栗正新， 王兆武

(河南工業(yè)大學 材料科學與工程學院， 鄭州 450001)

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堆積磨料的研究開發(fā)與應用

栗正新， 王兆武

(河南工業(yè)大學 材料科學與工程學院， 鄭州 450001)

摘要：堆積磨料是許多細粒度磨料通過黏結劑黏結起來的一種新型的粗顆粒磨料，在國內(nèi)外涂附磨具市場上的應用越來越多。堆積磨料具有壽命長、自銳性好等優(yōu)點，應用在黏附性強的難加工磨削材料方面表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。本文介紹了堆積磨料的研發(fā)過程、制備原理及應用前景，并對其技術發(fā)展提出建議。

關鍵詞：堆積磨料；磨料；剛玉；碳化硅

隨著現(xiàn)代加工制造業(yè)的快速發(fā)展，對制造設備所需材料的性能要求也越來越高。在航空航天、精密制造等領域，鈦合金、不銹鋼、高強度鋼等性能優(yōu)異的材料被廣泛應用，但這些材料強度高、韌性高、延展性高，在磨削加工過程中容易出現(xiàn)黏附、燒傷等問題。因此，壽命長、自銳性好的堆積磨料被研發(fā)和應用，以改善難加工材料的磨削質(zhì)量。

1堆積磨料的概述

堆積磨料是許多細粒度磨料通過黏結劑黏結起來的一種新型磨料。其結構如圖1所示。堆積磨料由氣孔、黏結劑、磨料3個要素組成。黏結劑的種類包括橡膠、樹脂、陶瓷和金屬材料等，其中還添加有吸熱材料、助磨材料、潤滑材料等輔助材料。磨料有剛玉、碳化硅、金剛石或立方氮化硼。黏結劑和磨料的比例在2∶98和75∶25之間，一般堆積密度為0.7～1.6 g/cm3，單顆?？箟簭姸葹?～25 N[1]。堆積磨料由許多細粒度磨料黏結而成，每一顆堆積磨料類似微型磨具。由堆積磨料制備的磨具微觀結構如圖2所示。在制備過程中，堆積磨料的磨粒率、氣孔率和抗壓強度可以調(diào)整，以滿足不同性能材料和加工工藝的個性化需求。相比同種粒度和植砂密度的砂帶，堆積磨料砂帶磨削時自銳性和耐用度好，不易堵塞，磨削熱少，壽命長，磨削比可達70%以上，磨削表面質(zhì)量穩(wěn)定，非常適用于數(shù)控砂帶磨床的使用。

