本實(shí)驗(yàn)采用NaOH溶液對(duì)金剛石磨料進(jìn)行了預(yù)處理,并用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面改性,對(duì)改性后的金剛石磨料制造的樹(shù)脂砂輪的磨削比和磨削效率進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,在干磨的條件下,改性后的金剛石磨料對(duì)砂輪磨削比的提高顯著,磨削效率基本不變。通過(guò)顯微鏡觀察磨削后的砂輪表面形貌,發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂對(duì)改性后的金剛石顆粒把持力增大,磨粒脫落減少,與僅用硅烷偶聯(lián)劑處理的金剛石砂輪相比,其磨削比提高了50%。

       0 引言

       樹(shù)脂基金剛石砂輪因其自銳性好、磨削效率高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于陶瓷、玻璃、硬質(zhì)合金等硬脆材料的磨削加工中。目前,世界上60%以上的磨料級(jí)金剛石用于制造樹(shù)脂基金剛石砂輪。然而,由于金剛石的化學(xué)穩(wěn)定性極好,在常溫下,金剛石對(duì)酸、堿、鹽等化學(xué)試劑都表現(xiàn)為惰性,因此,樹(shù)脂與金剛石顆粒之間的結(jié)合性能不理想。研究表明在干磨硬質(zhì)合金時(shí),大約有70%的磨粒沒(méi)有獲得充分利用而直接脫落。目前常用的處理方法如鍍銅、鍍鎳等雖然能改善樹(shù)脂與金剛石顆粒之間的浸潤(rùn)性,但多是機(jī)械嵌合,難以形成化學(xué)鍵的結(jié)合,而且還會(huì)影響金剛石磨粒的自銳性,在磨削過(guò)程中增加了動(dòng)力消耗(約10%~20%)。磨料級(jí)的金剛石多為人造金剛石,合成過(guò)程中的高溫高壓環(huán)境使得金剛石晶體存在較多的缺陷,含有-COOH、-OH等基團(tuán)。因次,可以使用偶聯(lián)劑進(jìn)行表面處理,改善其與樹(shù)脂的浸潤(rùn)性。

       目前關(guān)于偶聯(lián)劑處理金剛石磨料的文獻(xiàn)所見(jiàn)較少,而且文獻(xiàn)中所采用的處理方法均為單獨(dú)使用偶聯(lián)劑處理,未對(duì)金剛石進(jìn)行預(yù)處理,處理工藝雜亂,改性效果不穩(wěn)定,對(duì)砂輪的性能提升不明顯。本實(shí)驗(yàn)采用NaOH溶液對(duì)金剛石磨料進(jìn)行了預(yù)處理,然后用硅烷偶聯(lián)劑進(jìn)行表面改性。將改性后的磨料制成砂輪然后對(duì)其磨削性能進(jìn)行了測(cè)試,并與未經(jīng)任何處理的磨料、僅用NaOH溶液處理的磨料和僅用硅烷偶聯(lián)劑處理的磨料進(jìn)行了對(duì)比。

       1 實(shí)驗(yàn)部分

       1.1 實(shí)驗(yàn)材料

       1.2 儀器與分析表征

       (1)砂輪的壓制使用MYS-100型熱壓機(jī),砂輪二次固化在電熱干燥箱中進(jìn)行。

       (2)在DHM-3型磨削性能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨削實(shí)驗(yàn)。

       (3)用MDA1300型手持式USB數(shù)碼顯微鏡對(duì)砂輪磨削面進(jìn)行分析。

       1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

       1.3.1 金剛石的表面處理

先將金剛石在0.11g/mL的NaOH溶液中80e恒溫?cái)嚢?h,除去金剛石表面的雜質(zhì),對(duì)金剛石進(jìn)行粗化和羥基化處理,然后洗滌烘干。最后用硅烷偶聯(lián)劑的醇水溶液在79e恒溫?cái)嚢璧臈l件下對(duì)預(yù)處理后的金剛石進(jìn)行進(jìn)一步的表面改性,6h后將金剛石取出,用無(wú)水乙醇洗滌干凈后烘干。

