CN103372818A

CN103372818A - 一种改良工具

Info

Publication number: CN103372818A
Application number: CN2012101266075A
Authority: CN
Inventors: 聂大仕; 余湘彬
Original assignee: Saint Gobain Research Shanghai Co Ltd; Saint Gobain Abrasives Shanghai Co Ltd
Current assignee: Saint Gobain Research Shanghai Co Ltd; Saint Gobain Abrasives Shanghai Co Ltd
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: CN103372818B

Abstract

本发明公开了一种改良工具。其中，所述改良工具包括：一增强构件；所述增强构件上涂敷有树脂层；以及所述增强构件单位面积上的所述树脂层的重量为90g/m²以下。本发明在保持其应用性能不变的前提下，大幅降低了生产成本。

Description

一种改良工具

技术领域

本发明涉及一种增强基材及设置有该增强基材的磨具，特别是涉及一种应用于砂轮的纤维增强网布，以及包括该纤维增强网布的薄型砂轮。

背景技术

固结磨具，即通常所指的砂轮，一般是由磨料基体层或磨削层，与玻璃纤维增强网布(也称“纤维增强网片”)组成。其中，利用纤维增强网布作为增强基材是提高砂轮，特别是树脂砂轮韧性的一种常用的有效手段。玻璃纤维增强网布的功能是增强砂轮的韧性，保证其使用安全；砂轮在高速旋转中，不会由于离心力的作用而爆裂，威胁操作人员的生命与安全。因此，玻璃纤维增强网布是固结磨具中不可缺少的增强基材。

现有技术中，玻璃纤维增强网布是通过浸渍法制作而成的，即先将编织完成的玻璃纤维织物浸渍于树脂浸润剂中，烘干后的玻璃纤维增强网布中间为纤维织物层，上下表面为树脂层。树脂层，也称之为可燃物层，一般是由环氧树脂或酚醛树脂等热固性树脂与溶剂、表面活性剂、助剂等固化而成。就本领域技术人员而言，树脂层是必不可少的，且必须具有一定的厚度，因为其具有以下作用：

1.在玻璃纤维增强网布固化后产生一个较强的织构界面，增强其硬度；

2.确保玻璃纤维增强网布的工艺要求，即具有一定的韧性和平整度；

3.在砂轮的压制过程中，保护玻璃纤维织物不受磨料颗粒的挤压而破坏；

4.提供化学键使磨料基体与玻璃纤维织物有效粘合在一起。

因此，现有技术中的玻璃纤维增强网布结构如下：

1.有一玻璃纤维织物层；

2.所述玻璃纤维织物层的两个表面通过浸渍法涂有酚醛树脂；

3.所述玻璃纤维网布中，每平方米面积具有的树脂材料的重量须大于90g(以下或称“树脂含量”，单位：g/m²)。

根据上述对现有技术方案的描述，玻璃纤维网布须含有较高的树脂含量，其原因在于：爆裂速度和磨削比(材料去除量/砂轮磨损量)对于砂轮尤其是薄型砂轮而言是两个重要的性能指标，为了使砂轮在高转速下不爆裂，砂轮特别是薄型砂轮必须通过涂敷有酚醛基浸渍涂层的玻璃纤维网布来增强；实践当中，纤维增强网布具有的树脂材料的含量至少大于90g/m²，而且较常用的纤维增强网布具有的树脂材料的含量在100g/m²左右。单位面积树脂含量可以采用如下方法测量。

称取玻璃纤维增强网布试样的质量标记为W₁，放入温度为160℃±2℃的干燥箱中烘干20min，取出后放入干燥器内冷却至室温，称取其质量，标记为W₂，然后将试样放入600℃±20℃高温炉中灼烧1h，取出后放入干燥器内冷却至室温，称取试样质量，标记为W₃。玻璃纤维增强网布的单位面积树脂重量计算方式如下：

单位面积树脂重量(树脂含量)＝(W₁-W₃)/网布面积

本领域技术人员通常认为，只有当平均每平方米纤维增强网布上包含的树脂材料的重量至少大于90g，才可使玻璃纤维具有一定的刚度和界面强度，并能确保砂轮具有可靠的爆裂速度。

