空调压缩机气缸活塞专用CBN树脂砂轮的结构与性能研究毕业论文 精品.docx
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毕业论文
题目:
空调压缩机气缸、活塞专用CBN树脂砂轮
的结构与性能研究
院系名称：
材料科学与工程专业班级：
材料0301
摘要
本文主要介绍了有关CBN树脂砂轮结构与性能的分析.空调压缩机气缸活塞专用CBN树脂砂轮要求有良好的性能才能达到理想的加工效果.然而提高树脂磨具质量需要从其结构和性能来分析影响砂轮质量的因素,才能找到改进CBN树脂砂轮质量的配方工艺,使国内加工高精度零件达世界先进水平.
我们选用三种国外进口酚醛树脂作为结合剂，设计首先是对这三种酚醛树脂作一系列的物理化学性能分析，包括熔点、固化时间、流动性；接着通过综合热分析和红外光谱实验对三种树脂的化学结构进行推断；然后做树脂样条检测结合剂的强度硬度以及检测砂轮的抗冲击强度和硬度,这些可以用来检验树脂对磨料的结合能力；最后用这三种树脂所做的CBN砂轮完成一系列的磨削实验，确定其磨削性能。
关键词：
酚醛树脂磨削性能力学性能结构分析
TitleStructuralandFunctionalResearchonAir-conditioncompressorGasCylinder,PistonspecializedCBNresinGrindingwheel
Abstract
ThispapermainlyanalyzesthestructureandfunctionofCBNResinGrindingwheel.
Air-conditioncompressorGasCylinder,PistonspecializedCBNresingrindingwheel.musthaveperfectfunctionaltoreachidealprocessingeffect.Forthequalityimprovement,structuralandfunctionalfactorsthataffectthequalityofgrindingwheelshouldtakeintoconsideration.WiththeperfectprocessingprescriptionforimprovingthequalityofCBNresingrindingwheel,thetechniqueskillforhomeprocessingfieldonhighfinishcomponentscancatchupwiththeworldlevel.
Wechosethreeforeignimportsasaphenolicresinbindertoexperiment.Designisthefirstofthreethisphenolicresinasaseriesofphysicalandchemicalproperties,Includingmeltingpoint,curingtime,mobility，Thenthroughtheintegratedthermalanalysisandinfraredspectroscopyofthreeresinchemicalstructureinference;Forthekindofresinbindercandetectthestrengthandhardness;DetectionWheelimpactstrengthandhardnessresincanbeusedtotestthecombinationofabrasive;Finally,thethreeresinsdoneCBNwheelgrindingcompletedaseriesofexperimentstodeterminegrindingperformance.
Keywords:
PhenolicResinPhenolicsperformanceRubstruncatestheperformanceMechanicsperformance
目次
1前言1
1.1国外研究状况1
1.2国内研究状况2
1.3研究的意义2
2原料及方案2
2.1CBN磨料3
2.2树脂结合剂3
2.2.1酚醛树脂粉3
2.2.2填料4
2.3实验方案的确定4
3实验及分析4
3.1酚醛树脂粉的物理性能5
3.1.1酚醛树脂的熔点的测定及分析5
3.1.2酚醛树脂的流动性的测定及分析6
3.1.3酚醛树脂的凝胶时间的测定及分析6
3.2结构分析7
3.2.1差热分析7
3.2.2红外光谱分析10
3.3树脂块的力学性能11
3.3.1纯树脂块的的制备11
3.3.2洛氏硬度的测定及分析12
3.3.3抗折强度的测定及分析13
3.3.4冲击试验的测定及分析13
