CN106944939B - 一种添加可溶性树脂材料的自修锐超硬微细磨具丸片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种添加可溶性树脂自修锐可控的磨具丸片及其制备方法。所述的磨具各组分按重量比由磨料30～70wt％，湿润剂0.5～5wt％，“可溶”树脂5～25wt％，“不可溶”树脂15～30wt％，固化剂0～3wt％和填充剂20～50wt％组成。“不可溶”树脂起主粘结剂的作用，“可溶”树脂起辅粘结剂的作用，“可溶”树脂的溶解速度与研磨液的PH值相关，根据磨具钝化程度，可以调整研磨液PH值，进而调整研磨液溶解磨具表层的“可溶”树脂的速率，控制修锐速率；修锐时，研磨液溶解磨具表层的“可溶性”树脂材料，在结合剂间形成孔隙，起到降低粘结剂强度和其对周围磨粒的把持力，使磨具表层钝化的磨粒脱落，新的磨粒露出，从而达到自动在线可控修锐磨具的目的。

Description

一种添加可溶性树脂材料的自修锐超硬微细磨具丸片及其制 备方法

技术领域

本发明涉及精密或超精密磨削用磨具技术领域，尤其涉及一种添加可溶性树脂自修锐可控的磨具丸片及其制备方法。

背景技术

在精密、超精密和高速、超高速磨削技术方面，近20年来在工业发达国家得到长足的发展及应用。目前，使用超硬磨料磨具磨削加工是硬脆难加工材料获得高精度的高效加工方法。但在这么多年超硬磨具丸片的生产应用中，也暴露出一些自身的缺陷，主要表现在：一些结合剂对磨粒把持力低，且易脱落，耐用性差，难修整，并且磨粒出刃难；另一方面，由于结合剂紧实，砂轮表面容屑空间小，易造成工件表面损伤，影响工件加工质量。因此，对于一些难加工材料的超精密加工而言，增强磨具强度、降低磨具损耗与提高磨具的可修整性是一对矛盾，为了化解这对矛盾，研究可用于大批量生产的可实现高一致性、低损伤、易修复的精密高效的超硬微细磨具丸片及其修整方法显得极为迫切。目前，在工厂中应用较为广泛的是磨具研磨一段时间钝化后，用金刚砂磨修整片进行修盘，该方法加工效率低。

查阅相关文献和专利，申请号200910042460.X公布了一种孔隙自生成超硬磨具丸片及其修整方法，该可超硬磨具丸片由磨粒、结合剂、“可溶”填充剂组成。需要修整时，将特定溶剂输送到磨具表层，“溶解”磨具表层的“可溶”填充剂在结合剂间形成孔隙来降低结合剂对磨粒的把持力，使旧磨粒脱落新磨粒露出来达到修整的目的。但该方法采用的“可溶”填充剂为无机物氧化钙或氧化铈，添加太多，降低了磨具的砂结比，添加太少，溶解效果差；同时，该方法无法控制研磨过程中磨具的修整率。

申请号200410029950.3公布了一种可在线电解的金属结合剂超硬磨料砂轮及其制备方法，该超硬磨料砂轮由金刚石、金属结合剂、金属添加剂和非金属添加剂组成。需要修整时，运用电解金属结合剂来发生合适速度的阳极溶解去除的活化反应来达到修锐的目的。该方法虽然精度高，但是成本太高，且操作复杂。

本发明就根据如今超精密加工需求，添加了可溶性树脂材料来实现绿色地，经济地，方便地修锐磨具。在磨具中添加可溶性树脂材料，可溶性树脂材料现广泛应用于医药中的胶囊包衣，可以根据PH值改变溶解率，具有增重少，质量好，防潮效果好，性质稳定的优点。

