超硬树脂磨具的制造工艺流程及配方设计

制造工艺流程

超硬材料树脂磨具的制造生产与普通树脂磨具基本相同，但在配方和工艺操作上略有 区别。配方特点是填料多，磨料少；工艺特点是热压成型，热压温度分别为：酚醛树脂180°C、 聚酰亚胺225 °C左右，单位压力30〜75MPa，甚至100MPa，固化时间为10~30h。由于超硬材料树脂磨具结构的特殊性，使得成型模具和成型操作变得复杂，要求操作更加细致和精确。图8-2是酚醛树脂结合剂金刚石砂轮生产工艺流程。图8-3是树脂结合剂CBN砂轮生产工艺流程。

配方设计

对于任何磨具来说，至关重要的当然是根据磨削对象而设计出的配方配方是组成磨具 产品的原材料种类和数量的反映，是生产中配制成型料的重要依据，它是根据磨具的使用性 能与工艺要求而拟定的。严格地讲它应该包括所使用的磨料、结合剂填充料等，以及与之有 关的磨料类别、浓度和砂轮的成型密度、气孔率等。

配方设计的一般过程是：首先在分析各种原材料作用的基础上，根据加工要求，进行结 合剂成分混配’热压制成试样！固化后测定其强度、硬度等各项性能参数；选择性能良的配 方，进一步试制成磨具；对磨具进行性能测试以及磨削鉴定对比试验，从而选取最佳配方:最 后经反复试验，并经一定时间的生产验证，达到稳定成熟。

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配方设计原则

配方设计的总原则是：应该对技术可 行性所设计的配方中原材料的性能及配比能不能适合磨削加工质量的要求；经济上则要考虑 包括砂轮制造和使用两方面因素在内的总的加工费用。

超硬材料树脂磨具配方与普通树脂磨具一样，由磨料（金刚石、CBN）、结合剂、气孔三部分组成，磨具的总体积等于三者之和。假设磨具的总体积为100，则：

配方中各数据取决于三者的比例关系，要使三者的比例关系搭配合理，须抓住影响配方 的几个因素，如浓度、硬度、磨料粒度，进行分析。

1、磨料浓度与结合剂的关系

磨料浓度即代表了磨料在磨具中的所占的体积，浓度越高，说明在同等体积的磨具中磨料占的体积越多，磨削时单位时间内有较多的磨粒切削刃切削工件。根据磨具三要素的关系，浓度过高，结合剂量减少，金刚石把持不牢，使磨料过早脱落，不能充分发挥每颗金刚石应起的作用，而且造成砂轮的成本髙。浓度过低，磨具的磨削能力降低，摩擦阻力大，造成磨削力增大。必须根据加工要求选用各种浓度，根据浓度的大小，采用粘结剂量不同的结合剂。 浓度小时，粘结剂加人量少；当浓度大增加时，粘结剂量也相应增加，减少填料量，以增加对 磨粒的把持力。

2.磨料粒度和结合剂用量的关系

配方中磨料粒度决定被加工工件的粗糙度和磨削效率，粗糙度要求髙，使用细粒度金刚石要求磨削效率高，使用粗粒度金刚石。粒度与粗糙度的关系如图8-4。由于粒度的粗细不同，磨料的比表面积也不同。粒度越细，比表面积越大，所需结合剂量要求也多，所以气孔率相同的磨具，细粒度比粗粒度软。

3.结合剂用量与硬度的关系

在同一浓度的磨具中，随着结合剂用量的增加，磨具的硬度提高，但结合剂量过多，不但硬度提高很少，同时给混料与成型带来很多困难。因此往往不用增加结合剂的办法来提高硬度，而用增加填料的办法来提高磨具的硬度和强度。提高硬度的另一个办法就是增加成型压 力，使磨具密度增大，磨粒之间的距离缩小，结合剂桥加粗，因而使磨粒被粘结的更牢，硬度更高。

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配方的表示方法

超硬材料树脂磨具配方表示方法，最常用的方法有两种：即体积表示法和质量分数表示法。

1.体积表示法

由磨具的结构可知：

V磨具=V磨料+V结+V气

 =V磨料+V粘+V填+V气填 (8-6)

此表达式可直观地表现出三者之间的关系：当磨具的浓度确定以后，其磨料的体积 即已确定，然后根据：

（1）同一浓度，粒度越粗，粘结剂量愈小，孔隙体积愈小；

（2）同一 粒度，浓度愈髙，粘结剂量愈大，孔隙体积基本不变；

（3）粒度愈细，浓度愈高，粘结剂量愈大的原则，确定按浓度分档的各种粒度磨具的配方。

为简化起见，同时也考虑到磨削加工工艺的要求，一般将磨粒粒度合并成四个档次，分别用作粗磨60〜100、半精磨120〜180、精磨240〜320、抛光M22/36〜M0.5/1.5。表8-2列出了几种常用浓度以体积（体积/质量）表示法表示的金刚石磨具配方表。

2.质量分数表示法

质量分数表示法实际上是由体积表示法演变而来，它在工业生产中使用起来比较方便。 将表8-2中的各种材料的体积乘以该材料的密度，然后换算成质量分数就使体积表示法的 配方变成了质量分数表示法的配方表。

例如：在表8-2中选取75%浓度、120-180粒度这一组数据进行配方换算。由式（8-1）可知：

由此将表8-2进行换算，得到表8-4。

但是，质量表示法配方在工业生产中操作起来仍有诸多不便，主要表现在每一种材料都 要现称现配，大大增加了工作量，而且材料愈多，所出的差错也愈多。另外每一种磨具计算出 磨削层的体积后，还需对各种材料进行计算。因此必须简化这一手续。目前行业上普遍采取 的方法是：先按照体积表示法设计好配方，再通过质量计算，将粘结剂（树脂）和填料所占的 质量算出，列出结合剂的重量配方表，然后按此表将结合剂预先混合好。使用时只需按磨具 体积，计算出金刚石的用量，再混合均匀即可使用。

为配料方便起见，需将上述结合剂配比折合成质量分数，并列成表8-5的形式。

这样在配制成型料时，仅需按磨具的体积算出金刚石及结合剂质量，准确称量后就可 以配制出成型料。

上例中成型料配比列人表8-6。

3.非金刚石层配方表示方法

国内生产的超硬材料树脂磨具大部分均带有非磨削层（又称过渡层〉。过渡层的作用有：

(1)磨具制造过程中，基体与模具之间存在有一定配合间隙，致使模具定位孔和外圆的 磨削层（指外圆磨具）之间存在着事实上的不同心，通过随后的机械加工，不同心的情况虽有 所校正，但仍难以做到绝对的同心。也就是说磨具在使用到后期出现部分区域金刚石已使用 完，而另一部分区域还存在有较多的金刚石，为了充分地利用过产部分金刚石，有过渡层的磨具就可以达到这一目的。

(2)过渡层可以是磨削层和基体间的缓冲区，有利于联结牢固、减震等。

过渡层既然必须具备“缓冲”作用’那么它的力学性能等应该处于“中介”状态，并对基体 有良好的粘结强度。

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