輪的切割壽命和切割效率，以進一步降低使用成本，從而獲得更大的利潤。切割砂輪的切割性能主要包括其切割壽命和切割效率。

2.2.1 對切割壽命的影響

按表1中的1#～5#配方制備相應的6#～10#砂輪，砂輪的規格型號為1A8 56×0.15×40，其中的8#砂輪成品如圖6所示。

圖6 8#切割砂輪成品Fig.6 8# finished cutting wheel

分別對6#～10#切割砂輪進行切割壽命測試。采用型號為DAD 3350的DISCO劃片機，在轉速為30 000 r/min，進給速度為10 mm/s條件下，切割尺寸為75.0 mm×75.0 mm×0.5 mm的Al2O3陶瓷板，陶瓷板中的Al2O3質量分數為96%，其莫氏硬度為9（10級制）。陶瓷板的切割效果如圖7所示，要求其崩邊尺寸≤10 μm或在40倍顯微鏡下觀察其無明顯崩邊。圖7中的陶瓷板已切割完成，底部使用UV膜粘接。

圖7 陶瓷板的切割Fig.7 Cutting of ceramic plate

每切割圖7中的10條陶瓷板槽算1次，共切割陶瓷板6次，測量6次砂輪切割起止時的切削齒高度差Δhi（i=1, 2, ···, 6），并計算每種切割砂輪高度差的平均值Δh，以此表示該砂輪的切割壽命，其平均值越小表明該砂輪切割壽命越長。表2為6種切割砂輪切削齒高度差的實測結果。

表2 切割砂輪切削齒的高度差Tab.2 Height differences of cutting teeth of cutting wheels

由表2可以看出：隨著造孔劑添加量增加，切割砂輪切削齒的高度差平均值變大，砂輪的磨損逐漸加快，其壽命縮短。與不添加造孔劑的6#砂輪相比，造孔劑添加體積分數為5%，10%，15%和20%的7#～10#砂輪的切割壽命分別降低了4.5%，18.2%，36.4%和54.5%。綜上可知，添加不同含量造孔劑均對砂輪的切割壽命產生影響，且造孔劑含量越高，砂輪的磨損越快，切割壽命越短。其主要原因是隨著造孔劑含量增加，砂輪中氣孔數量隨之增多，位于磨粒之間或磨粒與結合劑之間的氣孔數量也隨之增加，使包裹在金剛石磨粒周圍的結合劑減少，金剛石磨粒更易脫落，因此砂輪的磨損越快，切割壽命越短。

2.2.2 對切割效率的影響

按照2.2.1中同樣的測試方法，對6#～10#砂輪進行切割效率測試，其中砂輪的轉速不變，進給速度為10～20 mm/s，分別記錄不同進給速度下劃片機的主軸電流變化。

不同進給速度下6#～10#砂輪樣品的主軸電流變化如圖8所示。從圖8可以看出：未添加造孔劑的6#砂輪（造孔劑體積分數為0），當進給速度為10 mm/s時，主軸電流呈現先緩慢增加后趨于穩定的狀態，說明此時砂輪的磨損和砂輪的自銳性能基本達到動態平衡；當進給速度提升至12～16 mm/s時，主軸電流呈現不斷遞增的趨勢，說明此時砂輪的鋒利性不足；當進給速度進一步提升至18～20 mm/s時，砂輪出現斷刀情況，此時主軸電流較高，高達2.34 A，說明砂輪受到的磨削阻力過大導致斷刀。

添加體積分數為5%造孔劑的7#砂輪，當進給速度為10和12 mm/s時，主軸電流基本保持穩定；當進給速度提升至14和16 mm/s時，主軸電流呈現遞增趨勢；當進給速度提升至18 mm/s時，電流反復出現先提升再下降的現象，切割時伴隨微打火現象。這是因為此時砂輪的磨削熱過高出現微打火，導致樹脂結合劑燒傷碳化，碳化后的結合劑脫落，從而形成新的切削刃，因此出現電流反復提升再下降的現象；當速度達到20 mm/s時，切割3條后砂輪破碎斷刀，此時主軸電流較高為2.25 A，同樣為磨削阻力過大造成斷刀。

添加體積分數為10%造孔劑的8#砂輪，隨著進給速度由10 mm/s提升至20 mm/s，主軸電流基本穩定，最高為2.16 A。說明此時砂輪的磨損和對材料的去除基本達到動態平衡，其鋒利度較好，受到的磨削阻力較小，砂輪抗折強度滿足其切削要求。

添加體積分數為15%造孔劑的9#砂輪，隨著進給速度由10 mm/s 提升至18 mm/s，主軸電流基本穩定；當進給速度繼續提升至20 mm/s時，砂輪在切割7條后斷裂，此時主軸電流僅為2.10 A，磨削阻力很小，說明斷刀主要是由于砂輪強度不足造成的。

添加體積分數為20%造孔劑的10#砂輪，進給速度為10～16 mm/s時，主軸電流保持穩定；當進給速度為18 mm/s時，切割至第5條時，電流突然變大，切割至第6條時，電流又恢復正常，期間切割通道出現讓刀現象，但未出現微打火現象。說明砂輪此時因強度不足出現偏擺現象，引起了電流的異常變化。繼續切割至第8條時，砂輪破碎斷刀。此時主軸電流僅為1.96 A，磨削阻力很小，說明斷刀主要是由于砂輪強度不足造成的。

綜合圖8可知：權衡砂輪的強度和鋒利性，造孔劑的添加量以10%為宜。此時砂輪的磨削阻力小，抗折強度適中，最高進給速度可達20 mm/s。

圖8 不同進給速度下5種砂輪樣品的主軸電流Fig.8 Spindle currents of five kinds of grinding wheel samples at different feed speeds

3 結論

（1）水溶性造孔劑NaCl在超薄樹脂切割砂輪領域可實現造孔需求，砂輪的氣孔率等于造孔劑添加體積分數和“間隙孔”之和。當造孔劑添加的體積分數為10%時，砂輪的氣孔分布均勻適中。

（2）隨著造孔劑加入量逐漸增加，砂輪的抗折強度逐漸降低。

（3）添加的NaCl造孔劑體積分數以10%為宜，此時砂輪的切割效率最高，進給速度可達20 mm/s。但造孔劑的加入會對砂輪的切割壽命有一定影響，造孔劑的含量越高，砂輪的磨損越快，切割壽命越短。