所述的可溶性树脂材料有：纤维素衍生物：可溶于某些有机溶剂和水，不易脆裂等；聚维酮性质稳定、无毒，能溶于水及多种溶剂；甲基丙烯酸二甲胺基乙酯-中性甲基丙烯酸酯共聚物，可溶于醇、丙酮、异丙醇、三氯甲烷等有机溶剂，本品在水中的溶解度与pH有关，溶解度因pH值下降而升高，本品的成膜性能较好，膜的强度较大；聚乙烯乙醛二乙胺乙酯：可溶于乙醇、甲醇、丙酮，不溶于水中，但可溶于酸性水中，其化学性稳定，可增加防潮等性能。虫胶：本品不溶于胃液，但在pH6.4以上的溶液能迅速溶解；醋酸纤维素酞酸酯：本品可溶于pH6.0以上的缓冲液中，在碱性溶液液中也不溶解；羟丙基甲基纤维素酞酸酯不溶于酸性溶液，但可溶于pH5～5.8以上的缓冲液中。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种添加可溶性树脂自修锐可控的磨具丸片及其制备方法，

本发明的一种添加可溶性树脂材料的自修锐超硬微细磨具丸片，包括磨料、填充剂、湿润剂，“可溶”树脂结合剂、“不可溶”树脂结合剂和固化剂。磨具丸片中的树脂可溶于研磨液即为“可溶”树脂结合剂，磨具丸片中的树脂不溶于研磨液即为“不可溶”树脂结合剂。“不可溶”树脂起主粘结剂的作用，“可溶”树脂起辅粘结剂的作用。“可溶”树脂的溶解速度与研磨液的PH值相关，根据磨具钝化程度，可以调整研磨液PH值，进而调整研磨液溶解磨具表层的“可溶”树脂的速率，控制修锐速率；修锐时，研磨液溶解磨具表层的“可溶性”树脂，在结合剂间形成孔隙，起到降低粘结剂强度和其对周围磨粒的把持力，使磨具表层钝化的磨粒脱落，新的磨粒露出，从而达到自动在线修锐磨具的目的。

本发明还公开了一种添加可溶性树脂自修锐可控的磨具丸片的具体制备方法，如下：

步骤1，首先取一定量磨料，加入填充剂、湿润剂，混合均匀，湿润表面，得到混合粉料；

步骤2，将“不可溶”树脂结合剂、“可溶”树脂结合剂放入混料机中混合均匀，得到混合树脂；

步骤3，将混合粉料和混合树脂共混，并加入固化剂，得到预压粉料；

步骤4，将步骤3得到的预压粉料过筛，压制成胚体，经过高温烧结，最后冷却得到磨具丸片；

所述的磨料，可以是金刚石、氧化铝、氮化硼、碳化硼或碳化硅磨料中的一种或者多种组成，添加量为磨具总重量的30～70wt％；

所述的湿润剂为水、聚乙二醇、甲酚、三乙醇胺、酚醛树脂液或糠醛中的一种或者多种组成，添加量为磨具总重量的0.5～5wt％，润湿剂的作用是润湿磨料和溶解树脂粉，一般采用的黏度杯法为40～200s，树脂液黏度过高或过低均影响磨具的强度和硬度，黏度过高，润湿性能差，磨料混料不易混合均匀，容易出现漏粉现象，黏度过低，磨料混料可塑性差，粉料在磨具中分布不均匀；

所述的填充剂由铜包石墨、氧化钙、碳酸钙、氧化铈、氧化铁、氧化铬、氧化锌、石膏粉、石墨粉、冰晶石粉、滑石粉、石英粉、长石粉或铜粉中的一种或者多种组成，添加量为磨具总重量的20～50wt％。

所述的“不可溶”树脂结合剂可以是丙烯酸树脂，聚氨酯树脂，环氧树脂，有机硅树脂，酚醛树脂，环氧树脂，新酚树脂，聚氨酯树脂，聚酰亚胺树脂以及胶木粉中的一种或者多种组成，添加量为磨具总重量的15～30wt％；