3.3磨削性能13
3.3.1SiC树脂样条的性能测定及分析14
3.3.2CBN树脂样块磨削性能的测定及分析15
结论17
致谢18
参考文献19
1前言
随着科学的发展科技的进步,中国国民生活水平得到了提高,汽车、空调不再是那么的遥不可及,反而与人们的生活联系日益密切[1]。
汽车、空调的社会需求量也突飞猛进的增长,然而这些产品零部件的加工需要达到高精度的要求。
目前国内汽车、空调行业多采用进口这些零部件,致使产品成本大大增加,与国外的同等行业竞争处于劣势,阻碍了国内汽车、空调行业的发展。
近年来，国际知名的空调生产企业纷纷来华建厂，空调压缩机制造行业在国内的竞争日趋国际化，空调压缩机的核心零部件汽缸、活塞磨削CBN砂轮系列产品的市场竞争十分激烈，空调压缩机厂家纷纷要求降低成本，要求砂轮国产化。
而我国的CBN磨具与世界先进水平还有很大距离，因此其应用前景十分广阔。
每个厂家使用CBN砂轮的年平均用量约合人民币一千多万元，总进口量约合人民币八千多万元，若实现此种砂轮的进口替代，可实现销售收入五千多万元，这样会带来十分客观的经济效益和社会效益。
所以加快研究这一系列超硬材料砂轮是刻不容缓的事，是具有重大意义的。
1.1国外研究状况
据来自不同途径的资料统计，国外用超硬材料磨具、工具加工的汽车零部件已达100余种，而我国仅十余种，且这十余种零部件大都仅少数工艺装备较先进的汽车厂或配件厂使用。
目前，国外己将超硬材料磨具用于关键的汽车零部件，且己融入大生产线之中。
（CBN）磨料具有高硬度、高强度和导热性好等优点，在国外已广泛应用于高温合金、钛合金等难加工材料的磨削加工。
如德国的温特公司己大批量提供用于汽车活塞环加工的CBN磨盘、高精度耐磨轴承加工的特殊陶瓷结合剂CBN砂轮和曲轴磨砂轮。
以加工高合金钢的CBN砂轮为例，德国雷格公司的CBN磨轮在奔驰汽车公司使用，每次进刀量（深度）达0.10mm时，其磨削比G值可达80（干磨），而国产的CBN磨轮根木无法使用，当将磨削进刀量降至0.02mm时，才勉强可用，其磨削比G值仅20左右[2]。
而我国这些关键零部件加工连最基础的试验工作还未完成。
温度高，磨削表面完整性差。
1.2国内研究状况
20世纪70年代我国研制成功了CBN砂轮主要是用来磨削一些硬度高难磨的材料或一些精度要求高的工具和模具解决了精度差、易烧伤等质量问题。
而在磨削工艺密集，生产批量大的产品，如汽缸、活塞、轴承生产磨削等用CBN砂轮磨削的技术研究进展很少，更没有在工业大生产中应用。
2004年,沈阳中科超硬磨具磨削研究所研制了空调压缩机汽缸活塞磨削用CBN砂轮系列产品。
他们研制的树脂CBN砂轮采用的关键技术为：
采用压力控制以保证砂轮的成型密度；
选用国外耐高温树脂、化工配方填料、热压温度参数，保证了产品的磨削性能；
采用专用工装卡具保证了产品的尺寸精度.该所生产的CBN树脂砂轮的主要性能指标为：
节拍12秒，修整周期3000件，砂轮寿命15万件，达到国外技术水平[3]。
1.3研究的意义
CBN磨具磨削复杂程度和技术水平远高于传统的磨削技术，而我国在CBN应用研究方面起步较晚，虽然也取得了很大进步，但和世界工业发达的国家相比我国在全面技术、制品研制及应用领域还有一定的差距[4]。
为适应市场竞争的需要,应对大量进口超硬材料磨具带来的冲击,提高国产金刚石和CBN磨具的质量,尤其是树脂结合剂磨具质量已到了刻不容缓的地步。
随着全球经济一体化进程的加快,中国经济的进一步对外开放,越来越多的先进加工机械进入中国的制造业领域,附之而来的高质量的CBN磨具也越来越多。
这一方面对本行业的市场进行冲击;另一方面由于磨具价格的极大差距,为降低产品加工成本,不得不向国内磨具行业寻求可以替代进口的磨具产品。
[5]因此,外资的进入既是挑战,更是机遇。
本行业应当不失时机地积极组织人力、物力、财力进行攻关。
用于加工高精度汽车零配件、空调压缩机气缸、活塞的CBN树脂结合剂砂轮技术的研究和推广，有利于中国超硬材料的在这一领域的迅速发展，为中国企业带来了很大利润，也节省了大笔开支，对中国汽车、空调等产品也是一次好的技术革新。
2原料及方案
CBN树脂砂轮由CBN磨料、树脂结合剂和基体三部份组成,其中CBN磨料与树脂结合剂决定着表面结构和性能的重要因素。
2.1CBN磨料
CBN（CubicBoronNitride）是继人造金刚石问世之后，于1957年，由美国GE公司首先合成出的又一种超硬材料。
我国在1966年试制成功CBN，至今已有近四十年的历史了[6]。
CBN主要性能：
①CBN的硬度远高于其它普通磨料。
高的硬度意味着切削能力更强、更锋利;②CBN有高的耐磨性，意味着它比普通磨料更难磨损。
保持磨粒形状的能力是CBN作为高性能磨料的主要特性之一；③CBN的抗压强度很高，这意味着在恶劣的条件下使用时它能保持颗粒完整而不易破碎；④CBN有很好的导热性，在磨削时可实现冷切削。