圖1　堆積磨料結構　　　圖2　堆積磨料制備磨具結構

2堆積磨料的研究過程

1940年,Jackson G H等人為解決涂附磨具磨削過程中磨屑的堵塞問題提出了堆積磨料的理念，并申請了美國專利[1]。該種堆積磨料以陶瓷、樹脂或橡膠為結合劑，由2～30顆細粒度剛玉或碳化硅磨粒堆積而成。將其應用于涂附磨具，磨削時取得了較好的排屑效果。同年，Benner R C等人在高溫還原氣氛下制備出金屬結合劑金剛石堆積磨料和碳化硼堆積磨料。這兩種堆積磨料自銳性差，易黏附，排屑能力差，其應用受到限制。為解決金屬結合劑超硬材料堆積磨料自銳性不足和排屑困難等問題，他們又制備了陶瓷結合劑堆積磨料，其方法是將硼硅酸鹽玻璃料與金剛石微粉均勻混合，燒熔成致密的大塊并破碎。這種堆積磨料自銳性好，但脆性大。他們又將陶瓷堆積超硬磨料使用樹脂結合劑再次堆積，最終改善了這種堆積磨料的彈性、塑性和回復性，取得了較好的效果[2]。1962年，Hurst E以樹脂或硫化橡膠為結合劑制備出四面體形堆積磨料顆粒，并利用纖維來增強結合劑強度。該種磨料用于涂附磨具,大大延長了磨具的壽命[3]。1976年，Elbel K等人將樹脂堆積磨料應用于橡膠磨輪中，在研磨時，堆積磨料顆粒之間的運動不互相干涉，增大了研磨效率和工件去除量，降低了磨料損耗。相對于大顆粒磨料，堆積磨料的不規(guī)則表面可增加結合劑對堆積磨料的把持力[4]。1982年，Bernhardt E等人制備了一種脆性陶瓷堆積磨料，結合劑占總體積的45%～75%，結合劑的強度大于堆積磨料的斷裂強度。這種堆積磨料抗疲勞磨損，相對于有機結合劑堆積磨料而言，具有高導熱性，用于涂附磨具制備，可進行連續(xù)研磨[5]。1983年，Eisenberg G等人使用擠壓法制備出粒度集中的堆積磨料。其步驟是將磨料與結合劑顆粒混勻，加入臨時黏結劑，使其具有一定的可塑性，通過在篩網(wǎng)上擠壓得到顆粒，固化，過篩，根據(jù)篩網(wǎng)直徑獲得所需粒度的堆積磨料[6]。1985年，Rostoker D等人制備了以多孔玻璃為結合劑的堆積磨料。其是將多孔玻璃粉末與磨料混合后燒結而成，磨料被多孔玻璃包裹在氣孔的邊緣。這種堆積磨料具有很大的氣孔率和脆性，自銳性很好，冷卻效果顯著，用于砂布、砂紙，效果很好[7]。堆積磨料增大氣孔率后，用于涂附磨具，可顯著提高研磨效率[8]。1987年，Bloecher U等人制備了易沖蝕的樹脂黏結劑堆積磨料，結合劑中添加了木粉、蛭石等物質(zhì)，填料起到了助磨和增大自銳性的作用，用于砂紙和研磨劑，比普通的單層磨料研磨工件去除率高[9]。隨機形狀堆積磨料制備的涂附磨具無法控制磨削時與工件接觸的磨粒數(shù)量，為解決此問題，1996年Holmes G L等人制備了精密形狀堆積磨料及其砂帶制品。他們采用固定形狀的凹槽(比如金字塔形)，在其中填滿磨粒、填料和樹脂結合劑的混合物，將布基覆蓋在凹槽上，使用紫外光、紅外光等加熱手段使結合劑固化，然后將混合物從凹槽中脫出來，得到固定形狀、大小、規(guī)則分布的堆積磨料砂布制品，使磨削過程中與工件接觸的磨料數(shù)量可控[10]。1997年，Benguerel R制備了金屬或陶瓷結合劑的金剛石堆積磨料和立方氮化硼的堆積磨粒，將這種超硬材料的堆積磨料使用樹脂結合劑固定到砂輪的基體上，得到超硬材料堆積磨料樹脂砂輪[11]。1999年，Todd J等人改進工藝，制備出了梯形臺狀堆積磨料砂布，使在磨削過程中工件與磨料的接觸數(shù)量基本固定[12]。2000年，大石道広制備了具有三層結構的四面體或棱柱磨料的磨具[13]。將金剛石磨料、結合劑和填料混合后注入特定形狀的模具，加熱后涂上一層黏結劑，將基體層鋪上，加熱固化形成磨具，將其用于磨削光纖連接器端面，磨削質(zhì)量和效率良好。2003年，Mcardle J L等人采用擠壓制粒的方法制備了陶瓷堆積磨料。這種磨料是將陶瓷和有機材料作為前軀體與磨料混合，擠壓成顆粒，通過加熱制備而成的。將其用于磨削滾筒搖臂，磨削效率很好[14]。2006年，斯坦利·B·科林斯等人制備了具有拋物面結構的堆積磨料，磨料表面覆有涂層[15]。這種堆積磨料是以樹脂為結合劑制成漿料，然后滾壓、固化而成。制備的每顆磨料具有4個拋物面，在磨削不銹鋼、鈦合金等黏附材料中效果良好。

隨著高強、高韌和硬脆材料的不斷開發(fā)和高效率、高精度加工技術的不斷發(fā)展，近年來國內(nèi)外采用堆積磨料制備磨具的研發(fā)和商業(yè)推廣成為趨勢。2010年，王基峰制備了球形磨料體，單顆粒磨料的粒徑為0.005～2 mm，提高了拋光效果和磨削功效，磨具的耐用程度提高了5～10 倍，大幅度降低了生產(chǎn)成本[16]。2012年，牛文龍等人制備了一種無機結合劑堆積磨料，并采用堆積磨料制造了砂布[17]。這種堆積磨料是以無機材料為結合劑，以磨料單顆粒群為主體，包含活性吸熱材料、無機吸熱材料、惰性助磨材料、潤滑材料等，采用低溫固化工藝制備而成。同時還有有機結合劑堆積磨料，是以有機高分子為結合劑，同樣采用低溫固化工藝而成。將其用于砂帶，可使磨削效率和磨具壽命、工件表面質(zhì)量都得到提高。2013年，方文俊等人提出了一種超細金剛石陶瓷結合劑堆積磨料的制備方法[18-19]。其工藝是：在陶瓷結合劑的溶膠里加入超細金剛石微粉，漿料經(jīng)噴霧干燥，獲得干坯球形堆積磨料，經(jīng)煅燒后，獲得超細金剛石陶瓷結合劑堆積磨料。2014年，仝俊峰等人以棕剛玉微粉為單顆磨粒，以低溫陶瓷為結合劑，采用壓制法制備了堆積磨料，探討了結合劑的化學成分、燒結工藝對堆積磨料性能的影響[20]。蔣蒙寧等人制備了一種高空隙率的輕堆積復合磨料，用于涂附磨具，可顯著提高工件表面質(zhì)量、磨削效率和使用壽命[21]。