所述的“可溶”树脂结合剂可以是水溶性树脂，醇溶性树脂，酯溶性树脂中的一种或者多种组成，具体包括纤维素衍生物、聚维酮、丙烯酸树脂类、聚氨酯树脂类、聚酰胺树脂类、聚乙烯马来酸共聚物、聚乙烯乙醛二乙胺乙酯、聚乙二醇、虫胶、明胶、醋酸纤维素酞酸酯、羟丙基甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素酞酸酯、聚乙烯吡咯烷酮、邻苯二甲酸聚乙烯醇酯、紫胶树脂、达玛树脂、松香改性醇酸树脂、热塑性酚醛树脂、脲醛树脂和聚乙烯醇缩丁醛，添加量为磨具总重量的5～25wt％。

所述的固化剂可以是聚琉醇型、多异氰酸酯型、脂肪族多胺、脂环族多胺、低分子聚酰胺、改性芳胺、脂环族多胺、叔胺、眯唑类、三氟化硼络合物、芳香族多胺、酸酐、甲阶酚醛树脂、氨基树脂、双氰胺以及酰肼中的一种或者多种，添加量为磨具总重量的0～3wt％。

所述的研磨液，其研磨液基液可以是水，乙醇，甲醇，异丙醇，正丁醇，醋酸乙酯，醋酸丁酯，醋酸戊酯中的一种或者多种组成，研磨液PH值的调整范围在1～12。

步骤2中所述的混合方法可以是V型桶混料机混合，球磨机混合，逆流混料机，手工搅拌混合中的任意一种；

步骤4所述的压制成型和高温烧结可以是同时进行也可以是分开进行，即可以是冷压成型，也可以是热压成型；冷压成型即先将混合粉料压制成胚体，再将胚体放置到烧结炉中进行烧结，最后随室温冷却；热压成型即压制过程中，对丸片模具进行加热，保温，最后随模具冷却；成型压力为20～150Mpa，烧结温度100～300℃，保温为2～25小时。

所述的一种添加可溶性树脂自修锐可控的磨具丸片,其磨具自修锐过程特征在于：加工时，在加工区域中不断注入研磨液，使磨具表面的“可溶性”树脂结合剂溶解，起到降低粘结剂强度和其对周围磨粒的把持力，表层钝化的磨粒脱落，新的磨粒露出。其中，“可溶性”树脂结合剂的溶解速率与研磨液的PH值相关，当磨具钝化严重时，通过加入酸或碱调整研磨液的PH值，加大“可溶性”树脂结合剂的溶解速率，当磨具研磨效果好，钝化不严重时，通过调整酸、碱或者研磨液基液的加入量，调整研磨液的PH值，降低“可溶性”树脂结合剂的溶解速率，进而控制磨具的研磨效率和磨损速率。

所述的酸可以是有机酸，也可以是无机酸，碱可以是有机碱，也可以是无机碱，所述的酸包括了磷酸，乙酸，盐酸，所述的碱包括了碳酸钙，碳酸钠，碳酸钾，氢氧化钠，碳酸氢钠，磷酸氢二钠。

本发明优点：

1.通过对结合剂的“修整”，达到对磨具表面产生孔隙、进行磨具修整，并形成足够容屑空间，使磨具具有易修整的特点；

2.在修整磨具时不会产生有危害人或者环境的有害物质，绿色环保；

3.生产方法和使用方法简单，不改变原有的树脂磨具丸片的制备方法，不改变原有的研磨方式；

4.“可溶性”树脂结合剂的溶解速率与研磨液的PH值相关，在研磨过程中，通过调节研磨液的PH值可以调整磨具的修锐速度；

5.“可溶性”树脂本身作为一种树脂结合剂，可以对磨具丸片中的磨粒起到粘合和支撑作用。

6.磨具磨削过程本身又可以促进修整，这两个过程互相配合，互相支持；磨削过程中产生的磨削热量又可以促进可溶结合剂在溶剂中的溶解。

附图说明

图1是金刚石研磨丸片表面显微图；

图2是平面抛光机结构示意图；

图3是新型磨具与传统酚醛树脂磨具丸片材料去除率对比图；

图4是研磨液PH值与磨具的磨损率关系图；

图5是抗拉强度和可溶树脂添加量关系图。

具体实施方式

实施例1

实施方案如下：

步骤1，首先取平均粒径2.5微米的金刚石和碳化硅磨料，加入填充剂(铜包石墨、氧化钙、氧化铈、氧化锌、冰晶石粉、滑石粉，铜粉)、湿润剂酚醛树脂液，混合30min，得到混合粉料；