由于它的这些优异性能,CBN树脂磨具特别适合于各类铁族金属材料的磨加工.CBN磨料粒度有不同型号,我们可根据需求选择适合的粒度。
2.2树脂结合剂
树脂结合剂是由作为粘结材料的树脂和填料组成,结合剂的优劣主要取决于所用粘结材料的性能,但填料的作用也不可忽略[6]。
目前国内CBN磨具所用树脂主要有两大类:
①酚醛树脂——包括普通酚醛树脂（牌号为2123）、改性酚醛树脂（如硼酚醛树脂、新酚树脂,但使用得很少）;②聚酰亚胺树脂——它是一种比酚醛树脂有更好的高温强度,且耐腐蚀、耐磨损的有机聚合物。
我们这次选用酚醛树脂粉,其特点是自锐性好,富有弹性,抛光性能好,适应范围广,且成本低[7]。
2.2.1酚醛树脂粉
我们有三种不同的酚醛树脂粉,它们分别是:
英国的939P,德国的Bakelite公司生产0327和0309。
这三种树脂粉的物理性能如下:
英国939P:
粉红色粉末,具有特有气味,可溶于乙醇.熔点:
85-105℃,粒度小于75微米,堆积密度:
0.35-0.37g/cm3,成型密度:
1.20-1.24g/cm3.939P具有特殊的芳烷基酚醛树脂，被证实是有着显著的高温热稳定性，抗热性。
用其作为结合剂制作的砂轮应用广泛，包括硬化钢或硬质合金的加工工具，切割研磨机，也可以用于花岗岩，大理石和其他装饰材料的抛光和打磨。
德国的酚醛树脂0309和0327是热固性树脂，其特点是含有少（无）量的甲醛和苯酚，可以是溶剂型，也可以是无溶剂型，固体含量较高，黏度底。
耐烧蚀，阻燃，低发烟，在高温下的刚性保持率高，耐蠕变等优点[8]。
2.2.2填料
超硬磨料树脂磨具使用的辅助材料,包括填充剂、润滑剂、湿润剂等几类,多达20余种.国内常用填充剂为Cu粉、Cr2O3、ZnO、Fe2O3；国外一些进磨具配方中，铜用得少,甚至不用。
国外使用Al2O3、SiC比国内多见，既是填料，又是辅助磨料.而二氧化硅等其它填料现在已很少使用。
但国内有些厂家仍在大量使用,效果不好，应当放弃[9]。
.我们选的填料主要有填充剂Cu粉、氧化锆、氧化锌和润湿剂。
2.3实验方案的确定
在实验之前充分作好准备，根据事先确定的工艺流程最后结合多种注意事项要求，结合配方和工艺过程，最终确定最佳方案。
整个实验的流程如图1所示:
SiC磨具的抗折强度、硬度
CBN磨削性能检测
图1实验方案
3实验及分析
空调压缩机气缸活塞专用CBN树脂砂轮需要达到对零件的高精度磨削,因此砂轮需要较好性能才能达到我们的要求。
我们主要从酚醛树脂粉的性能分析其对CBN树脂砂轮结构与性能的影响。
酚醛树脂粉的熔点、凝胶时间、流动性都影响着结合剂CBN磨料之间结合力的强弱,而树脂块的抗折强度洛氏硬度冲击韧性都是砂轮的力学性能的重要指标[10]。
从实验我们知道,CBN树脂砂轮性能有诸多因素制约,合适的原料,合适的配方,先进的工艺方能生产出质量达先进水平的树脂砂轮。
3.1酚醛树脂粉的物理性能
3.1.1酚醛树脂的熔点的测定及分析
毛细管法测定树脂的熔点：
取少许待测熔点的干燥树脂粉，至于干净的表面器皿上，取一根一面封闭的毛细管，将开口向下的端插入粉末中，然后把开口的一端转向上，轻轻地在桌面上敲击，让粉末倒入底部。
将熔点管垂直夹在铁架上，把温度计插在带有缺口橡皮塞内，温度计的刻度应面向有缺口的一面，并将调节至水银球在熔点管上下叉管之间。
取出带温度计将毛细管固定在温度计上，使装料部分处于温度计的中部，然后把带温度计和毛细管的橡皮塞插入熔点管。
在熔点管弯曲的支管部分加热。
开始升温较快，每分钟约上升5℃到距离熔点10-15℃调整火焰使每分钟上升1℃。
待甘油冷却到熔点以下30℃左右，另取一根装好样品的毛细管重复以上操作。
得出数据如表1:
表1酚醛树脂的熔点（℃）
1
2
3
平均熔点（℃）
939P
88
84
85
86.5
0309
132
112
110
118
0327
98
96
98
97
结果分析:
三种酚醛树脂的熔点:
0309（sp）＞0327（sp）＞939P.从表中可以看出0309的熔点高于0327高于939P
3.1.2酚醛树脂的流动性的测定及分析
称取树脂粉10克，压制成50mm*5mm圆柱实验块。
将已经成型好的实验块用游标卡尺测量其直径后,用小钉固定在倾斜角为45度的铁板上放入初始温度为40度的烘箱中，以每小时10℃的速率加热8小时至达到180℃为止，取出后用游标卡尺测量其流长，最终得到三种树脂流长,做三次数据如表2所示：
表2酚醛树脂的流动性（mm）
939P
0309
0327
63.2
70.6
171.2
59.4
60.8
69.2
70.4
175.7
172.2
结果分析:
三种酚醛树脂的流动性0327最好,其次是0309,较差的是939P.
