新型无机高分子结合剂在磨具中的应用Word文件下载.docx
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其特性具有有机高聚物的键接结构,故而无机高分子聚合结合剂有有机化合物和无机化合物的共同特点。
其性能与陶瓷相近或更高。
无机高分子结合剂的特征是“杂化粘合”，因为它们虽然具有玻璃态、陶瓷基和有机粘合剂的某些特征，但是仍有不同,在制备粘合磨料制品方面，它们比常规的玻璃态、陶瓷基粘合剂具有很明显的优点。
首先具有重要意义的是它们可在远低于玻璃态、陶瓷基粘合剂的较低的温度下形成（这一点与有机粘合剂相同），而且具有均匀的组成,形成对照的是，玻璃态、陶瓷基粘合剂必须在其熔化温度下形成，并保持于该温度以便其流动，从而覆盖磨粒形成粘合体。
但是,无机高分子结合剂的结构在相当程度上，具有玻璃态、陶瓷基的粘合高强度和硬度甚至更高。
在这点上，它们与常规有机粘合剂又有不同，有机聚合物可以是热固性树脂，例如,苯酚/甲醛、尿素/甲醛或环氧树脂；
也可以是辐射固化的树脂，例如丙烯酸化的聚氨酯、丙烯酸化的环氧树脂、丙烯酸化的聚酯或这些化合物的几种,它们在没有或有催化剂活化、增强转换的情况下，在可见光、紫外线或电子束辐射时，可形成高度交联的刚性聚合物。
常规有机粘合剂的模量小而脆性较大，因此,从无机高分子结合剂在磨料生产中的较低形成温度的角度考虑，用无机高分子结合剂代替常规的玻璃态、陶瓷基粘合剂，由于处理温度较低,故而就能够采用许多先进技术，例如可将不能用于玻璃态、陶瓷基粘合制品中的活性填料加入到这种粘合剂中。
无机高分子结合剂体系可通过加入使用的活性填料来改性，一般如黄铁矿、氧化铝、硫磺或有机研磨助剂,只要它们在形成的温度下稳定，也可以是无机填料,例如矿物颜料或玻璃、陶瓷微珠,其主要目的是有助于在最终的粘合磨料制品中形成所要求的孔隙或结构,填料以５－10%为佳。
其次,除了这些优点外，与有机粘合剂的制品相比，无机高分子结合剂的磨料制品具有工作热稳定性和使用温度高的优点;
另外，无机高分子矿物聚合物结合剂的磨料制品其热处理的温度较低,而在此温度下,一般的热塑性有机树脂不会改性或降解，故使得能通过加入某些有机聚合物而使玻璃态、陶瓷基粘合相关的某种脆性变得适中；
又由于无机高分子矿物聚合物结合剂与玻璃态、陶瓷基粘合剂不同，它可在不使热塑性聚合物降解的温度下交链,因此，用无机高分子结合剂就可加入合适的增强或改性的热塑性聚合物,包括聚烯烃、聚丁二烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚酰亚胺和聚酯等有机物,这种能够加入粘合剂中的增强和改性的热塑性聚合物的量最大是无机粘合剂总量的2０％,从而，可根据要制成制品用途的需要，量身“定制”粘合剂的物理性质,因此,无机高分子矿物聚合物胶粘材料在磨料磨具中的使用真是“杂化”的。
目前，很少发现用无机高分子聚合物在较低温度下生产的磨料磨具，这个应用不但开拓了玻璃态、陶瓷基粘合磨料制品和树脂基粘合磨料制品应用范围的可能性，同时也改善了粘合磨料制品的性能，能够通过改变粘合剂的配合、温度曲线的控制和生产工艺的调节，从而得到高性能、低损耗的磨具产品。
总之,无机高分子结合剂使用“杂化”不能妥贴的归入玻璃态、陶瓷基或有机粘合剂类型,玻璃态、陶瓷基正如其名字的含义所指的那样，它需要熔化并流动才能覆盖磨粒,形成连接邻近磨粒的粘合体，在冷却固化后将这些结构结合起来，因此,玻璃态、陶瓷基粘合材料是在高温下形成,而且形成的时间较长。
