CN107363737B - 一种铁轨打磨砂轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种砂轮及其制备方法，尤其涉及一种铁轨打磨砂轮及其制备方法，属于砂轮技术领域。该铁轨打磨砂轮包括基体和磨削体，在基体中部开设有通孔且在基体一端面上具有若干均匀环绕于通孔周边的安装柱，在基体另一端具有若干均匀环绕于通孔周边的连接柱，基体通过连接柱与磨削体固连，在磨削体外侧壁上缠绕有玻璃纤维丝。本发明铁轨打磨砂轮采用有机化蒙脱土进行改性，能改善酚醛树脂的耐热性能，同时，将纳米材料与高聚物混合，能提高聚合物材料的韧性、强度和耐高温等性能，同时弥补普通刚性粒子不能同时增强增韧的缺点。

Description

一种铁轨打磨砂轮
技术领域
本发明涉及一种砂轮及其制备方法，尤其涉及一种铁轨打磨砂轮及其制备方法，属于砂轮技术领域。
背景技术
目前我国50万人口以上城市达245个,中长距离客流较大,其中80％需由铁路承担。随着国民经济和区域经济的平稳较快发展,必然带动全社会人员、物资加速流动,客货运输需求潜力巨大、质量要求日益提高。加快建设高速铁路,提高铁路运输服务能力和水平,对促进经济社会快速发展,满足日益增长的旅客运输需求具有重要作用。为了提高铁轨的运行速度，铁轨修磨常采用修磨机车，修磨机车所用的砂轮即铁轨修磨砂轮。铁轨修磨砂轮是一种性能要求非常高的专用磨具，修磨时使用砂轮的端面进行振动修磨，垂直方向的压力采用液压调节加压，因此，砂轮承受的负荷非常大，而且是露天作业，就需要砂轮具有强度高、耐磨性好、磨削比高、耐候性好等特点，尤其是砂轮使用的磨料必须结构致密、热物理性能好，选择强度高、耐磨性好的结合剂，这样才能保证砂轮能够承受重负荷的强力振动修磨，满足铁轨修磨的要求。
发明内容
本发明是针对现有技术中存在的上述问题，提出了一种综合性能好、能承受重负荷的铁轨打磨砂轮及其制备方法。
本发明的目的可通过如下技术方案来实现，一种铁轨打磨砂轮，所述铁轨打磨砂轮包括基体和磨削体，在基体中部开设有通孔且在基体一端面上具有若干均匀环绕于通孔周边的安装柱，在基体另一端具有若干均匀环绕于通孔周边的连接柱，基体通过连接柱与磨削体固连，在磨削体外侧壁上缠绕有玻璃纤维丝。
在上述一种铁轨打磨砂轮中，所述基体为铝基体，其具有高比模量、低膨胀系数等优异性能，而且在热导率、密度、热变形系数等关键性指标上都十分优异，本发明采用铝基作为砂轮基体，能得到极高的硬度，保证铁轨打磨砂轮的必要性能。
在上述一种铁轨打磨砂轮中，所述玻璃纤维丝为无碱玻璃纤维丝，直径为5-10μm，所述无碱玻璃纤维丝的成分及其重量份数为：二氧化硅：50-60份、氧化铝：10-20份、氧化钙：15-20份、氧化硼：5-10份、氧化镁：2-5份、稀土氧化物：2-5份。本发明采用无碱玻璃纤维丝，其拉伸强度高、弹性系数高、刚性佳且化学性质好，将其应用于磨削体上，能增强磨削体的耐打磨性能。
作为优选，所述稀土氧化物为氧化镧、氧化铈中的一种或两种。稀土氧化物的加入，由于其离子场强较大，能进去网络间隙中连接负离子基团作为电荷补偿，起到补网的作用，从而增大玻璃网络结构致密度，提高玻璃纤维丝的机械强度。
在上述一种铁轨打磨砂轮中，所述磨削体包括如下重量份数的组分：磨料：100-110份，改性酚醛树脂液：5-10份，改性酚醛树脂粉：10-15份，填料：25-35份。
本发明铁轨打磨砂轮磨削体的组成成分及其重量份数配伍合理，制得的砂轮强度高、硬度大、弹性好、耐热性好、自锐性好，能够承受重负荷的强力振动修磨，效率和表面光洁度较好，不需要在磨削体内部增加加强磨削体强度的加强网片，完全满足铁轨打磨的要求。
在上述一种铁轨打磨砂轮中，所述磨料由以下重量百分比的成分组成：半脆刚玉：50-60％，单晶刚玉：10-15％，碳化硅：5-10％，余量为白刚玉。