步骤2，将“不可溶”树脂结合剂(酚醛树脂)、“可溶”树脂结合剂(丙烯酸树脂Ⅳ号—甲基丙烯酸酯和二甲胺基乙酯共聚体)放入V型桶混料机中混合均匀，得到混合树脂，其中丙烯酸树脂Ⅳ号的溶解度随PH的升高而下降，一般在pH1.2～5.0发生溶解，PH5～8时发生溶胀；

步骤3，将混合粉料和混合树脂同样放入V型桶混料机中共混，并加入固化剂六次甲基四胺，得到预压粉料；

步骤4，将步骤3得到的预压粉料过筛，筛网目数2000目，放置到圆形丸片模具中，压制成胚体，成型压力为30Mpa，保持压力的时间为15s，再将胚体放置到烧结炉中进行烧结，烧结按一定升温曲线从60℃加热到130℃，保温为4小时，最后随室温冷却，得到金刚石研磨丸片，表面显微图如图1所示。

磨具丸片各组分如表1所示：

表1 磨具丸片组分

实施例2

将实施例1得到磨具丸片在平面抛光机上进行加工，如图2所示，在加工过程中在磨具表层不断注入水基研磨液，使磨具表面的丙烯酸树脂Ⅳ号溶解，在磨具表面形成孔隙，降低了结合剂对磨粒的把持力，降低结合剂的结构强度，从而使钝化后的金刚石磨粒很容易在磨削力的作用下脱离磨具表面，起到修整磨具，露出新磨粒的作用。

乙酸作为PH调节剂，当磨具钝化严重，磨削效率下降时，在研磨液中增加乙酸用量，PH值调整到4～6，将强对“可溶”树脂结合剂(丙烯酸树脂Ⅳ号)的溶解性，磨具磨损快，次表面锋利磨粒露出来，磨具丸片重新变得锋利，完成在线自修锐；当磨具研磨效率高，比较锋利时，减少乙酸的添加量，降低磨具的磨损。操作过程中也发现，可通过调整加工过程中水的温度，流量控制，控制磨具的修整速度。

将该新型磨具与传统酚醛树脂磨具丸片进行耐用度对比实验，对氧化锆基片进行研磨加工，其中，添加可溶性树脂磨具丸片研磨过程中研磨液添加PH调节剂，对磨具丸片进行修锐，传统酚醛树脂磨具丸片研磨过程中研磨液为水，两种方法加工过程中，都没有用修整环对磨具丸片进行修整，观测使用一段时间后，磨具丸片对工件的材料去除率随时间变化图，如图3所示，从图中可以看到添加可溶性树脂磨具丸片使用一段时间后，仍保持较高的材料去除率，而传统酚醛树脂磨具丸片使用一段时间后，表面钝化，材料去除率下降。

实施例3

将实施例1得到磨具丸片在不同PH值的研磨液中进行研磨加工，乙酸作为酸PH调节剂，碳酸钠作为碱PH调节剂，其他研磨参数一致，观测磨具的磨损率，如图4所示。从图中可以看到随着PH值的变大，由酸性变为碱性，磨具的磨损率也在降低，因此，考虑到磨具的寿命，使用过程中，需根据磨具的钝化程度，调节PH值，修锐磨具的同时，控制磨具的磨损。针对实施例1得到的磨具丸片中的“可溶”树脂是一种酸溶树脂，当材料去除率较高时，可以控制研磨液的PH值在7以上，减缓磨具的磨损，当材料去除率下降时，可添加酸PH调节剂，PH值控制在6以下，快速修锐。

