CN105538175B - 一种高分子复合材料砂轮基体及其制备方法 - Google Patents

一种高分子复合材料砂轮基体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高分子复合材料砂轮基体，它由树脂液增强纤维网格布与填充料压制、固化成型，填充料为35‑55份胶木粉和铝粉、35‑60份粘接剂及22‑46份功能填料，其中，粘接剂为改性热固性酚醛树脂粉和具有弹性的热塑性聚乙烯醇缩丁醛体积比为2~4:1的混合物；功能填料为铜粉：氧化钙粉末：氧化锌粉末：球状石墨体积比为1~5:1:1:1~5的混合物。通过添加改性增强纤维、具有韧性的树脂和填充料，该高分子复合材料砂轮基体具有一定弹性和很高的强度，抗冲击韧性较高，能够匹配于较细粒度的抛光砂轮，能够进行高速磨削，产品不易破裂，其安全磨削速度可达70m/s；与铝基体、钢基体比较，其密度低，质量轻，此砂轮基体可以应用于普通的树脂砂轮，超硬磨料砂轮和弹性抛光砂轮。

Description

一种高分子复合材料砂轮基体及其制备方法
技术领域
本发明属于机械加工中的超硬材料及制品领域，具体涉及一种应用于超硬磨料砂轮的复合材料基体及其制备方法。
背景技术
砂轮基体的作用主要用于支撑砂轮磨料层，并根据加工对象的形状，加工成与之匹配的形状，安装于磨床主轴，对各种工件进行磨削加工。砂轮基体具有不同的材料和形状，目前应用于超硬磨料砂轮的基体材料主要有铝基体，钢基体，胶木基体，酚醛铝基体等。
砂轮基体支撑砂轮磨料层转动对工件进行磨削，基体的强度，弹性，刚性等机械因素能够很大程度上影响砂轮对于工件的磨削质量和磨削效率。目前常用的铝基体有铸铝和铝棒，铝棒成本较高，铸铝基体由于铸造时工艺的一些影响，常存在砂眼，密度不均匀，砂轮平衡性不好，且铝基体一般不能满足高速砂轮的应用，砂轮磨料层容易脱环。钢基体具有较高的强度，能够满足高速磨削而不易变形，但是钢基体质量重，对机床主轴刚性要求较高。酚醛铝基体虽然质量轻，但是由于受限于高分子树脂材料的稳定性，酚醛铝基体制造成本较高。胶木基体耐热性较差，热变形较大，在磨削发热时变形，影响工件的加工精度。
近年应用于砂轮领域的基体，还出现了纤维增强基体，公开号为CN201210274354的中国专利公开了一种纤维增强基体及制备方法，虽然能够很好的对砂轮基体进行增强，但不能保证其能够应用于高速砂轮和具有弹性的抛光砂轮。
通过分析发现，目前应用于超硬磨具的不同材料的基体存在不同程度的缺点。
发明内容
本发明的目的是针对现有砂轮基体存在的问题，提供一种具有软弹性，抗震性能优越，机械强度高，适用于高速磨削和抛光的高分子复合材料砂轮基体。
为达到以上目的，本发明采取以下技术方案：
一种高分子复合材料砂轮基体，它由树脂液增强纤维网格布与填充料压制、固化成型，所述填充料为35-55份胶木粉和铝粉、35-60份粘接剂及22-46份功能填料，其中，粘接剂为改性热固性酚醛树脂粉和具有弹性的热塑性聚乙烯醇缩丁醛体积比为2~4:1的混合物；功能填料为铜粉：氧化钙粉末：氧化锌粉末：球状石墨体积比为1~5:1:1:1~5的混合物。
所述树脂液增强纤维网格布为改性聚酯纤维和聚酰亚胺纤维组合的网格布。
所述树脂液增强纤维网格布中树脂液为含有质量分数为5%的酒精的酚醛树脂液和聚氨酯树脂液的混合液，酚醛树脂液和聚氨酯树脂液质量比为1:1。
所述胶木粉在150℃-180℃、2MPa固化后膨胀系数为0.1%，耐受350℃的瞬间高温；铝粉粒度为5μm-10μm，纯度≥99.5%。
改性热固性酚醛树脂粒径为30-60μm，密度1.28g/cm³，抗压强度＞900Kg/ cm³，拉伸强度750 Kg/ cm³，洛氏硬度HRE 55。