然而，这种制品很刚硬,在精密研磨中尤为有效,有机粘合的材料在低得多的温度下形成，而无机高分子矿物聚合物结合剂是具有两者的共同优点且能够在较低温度下形成并交链变硬的聚合物材料，其产品性能具有两者的共同优点，这样为以后开发新的磨料产品提供了必要的前提条件。
三、无机高分子结合剂在砂轮应用中工艺的重要性
无机高分子结合剂在砂轮的应用中存在“形态效应”、“活性效应”和“微集料效应”三项基本效应。
所谓形态效应,泛指各种应用于砂轮生产中的磨料颗粒,由其颗粒的外观形貌、内部结构、表面性质、颗粒级配等物理性状所产生的效应。
所谓活性效应，是指无机高分子结合剂和磨粒掺合料之间的活性成分所产生的化学效应。
所谓微集料效应，是指无机高分子结合剂均匀分布于磨料的基相中，就象微细集料一样，改善掺和后混合料的结构和性能。
实际上,上述三种基本效应是水性无机结合剂掺合在磨料中的作用形式，不仅磨料如此,其它矿物掺合料也是如此，差别仅仅是作用程度的不同。
活性效应是掺合磨料在砂轮中作用的一个重要组成部分。
无机结合剂之所在砂轮中可以得到应用，就是因为它具有一定的反应能力,形成类似于陶瓷的产物，这些反应产物使砂轮材料的结构得到改善。
勿容置疑,活性效应是无机结合剂掺合料对砂轮材料性能贡献的一个重要方面。
活性效应是微集料效应发挥的基本保证。
无机结合剂与磨料的微集料效应来自于三个方面:
一是这些磨料颗粒本身具有较高的强度;
二是这些磨料颗粒与水化产物之间具有较好的粘结性能；
三是这些磨料颗粒在无机结合剂中分散状态良好,借助于合理的搅拌、加热、拌合磨料均匀性的改善，有助于磨料中孔隙的填充与“细化”。
其中磨料颗粒与无机结合剂之间具有较好的粘结性能是其它两者的基础。
只有当磨料微集料颗粒与无机结合剂组织结构均匀并紧密结合时它较高的自身强度才能发挥作用，使孔隙化的效果得以体现。
只有在这一前提下，它优越的性能才能得到利用和发挥。
磨料颗粒的界面反应是提高其界面性能的一个重要途径。
因此,无机结合剂活性效应的发挥是微集料效应发挥的前提和保证。
活性效应是形态效应作用效果的延续。
磨料的形态效应仅仅决定了无机结合剂材料没有拌合的初始结构,随着磨料和无机结合剂掺合料在搅拌和加热的合理工艺下各种反应的进行,可以使掺合后材料的结构得到进一步的改善,而这些反应的程度和速度则取决于它的活性效应。
从对其的影响上看,活性效应是形态效应的延续和发展,它使掺合料的性能得到进一步的改善。
由此可见，如何在生产工艺的控制过程中充分挖掘磨料和无机结合剂掺合料的活性潜力，对产品性能有着特别重要的意义。
同时，也应该看到,磨料和无机结合剂掺合料在砂轮生产中的作用是由三个效应组成的，为此,只有在合理的工艺下才能在挖掘它的活性效应潜力的同时,也同时也兼顾了其它效应。
四、无机高分子结合剂在砂轮生产过程中的工艺要点
１、按配方称取磨料、结合剂、填料（硅灰石粉）、助剂（蜂蜜或红糖）；
其中助剂可以不加，加助剂时只需加到结合剂中搅匀。
2、把磨料和填料在混料锅内搅拌均匀后加入结合剂和助剂的混合料,搅拌均匀后加热风搅拌。
3、热风温度控制在70℃左右,风量大小根据工业化生产量的大小及搅拌速度现场调整,速度的大小根据树脂结合剂的用量多少生产现场调整;
通热风搅拌至结团、拉丝后3—5分钟后停止热风，高速搅拌至形成松散料。