本发明铁轨打磨砂轮为了满足高强度的打磨要求，其使用的磨料需要具有结构致密、强度高、热物理性能好，莫氏硬度高等要求。本发明选择半脆刚玉、单晶刚玉、碳化硅和白刚玉多种磨料混合使用，结合其各自的优点，使砂轮的性能达到最优状态，以满足高强度的打磨要求。
作为优选，磨料的粒度为14-20目。对铁轨进行打磨加工使铁轨更平顺、精度更好，所以磨料的粒度就极为重要。本发明优选粒度为14-20目的磨料，进一步优选四种混合磨料的粒度为不同值，这样制得的砂轮不仅致密性高、强度大，而且打磨的强度效果非常好。
本发明采用改性酚醛树脂作为结合剂，能够克服传统树脂耐高温性能差、碳化温度较低导致其在现实应用过程中受限的缺陷，改性酚醛树脂能摒除树脂加工过程中的高危害物，并且其耐高温性能有了极大的提升，满足磨削区的中心温度而不至过早碳化，因此能提高制得的砂轮的使用寿命，且同时该树脂的自熄性好，无刺激性气味产生，且粘结强度高于传统树脂。
在上述一种铁轨打磨砂轮中，所述改性酚醛树脂粉的粒径为200-320目。
作为优选，所述改性酚醛树脂粉的制备方法为：将酚醛树脂和质量为酚醛树脂10％的有机化蒙脱土放入球磨罐中，球磨自转速率为1400-1500r/min，球磨时间为5-6h。纳米材料是具有纳米尺寸的超微粒子材料，它同时具有比表面积大和活性强等特点，能与酚醛树脂形成范德华力或化学键，以改善酚醛树脂的耐热性能。将纳米材料与高聚物混合，能提高聚合物材料的韧性、强度和耐高温等性能，同时弥补普通刚性粒子不能同时增强增韧的缺点。
作为优选，所述有机化蒙脱土经过硅烷偶联剂预处理，所述硅烷偶联剂为KH-560。硅烷偶联剂在合适的情况下能与蒙脱土表面发生化学反应，然后覆盖到颗粒表面，达到有机化处理的效果。偶联剂就是利用具有表面活性的有机官能团，和蒙脱土表面产生化学吸附或者化学反应，使偶联剂覆盖于蒙脱土颗粒表面，增加它与有机物的亲和性。利用KH-560对蒙脱土进行有机化处理，既可以提高蒙脱土在非极性溶剂中的分散性，也能够改善蒙脱土与高聚物之间的相容性。
在上述一种铁轨打磨砂轮中，所述改性酚醛树脂液的制备方法为：将改性酚醛树脂粉和质量为改性酚醛树脂粉1-3％的乙醇进行融合，搅拌后得改性酚醛树脂液，搅拌速率为500-600r/min，搅拌时间为2-3h。
在上述一种铁轨打磨砂轮中，所述填料由以下重量百分比的成分组成：短碳纤维15-25％，纳米SiO2：25-30％，余量为石墨。
在上述一种铁轨打磨砂轮中，在改性酚醛树脂的基础上还加入了纳米SiO2，纳米SiO2能与酚醛树脂基体呈化学键和，界面作用提高，磨损时不易产生裂纹，产生的细小碎块也能填充到材料的裂纹之中，在砂轮的碾压作用下，表面逐渐形成片层结构，能够对材料的进一步磨损起到保护作用。
另外，本发明还加入了少量的短碳纤维和石墨。短碳纤维和石墨的加入，能够使酚醛树脂在加入纳米SiO2后耐磨损的基础上进一步提高其耐磨性能。在本发明中加入短碳纤维时，磨损率进一步降低，这是由于近似横向排布的碳纤维的增强以及润滑作用，降低了砂轮的碾压和刮擦，但纤维附近的片层结构不完整不利于耐磨性的提高；石墨的加入有利于片层结构的形成，所以进一步提高了耐磨性；但是二者的量都不能太高，碳纤维过高时，其堆叠分布增加了材料的破坏，而石墨与基体的界面结合力较弱也对耐磨性产生不利影响。因此本发明采用上述含量的短纤维和石墨，能够对制得的砂轮的耐磨性能进一步增强。
作为优选，所述填料的粒径为200-320目。
在上述一种铁轨打磨砂轮中，所述第三网片采用无碱、平织玻璃纤维增强网，能够保证砂轮的抗折、抗弯性能。
本发明另一个目的在于提供上述铁轨打磨砂轮的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