铜粉粒度为600目，具有发散的树枝状微观结构；氧化钙粉末为为分析纯；氧化锌粉末为为分析纯。
填充料中各组分体积份数为胶木粉15-25，铝粉20-30 ，酚醛树脂 25-40，聚乙烯醇缩丁醛10-20，铜粉8-15，氧化锌粉末3-8，氧化钙粉末3-8，球状石墨8-15。
一种高分子复合材料砂轮基体的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备树脂液增强纤维网格布
将改性聚酯纤维和聚酰亚胺纤维制成60目的网格布在70%的醋酸溶液中浸泡2h进行定型，然后自然风干；将风干后的网格布泡入含有5%质量分数的酒精的酚醛树脂液和聚氨酯树脂液的混合液中浸渍5min，之后取出浸渍后的网格布放在玻璃托盘中，在100℃的烘箱中烘干固化2h；
（2）制备成型料
按照各组分体积份数胶木粉15-25，铝粉20-30 ，酚醛树脂 25-40，聚乙烯醇缩丁醛10-20，铜粉8-15，氧化锌粉末3-8，氧化钙粉末3-8，球状石墨8-15称取填充料，将填充料在球磨机中混合1h，之后过100目筛网三次，混合均匀，得成型料；
（3）砂轮基体制备
选择合适尺寸的模具，将成型料与步骤（1）所得的网格布分层间隔投入模具中，将投料后的模具放在热压机上，120℃、1-2GPa压力下预热5-15min，然后在150℃、1-10GPa压制到所需基体厚度，然后保压保温30-80min，制得基体半成品，把基体半成品放到烘箱中进行固化。
投料时首先投入1-3mm的成型料，铺上一层步骤（1）所得的网格布，再投入1-3mm的成型料，铺上一层网格布，以此顺序直到投料完成。
固化工艺为：40℃温度保温30min，然后30min升温到100℃，保温60min，之后30min升温到150℃，保温120min。
酚醛树脂能够增加基体的强度，起到主要的粘接作用，但是脆性较高，抗冲击性能不好。聚乙烯醇缩丁醛具有一定的韧性，能够增加基体的抗冲击韧性，最终两种树脂的应用使砂轮基体具有较高的强度和韧性。
超细铜粉，粒度为600目，具有发散的树脂状微观结构，能够很好的把持基体中的各种材料，同铝粉，胶木粉和树脂较强的结合，且导热效果好，砂轮运转起来热量均匀的分散。
氧化钙粉末为分析纯，能够增加树脂的固化速度，降低固化时间，使固化更加充分，机械强度增加。
氧化锌粉末为分析纯，能够在一定程度上增强整体的基体的强度和硬度。
球状石墨在体系中主要起导热作用，且球状石墨具有润滑作用，有助于配方体系中单个物相的分散。
此基体配方体系独特，制造工艺采用模压成型，制得的基体具有软弹性且强度高，适用于高速磨削和抛光砂轮。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明公开的一种高分子复合材料砂轮基体通过添加改性增强纤维和具有增强增韧作用的填充料，具有很高的强度，能够进行高速磨削，通过回转实验，产品不易破裂，其安全磨削速度可达70m/s。
2.通过选用具有韧性的树脂和具有导热作用的填充料，高分子复合材料砂轮基体具有一定弹性，抗冲击韧性较高，能够匹配于较细粒度的抛光砂轮。
3.其主要材料为胶木粉、铝粉和树脂粉，与铝基体、钢基体比较，其密度低，质量轻，此砂轮基体可以应用于普通的树脂金刚石砂轮，树脂CBN砂轮，陶瓷结合剂超硬磨料砂轮，也可应用于弹性抛光砂轮，在使用时对机床主轴刚性要求较低，能够普遍广泛的应用于普通磨床和CNC磨床。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步说明。