3堆積磨料的制備和性能

堆積磨料的配方包括單顆磨粒、結合劑和添加劑。單顆磨粒可以是石榴石、河沙等天然磨料，或剛玉、碳化硅、金剛石、立方氮化硼等人造磨料；結合劑可以是陶瓷、樹脂或金屬；添加劑主要是具有增強、散熱和助磨作用的材料。制備的工藝包括滾粒法、壓粒法、澆注法。堆積磨料的形狀分隨機顆粒和幾何形狀顆粒，根據(jù)制備方法不同可以是不規(guī)則形狀、圓形、四面體形、帶形、板形等。

3.1堆積磨料的配方、制備工藝

針對棕剛玉堆積磨料的需求，本文制備了有機結合劑和陶瓷結合劑剛玉堆積磨料。其原料配方分別如表1、表2所示。采用了壓粒法和滾粒法制粒工藝，分別如圖3、圖4所示。

表1　有機結合劑堆積磨料配方　wt%

注：A表示粒度號為P400的棕剛玉磨料，以此為100份，其他含量為相對磨料的比例。

表2　陶瓷結合劑堆積磨料配方　wt%

注：A表示粒度號為P400的棕剛玉磨料，以此為100份，其他含量為相對磨料的比例。

圖3　壓粒法制備堆積磨料工藝

圖4　滾粒法制備堆積磨料工藝

有機結合劑主要成分是酚醛樹脂，固化溫度為185 ℃；陶瓷結合劑屬于Li-Al-Si低溫體系，燒結溫度是750 ℃。通過工藝控制，制備出了D50為500 μm的堆積磨料。

3.2磨削實驗

將制備好的棕剛玉堆積磨料采用重力植砂方式加工成砂帶，對TC4鈦合金進行磨削實驗。實驗條件如表3所示。磨削到砂帶失效為止，實驗結果如表4所示。

從實驗結果可知，堆積磨料砂帶壽命提高了2.35倍。由于是恒進給磨削，因此磨削比的變化不是很明顯，但是相對傳統(tǒng)砂帶有所提高。

4結語

在工業(yè)生產(chǎn)中隨著鈦合金、低碳鋼、合金鋼、不銹鋼、有色金屬及其合金的大量使用，難加工材料的磨削加工對堆積磨料的要求越來越高。剛玉、碳化硅、金剛石和立方氮化硼可制備成不同粒度、不同力學性能和磨削性能的堆積磨料，廣泛用于各種材料的磨削。堆積磨料的長壽命、高效率將會推進磨削技術的快速發(fā)展，并產(chǎn)生良好的經(jīng)濟和社會效益。

表3　棕剛玉堆積磨料砂帶磨削TC4鈦合金實驗條件

表4　堆積磨料砂帶與普通砂帶磨削TC4鈦合金實驗結果

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(責任編輯：席艷君)

收稿日期：2016-02-27

作者簡介：栗正新(1964-)，男，河南沁陽人, 教授, 主要研究方向為磨料磨具制造。

文章編號：1671-6906(2016)03-0050-04

中圖分類號：TG732

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.03.012

Research and Application of Agglomerated Abrasive Grains

LI Zheng-xin， WANG Zhao-wu

(Henan University of Technology, Zhengzhou 450001， China)

Abstract:Agglomerated abrasive grain is that of large grains which made of small grains cohered by adhesives. Owing to agglomerated abrasive grains merits of long grinding duration and easy self-sharpen, it has successfully applied to grind difficult-to-cut materials as coated abrasive belt recent years. It performs better than conventional abrasives to grind parts that made from the materials with more ductile. The fabricated method, development and prospect are discussed in this paper as well as suggestions on its developing in future.

Key words:agglomerated abrasive grains; abrasives；corundum; SiC