混配料：先将半脆刚玉、单晶刚玉、碳化硅和白刚玉放入改性酚醛树脂液中浸润，然后将改性酚醛树脂分和纳米SiO2、短碳纤维、石墨以及浸润后的半脆刚玉、单晶刚玉、碳化硅和白刚玉均匀混合；
过筛：将混料得到的原料颗粒通过筛子筛选，粒度为8～12目的颗粒即作为用于成型的成型料；
成型：装配好模具，放入铝基体，称取合适重量的成型料，然后将其放入成型模具中摊平，压制成型得到砂轮坯；
硬化：将成型好的砂轮坯在烘箱中烘干，烘箱内的温度自室温梯度升温至175-185℃后保温4-6小时然后自然冷却至50-60℃出炉，得到铁轨打磨砂轮成品。
在上述一种铁轨打磨砂轮的制备方法中，在成型过程中，所述压制温度为50-60℃，压制压力为15-25N/mm2，压制时间为20-30S。压制温度过低或者时间过短，压制不充分，砂轮性能达不到使用要求，同样得到砂轮次品。所以本发明将压制温度、压力和时间限定在上述范围内，硬化后可以得到密度、强度、硬度等性能最佳的铁轨打磨砂轮。
在上述一种铁轨打磨砂轮的制备方法中，在硬化过程中，所述梯度升温是先从室温升至80℃，然后从80℃升至100℃时每升高10℃保温1-2h，从100℃升至120℃时每升高10℃保温2-3h，从120℃升至175-185℃时，每升高10℃保温1-2h。因为在硬化过程中会发生物理和化学变化，当温度升至80℃左右时树脂开始熔融，就会有水分蒸出，硬化反应开始；当温度从100℃升至120℃时，熔融的树脂发生交联，同时会释放出大量氨气、水等气体，从130℃升至最终温度175-185℃时，树脂交联完全直至完全硬化，同时仍然伴随着大量氨气排出，所以在升温过程中就必须安排保温时间以便排出气体，当温度达到最终温175-185℃时，固结成的砂轮硬而韧性好，但保温时间不宜过长，否则将会导致树脂过固化，强度下降。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、本发明铁轨打磨砂轮的磨削体中磨料、酚醛树脂粉和填料的粒径配伍合理，混合更加均匀，制得的砂轮综合性能更好，用本发明砂轮修磨后的铁轨更平顺、精度更好。
2、本发明铁轨打磨砂轮采用有机化蒙脱土进行改性，能改善酚醛树脂的耐热性能，同时，将纳米材料与高聚物混合，能提高聚合物材料的韧性、强度和耐高温等性能，同时弥补普通刚性粒子不能同时增强增韧的缺点。
3、本发明铁轨打磨砂轮制备工艺艺简便、合理、周期短，并合理设置能达到本发明砂轮性能要求的成型和硬化工艺中的条件参数，制得密度、强度、硬度和韧性等综合性能较好的铁轨打磨砂轮。
附图说明
图1是本发明铁轨打磨砂轮的结构示意图。
图中，10、基体；20、磨削体；30、玻璃纤维丝。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例结合附图说明，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
表1：实施例1-5中铁轨打磨砂轮磨削体的组分
Figure GDA0002377446410000051
实施例1
按表1实施例1中铁轨打磨砂轮组成成分及其重量份数称取原料，原料中磨料的粒度控制在30-50目，改性酚醛树脂粉的粒径为200-320目，填料的粒径为200-320目；再将磨料放入改性酚醛树脂液中浸润，然后将改性酚醛树脂粉和填料以及浸润后的磨料均匀混合；将混料得到的原料颗粒通过筛子筛选，粒度为8～12目的颗粒即作为用于成型的成型料；装配好模具，放入铝基体，称取合适重量的成型料，然后将其放入成型模具中摊平，压制成型得到砂轮坯，其中，压制温度为50℃，压制压力为15N/mm2，压制时间为20S；将成型好的砂轮坯在烘箱中烘干，烘箱内的温度自室温梯度先从室温升至80℃，然后从80℃升至100℃时每升高10℃保温1h，从100℃升至120℃时每升高10℃保温2h，从120℃升至175℃时，每升高10℃保温1h，在175℃保温4小时然后自然冷却至50℃出炉，得到铁轨打磨砂轮成品。