一种高分子复合材料砂轮基体，它由树脂液增强纤维网格布与填充料压制、固化成型，所述树脂液增强纤维网格布为改性聚酯纤维和聚酰亚胺纤维组合的网格布，树脂液为含有质量分数为5%的酒精的酚醛树脂液和聚氨酯树脂液的混合液，酚醛树脂液和聚氨酯树脂液质量比为1:1，所述填充料为35-55份胶木粉和铝粉、35-60份粘接剂及22-46份功能填料，其中，粘接剂为改性热固性酚醛树脂粉和具有弹性的热塑性聚乙烯醇缩丁醛体积比为2~4:1的混合物；功能填料为铜粉：氧化钙粉末：氧化锌粉末：球状石墨体积比为1~5:1:1:1~5的混合物。
所述胶木粉在150℃-180℃、2MPa固化后膨胀系数为0.1%，耐受350℃的瞬间高温；铝粉粒度为5μm-10μm，纯度≥99.5%。
改性热固性酚醛树脂粒径为30-60μm，密度1.28g/cm³，抗压强度＞900Kg/ cm³，拉伸强度750 Kg/ cm³，洛氏硬度HRE 55。
铜粉粒度为600目，具有发散的树枝状微观结构；氧化钙粉末为为分析纯；氧化锌粉末为为分析纯。
填充料中各组分体积份数为胶木粉15-25，铝粉20-30 ，酚醛树脂 25-40，聚乙烯醇缩丁醛10-20，铜粉8-15，氧化锌粉末3-8，氧化钙粉末3-8，球状石墨8-15。
一种高分子复合材料砂轮基体的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备树脂液增强纤维网格布
将改性聚酯纤维和聚酰亚胺纤维制成60目的网格布在70%的醋酸溶液中浸泡2h进行定型，然后自然风干；将风干后的网格布泡入含有5%质量分数的酒精的酚醛树脂液和聚氨酯树脂液的混合液中浸渍5min，之后取出浸渍后的网格布放在玻璃托盘中，在100℃的烘箱中烘干固化2h；
（2）制备成型料
按照各组分体积份数胶木粉15-25，铝粉20-30 ，酚醛树脂 25-40，聚乙烯醇缩丁醛10-20，铜粉8-15，氧化锌粉末3-8，氧化钙粉末3-8，球状石墨8-15称取填充料，将填充料在球磨机中混合1h，之后过100目筛网三次，混合均匀，得成型料；
（3）砂轮基体制备
选择合适尺寸的模具，将成型料与步骤（1）所得的网格布分层间隔投入模具中，如图1所示，投料时首先投入1-3mm的成型料1，铺上一层步骤（1）所得的网格布2，再投入1-3mm的成型料1，铺上一层网格布2，以此顺序直到投料完成；将投料后的模具放在热压机上，120℃、1-2GPa压力下预热5-15min，然后在150℃、1-10GPa压制到所需基体厚度，然后保压保温30-80min，制得基体半成品，把基体半成品放到烘箱中进行固化，固化工艺为：40℃温度保温30min，然后30min升温到100℃，保温60min，之后30min升温到150℃，保温120min。
实施例1
一种高分子复合材料砂轮基体，它由树脂液增强纤维网格布与填充料压制、固化成型，所述填充料中各原料组成如表一所示。
一种高分子复合材料砂轮基体的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备树脂液增强纤维网格布
将改性聚酯纤维和聚酰亚胺纤维制成60目的网格布在70%的醋酸溶液中浸泡2h进行定型，然后自然风干；将风干后的网格布泡入含有5%质量分数的酒精的酚醛树脂液和聚氨酯树脂液的混合液中浸渍5min，之后取出浸渍后的网格布放在玻璃托盘中，在100℃的烘箱中烘干固化2h；
（2）制备成型料
按照上述体积份数称取各组分填充料，将填充料在球磨机中混合1h，之后过100目筛网三次，混合均匀，得成型料；
（3）砂轮基体制备