4、磨具的加热参考曲线:
7０℃、90℃、95℃、100℃、12０℃、１50～１80℃在每个温控点的控温时间以磨具内的自由状态水（或结合水）也大部分蒸发掉为基准。
应注意不要使温度高于起蒸汽时的温度,以免最终烧结成的磨具起鼓。
每一温控点干燥过程都除去无机高分子结合剂中90％以上的自由状态水（或反应的结合水）,干燥后的磨具结构致密,强度很高。
新型、高效、专用、重负荷强力和精密无机高分子磨具的制作
高效磨削加工技术是先进的制造技术必要条件,彻底解决了传统磨削加工高精度、低效率的加工局限，在获得高效率,高精度的同时,又能对各种材料和形状进行高表面完整性加工并降低成本。
在我国现有条件下,大力加强高效磨削加工技术的研究、推广和应用,对提高我国机械制造业的加工水平和加快新产品开发具有十分重要的意义。
如今超硬材料的应用日益广泛，实施高速高效磨削是加工超硬材料和难切材料的优选加工工艺。
由于超硬磨料磨具的应用，高速、大功率精密机床及数控技术发展、新型磨削液和砂轮修整等相关技术的发展、高速超高速磨削和高效率磨削技术应用、磨削自动化和智能化等技术的发展，使高效率磨粒加工在机械制造领域具有更加重要的地位,具有很好的发展前景。
高效磨削砂轮应具有好的耐磨性,高的动平衡精度,抗裂性，良好的阻尼特性,高的刚度和良好的导热性,而且其机械强度必须能承受高效磨削时的切削力等。
高效磨削砂轮可以使用刚玉、碳化硅、CBＮ、金刚石磨料。
在合适的结合剂和先进的制造工艺条件下，生产的磨具使用速度可达1２5m／s。
现有的陶瓷结合剂砂轮耐水、耐油、耐酸、耐碱的腐蚀,能保持正确的几何形状。
气孔率大,磨削率高,强度较大,韧性、弹性、抗振性差,不能承受侧向力，V轮<
３5m／s的磨削，这种结合剂应用最广,能制成各种磨具，适用于成形磨削和磨螺纹、齿轮、曲轴等。
现有的树脂结合剂强度大并富有弹性,不怕冲击,能在高速下工作。
有摩擦抛光作用，但坚固性和耐热性比陶瓷结合剂差，不耐酸、碱,气孔率小，易堵塞；
V轮>
50m/ｓ的高速磨削，能制成薄片砂轮磨槽,刃磨刀具前刀面，高精度磨削。
无机高分子结合剂磨具强度较高,因此有较高的使用速度，一般适用于高速切割、荒磨、重负荷磨削;
另外无机高分子结合剂磨具有一定的弹性，且结合剂耐热性高,磨削自锐性好，这样与传统树脂结合剂相比，砂轮的尖角保持性好，形状保持性好，也适用于精磨，如螺纹磨、成型磨、刃磨；
可以说无机高分子结合剂既具有陶瓷磨具的性能、也具有树脂磨具的性能，同时也避开了它们的缺陷。
无机高分子结合剂制作磨具,是在磨削理论基础和应用研究的基础上，把复合材料的理念引入到磨具的生产来,下面抛开无机高分子结合剂的物理化学基本原理（1.无机高分子材料的晶体化学2.无机高分子材料的热力学3.无机高分子材料的过程动力学）以及复合材料的界面和强韧化机理的介绍,具体谈谈无机高分子结合剂在新型、高效、专用、重负荷强力和精密磨具生产中的应用。
虽然这一先进工艺技术已逐渐地为一些工具行业所掌握，但仍有若干具体问题尚有待认真总结经验，研究解决。
下面就是具体对无机高分子结合剂制作磨具的设计原则和方法、制作无机高分子复合材料磨具高速重负荷、荒磨磨具、强力磨削磨具、高效深切磨削、缓进给磨削磨具、快速点磨削磨具、高效磨削磨具、主轴及其轴承磨具、高效率磨床磨具、钢轨打磨磨具、砂带磨削、陶瓷堆积磨料的工艺方法提一些粗浅的看法。
一.无机高分子结合剂制作磨具的设计原则和方法