实施例4

磨具丸片操作与实施例1基本相同，不同之处在于，将“可溶”树脂结合剂丙烯酸树脂Ⅳ号改为聚维酮50wt％、虫胶40wt％和甘油醋酸酯10wt％的混合物，该“可溶”树脂结合剂混合物可在PH值大于6.5的溶液中可溶，得到的新型研磨丸片，在修整时，应配合碱PH调节剂，这里选用碳酸钠，同时，可以在研磨液中添加5wt％的乙醇，以提高“可溶”树脂结合剂的溶解率。

实施例5

操作与实施例1基本相同，不同之处在于，将“可溶”树脂结合剂丙烯酸树脂Ⅳ号改为甲基丙烯酸-甲基丙烯酸甲酯共聚物丙烯酸Ⅱ号树脂(Eudragit Ll00型)，该“可溶性”树脂同样可以在pH6或7以上研磨液中可以溶解，玻璃转变温度高，脆性较强，适合对铸铁、玻璃、陶瓷、石料等硬脆材料加工，在修整时，同样配合碱PH调节剂碳酸钠。

实施例6

操作与实施例1基本相同，不同之处在于，“不可溶”树脂结合剂(酚醛树脂)的添加量分别为30,25,20,15,10,5，0g，“可溶”树脂结合剂(丙烯酸树脂Ⅳ号)的添加量分别为0,5,10,15,20,25,30g，即“可溶”树脂结合剂在磨具中的添加量由小到大，测量磨具抗拉强度变化，从图5中可以看出“可溶”树脂添加量的增加磨具的抗拉强度变小，在添加量为10g以下时，变化不大，添加量增大到20g时变化明显，说明“可溶”树脂添加量太多，容易导致磨具的抗拉强度发生明显变化。

实施例7

实施方案如下：

步骤1，首先取平均粒径14微米的金刚石和碳化硅磨料，加入填充剂(铜包石墨、氧化钙、氧化铈、氧化锌、冰晶石粉、滑石粉，铜粉)、湿润剂聚乙二醇，混合30min，得到混合粉料；

步骤2，将“不可溶”树脂结合剂(聚酰亚胺树脂)、“可溶”树脂结合剂丙烯酸树脂Ⅲ号(Eudragit Sl00型，甲基丙烯酸‐甲基丙烯酸甲酯共聚物)放入V型桶混料机中混合均匀，得到混合树脂，其中丙烯酸树脂Ⅲ号的溶解度随PH的升高而升高，一般在pH6或7以上溶液中可以溶解，在修整时，同样配合碱PH调节剂；

步骤3，将混合粉料和混合树脂同样放入V型桶混料机中共混，并加入固化剂六次甲基四胺，得到预压粉料；

步骤4，将步骤3得到的预压粉料过筛，筛网目数800目，放置到六边形丸片模具中，压制成胚体，成型压力为30Mpa，压制过程中，可对丸片模具进行加热，成型压力为100Mpa，加热按一定升温曲线加热到160℃，保温为2小时，再按分段曲线升温到240℃，保温4小时，最后随模具自然冷却，得到磨具丸片，热压烧结由于加热加压同时进行，粉料处于热塑性状态，有助于颗粒的接触扩散、流动传质过程的进行，磨具丸片热压成型强度比冷压成型高。

磨具丸片各组分如表1所示：

表1 磨具丸片组分

Claims (8)

1.一种添加可溶性树脂自修锐可控的磨具丸片的制备方法，其具体制备方法如下：

步骤1，首先取磨料，加入填充剂、湿润剂，混合均匀，湿润表面，得到混合粉料；

步骤2，将 “不可溶”树脂结合剂、“可溶”树脂结合剂放入混料机中混合均匀，得到混合树脂；

步骤3，将混合粉料和混合树脂共混，并加入固化剂，得到预压粉料；

步骤4，将步骤3得到的预压粉料过筛，压制成胚体，经过高温烧结，最后冷却得到磨具丸片；

所述的“不可溶”树脂结合剂由酚醛树脂或聚酰亚胺树脂，添加量为磨具总重量的15～30wt%；所述的“可溶”树脂结合剂为丙烯酸树脂类，添加量为磨具总重量的5～25wt%；