选择合适尺寸的模具，将成型料与步骤（1）所得的网格布分层间隔投入模具中，投料时首先投入2mm的成型料，铺上一层步骤（1）所得的网格布，再投入2mm的成型料，铺上一层网格布，以此顺序直到投料完成；将投料后的模具放在热压机上，120℃、1-2GPa压力下预热5-15min，然后在150℃、1-10GPa压制到所需基体厚度，然后保压保温30-80min，制得基体半成品，把基体半成品放到烘箱中进行固化，固化工艺为：40℃温度保温30min，然后30min升温到100℃，保温60min，之后30min升温到150℃，保温120min。
实施例2
一种高分子复合材料砂轮基体，它由树脂液增强纤维网格布与填充料压制、固化成型，所述填充料由如下体积份数的各原料组成：胶木粉15，铝粉30，酚醛树脂39，聚乙烯醇缩丁醛20，铜粉15，氧化锌粉末3，氧化钙粉末3，球状石墨15。
一种高分子复合材料砂轮基体的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备树脂液增强纤维网格布
将改性聚酯纤维和聚酰亚胺纤维制成60目的网格布在70%的醋酸溶液中浸泡2h进行定型，然后自然风干；将风干后的网格布泡入含有5%质量分数的酒精的酚醛树脂液和聚氨酯树脂液的混合液中浸渍5min，之后取出浸渍后的网格布放在玻璃托盘中，在100℃的烘箱中烘干固化2h；
（2）制备成型料
按照上述体积份数称取各组分填充料，将填充料在球磨机中混合1h，之后过100目筛网三次，混合均匀，得成型料；
（3）砂轮基体制备
选择合适尺寸的模具，将成型料与步骤（1）所得的网格布分层间隔投入模具中，投料时首先投入1mm的成型料，铺上一层步骤（1）所得的网格布，再投入1mm的成型料，铺上一层网格布，以此顺序直到投料完成；将投料后的模具放在热压机上，120℃、1-2GPa压力下预热5-15min，然后在150℃、1-10GPa压制到所需基体厚度，然后保压保温30-80min，制得基体半成品，把基体半成品放到烘箱中进行固化，固化工艺为：40℃温度保温30min，然后30min升温到100℃，保温60min，之后30min升温到150℃，保温120min。
实施例3
一种高分子复合材料砂轮基体，它由树脂液增强纤维网格布与填充料压制、固化成型，所述填充料由如下体积份数的各原料组成：胶木粉25，铝粉21，酚醛树脂30，聚乙烯醇缩丁醛15，铜粉12，氧化锌粉末4，氧化钙粉末4，球状石墨12。
一种高分子复合材料砂轮基体的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备树脂液增强纤维网格布
将改性聚酯纤维和聚酰亚胺纤维制成60目的网格布在70%的醋酸溶液中浸泡2h进行定型，然后自然风干；将风干后的网格布泡入含有5%质量分数的酒精的酚醛树脂液和聚氨酯树脂液的混合液中浸渍5min，之后取出浸渍后的网格布放在玻璃托盘中，在100℃的烘箱中烘干固化2h；
（2）制备成型料
按照上述体积份数称取各组分填充料，将填充料在球磨机中混合1h，之后过100目筛网三次，混合均匀，得成型料；
（3）砂轮基体制备
选择合适尺寸的模具，将成型料与步骤（1）所得的网格布分层间隔投入模具中，投料时首先投入3mm的成型料，铺上一层步骤（1）所得的网格布，再投入3mm的成型料，铺上一层网格布，以此顺序直到投料完成；将投料后的模具放在热压机上，120℃、1-2GPa压力下预热5-15min，然后在150℃、1-10GPa压制到所需基体厚度，然后保压保温30-80min，制得基体半成品，把基体半成品放到烘箱中进行固化，固化工艺为：40℃温度保温30min，然后30min升温到100℃，保温60min，之后30min升温到150℃，保温120min。