在砂轮设计制造中应考虑如下几个问题：
首先应考虑加工的材料的性能和材料加工表面的精度，然后选择合适的磨料、粒度以及混合磨料的磨削使用。
其次是砂轮工况的各种受力情况、抗冲击性、速度、温度、加工材质和砂轮使用寿命以及选择合适的结合剂、辅料等，并考虑相互间的匹配和科学的工艺。
磨具强度取决于结合剂性能、磨具制造工艺和磨具规格。
考虑影响磨具强度的因素有：
磨料的种类、粒度，结合剂种类及性能，磨具的硬度、组织、密度、混料、成型工艺及固化工艺条件,磨具形状,磨料轮外径与孔径之比等。
其中在磨具特性及规格给定之后，结合剂性能、混料成型工艺及固化工艺条件最重要。
另外还有砂轮的磨削比也是一个重要的参数。
对上面涉及的因素，下面我们就来一一谈谈:
磨具基体的组合中磨料及磨料粗细程度和颗粒级配
磨料的粗细程度—是指不同粒径的磨料,混合在一起后的总体的粗细程度;
颗粒级配是指不同种类、大小和数量比例的磨料的组合或搭配情况。
磨料是磨具起磨削作用的重要因素，磨料的选择主要根据工件材料的性质,如硬度、抗张强度、韧性等来确定，选择磨具磨料的基本原则是：
磨削硬度高的工件材料时,应选择硬度更高的磨料;
磨削抗张强度高的工件材料时,应选用韧性大的磨料;
磨削抗张强度低的材料时,应选用较脆或强度高的碳化硅磨料。
关于各种磨料的性能、用途和选择,这里不作详谈。
选择磨料粒度时，主要应根据加工精度、表面粗糙度和磨削效率的要求来选择。
一般原则如下：
要求被磨工件粗糙度高,应选择粗粒度；
要求表面粗糙度低,应选择细粒度。
工件要求较高的几何精度和较低的表面粗糙度时，应选择混合粒度。
工件几何精度要求高,当磨料轮与工件接触面积小时,应选择细粒度;
接触面积大时,选择粗粒度。
工件材质硬而脆，应选择细粒度;
工件材料软而韧，应选择粗粒度。
工件的导热性差,易发热变形,易烧伤，应选择较粗粒度。
这些问题也涉及到磨具的导热性能、热容、密度、气孔等影响磨削的因素。
磨料通常分为—粗磨料、中磨料、细磨料和微粉磨料等几种。
在相同用磨料条件下，微粉磨料的总表面积较大,粗磨料的总表面积较小。
在磨具生产中表面需用结核剂包裹，赋予粘结强度，磨料子的总表面积愈大,则需要包裹磨料表面的无机高分子结合剂就愈多。
一般用粗磨料比用细磨料所用无机高分子结合剂量少。
磨料颗粒级配，为了使磨削效率提高，不仅要考虑磨具的强度和加工材料,而且还必须确定用那几种磨料的用量，即磨料的级配。
ﻫ 磨具在进行磨削时,磨具一方面受到磨削体的冲击作用，另一方面也受到磨削体的破坏作用，这样才能才能保证磨具的锋利度，完成整个磨削过程。
显然,在单位时间内,磨削体参与磨削的接触点越多,即单位时间内参与磨削的磨粒越多,磨削效率越高。
当磨料一定时,要增加磨料与磨削体的接触,则研磨料的尺寸越小越好。
但另一方面，要想将磨削工件加工完成磨削，则磨具必须有足够的冲击能力才行。
磨具的任务是既要保证足够的能力对工件的材料进行磨削，而又要保证磨具对工件磨削到一定的细度,因此，在其它条件一定的情况下（如磨具强度、磨具速度度等）,这个任务只有通过选择大小适合的磨料和将它们合理配比才能完成。
在磨具制作中磨料之间的空隙理论上是由结合剂包覆磨料之后产生的,为达到少用无机高分子结合剂用量来满足磨具强度、并到达提高磨削效率的目的，就应尽量减小磨料粒之间的空隙。
另外一个沿用的观念认为应该澄清的就是人们习惯于将工件磨削时发生烧伤归于磨料轮的组值太密,缺少足够的容屑气孔。