       1.3.2樹(shù)脂基砂輪的制樣

       將處理后的金剛石磨料和未處理的金剛石磨料分別制成規(guī)格為1A1100@16@20@4RVD140/170B75的砂輪,其中1#砂輪使用的是經(jīng)過(guò)NaOH溶液和硅烷偶聯(lián)劑處理的金剛石磨料,2#砂輪使用的是未經(jīng)處理的金剛石磨料,3#砂輪使用的是未經(jīng)NaOH溶液處理,僅用硅烷偶聯(lián)劑處理的金剛石磨料,4#砂輪使用的是經(jīng)NaOH溶液處理,但未用硅烷偶聯(lián)劑處理的磨料。除金剛石磨料不一樣外,所用填料配比、聚酰亞胺樹(shù)脂、工藝等參數(shù)均相同。壓制溫度為230e。

       1.3.3 磨削比測(cè)試

       (1)實(shí)驗(yàn)條件砂輪轉(zhuǎn)速:5000r/min

       加載壓力:500~1500g,恒力加載擺動(dòng)頻率:20次/min

       硬質(zhì)合金:YG8

       (2)測(cè)試方法

       將需要磨削的砂輪和硬質(zhì)合金刀具用丙酮清洗干凈,放入烘箱,80e烘干1h后移入干燥器冷卻至室溫,稱(chēng)重并記錄。然后將砂輪和刀具分別裝在磨削試驗(yàn)機(jī)上固定,設(shè)定好各參數(shù),開(kāi)始磨削,磨削過(guò)程完成后試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)停止。卸下磨削后的砂輪和刀具,用丙酮清洗干凈后放入烘箱,80e烘干1h后移入干燥器冷卻至室溫,稱(chēng)重記錄,計(jì)算磨削比。

       2 結(jié)果與討論

       2.1 磨削比值

       用制成的金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金鋼刀具,采用干磨的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采用的磨削比為質(zhì)量比值,計(jì)算后將結(jié)果填入表2,計(jì)算公式如下:

       其中G為磨削比,$ms為砂輪磨耗質(zhì)量,$mw為硬質(zhì)合金刀具磨耗質(zhì)量。

       磨削比表征了砂輪的磨削性能,磨削比越大,說(shuō)明砂輪越經(jīng)濟(jì)實(shí)用。由表2的磨削比值可見(jiàn),在相同的加載壓力下,1#砂輪的磨削比在加載壓力為500g、750g、1000g和1250g的情況下分別比2#砂輪高出11.4%、86.2%、63.4%和109.9%,這說(shuō)明,在相同的樹(shù)脂基體、工藝參數(shù)以及加載壓力條件下,NaOH溶液和硅烷偶聯(lián)劑對(duì)金剛石處理使砂輪的磨削比有顯著的提高,尤其是當(dāng)加載壓力較大的情況下。

       由表3可以看出,在相同的加載壓力下,和2#砂輪相比,3#砂輪的磨削比提高了39.8%,說(shuō)明與未經(jīng)硅烷偶聯(lián)劑處理的金剛石相比,使用硅烷偶聯(lián)劑處理能改善磨料與樹(shù)脂的結(jié)合狀態(tài),增加樹(shù)脂對(duì)磨料的把持力,提高砂輪的磨削性能;但和1#砂輪相比,其磨削比明顯較低,僅為其磨削比的66.6%。這說(shuō)明NaOH溶液的預(yù)處理產(chǎn)生了效果,經(jīng)過(guò)NaOH溶液的預(yù)處理,金剛石磨料的表面可能產(chǎn)生小的凹陷,表面比以前更加粗糙,而且表面可能吸附部分羥基,在偶聯(lián)處理的過(guò)程中,增加了偶聯(lián)劑與磨料表面的反應(yīng)點(diǎn),形成更多的Si-O-M(M為金剛石磨料)鍵,使金剛石磨料與樹(shù)脂結(jié)合的更加緊密。4#砂輪與2#砂輪相比,其磨削比提高了64.0%,比3#砂輪的磨削比高出17.3%。這說(shuō)明NaOH溶液的預(yù)處理也能提高砂輪的磨削比,處理后的金剛石磨料表面發(fā)生了變化。

       2.2 磨削效率和砂輪磨損率

       磨削效率和砂輪磨損率是考核磨具磨削性能的重要指標(biāo),本實(shí)驗(yàn)采用的是磨耗質(zhì)量與磨削時(shí)間的比值,計(jì)算公式如下:

       由表2和表3的數(shù)據(jù)可見(jiàn),所有砂輪的磨削效率變化不大,這說(shuō)明NaOH溶液和硅烷偶聯(lián)劑的處理對(duì)砂輪的自銳性幾乎沒(méi)有影響。但從砂輪的磨損率可以看出,使用經(jīng)過(guò)NaOH溶液和硅烷偶聯(lián)劑處理的金剛石的砂輪的磨損率明顯低于使用未處理金剛石的砂輪。即金剛石經(jīng)過(guò)表面處理以后耐磨性明顯提高,而鋒利度并未降低(單位時(shí)間磨削掉的硬質(zhì)合金量基本不變,而砂輪損耗量大幅減少)。3#和4#砂輪的砂輪磨損率介于二者之間,這說(shuō)明NaOH的處理對(duì)改善樹(shù)脂與磨料的結(jié)合狀態(tài)起了很大的作用。

       2.3 砂輪表面分析

       通過(guò)顯微鏡對(duì)磨削后的砂輪表面進(jìn)行觀察,圖1~6為四種砂輪在不同加載壓力下干磨試驗(yàn)時(shí)磨削后砂輪的表面。

       在磨削過(guò)程中,砂輪的磨損形式主要有機(jī)械磨損、化學(xué)磨損和黏附磨損三種形式,其中機(jī)械磨損包括磨耗磨損、磨粒的破碎和脫落。磨耗磨損是指砂輪表面尖銳鋒利的切削刃在磨削的過(guò)程中逐漸被磨損成小平面的過(guò)程，其明顯的特征就是有明顯的磨損平面,使磨粒與工件的接觸面積增大。由圖2和圖4可以看出,磨削后，2# 砂輪的表面只有少量金剛石磨粒,說(shuō)明大部分磨粒已經(jīng)在磨削過(guò)程中脫落,而且均為整顆磨料整體脫落,表面存在較多磨料脫落后留下的坑洞,尤其是在壓力為1000g的情況下，磨粒脫落嚴(yán)重：而1#砂輪的表面雖也有磨粒脫落,但和2#砂輪相比，剩余的磨粒較多,部分磨料頂面有明顯的平臺(tái)，屬于磨耗磨損,有少量坑洞,但不明顯。這說(shuō)明經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑的處理,改善了基體與磨粒的結(jié)合狀態(tài),樹(shù)脂基體對(duì)金剛石磨粒的把持力增加。這就降低了砂輪的磨損率,增加了砂輪的使用壽命,降低了生產(chǎn)成本。

       將1#、3#和4#砂輪磨削后的表面進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)3#和4#砂輪表面的金剛石磨料脫落不多,沒(méi)有明顯的坑洞,但有部分金剛石磨料存在松動(dòng)、與樹(shù)脂結(jié)合不緊密的現(xiàn)象;少量的磨料頂面呈平臺(tái)狀。1#表面有較小的坑洞,但金剛石磨料與樹(shù)脂均結(jié)合緊密,無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象。說(shuō)明經(jīng)過(guò)NaOH溶液預(yù)處理,增強(qiáng)了偶聯(lián)劑的偶聯(lián)效果,使樹(shù)脂對(duì)磨粒的把持力進(jìn)一步增大,磨粒不易松動(dòng)脫落。

       3 結(jié)論

       (1)使用NaOH溶液和硅烷偶聯(lián)劑對(duì)金剛石磨料進(jìn)行處理,砂輪的磨損率顯著降低,而且磨削效率基本不變。該方法可以改善金剛石與樹(shù)脂基體的結(jié)合狀態(tài),增加樹(shù)脂基體對(duì)金剛石磨粒的把持力,使其在磨削的過(guò)程中不易脫落,提高砂輪的磨削比。

       (2)1#和3#砂輪磨削比實(shí)驗(yàn)表明,NaOH溶液的預(yù)處理可以增強(qiáng)偶聯(lián)劑的偶聯(lián)效果,使樹(shù)脂對(duì)磨粒的把持力進(jìn)一步增大。

       (3)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,所有砂輪的磨削效率基本不變,該處理過(guò)程對(duì)金剛石磨粒的鋒利度和自銳性沒(méi)有影響。