CN111482906B

CN111482906B - 一种短切碳纤维增强树脂结合剂超硬磨料砂轮及其制备方法

Info

Publication number: CN111482906B
Application number: CN202010394537.6A
Authority: CN
Inventors: 张雷; 王凯平
Original assignee: Jiangsu Saiyang Precision Tools Technology Co ltd
Current assignee: Jiangsu Saiyang Precision Tools Technology Co ltd
Priority date: 2020-05-11
Filing date: 2020-05-11
Publication date: 2021-08-20
Anticipated expiration: 2040-05-11
Also published as: CN111482906A

Abstract

本发明公开了一种短切碳纤维增强树脂结合剂超硬磨料砂轮及其制备方法，基体采用短切碳纤维增强的铝粉基体压制而成，磨削层采用短切碳纤维增强的树脂结合剂与磨料压制而成；砂轮的树脂结合剂采用高温树脂和低温树脂混合的方式；超硬磨料采用镀覆金刚石和立方氮化硼混合的方式。本发明公布的超硬磨料砂轮，与常规砂轮相比，极限线速度较高，砂轮的转速得到提高，从而提高了生产效率；同时可以增强砂轮的形状保持性，使砂轮能够承受更高的应力，增加了树脂砂轮应用的范围；所述的砂轮工作温度更高，避免了砂轮的烧伤，延长了砂轮的使用寿命；所述的砂轮加工工艺更加简单，同时砂轮能够加工不同材质的焊接料，更适合工业化生产的需求。

Description

一种短切碳纤维增强树脂结合剂超硬磨料砂轮及其制备方法

技术领域

本发明属于超硬磨料砂轮领域，具体涉及一种短切碳纤维增强的树脂结合剂超硬磨料砂轮及其制备方法。

背景技术

超硬磨料砂轮是磨削行业中的一大类，其磨削层主要由超硬磨料和结合剂组成。树脂结合剂砂轮是指结合剂使用树脂基制备得到的砂轮，其具有一定的弹性，制作简便，自锐性好，工艺周期短等优点，被广泛用于硬质合金、陶瓷、玻璃等硬脆性材料的磨削加工中。

树脂结合剂主要由树脂和各种填料组成，其强度主要依赖于树脂的粘结强度，致使树脂结合剂砂轮能够承受的应力较小，当施加在砂轮中的应力较大时，树脂结合剂砂轮很容易损坏，从而限制了树脂结合剂砂轮的应用。

树脂结合剂砂轮的基体多采用铝基体和钢基体，近年来，随着树脂结合剂砂轮应用的推广，出现了铝粉基体砂轮。但是，目前使用的铝粉基体由于其强度较低，当砂轮的转速较高时，砂轮的形状保持性变差，容易变形，进而影响砂轮的磨削性能，从而限制了铝粉基体砂轮的应用范围。

传统工艺中，超硬金刚石砂轮主要用于加工钨钢、铝、铜等非铁族金属材料，而立方氮化硼砂轮广泛用于加工不锈钢、合金钢、工具钢等铁族金属材料，磨料本身的性能直接影响了其使用范围。但是现在很多的材料都是两种不同材质的金属焊接在一起的材料，如果分别使用金刚石和立方氮化硼为磨料的砂轮进行加工，必然会影响其加工效率。

树脂结合剂砂轮中的树脂粉可以分为低温树脂粉和高温树脂粉，低温树脂粉主要采用酚醛树脂，制备得到的砂轮耐温性能较差。当加工过程产热较多时，很容易将砂轮烧伤，影响砂轮的使用寿命。

所以，亟需开发一种新颖的树脂结合剂砂轮来克服上述技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种短切碳纤维增强的树脂结合剂超硬磨料砂轮，在保持砂轮磨削性能的条件下，增加超硬磨料砂轮基体和磨削层的强度，同时避免砂轮烧伤，增加树脂砂轮的使用寿命，另外可以同时加工不同材质的焊接料。

本发明的具体技术方案如下：

一种短切碳纤维增强树脂结合剂超硬磨料砂轮，包括基体和磨削层，所述基体由短切碳纤维增强的铝粉压制而成；所述磨削层由超硬磨料和短切碳纤维增强的树脂结合剂压制而成。

优选的，按重量百分数，所述短切碳纤维增强的铝粉的组成如下：

铝粉余量

三氧化二铁 15~35%

氧化钙 10~25%

短切碳纤维 5~10%。

以短切碳纤维增强的铝粉的重量为100%。

优选的，所述短切碳纤维的直径为7.5μm，长度为1~15mm，既可以满足与铝粉中的其他填料混合均匀，又可以充分保证短切碳纤维增强铝粉基体的强度性能，增加砂轮磨削过程中的转速，进一步增加砂轮的磨削性能。