气孔在磨削时对磨屑起容屑和排屑作用,并可容纳冷却液，有助于磨削热量的散逸。
为满足某些特殊加工要求，传统磨具的气孔内还可以浸渍某些填充剂，如硫黄和石蜡等,以改善磨具的使用性能。
这种填充剂,传统也被称为磨具的第四要素。
这一点并不一定总是正确,因为高削磨削时产生磨屑数量之多,体积之大绝非小小气孔所能容纳，而超硬磨料磨料轮尽管完全没有气孔。
只要将其表面适当修锐就能够很好地工作。
如果增大树脂磨料轮的气孔容积比势必会降低其强度，使其过早磨损,这是得不偿失的事。
另外,砂轮工作线速度对产生磨屑数量的影响比较复杂，当砂轮从２８.８ｍ/s提高到33.6m／s时,速度提高了１6%，而堵塞量增加了三倍。
因为砂轮线速度的增加使磨粒的最大切深减小,切屑截面积减小,同时切削次数和磨削热增加,这两个因数均使堵塞量增加,但是当砂轮线速度高达一定程度时（如达5０ｍ／s以上）砂轮的堵塞量反而大降低。
对于各种工件材料来说，各有一定的其堵塞量最小的临界砂轮速度值。
无机高分子结合剂制作磨具对这些考虑很少,关于这些磨削理论将在以后的专项中再作介绍。
）至于采取什么方法来减少高速磨中的烧伤问题,下面在具体磨具要素中会再谈到。
磨料颗粒级配和粗细程度的定量表示,磨料的颗粒级配和粗细程度。
用级配区表示磨料的级配，用细度模数表示磨料的粗细。
磨料粒度号及其颗粒尺寸大小
磨粒
微粉
粒度号
颗粒尺寸（μｍ）
粒度号
颗粒尺寸（μm）
颗粒尺寸（μm）
14#
１６０0~1250
７0 #
２５0~200
W４０
40~28
16 #
125０~1000
80＃
20０~1６0
W28
28~２0
20#
10０0~800
１０0#
1６０～125
Ｗ20
20~14
２4#
８00～６30
1２0＃
125~100
W14
14~10
３0#
6３0~50０
１50#
10０~８0
Ｗ１0
１０~7
3６#
5０0~400
１80#
8０~６3
W７
7~５
４6 ＃
400~315
240 #
63~50
W5
5~3.５
60#
３１5~25０
２80＃
50～4０
Ｗ３.5
3.5～２.５
磨料的粗细-比表面积（μf）
磨料的粗细程度用表示比表面积（μf），其计算公式为
μf=（β2+β3＋β4+β５+β6）-5β１／１00
比表面积（μｆ）愈大，表示在同种质量下磨料愈细,磨具用磨料的比表面积范围一般为３.７－0.7，其中μｆ在3．7-３.1为粗磨料,
μf在３.0－２.3为中磨料，
μf在2.2－1．６为细磨料,
μf在1.5－0．7为特细磨料
磨具的坚固性:
是指磨具在外力、环境或其它物理因素作用下抵抗破裂的能力。
选择磨具硬度时,主要根据工件材料的性质、磨削方式来选择。
磨料轮的硬度是指磨料轮表面上的磨粒在磨削力作用下脱落的难易程度。
磨料轮的硬度软，表示磨料轮的磨粒容易脱落,磨料轮的硬度硬,表示磨粒较难脱落。
磨料轮的硬度和磨料的硬度是两个不同的概念。
同一种磨料可以做成不同硬度的磨料轮,它主要决定于结合剂的性能、数量以及磨料轮制造的工艺。
磨削与切削的显著差别是磨料轮具有“自锐性”,选择磨料轮的硬度，实际上就是选择磨料轮的自锐性希望还锋利的磨粒不要太早脱落,也不要磨钝了还不脱落（磨粒磨损机理
（1）微观切削磨损机理
（2）多次塑变导致断裂的磨损机理（３）微观断裂磨损机理影响磨粒磨损的因素等这里不作介绍）。
散粒材料的堆积密度及空隙率
