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添加物对树脂结合剂砂轮使用性能的影响

日期: 2021-05-21
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郑州磨料磨具磨削研究所 王光祖 卫凤午

  常州华中集团有限公司 王芸

  与陶瓷结合剂或金属结合剂超硬磨具相比,树脂结合剂具有制造工艺简单,原材料易得,成本低等特点,且能够大量适用于低品质超硬磨料,加工对象广泛,如各种难加工钢材、硬质合金、玻璃、陶瓷、石材等。由于树脂超硬磨具在磨削过程中具有较好的自锐性,不易堵塞,磨出的工件表面质量好,砂轮易于修整等优点而得到广泛的应用。

  1、树脂结合剂金刚石工具的设计

  树脂结合剂金刚石工具的设计主要基于如下几个方面:

  1.1 粘结性必须好。

  能将磨粒牢固地把持在磨具中,并且能牢固地粘结在基体上。

  1.2 磨削效率高,耐磨性好,加工光洁度 ( 或表面粗糙度 ) 好。在研究和设计结合剂配方时必须考虑在保证光洁度的前提下,既要高的磨削效率,又要尽可能有高的耐磨性,二者兼顾,才能保证磨削加工的要求,又能达到降低成本的目的。

  1.3 耐热性要好。如结合剂的耐热性较差,使磨具在使用过程中不耐高温,消耗快,甚至因为磨削热过高,而使磨具烧伤、裂纹、脱环等。

  1.4 结合剂强度必须高

  影响结合剂的强度因素主要有:

  (1) 填充料的加入会使结合剂强度提高或降低,多数填充料的加入后能使机械强度提高,并且在一定范围内随添加量的增加而增加,但磨耗比降低。

  (2) 磨具的成型密度 ( 或磨具的气孔率)。

  (3) 磨具成型硬化温度和二次硬化温度高低以及升温曲线。

  (4) 结合剂硬度必须合适,耐磨磨性能好。其强度必须与金刚石或CBN 磨粒的磨损速度相匹配,不能因为结合剂的磨耗过快,而使磨粒过早脱掉,那样的话,磨料就得不到充分使用,造成浪费。

  2、光固化树脂结合剂对金刚石磨粒的把持力

  在前期的研究中,研究者将失效形式归因于树脂结合剂在磨削温度的作用下产生变质,从而导致金刚石磨粒的脱落。事实上树脂结合剂本身与金刚石磨粒分属高分子材料和晶体材料,因此在制备过程中,两者间不可产生化学反应。对于树脂结合剂而言,主要还是依靠包裹金刚石磨粒来把持金刚石磨粒。但目前关于树脂结合剂金刚石磨粒把持力的研究并不多见。

  于是,崔晨,邱燕飞等人通过光固化树脂结合剂固定单颗金刚石对铜块进行划擦试验,研究和讨论了不同光固化树脂结合剂对金刚石的把持能力,得到如下结论:

  (1)纯树脂、微米氧化铝填料树脂结合剂金刚石磨粒的主要失效模式表现为滑移、松动和脱落。

  (2)在相同磨粒出露高度的情况下,添加微米氧化铝颗粒的树脂结合剂可以提高树脂结合剂对金刚石的把持力,当质量分数收为 15% 时,其效果最佳。

  3、 SiC 的添加量对树脂金刚石线切割能力的影响

  SiC 具有强度高、耐磨性强、化学稳定性和热稳定性好等优点,是复合材料的理想的添加物之一。SiC 微粉粒径小,表面活性较高,将其加入树脂基体后,很容易和树脂基体的官能团发生作用,从而提高其界面结合能力,使树脂层的力学特性得到较大改进。

  纪秋龙等将纳米 SiC 粒子填充到环氧树脂复合材料中,发现其可以提高环氧树脂的耐磨性。

  叶凯则选用纳米 SiC 对树脂胶黏剂进行改性,发现其可提高树脂胶黏剂的粘结强度和耐热性。

  华 勇 采 用 SiC 复 合 粒 子 作 为UPR 金刚石抛光砂轮的填充料进行试验,发现 SiC 复合粒子可以改善其与 UPR 结合剂的分散均匀性 , 从而提高砂轮的抛光质量和使用寿命。高伟等试验研究了树脂层中SiC 的添加量对树脂金刚石线切割能力的影响指出:

  (1) 随着 SiC 添加量的增加,切割能力逐渐增强,添加量超过一定值后,切割能力反而下降。树脂液中 SiC 的 添 加 量 为 600g/L 时, 树脂金刚石线切割硅片的切割扭矩最小,为 96N.m,此时其切割能力最好。

  (2) 树 脂 液 中 SiC 的 添 加 量 通过影响树脂层固化后的邵氐硬度和固化组织的致密性,从而影响树脂金刚石线的切割能力。当树脂液中SiC 的添加量为 600g/L 时,树脂固化后的邵氏硬度最高为 91HD, 并且固化后树脂层中的 SiC 分散均匀,无气孔等缺陷,固化后树脂层对金刚石的把持力增大,树脂金刚在石线的退让性能降低,提高了树脂金刚石线的切割能力。

  4、氟化钙对树脂结合剂金刚石砂轮磨削性能的影响

  随着笔记本电脑、智能手机、平板电脑以及可穿戴智能设备等产品 的 发 展, 单 晶 硅 片 半 导 体 衬 底材 料 的 应 用 已 越 来 越 广 泛, 其 中200mm 及以上尺寸的硅片应用成为主流,对硅片的质量提出了更高的要求。一般采用树脂结合剂金刚石砂轮加工单晶硅片,要求加工后硅片的磨削表面的粗糙度值低、损伤层薄,磨削质量稳定、磨削效率高、砂轮自锐性好、有较高的性价比。

  研究发现,石墨、二硫化钼、氟化钙或者氟化钡等材料,既可增加砂轮组织中的气孔数量,又可用作树脂结合剂砂轮中的固体润滑组分,降低磨削轴承钢和合金钢时的磨前削力和工件的表面粗糙度值。

  为优化砂轮组织结构、改善其磨削性能,丁玉龙等,将固体润滑剂 CaF 引入到单晶硅片磨削用树脂结合剂金刚石砂轮中,通过分析添加 不 同 体 积 分 数 的 CaF 制 作 的 金刚石砂轮的表面形貌、磨削过程中的电流变化、砂轮的磨损情况以及磨后工件的表面粗糙度和表面损伤层变化,评估对单晶硅片磨削用树脂结合剂金刚石砂轮磨削性能的影响,得到如下结论:

  (1) 树脂结合剂金刚石砂轮中加入 CaF 固体润滑剂,可以降低砂轮和工件之间白的摩擦系数,提高砂轮的切削能力,同时也可减小砂轮的磨损量,延长砂轮使用寿命并提高硅片的表面质量。

  (2) 当 CaF 体积分数为 25% 时,磨床的主轴电流约 6.4A,砂轮磨损量为 0.448um/ 片,单晶硅片表面的粗糙度为 Ra0.056um, Ry0.382um和 Rz0.396um,表面损伤层厚度为0.559 6um, 硅片具有较高的强度和耐变形能力。


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