实施例4-10
一种高分子复合材料砂轮基体，它由树脂液增强纤维网格布与填充料压制、固化成型，所述填充料中各组分的量如表二所示，其制备方法同实施例1。

Claims (9)

1.一种高分子复合材料砂轮基体，其特征在于：它由树脂液增强纤维网格布与填充料压制、固化成型，所述填充料为35-55体积份数的胶木粉和铝粉、35-60体积份数粘接剂及22-46体积份数功能填料，其中，粘接剂为改性热固性酚醛树脂粉和具有弹性的热塑性聚乙烯醇缩丁醛体积比为2~4:1的混合物；功能填料为铜粉：氧化钙粉末：氧化锌粉末：球状石墨体积比为1~5:1:1:1~5的混合物；
所述的高分子复合材料砂轮基体的制备方法包括以下步骤：
（1）制备树脂液增强纤维网格布
将改性聚酯纤维和聚酰亚胺纤维制成60目的网格布在70%的醋酸溶液中浸泡2h进行定型，然后自然风干；将风干后的网格布泡入含有5%质量分数的酒精的酚醛树脂液和聚氨酯树脂液的混合液中浸渍5min，之后取出浸渍后的网格布放在玻璃托盘中，在100℃的烘箱中烘干固化2h；
（2）制备成型料
按照各组分体积份数胶木粉15-25，铝粉20-30 ，酚醛树脂 25-40，聚乙烯醇缩丁醛10-20，铜粉8-15，氧化锌粉末3-8，氧化钙粉末3-8，球状石墨8-15称取填充料，将填充料在球磨机中混合1h，之后过100目筛网三次，混合均匀，得成型料；
（3）砂轮基体制备
选择合适尺寸的模具，将成型料与步骤（1）所得的网格布分层间隔投入模具中，将投料后的模具放在热压机上，120℃、1-2GPa压力下预热5-15min，然后在150℃、1-10GPa压制到所需基体厚度，然后保压保温30-80min，制得基体半成品，把基体半成品放到烘箱中进行固化。
2.根据权利要求1所述的高分子复合材料砂轮基体，其特征在于：所述树脂液增强纤维网格布为改性聚酯纤维和聚酰亚胺纤维组合的网格布。
3.根据权利要求1所述的高分子复合材料砂轮基体，其特征在于：所述树脂液增强纤维网格布中树脂液为含有质量分数为5%的酒精的酚醛树脂液和聚氨酯树脂液的混合液，酚醛树脂液和聚氨酯树脂液质量比为1:1。
4.根据权利要求1所述的高分子复合材料砂轮基体，其特征在于：所述胶木粉在150℃-180℃、2MPa固化后膨胀系数为0.1%，耐受350℃的瞬间高温；铝粉粒度为5μm-10μm，纯度≥99.5%。
5.根据权利要求1所述的高分子复合材料砂轮基体，其特征在于：改性热固性酚醛树脂粒径为30-60μm，密度1.28g/cm³，抗压强度＞900Kg/ cm³，拉伸强度750 Kg/ cm³，洛氏硬度HRE 55。
6.根据权利要求1所述的高分子复合材料砂轮基体，其特征在于：铜粉粒度为600目，具有发散的树枝状微观结构；氧化钙粉末为为分析纯；氧化锌粉末为为分析纯。
7.根据权利要求1所述的高分子复合材料砂轮基体，其特征在于：填充料中各组分体积份数为胶木粉15-25，铝粉20-30 ，酚醛树脂 25-40，聚乙烯醇缩丁醛10-20，铜粉8-15，氧化锌粉末3-8，氧化钙粉末3-8，球状石墨8-15。
8.根据权利要求1所述的高分子复合材料砂轮基体，其特征在于：投料时首先投入1-3mm的成型料，铺上一层步骤（1）所得的网格布，再投入1-3mm的成型料，铺上一层网格布，以此顺序直到投料完成。
9.根据权利要求1所述的高分子复合材料砂轮基体，其特征在于：固化工艺为：40℃温度保温30min，然后30min升温到100℃，保温60min，之后30min升温到150℃，保温120min。
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