然而，现有技术的玻璃纤维增强网布具有以下缺陷。

1.原料成本较高，原因是本领域技术人员普遍认为：为了确保砂轮的可靠性和韧性，其玻璃纤维网布的树脂含量至少大于90g/m²，因此大量使用树脂涂敷于玻璃纤维织物层上，而树脂成本一般占玻璃纤维增强网布成本的30-50％，玻璃纤维增强网布又占砂轮成本的20-40％。

2.玻璃纤维网布因涂敷有较多的树脂，会形成较厚的整体厚度，致使在制作砂轮时，特别是薄型砂轮，不能做得更薄(更薄的砂轮在金属加工中会节省被加工材料，特别是对贵金属材料加工犹为重要)，或为了保证厚度，而在磨料基体层中放弃或不能添加足够的基料。

3.过多使用树脂层材料对环境有污染，对人体健康也有影响，酚醛树脂等热固性树脂会释放出甲醛等其他一些有毒挥发性化合物气体。

发明内容

本发明的目的是提供一种纤维增强网布，它使用较少的树脂材料，解决现有技术中存在的上述缺陷和问题，更为重要的是，它克服了本领域技术人员中长期存在的一个技术偏见，即固结磨具用玻璃纤维增强网布或砂轮的爆裂与增强网布的树脂含量有关，树脂含量必须高于90g/m²，方可保证砂轮的韧性等各项工作性能，以及确保砂轮有较高的爆裂速度，符合安全标准。

本领域技术人员之所以存有该技术偏见的原因在于：砂轮尤其是薄型砂轮在从事高速切割或磨削工作时，离心力产生周向拉伸应力，高速旋转的物体较易因此而爆裂；为了提高其爆裂速度，必须将涂敷有树脂层的玻璃纤维设置在砂轮中，这些具有延展性的玻璃纤维束可以提供裂纹桥联力来增韧脆性的磨料基体层，从而降低磨料基体层中的裂纹尖端应力；本领域技术人员相信，玻璃纤维通过浸渍涂敷每平方米重量超过90g的酚醛树脂后，由于这种涂敷使玻璃纤维增强网布与砂轮磨料基体之间在固结后形成一层坚固的纤维/磨料界面层，从而加固砂轮，使其在高速旋转情况下减少其爆裂的可能。

然而，本发明的发明人经研究发现，砂轮的爆裂速度与酚醛树脂的涂敷量无单调函数关系(monotonic relationship)，即并非树脂涂敷量越多，砂轮爆裂速度越高；而对于砂轮磨削比，进一步测试数据表明，少量的树脂涂敷量仅使砂轮磨削比略微降低，但仍然在磨削工作要求可以接受的范围内，因此树脂涂敷量完全可以大幅度减少。

本发明的原理为，根据细观力学的理论【Victor C.Li and Hwai-Chung Wu，Conditions for pseudo strain-hardening in fiber reinforced brittle matrix composites，Applied mechanics review，Vol45，No8，pp390-398，1991；G Bao and Z suo，Remarks on crack-bridging concepts，Applied mechanics review，Vol45，No8，pp355-366，1991】可得出，对于连续纤维增强的脆性材料，纤维/磨料基体层的界面并非越坚固越好；而纤维桥联力与裂纹张开位移之间的关系对于纤维增强的效果才是至关重要的，这是因为由该力/位移曲线包围的能量是直接与复合材料的断裂韧性相关的。总地来说，在给定的纤维桥联力下，较大的裂纹张开位移，较易产生更为柔韧的纤维/磨削基体组合体。

就连续的纤维增强而言，纤维失效的因素通常在于纤维断裂，而不是从磨料基体层中拔出。对于给定的增强纤维，最大的裂纹桥联力与纤维/磨料基体层的界面特性无关。然而，界面特性却会影响裂纹张开位移。举一个简单例子来说明，抓住埋在泥土(低界面强度)或混凝土(高界面强度)中的弹性绳的一端，用力将其往拔出；绳子在断裂前，它可以从泥土中拔出许多，然而从混凝土中却一点都拔不出来。以断裂力学的术语来表述，绳子被拽出的长度即是称裂纹张开位移。因此，对特别是采用连续的纤维布置方式增强的砂轮，不必刻意地在玻璃纤维增强网布和砂轮的磨料基体层之间采用特别强的界面强度。