堆积密度－散粒状材料在规定装填条件下（包括散粒材料中颗粒在自然状态下的体积和颗粒之间空隙的体积）的质量称为堆积密度。
如白刚玉堆积密度1.5３~1．９９g／cm3,颗粒密度为:
3.95~4.0g／cm3。
单位g／ｃm３或kｇ/m3。
公式:
ρo=ｍ/Vo
式中 ρｏ-堆积密度（g/cm3）
m－材料的质量（g） Vo-材料的堆积体积（cm３）
单位体积磨料的重量称为磨料的堆积密度,其单位习惯上用g/cm3来表示。
磨料的堆积密度直接对磨具的强度、硬度及切削性能都有一定的影响，另外,它对磨料的其它性质也有一定的影响。
影响磨料堆积密度的因素主要包括磨料的种类、粒度和磨料的破碎方法。
一般来说,在相同的条件下,刚玉的堆积密度比碳化硅的大,粗粒度比细粒度的堆积密度大，等积形磨料的堆积密度比片状、剑状的大，用球磨机加工的磨料的堆积密度比对辊机、鄂式破碎机加工的大。
就磨具的生产而言，用于生产固结磨具的磨料,其堆积密度应尽可能的大,从而使得磨具具有较高的强度、硬度以及良好的切削性能;
用于生产涂附磨具的磨料,其堆积密度应尽可能的小，这样可以保证磨具的锋利性，故而这也是磨具生产应当注意的。
磨料的堆积密度可以通过整形来改变，用球磨机整形可提高磨料的堆积密度，用对辊机或鄂式破碎机整形能降低磨料的堆积密度。
另外，采用混合磨粒可以提高磨料的堆积密度,如果粗细粒度搭配适当,能使磨料的堆积密度达到最大值。
空隙率－散粒材料在自然堆积状态下，其中的空隙体积与散粒在自然堆积状态下的体积之比的百分率称为空隙率
公式:
Ｐ’=（1-ρｏˊ／ρｏ）×
100％
P’—散粒材料的空隙率
ρｏˊ—散粒材料的堆积密度
ρo-－材料的体积密度
磨料粒度级配的选择
连续级配和间断级配
连续级配——是按颗粒尺寸大小由小到大连续分级（2.5nｍ~Dｍax），每一级磨料都占有一定比例。
连续级配颗粒级差小（D/d≈２）,配制的磨料拌和物和易性好,不易产生大粒现象。
间断级配——是人为剔除某些中间粒级颗粒,大颗粒的空隙直接由比它小得多的颗粒去填充，颗粒级差大（Ｄ/ｄ≈6）,空隙率的降低比连续级配快得多，可最大限度地发挥磨料的骨架。
级配磨料的用量计算:
根据紧密嵌挤-骨架密实的原则,设计混合料的思路推导出粗细磨料用量百分比公式:
qx+qc＝1０0 式1
qx∕（1－vx）px=ｋ×
qc∕（1-vc）pc式2
式中:
qｘ、qｃ－-细粗磨料重量百分比，
vx、vｃ—细粗磨料堆积孔隙率,
pｘ、ｐc—细粗磨料堆积密度，
k—填充系数。
式1.2联解出磨料的百分比,式中k依据磨具的具体情况,如密度、强度、磨削性能等情况来定。
完全填充时k为1，若粗磨料用量为M，那么细磨料的用量为
（M∕ρｏˊ粗）×
P’粗×
ρｏˊ细,即也为细磨料的最大理论添加量。
关于砂轮的磨料级配问题,涉及的引申问题很多,如磨削性能、强度、密度、混料、成型工艺等等，也有很多问题有待进一步研究。
磨具的强度
磨具强度包括抗拉强度、抗折强度、抗压强度和抗冲击强度。
磨具抗拉强度反映磨具在最大张力下的强度,它是磨具制造、使用上的一个重要指标，直接与磨具在高速旋转时可能产生破裂的程度有关;
磨具抗折强度反映磨具的最大弯曲应力或弯曲极限,它与磨具磨削中成型磨削性能有关,例如螺纹磨削、曲轴磨削及各类型的切入磨削等，
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