实施例2
按表1实施例2中铁轨打磨砂轮组成成分及其重量份数称取原料，原料中磨料的粒度控制在30-50目，改性酚醛树脂粉的粒径为200-320目，填料的粒径为200-320目；再将磨料放入改性酚醛树脂液中浸润，然后将改性酚醛树脂粉和填料以及浸润后的磨料均匀混合；将混料得到的原料颗粒通过筛子筛选，粒度为8～12目的颗粒即作为用于成型的成型料；装配好模具，放入铝基体，称取合适重量的成型料，然后将其放入成型模具中摊平，压制成型得到砂轮坯，其中，压制温度为52℃，压制压力为17N/mm2，压制时间为22S；将成型好的砂轮坯在烘箱中烘干，烘箱内的温度自室温梯度先从室温升至80℃，然后从80℃升至100℃时每升高10℃保温1.2h，从100℃升至120℃时每升高10℃保温2.2h，从120℃升至177℃时，每升高10℃保温1.2h，在177℃保温4.4小时然后自然冷却至52℃出炉，得到铁轨打磨砂轮成品。
实施例3
按表1实施例3中铁轨打磨砂轮组成成分及其重量份数称取原料，原料中磨料的粒度控制在30-50目，改性酚醛树脂粉的粒径为200-320目，填料的粒径为200-320目；再将磨料放入改性酚醛树脂液中浸润，然后将改性酚醛树脂粉和填料以及浸润后的磨料均匀混合；将混料得到的原料颗粒通过筛子筛选，粒度为8～12目的颗粒即作为用于成型的成型料；装配好模具，放入铝基体，称取合适重量的成型料，然后将其放入成型模具中摊平，压制成型得到砂轮坯，其中，压制温度为55℃，压制压力为20N/mm2，压制时间为25S；将成型好的砂轮坯在烘箱中烘干，烘箱内的温度自室温梯度先从室温升至80℃，然后从80℃升至100℃时每升高10℃保温1.5h，从100℃升至120℃时每升高10℃保温2.5h，从120℃升至180℃时，每升高10℃保温1.5h，在180℃保温5小时然后自然冷却至55℃出炉，得到铁轨打磨砂轮成品。
实施例4
按表1实施例4中铁轨打磨砂轮组成成分及其重量份数称取原料，原料中磨料的粒度控制在30-50目，改性酚醛树脂粉的粒径为200-320目，填料的粒径为200-320目；再将磨料放入改性酚醛树脂液中浸润，然后将改性酚醛树脂粉和填料以及浸润后的磨料均匀混合；将混料得到的原料颗粒通过筛子筛选，粒度为8～12目的颗粒即作为用于成型的成型料；装配好模具，放入铝基体，称取合适重量的成型料，然后将其放入成型模具中摊平，压制成型得到砂轮坯，其中，压制温度为58℃，压制压力为22N/mm2，压制时间为28S；将成型好的砂轮坯在烘箱中烘干，烘箱内的温度自室温梯度先从室温升至80℃，然后从80℃升至100℃时每升高10℃保温1.8h，从100℃升至120℃时每升高10℃保温2.8h，从120℃升至183℃时，每升高10℃保温1.7h，在183℃保温5.5小时然后自然冷却至58℃出炉，得到铁轨打磨砂轮成品。
实施例5
按表1实施例5中铁轨打磨砂轮组成成分及其重量份数称取原料，原料中磨料的粒度控制在30-50目，改性酚醛树脂粉的粒径为200-320目，填料的粒径为200-320目；再将磨料放入改性酚醛树脂液中浸润，然后将改性酚醛树脂粉和填料以及浸润后的磨料均匀混合；将混料得到的原料颗粒通过筛子筛选，粒度为8～12目的颗粒即作为用于成型的成型料；装配好模具，放入铝基体，称取合适重量的成型料，然后将其放入成型模具中摊平，压制成型得到砂轮坯，其中，压制温度为60℃，压制压力为25N/mm2，压制时间为30S；将成型好的砂轮坯在烘箱中烘干，烘箱内的温度自室温梯度先从室温升至80℃，然后从80℃升至100℃时每升高10℃保温2h，从100℃升至120℃时每升高10℃保温3h，从120℃升至185℃时，每升高10℃保温2h，在185℃保温6小时然后自然冷却至60℃出炉，得到铁轨打磨砂轮成品。