通过上述分析可知，玻璃纤维增强网布和砂轮磨料基体层之间无需设置特别强的界面强度，相反较弱的界面强度的作用或效果不亚于较强的界面强度；在玻璃纤维织物层上涂敷大量树脂，是本领域技术人员的一种技术偏见，而涂敷少量的树脂甚至不涂敷任何树脂，使玻璃纤维增强网布与磨料基体层形成较低强度的界面，或纯粹的物理接触界面，仍然可以确保磨具的韧性及其它性能。

综上，本发明提供了一种用于砂轮的纤维增强网布，包括：纤维织物层；所述纤维织物层上涂敷有树脂层；以及所述纤维增强网布单位面积上的所述树脂层的重量为90g/m²以下；优选的，所述纤维增强网布单位面积上的所述树脂层的重量为3g/m²以上。

可选的，所述纤维增强网布单位面积上的所述树脂层的重量为5g/m²以上，或10g/m²以上，或15g/m²以上，或20g/m²以上，或25g/m²以上，或30g/m²以上，或35g/m²以上，或40g/m²以上，或45g/m²以上，或50g/m²以上，或55g/m²以上，或60g/m²以上；或85g/m²以下，或80g/m²以下，或75g/m²以下，或70g/m²以下，或65g/m²以下，或60g/m²以下，或55g/m²以下，或50g/m²以下，或45g/m²以下，或40g/m²以下。

优选的，纤维增强网布单位面积上的树脂材料的重量在5-90g/m²的范围内，较佳地在35-90g/m²的范围内。

在一个优选的实施方式中，所述树脂层包括酚醛树脂，苯胺-甲醛树脂，三聚氰胺树脂，环氧树脂或改性环氧树脂，糠醛树脂，苯酚甲醛，呋喃树脂，甘酞树脂，聚酯或改性聚酯，硫化橡胶等热固性树脂中的一种或任意组合。

优选的，所述纤维织物层可以是玻璃纤维网格布，或玻璃短纤维，或尼龙丝。

另一方面，本发明还提供了一种设有纤维增强网布的砂轮，包括有磨料基体层或磨削层，其特征在于，所述磨料基体层或磨削层的内部或表面至少设置一张纤维增强网布；所述纤维增强网布包括一纤维织物层；所述纤维织物层上涂敷有树脂层；以及所述纤维增加网布单位面积上的所述树脂层的重量为90g/m²以下。优选的，所述纤维增加网布单位面积上的所述树脂层的重量为3g/m²以上。

较佳地，所述纤维增强网布单位面积上的所述树脂材料的重量在5-90g/m²的范围内，较佳地在35-90g/m²的范围内。

在一个优选的实施方式中，当设有二张以上纤维增强网布时，每张纤维增强网布的单位面积上树脂材料的重量彼此不相同。

在另一个优选的实施方式中，当设有二张以上纤维增强网布时，其中至少有一张纤维增强网布的单位面积上的树脂材料的重量为90g/m²以下，余下纤维增强网布的单位面积上树脂材料的重量大于90g/m²。

优选的，所述树脂层包括酚醛树脂，苯胺-甲醛树脂，三聚氰胺树脂，环氧树脂或改性环氧树脂，糠醛树脂，苯酚甲醛，呋喃树脂，甘酞树脂，聚酯或改性聚酯，硫化橡胶等热固性树脂中的一种或任意组合。

根据一种实施例，砂轮可以包括一层纤维增强网布，该纤维增强网布设置在砂轮的磨料基体的内部。

根据另一种实施例，砂轮可以包括第一纤维增强网布和第二纤维增强网布，第一纤维增强网布和第二纤维增强网布分别设置在砂轮的磨料基体的相对两侧的外表面上。

根据又一种实施例，砂轮包括第一纤维增强网布、第二纤维增强网布和第三纤维增强网布，第一纤维增强网布完全地覆盖在砂轮的磨料基体的一个外表面上，第二纤维增强网布设置在砂轮的内部，而第三纤维增强网布局部地覆盖在所述砂轮的磨料基体的另一个外表面上。