优选的，超硬磨料与短切碳纤维增强的树脂结合剂的重量比为1∶（0.9~1.5）。

优选的，所述超硬磨料由以下重量百分数的原料混合得到：

镀覆金刚石余量

镀覆立方氮化硼 40~60%，优选45~50%。

以超硬磨料的重量为100%。

优选的，按重量百分数，所述树脂结合剂的组成如下：

树脂粉余量

铜粉 10~25%

成孔剂 1~15%

碳粉 2~10%

短切碳纤维 1~10%。

以树脂结合剂的重量为100%。

优选的，所述短切碳纤维的直径为7.5μm，长度为1~10mm，既可以满足与结合剂中的其他填料混合均匀，又可以充分保证短切碳纤维增强磨削层的韧性与强度。

优选的，按重量百分数，所述树脂粉的组成如下：

高温树脂粉余量

低温树脂粉 50~95%

以树脂粉的重量为 100%。

本发明中，所述镀镍金刚石的粒径为60-80μm，镀镍立方氮化硼的粒径为60-80μm；高温树脂粉为聚酰亚胺树脂粉，其平均粒径为48μm；低温树脂粉为酚醛树脂粉，其平均粒径为52μm。

本发明还公开了上述短切碳纤维增强树脂结合剂超硬磨料砂轮的制备方法，包括以下步骤：

（1）将铝粉、三氧化二铁、氧化钙、短切碳纤维混合后球磨，得到短切碳纤维增强的铝粉；

（2）将树脂粉、铜粉、成孔剂、碳粉、短切碳纤维混合后过筛，取筛下物为树脂结合剂；再将树脂结合剂与超硬磨料混合后过筛，取筛下物为磨削层粉料；

（3）在模具中加入短切碳纤维增强的铝粉，冷压得到基体；然后再加入磨削层粉料热压、硬化，得到短切碳纤维增强树脂结合剂超硬磨料砂轮。

本发明中，球磨的时间为1～2小时，充分混合后得到短切碳纤维加铝粉的混合粉；将镀覆金刚石和镀覆立方氮化硼充分混合得到超硬磨料；将酚醛树脂粉和聚酰亚胺树脂粉充分混合得到树脂粉。

本发明中，冷压的时间为30秒，压力为200MPa，得到铝粉基体；根据实际加工位置，将磨削层粉料加入到模具中铝粉基体上方，刮平，用液压机在120～150MPa压力下，热压成型，热压温度170～190℃，时间为30～90min，出模得到砂轮预成体；硬化的工艺为：温度为170～190℃，时间为9～12h，硬化完成后，自然冷却到室温，得到短切碳纤维增强树脂结合剂超硬磨料砂轮。

本发明公开了上述短切碳纤维增强树脂结合剂超硬磨料砂轮在制备磨削装置中的应用，或者在加工合金中的应用。

由于上述方案的应用，本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明首次公开了一种由短切碳纤维增强的树脂结合剂超硬磨料砂轮，砂轮的基体采用短切碳纤维增强的铝粉基体，即保持了铝粉基体的良好的性能，同时增加了铝粉基体的稳定性，从而增加砂轮的形状保持性，使砂轮满足较高转速的要求，相比于常规的砂轮，此砂轮的线速度极限较高，可以增加树脂结合剂砂轮应用的范围。

2、本发明所公布的树脂结合剂中加入了短切碳纤维增强磨削层，既可以保持磨削层的磨削性能，又可以增加磨削层的强度，增加了树脂结合剂砂轮的强度，使砂轮能够承受较高的应力，避免砂轮在磨削过程中因应力过大而损坏。

3、本发明所公布的树脂粉采用低温树脂和高温树脂共混的方式，在热压成型的过程中，此时两种树脂能够形成共混结构，从而可以增加砂轮的耐热性能，避免加工过程中因产热过多导致砂轮烧伤，影响砂轮的寿命；热压成型过程中，采用低温成型，在不影响砂轮成型的前提下，节省了能源。

4、本发明所公布的超硬磨料采用镀覆金刚石和镀覆立方氮化硼混合的方式，树脂砂轮的制备工艺简单，生产成本降低；并且此砂轮可以用来加工两种不同材质的焊接料，更加适合工业化生产。