结合剂的流动性对磨具的制造以及产品性能的有重要影响，若结合剂的流动性过低，则结合剂的黏度大，不容易流动，不易均匀地分布在磨粒之间，因而会影响结合剂和磨粒之间的结合程度，不能保证磨具应有的机械强度；相反，若结合剂的流动性过大，则结合剂的黏度过低，很容易从磨粒之间流出，并造成制品变形，对磨具的制造都是不利的[11]。
3.1.3酚醛树脂的凝胶时间的测定及分析
树脂聚合是树脂内部结构有线型向体型转化的过程，由A期转化C期所要的时间，即为树脂的聚合速率，它决定了树脂磨具的硬化快慢程度。
把加热板升温到180℃将2-3克树脂粉末放于加热板中心，，并不断把玻璃棒提高10-12毫米，观察到伸长线的生成，当线条到伸长断裂的瞬间为止，所需要的时间为硬化时间，三种树脂做三次取平均值如表3所示：
.
表3酚醛树脂的凝胶时间
939P
0309
0327
1′01″
1′50″
44″
1′10″
2′05″
1′06″
1′12″
1′56″
55″
结果分析:
三种酚醛树脂的凝胶时间为0309（sp）＞939P＞0327（sp），所以在三种树脂制作磨具时硬化时间应考虑逐次减少。
测出树脂的硬化时间对以后树脂磨具的二次硬化有指导意义。
3.2结构分析
3.2.1差热分析
（1）939P酚醛树脂粉
图2939P差热分析图
图3939P热重分析图
⑵0309酚醛树脂粉
图40309差热分析图
图50309热重分析图
⑶0327酚醛树脂粉
图60327综合热分析图
由图2至图6可以看出
表4失重分析表
939P（Ti=26℃）
0309（Ti=23℃）
0327（Ti=27℃）
5%
10%
20%
30%
173℃
397℃
505℃
539℃
237℃
397℃
468℃
522℃
159℃
309℃
458℃
519℃
结果分析:
5%0309>939P>0327
10%0309=939P>0327
20%939P>0309>0327
30%939P>0309>0327
同一失重百分数的情况下,温度越低，说明树脂耐热性能越差,越容易炭化，在磨削过程中遇热易发生变化,对磨料的把持能力越低。
相反温度高的树脂粉则耐热性能比较好,在磨削时受热磨粒不易脱落。
3.2.2红外光谱分析
红外吸收光谱仪由红外辐射源样品室单色器检测器放大器数据记录仪五个部分组成,[12]它主要是通过红外光谱对样品进行分析。
实验内容:
1.将酚醛树脂粉和混合,研细;
2.用纯压制圆片作为参照,把混合粉压制圆片;
3.放入仪器内测定。
图7939P红外分析图
图80327红外分析图
图90309红外分析图
采用红外光谱仪（FT-IR），对三种树进行分析见图7,图8和图9。
三种树脂在3450cm-1处都出现了强烈的振动峰，表明了是H2O的存在；3430cm-1和处有羟基和氨基的O-H、N-H伸缩振动峰；3450cm-1到2000cm-1只有一些微小的振动1300cm-1以下只有一些微小的振动峰，可能是由噪声引起的；1600cm-1和1500cm-1处是芳烃C=C基伸缩振动特征峰；1450cm-1和1300cm-1处可能是烷烃的C-H基团的弯曲振动峰；1250cm-1C-O伸缩振动峰；1080cm-1处是C-O基团；1100-675是芳烃=C-H弯曲振动峰。
结论:
939P是一种新酚树脂,而0327和0309是改性过的酚醛树脂。
3.3树脂块的力学性能
3.3.1纯树脂块的的制备
热压模具体积：
5㎝*1㎝*1㎝
温度：
180℃
保压：
40分钟
固化曲线如表5
表5固化曲线表
温度℃
40-100
100-140
140
140-160
160
160-180
180
时间h
1.0
1.0
0.5
0.5
0.5
0.5
3.0
备注：