较佳地，所述砂轮为薄型砂轮，特别是一种切割片或角磨片。

本发明的有益效果为，在保持砂轮性能不变的前提下，即磨削比和爆裂速度皆符合行业规范标准的前提下，有如下优点。

1.通过减少树脂用量来降低纤维增强网布或砂轮的原料成本。

2.使砂轮，特别是薄型砂轮的厚度更薄，或使其能留有更多的空间加入有助于提升其性能的其他材料。

3.减少甲醛或其他有毒挥发性其他的释放，保护环境及人体健康。

附图说明

图1为一纤维增强网布的结构示意图。

图2为根据本发明第一实施例的砂轮的剖面示意图。

图3为根据本发明第二实施例的砂轮的剖面示意图。

图4为根据本发明第三实施例的砂轮的剖面示意图。

图5为根据本发明第四实施例的砂轮的剖面示意图。

图6为根据本发明第五实施例的砂轮的剖面示意图。

图7示出了树脂含量对爆裂速度及磨削比的影响。

具体实施方式

如图1所示一种纤维增强网布，首先在一层纤维织物的上下表面通过浸渍法等方法涂敷有树脂层，接着加热固化，最后减切成一张纤维增强网布。树脂层由酚醛树脂与溶剂、表面活性剂、助剂等固化而成。加热固化后，每平方米的纤维增强网布上的树脂层重量大于3g，90g以下，为了便于大规模生产，单位平方的纤维增强网布上树脂层的树脂材料的重量可优选在5-90g的范围内，较佳地在35-90g的范围内。

本发明的一个实例是基于直径为105mm超薄砂轮，其设置有两层纤维增强网布，它们分别设置在砂轮磨料基体层的两侧外表面上，其剖面结构与图3所示的类似。玻璃增强网布上的酚醛树脂涂层的含量从当前实际生产使用标准的约98g/m²逐步递减至约3g/m²，图7显示的是不同树脂单位面积重量的纤维增强网布的砂轮的爆裂速度和磨削比的数值，测试结果表明，纤维增强网布中所使用的树脂量的减少对于爆裂速度与磨削比的影响甚微；而当砂轮中的纤维增强网布中的树脂含量逐步减少到3g/m²时，磨削比基本保持不变，而爆裂速度仍符合磨削工艺要求。

以下为更多的实施例及砂轮性能测试。

实例一：

首先，对尺寸为180×3×22(mm)的切割片进行试验，该切割片的结构如图3所示，切割片包括一层磨削层10，在该磨削层10的上下两个表面上分别设置两层纤维增强网布20-1和20-2。

根据中华人民共和国国家标准GB/T2485-2008固结磨具技术条件的规定，砂轮的爆裂性能应根据中华人民共和国国家标准GB/T2493-1995中砂轮的回转实验方法进行测试，并符合相关要求。

因此，本实施例中的砂轮按照国家标准GB/T2493-1995进行了测试，即安装在标准规定的回转实验机(意大利生产的POGGI回转机，机型：PV22最大转速：22000rpm)上。将单片纤维增强网布20-1和20-2中单位面积上的树脂层的重量分别设定为3.2、9.6、16、22.4、28.8、35.2、41.9、48、56.9、65.6、70.4、79.9、86.8、98.6(g/m²)，按切割片最高工作速度的1.5倍进行回转试验，并且达到最高速度时维持30秒，结果表明所有经受试验的切割片均通过了测试。

在试验过程中，即便单片纤维增强网布中的树脂含量低至约3g/m²，切割片也没有发生爆裂，顺利通过了回转实验。此外，发明人还对这些切割片的磨削比进行了测定，并与大于90g/m²的情况作了对比，具体数值见表1。由此可见，纤维增强网布中的树脂含量不会影响到切割片的磨削比。

表1

实例二：

接着，对尺寸同样为180×3×22(mm)的切割片进行试验，实例二中的切割片与实例一中的切割片有所不同，此组切割片的剖面结构如图2所示，该切割片的磨削层被划分成了第一磨削层10-1和第二磨削层10-2，并且切割片包括了位于第一磨削层和第二磨削层之间的一片纤维增强网布20。试验包括回转实验和磨削比测定两个方面，回转实验的条件同实例一，实验表明所有经受试验的切割片均通过了测试，并且增强网布单位面积中的树脂重量的变化不会影响切割片的磨削比。