附图说明

图1为实施例中制备短切碳纤维增强的树脂结合剂超硬磨料砂轮铝粉基体的照片；

图2为实施例中制备短切碳纤维增强的树脂结合剂超硬磨料砂轮的照片；

图3为实施例中砂轮加工件的结构示意图。

具体实施方式

本发明公开的短切碳纤维增强树脂结合剂超硬磨料砂轮的制备方法为，将铝粉、三氧化二铁、氧化钙、短切碳纤维混合后球磨，得到短切碳纤维增强的铝粉；将树脂粉、铜粉、成孔剂、碳粉、短切碳纤维混合后过筛，取筛下物为树脂结合剂；再将树脂结合剂与超硬磨料混合后过筛，取筛下物为磨削层粉料；在模具中加入短切碳纤维增强的铝粉，冷压得到基体；然后再加入磨削层粉料热压、硬化，得到短切碳纤维增强树脂结合剂超硬磨料砂轮。

本发明所有原料都为市购用于砂轮制备的常规物质；所涉及的测试方法为砂轮领域常规测试方法。下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一

一种短切碳纤维增强树脂结合剂超硬磨料砂轮，制备方法为铝粉基体混料、磨削层混料、铝粉基体装模压制、磨削层装模压制、热压烧结、二次硬化。

（1）铝粉基体混料：

其中铝粉尺寸为320目；短切碳纤维的碳含量为96%；拉伸强度为3600MPa；拉伸模量为320GPa；密度为1.755 g/cm³；直径为7.5μm；长度范围：1~10mm的短切碳纤维。

按照上述比例将铝粉、三氧化二铁粉、氧化钙粉及短切碳纤维称量好，装在三维混料机中，混合1.5h，后球磨1.5h，得到铝粉料。

（2）磨削层混料：

首先按照重量百分数，酚醛树脂80%，聚酰亚胺树脂20%，将两种树脂粉混合，得到混合树脂粉，其中聚酰亚胺树脂粉的平均粒径为48μm，酚醛树脂粉的平均粒径为52μm。

然后按照重量百分数，镀镍金刚石50%，镀镍立方氮化硼50%，将两种超硬磨料混合，得到混合磨料，其中金刚石的粒径平均为70μm，立方氮化硼的粒径平均为70μm。

短切碳纤维增强的树脂结合剂配方：

其中短切碳纤维的碳含量为96%，拉伸强度为3600MPa，拉伸模量为320GPa，密度为1.755 g/cm³，直径为7.5μm，长度：1~10mm；成孔剂为高分子微球，粒径20μm，内含液状碳氢化合物膨胀剂，受热后膨胀为核壳结构。

按照上表比例将混合树脂粉、铜粉、成孔剂、碳粉及短切碳纤维称量好，装在三维混料机中，混合1.5h，得到树脂结合剂；

最后将混合磨料与树脂结合剂按3∶4的重量比例进行混合，过筛得到磨削层粉料，其中筛网目数为100目。

（3）铝粉基体装模压制：

将混合好的铝粉料加入到现有模具中，刮平，在200MPa压力下冷压，时间30秒，得到铝粉基体。

（4）磨削层装模压制：

将混合好的磨削层粉料加入到步骤（3）的模具中，铝粉基体上层，刮平；然后用热压机在140MPa压力下，热压成型，热压温度180℃，保温时间60min；出模得到砂轮预成体。

（6）二次硬化：

将压制好的砂轮预成体放在烘箱中，进行后续硬化。硬化工艺为：温度为180℃，保温时间10h。硬化完成后，自然冷却到室温，取出砂轮成型体。

将砂轮成型体按照图纸的要求，在车床和磨床上加工到规定尺寸和形状。所得铝粉基体的结构参见附图1；所得短切碳纤维增强的树脂结合剂超硬磨料砂轮的结构参见附图2。

实施例二

（1）铝粉基体混料：

其中短切碳纤维的碳含量为96%；拉伸强度为3600MPa；拉伸模量为320GPa；密度为1.755 g/cm³；直径为7.5μm；长度范围：1~15mm的短切碳纤维。

按照上述比例将铝粉、三氧化二铁、氧化钙及短切碳纤维称量好，先手工预混，然后装在三维混料机中，混合1.5h，使其充分混合均匀后球磨1.5h，得到铝粉料。

（2）磨削层混料：

首先按照重量百分数，酚醛树脂75%，聚酰亚胺树脂25%，将两种树脂粉混合，得到混合树脂粉，其中聚酰亚胺树脂粉的平均粒径为48μm，酚醛树脂粉的平均粒径为52μm。

然后按照重量百分数，镀镍金刚石65%，镀镍立方氮化硼45%，将两种超硬磨料混合，得到混合磨料，其中金刚石的平均粒径为70μm，立方氮化硼的平均粒径为70μm。

其中短切碳纤维的碳含量为96%，拉伸强度为3600MPa，拉伸模量为320GPa，密度为1.755 g/cm³，直径为7.5μm，长度：1-10mm；成孔剂为高分子微球，粒径20μm，内含液状碳氢化合物膨胀剂，受热后膨胀为核壳结构。