电热恒温干燥箱技术参数
温度均匀度±＜1.5℃
工作室体积45*55*55㎝
编号AS06-185
型号101-2BS
功率2.0KW
3.3.2洛氏硬度的测定及分析
在规定的外加载荷下，将钢球或金刚石压头垂直压入试件表面，产生压痕，测试压痕深度，计算出洛氏硬度[13]。
简单说就是压痕越浅，HR值越大，材料硬度越高。
测试步骤:
1.将试样放在工作台上，旋转手轮，使试样上升至加满负荷（即小指针与红点）为止，此时大指针应垂直向上直向标记B或C处，其偏移不得超过正负5分度格，否则另选一点。
两点相距至少5毫米。
2．转动指示器的调整盘，使大指针指向刻度B。
3.向后退刀操纵手柄，加上总负荷，至指示器上的大指针运动停止，然后将操纵手柄扳回，卸除总负荷。
4.按指示器上大指针所指刻度线读红字读数并记录于表6。
5.同一试样上测三点，每种配方测两个样块。
表6纯树脂样块的洛氏硬度（HRB）
939P
0309
0327
47.8
96.0
93.0
46.5
97.3
92.0
50.2
105.0
104.0
备注：
洛氏硬度机HR-15。
磨料在磨削过程中不断地摩擦工作，出现了磨损而磨钝的现象，在此同时磨料与结合剂也不断地摩擦，使得结合剂不断磨耗。
如果结合剂的磨耗与磨料的磨钝相匹配，则硬度较理想。
结果分析:
0309（sp）>939P>0327（sp）
3.3.3抗折强度的测定及分析
结合剂的抗折强度,反映了磨具在受到弯曲应力作用时发生破坏的最大应力,将试样制成10mm*10mm*50mm的样块。
通过仪器测出数据如表7所示:
表7纯树脂样块的抗折强度（MPa）
939P
0309
0327
30.24
34.44
35.12
35.74
31.98
49.92
77.85
80.98
91.33
备注：
CM74504微机控制式电子万能实验机
бb=3PL/2bh2
бb—抗折强度MPa
P—试条折断时的负荷
b—试条宽度mm
h—试条厚度mm
L—两支点间的距离.mm
结果分析:
0327（sp）>0309（sp）>939P
3.3.4冲击试验的测定及分析
采用JB-5摆锤式冲击试验机，吴忠材料试验机。
根据实验样块的大小选择摆锤，将摆锤调整在零刻度位置，支起摆锤，将样块紧贴支撑（距离高度70毫米）放在支架上，样块在两端的长度相等。
使摆锤自由下落，冲断试样后，读取的刻度值是冲击所消耗的功。
表8纯树脂样块的冲击韧性（J）
939P
0309
0327
0.20
0.50
0.51
0.20
0.79
0.50
0.25
0.56
0.30
结果分析:
从表中可以看出树脂0309的抗冲击所消耗的功稍大于0327但明显大于939P，所以树脂0309和0327的结合强度要大。
3.3磨削性能
3.3.1SiC树脂样条的性能测定及分析
⑴样条制备
树脂中加入SiC磨料制备样条，主要是为了检测三种树脂对磨料的把持能力，选用320目的SiC磨料，采用热压成型的方法制作，主要成型压制固化过程过程参照3.2.1.原料配方如下表9所示:
表9SiC树脂样条的配方
SiC
B
Cu
Cr2O3
ZnO
润湿剂
成型密度
Vol％
30.0
40.0
13.4
5.8
4.1
4.0
3.8
wt％
31.0
15.6
35.6
9.1
7.9
2.5
M（g）
5.2
2.6
5.9
1.5
1.3
⑵SiC磨料样条抗折强度实验
抗折实验步骤如3.2.3,数据如表10:
表10SiC磨料样条抗折强度（MPa）
939P
0309
0327
32.50
17.51
34.23
25.65
31.63
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