表2

实例三：

此外，发明人还测试了具有如图4所示剖面结构的角磨片，该角磨片的尺寸为180×6×22(mm)，该角磨片如图示方向至上而下分别包括覆盖磨削层的上表面的第一纤维增强网布20-1、置于磨削层内的第二纤维增强网布20-2和局部覆盖磨削层的下表面第三纤维增强网布20-3。试验包括回转实验和磨削比测定两个方面，回转实验的条件同实例一，如下面的表3所示，实验表明所有角磨片均通过了测试，并且纤维增强网布单位面积中的树脂重量的变化不会影响角磨片的磨削比。

表3

实例四

此外，发明人还对规格为350×3×25切割片进行了测试，该切割片的结构如图3所示，该切割片的磨削层被划分成了第一磨削层10-1和第二磨削层10-2，并且切割片包括了位于第一磨削层和第二磨削层之间的一片纤维增强网布20。试验包括回转实验和磨削比测定两个方面，回转实验的条件同实例一，实验表明所有经受试验的切割片均通过了测试，并且增强网布单位面积中的树脂重量的变化不会影响切割片的磨削比。

表4

实例五

此外，发明人还对规格为350*3*25切割片进行了测试，该切割片的结构如图2所示，切割片包括一层磨削层10，在该磨削层10的上下两个表面上分别设置两层纤维增强网布20-1和20-2。试验包括回转实验和磨削比测定两个方面，回转实验的条件同实例一，实验表明所有经受试验的切割片均通过了测试，并且增强网布单位面积中的树脂重量的变化同样不会影响切割片的磨削比。

纤维加强网布单位面积上的树脂重量(g/m²)	回转实验	磨削比
			61.3	通过	0.82
68.2	通过	0.81
			69.8	通过	0.84
77.2	通过	0.86
			92.5	通过	0.85

表5

基于上述三个实例，可以得出，当纤维增强网布中的树脂含量下降到传统被认为不可取的90g/m²以下时，其爆裂速度和磨削比均不会受到明显影响。也就是说，纤维增强网布中的树脂含量可以设置在90g/m²以下和3g/m²以上，然而，结合成本和可加工性，较佳地，纤维增强网布单位平米中的树脂材料重量可以设定在5-90g/m²的范围内，更佳地在35-90g/m²的范围内。

此外，树脂含量减少到90g/m²之下的纤维增强网布可以以多种方式结合到砂轮磨削基体层中。除上述实例一至三中所示出的三种不同的纤维增强网布的结合方式之外，还可以有如下结构。

如图5所示，砂轮5可包括两层完整的纤维增强网布20-1和20-2，其中第一层纤维增强网布20-1设置在砂轮基体的两个外表面的之一上，第二层纤维增强网布20-2设置在砂轮基体内部沿轴向的大致中间位置。

也可以如图6所示，砂轮6包括两层完整的纤维增强网布20-1和20-2，这两层纤维增强网布20-1和20-2都设置在砂轮由磨料构成的基体内部，将磨料基体层划分成三层。

对于如图4、5和6所示的设有多层纤维增强网布的砂轮，其中各纤维增强网布有预制时涂覆的树脂含量皆小于90g/m²，各纤维增强网布的树脂单位面积重量均相同。

本发明通过某些具体实施方式来表述整体发明构思，然而上述有关说明或实施例中的方法不都是唯一的选择，本领域技术人员可以从说明书内容中进行各种变动或组合。例如，在设置二张以上纤维增强网布的砂轮中，其纤维增强网布单位面积的树脂重量可以是不同的，一张纤维增强网布的树脂含量可以为35g/m²，另一张则为65g/m²，或一张纤维增强网布的树脂含量是在权利要求保护范围内，而另一张可选择树脂含量大于90g/m²的传统纤维增强网布。

因此，在阅读了本发明的上述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种变动或组合，这些等同改变同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

此外，本发明特别适用于薄型砂轮，常见规格的薄型砂轮外径从50mm到400mm，而厚度从0.8mm到5mm。通常这些薄型砂轮适于以72m/s至120m/s的切向接触速度与工件接合，这些薄型树脂砂轮可包括切割片和角磨片。