对比例1
与实施例1的区别仅在于，该对比例铁轨打磨砂轮采用普通砂轮，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例2
与实施例1的区别仅在于，该对比例铁轨打磨砂轮中不含有玻璃纤维丝，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例3
与实施例1的区别仅在于，该对比例铁轨打磨砂轮磨削体不采用本发明磨削体，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
对比例4
与实施例1的区别仅在于，该对比例铁轨打磨砂轮填料为普通填料，其他与实施例1相同，此处不再赘述。
分别将上述实施例1-5及对比例1-3制得的铁轨打磨砂轮进行性能测试，测试结果如表2所示。
表2：实施例1-5及对比例1-3制得的铁轨打磨砂轮性能测试结果
Figure GDA0002377446410000081
从实施例与对比例的结果可看出，本发明铁轨打磨砂轮采用有机化蒙脱土进行改性，能改善酚醛树脂的耐热性能，同时，将纳米材料与高聚物混合，能提高聚合物材料的韧性、强度和耐高温等性能，同时弥补普通刚性粒子不能同时增强增韧的缺点。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (4)

1.一种铁轨打磨砂轮，其特征在于，所述铁轨打磨砂轮包括基体和磨削体，在基体中部开设有通孔且在基体一端面上具有若干均匀环绕于通孔周边的安装柱，在基体另一端具有若干均匀环绕于通孔周边的连接柱，基体通过连接柱与磨削体固连，在磨削体外侧壁上缠绕有玻璃纤维丝，所述玻璃纤维丝为无碱玻璃纤维丝，直径为5-10μm，所述无碱玻璃纤维丝的成分及其重量份数为：二氧化硅：50-60份、氧化铝：10-20份、氧化钙：15-20份、氧化硼：5-10份、氧化镁：2-5份、稀土氧化物：2-5份，所述磨削体由以下重量份数的成分组成：半脆刚玉：58份，单晶刚玉：14份，碳化硅：8份，白刚玉：25份，改性酚醛树脂液：7份，改性酚醛树脂粉：13份，短碳纤维：6份，纳米SiO2：8份，石墨：16份；所述改性酚醛树脂粉的制备方法为：将酚醛树脂和质量为酚醛树脂10％的有机化蒙脱土放入球磨罐中，球磨自转速率为1400-1500r/min，球磨时间为5-6h。
2.根据权利要求1所述的一种铁轨打磨砂轮，其特征在于，所述有机化蒙脱土经过硅烷偶联剂预处理，所述硅烷偶联剂为KH-560。
3.根据权利要求1所述的一种铁轨打磨砂轮，其特征在于，所述改性酚醛树脂粉的粒径为200-320目。
4.一种如权利要求1所述的铁轨打磨砂轮的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
混配料：先将半脆刚玉、单晶刚玉、碳化硅和白刚玉放入改性酚醛树脂液中浸润，然后将改性酚醛树脂粉和纳米SiO2、短碳纤维、石墨以及浸润后的半脆刚玉、单晶刚玉、碳化硅和白刚玉均匀混合；
过筛：将混料得到的原料颗粒通过筛子筛选，粒度为8～12目的颗粒即作为用于成型的成型料；
成型：装配好模具，放入铝基体，称取合适重量的成型料，然后将其放入成型模具中摊平，压制成型得到砂轮坯；
硬化：将成型好的砂轮坯在烘箱中烘干，烘箱内的温度自室温梯度升温至175-185℃后保温4-6小时然后自然冷却至50-60℃出炉，得到铁轨打磨砂轮成品。
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