所述的“可溶”树脂结合剂为磨具丸片中可溶于研磨液的树脂，“不可溶”树脂结合剂为磨具丸片中不溶于研磨液的树脂；其中，“可溶性”树脂结合剂的溶解速率与研磨液的PH值相关；

所述的研磨液的研磨液基液是水、乙醇、甲醇、异丙醇、正丁醇、醋酸乙酯、醋酸丁酯、醋酸戊酯中的一种或者多种，研磨液pH值的调整范围在1～12。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的磨料是金刚石、氧化铝、氮化硼、碳化硼或碳化硅磨料中的一种或者多种，添加量为磨具总重量的30～70wt%；所述的湿润剂为水、聚乙二醇、甲酚、三乙醇胺、酚醛树脂液或糠醛中的一种或者多种，添加量为磨具总重量的0.5～5wt%；所述的填充剂由铜包石墨、氧化钙、碳酸钙、氧化铈、氧化铁、氧化铬、氧化锌、石膏粉、石墨粉、冰晶石粉、滑石粉、石英粉、长石粉或铜粉中的一种或者多种组成，添加量为磨具总重量的20～50wt%。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于所述的固化剂是聚琉醇型、多异氰酸酯型、脂肪族多胺、脂环族多胺、低分子聚酰胺、改性芳胺、脂环族多胺、叔胺、眯唑类、三氟化硼络合物、芳香族多胺、酸酐、甲阶酚醛树脂、氨基树脂、双氰胺以及酰肼中的一种或者多种，添加量为磨具总重量的0～3wt%。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤2中所述的混合方法是V型桶混料机混合、球磨机混合、逆流混料机、手工搅拌混合中的任意一种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于步骤4所述的压制成型和高温烧结可以是同时进行也可以是分开进行，压制成型即可以是冷压成型，也可以是热压成型；冷压成型即先将混合粉料压制成胚体，再将胚体放置到烧结炉中进行烧结，最后随室温冷却；热压成型即压制过程中，对丸片模具进行加热，保温，最后随模具冷却；成型压力为20～150Mpa，烧结温度100～300℃，保温为2～25小时。

6.一种权利要求1所述方法制备的添加可溶性树脂自修锐可控的磨具丸片，其特征在于：各组分按重量比由磨料30～70wt%，湿润剂0.5～5wt%，“可溶”树脂结合剂5～25wt%，“不可溶”树脂结合剂15～30wt%，固化剂0～3 wt%和填充剂20～50wt%组成； 所述的“可溶”树脂结合剂为磨具丸片中可溶于研磨液的树脂，“不可溶”树脂结合剂为磨具丸片中不溶于研磨液的树脂。

7.一种权利要求1所述方法制备的添加可溶性树脂自修锐可控的磨具丸片的自修锐过程方法，其特征在于：加工时，在加工区域中不断注入研磨液，使磨具表面的“可溶性”树脂结合剂溶解，起到降低粘结剂强度和其对周围磨粒的把持力，表层钝化的磨粒脱落，新的磨粒露出；其中，“可溶性”树脂结合剂的溶解速率与研磨液的PH值相关，当磨具钝化严重时，通过加入酸或碱调整研磨液的PH值，加大“可溶性”树脂结合剂的溶解速率，当磨具研磨效果好，钝化不严重时，通过调整酸、碱或者研磨液基液的加入量，调整研磨液的PH值，降低“可溶性”树脂结合剂的溶解速率，进而控制磨具的研磨效率和磨损速率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述的酸可以是有机酸，也可以是无机酸，碱可以是有机碱，也可以是无机碱。