此外，根据本发明的纤维增强网布可以与各种磨料基体材料相结合构成砂轮。例如，可以将石榴石及棕刚玉的组合物作为磨料，其中石榴石的体积可以占磨料体积的5％至70％。

尽管上述附图和说明对本发明的几个特定实施例进行了描述，但上述描述仅为清楚描述本发明的较佳实施方式，并不对本发明的保护范围起到任何限定作用，本发明的保护范围将由所附权利要求书限定。

Claims

1.一种用于磨具的纤维增强网布，其特征在于，它包括：

纤维织物层；

所述纤维织物层上涂敷有树脂层；以及

所述纤维增强网布单位面积上的所述树脂层的重量为90g/m²以下。

2.如权利要求1所述的纤维增强网布，其特征在于，所述纤维增强网布单位面积上的所述树脂层的重量为3g/m²以上。

3.如权利要求1所述的纤维增强网布，其特征在于，所述纤维增强网布单位面积上的所述树脂层的重量在5-90g/m²的范围内，较佳地在35-90g/m²的范围内。

4.如权利要求1至3任一所述的纤维增强网布，其特征在于，所述树脂层包括酚醛树脂，苯胺-甲醛树脂，三聚氰胺树脂，环氧树脂或改性环氧树脂，糠醛树脂，苯酚甲醛，呋喃树脂，甘酞树脂，聚酯或改性聚酯，硫化橡胶等热固性树脂中的一种或任意组合。

5.如权利要求1至3任一所述的纤维增强网布，其特征在于，所述纤维织物层材料是玻璃纤维网格布，或玻璃短纤维，或尼龙丝，或上述任意组合。

6.一种设有纤维增强网布的磨具，包括有磨料基体层，其特征在于：

所述磨料基体层的内部或表面至少设置一张纤维增强网布；

所述纤维增强网布包括纤维织物层；

所述纤维织物层上涂敷有树脂层；以及

所述纤维增加网布单位面积上的所述树脂层的重量为90g/m²以下。

7.如权利要求6所述的磨具，其特征在于，所述纤维增加网布单位面积上的所述树脂层的重量为3g/m²以上。

8.如权利要求6所述的磨具，其特征在于，所述纤维增强网布单位面积上的所述树脂材料的重量在5-90g/m²的范围内，较佳地在35-90g/m²的范围内。

9.如权利要求6所述的磨具，其特征在于，当设有二张以上纤维增强网布时，每张纤维增强网布的单位面积上树脂材料的重量彼此不相同。

10.如权利要求6所述的磨具，其特征在于，当设有二张以上纤维增强网布时，其中至少有一张纤维增强网布的单位面积上的树脂层的重量为90g/m²以下，余下纤维增强网布的单位面积上的树脂层的重量大于90g/m²。

11.如权利要求6至10任一所述的磨具，其特征在于，所述树脂层包括酚醛树脂，苯胺-甲醛树脂，三聚氰胺树脂，环氧树脂或改性环氧树脂，糠醛树脂，苯酚甲醛，呋喃树脂，甘酞树脂，聚酯或改性聚酯，硫化橡胶等热固性树脂中的一种或任意组合。

12.如权利要求6至10任一所述的磨具，其特征在于，所述纤维织物层材料是玻璃纤维网格布，或玻璃短纤维，或尼龙丝，或上述任意组合。

13.如权利要求6所述的磨具，其特征在于，所述纤维增强网布全部设置在所述磨具的磨料基体层的内部，而非磨料基体层的外表面上。

14.如权利要求6所述的磨具，其特征在于，所述磨具包括第一纤维增强网布和第二纤维增强网布，所述第一纤维增强网布和所述第二纤维增强网布分别设置在所述磨具的磨料基体层的相对两侧的外表面上。

15.如权利要求6所述的磨具，其特征在于，所述磨具包括第一纤维增强网布、第二纤维增强网布和第三纤维增强网布，所述第一纤维增强网布覆盖在所述磨具的磨料基体层的一个外表面上，所述第二纤维增强网布设置在所述磨具的内部，所述第三纤维增强网布局部覆盖在所述磨具的磨料基体层的另一个外表面上。

16.如权利要求6所述的磨具，其特征在于，所述磨具为薄型砂轮。