按照上表比例将混合树脂粉、铜粉、成孔剂、碳粉及短切碳纤维称量好，先手工混合，再装在混料机中，混合1.5h，使其充分混合均匀，得到树脂结合剂；

最后将混合磨料与树脂结合剂按1:1的重量比例进行混合，过筛得到磨削层料，其中筛网目数为100目。

（3）铝粉基体装模压制：

（4）磨削层装模压制：

将混合好的磨削层粉料加入到步骤（3）的模具中，铝粉基体上层，刮平；然后用热压机在140MPa压力下，热压成型，热压温度190℃，保温时间70min；出模得到砂轮预成体。

（6）二次硬化：

将压制好的砂轮预成体放在烘箱中，进行后续硬化。硬化工艺为：温度为185℃，保温时间10h。硬化完成后，自然冷却到室温，取出砂轮成型体。

将砂轮成型体按照图纸的要求，在车床和磨床上加工到规定尺寸和形状。

实施例三

加工性能测试：

表1为本发明的短切碳纤维增强树脂结合剂砂轮与现有砂轮加工同样的焊接料工件的性能参数比较，其中短切碳纤维增强树脂结合剂砂轮1为实施案例一中的砂轮，图3为加工示意图。砂轮的形状保持性越好，砂轮的极限转速越快，加工同一种焊接料时，砂轮的转速越快，加工效率越高；砂轮的修整间隔延长，修整频率降低，砂轮的加工效率同样得到提升；砂轮能够承受的热量越高，砂轮更不容易被烧伤，加工同一种焊接料，当加工工件的数量一定时，砂轮表面烧伤感越低，砂轮能够承受的热量越高。

表1 本发明的短切碳纤维增强树脂结合剂砂轮与现有砂轮加工焊接料工件的性能参数

对比例

在实施例一的基础上，将碳纤维更换为长度为500-800nm、直径200nm的碳纤维，其余不变，得到碳纤维增强树脂结合剂砂轮，进行实施例三同样的加工测试，发现砂轮极限转速6300rpm，砂轮修整间隔1600支/修。

在实施例一的基础上，将三氧化二铁粉更换氧化锌粉，其余不变，得到碳纤维增强树脂结合剂砂轮，进行实施例三同样的加工测试，发现砂轮极限转速6800rpm，砂轮修整间隔1900支/修。

在实施例一的基础上，将酚醛树脂、聚酰亚胺树脂的用量互换，其余不变，得到碳纤维增强树脂结合剂砂轮，进行实施例三同样的加工测试，发现砂轮极限转速6500rpm，砂轮寿命6天。

本发明公布的超硬磨料砂轮，与常规砂轮相比，极限线速度较高，砂轮的转速得到提高，从而提高了生产效率；同时可以增强砂轮的形状保持性，使砂轮能够承受更高的应力，增加了树脂砂轮应用的范围；所述的砂轮工作温度更高，避免了砂轮的烧伤，延长了砂轮的使用寿命；所述的砂轮加工工艺更加简单，同时砂轮能够加工不同材质的焊接料，更适合工业化生产的需求。

Claims

1.一种短切碳纤维增强树脂结合剂超硬磨料砂轮，包括基体和磨削层，所述基体由短切碳纤维增强的铝粉压制而成；所述磨削层由超硬磨料和短切碳纤维增强的树脂结合剂压制而成；基体中，短切碳纤维的直径为7.5μm，长度为1~15mm；磨削层中，短切碳纤维的直径为7.5μm，长度为1~10mm；按重量百分数，所述短切碳纤维增强的铝粉的组成如下：

铝粉余量

三氧化二铁 15~35%

氧化钙 10~25%

短切碳纤维 5~10%

所述超硬磨料由以下重量百分数的原料混合得到：

镀覆金刚石余量

镀覆立方氮化硼 40~60%；

按重量百分数，所述短切碳纤维增强的树脂结合剂的组成如下：

树脂粉余量

铜粉 10~25%

成孔剂 1~15%

碳粉 2~10%

短切碳纤维 1~10%

按重量百分数，所述树脂粉的组成如下：

高温树脂粉余量

低温树脂粉 50~95%

所述高温树脂粉为聚酰亚胺树脂粉；低温树脂粉为酚醛树脂粉。

2.权利要求1所述短切碳纤维增强树脂结合剂超硬磨料砂轮在制备磨削装置中的应用。

3.权利要求1所述短切碳纤维增强树脂结合剂超硬磨料砂轮在加工合金中的应用。