酚醛树脂影响金刚石砂轮磨削性能试验研究

师超钰，朱建辉，钱灌文，赵延军

（郑州磨料磨具磨削研究所有限公司，河南 郑州 450000）

1 引言

在金刚石磨具制品中，树脂结合剂磨具约占（60～70）%[1]，因其具有自锐性好、磨削锋利、磨削中产生的磨削热少、磨削加工表面质量好等优点，被广泛应用于硬质合金、玻璃、陶瓷、半导体、耐火材料等的磨削、抛光或切割。

在树脂结合剂磨具中，树脂结合剂性能是影响磨具力学性能和磨削性能的关键因素，应选用耐高温、粘接性好、工艺性好的树脂[2-3]。酚醛树脂及其改性品种具有优异的机械性能、耐热性能、耐磨性能、尺寸稳定性、成型加工性等，在树脂结合剂磨具中，其用量约占80%[4]。

酚醛树脂作为树脂结合剂砂轮最重要的原材料之一，其机械性能、耐热性直接影响砂轮的自锐能力、对磨粒的把持能力以及使用寿命，甚至影响磨削性能与加工工件表面质量[5]。目前国内金刚石砂轮用酚醛树脂及其改性种类较多，性能不确定性较大[6]，关于酚醛树脂金刚石砂轮磨削性能的研究，多偏重于磨具机械性能测试和单一条件下的磨削效果分析。选用三种不同类型酚醛树脂制作样条和金刚石砂轮，测试样条机械性能，在不同磨削条件下开展磨削试验，并开发出磨削功率量化分析方法、磨削比精密检测方法，对比分析砂轮综合磨削性能差异，探究酚醛树脂性能对金刚石树脂砂轮磨削性能影响规律。

2 试验条件与方法

2.1 试验条件

选用三种不同的酚醛树脂，在相同的配方和混料工艺下分别制作样条和金刚石砂轮，测试样条机械性能，并利用金刚石砂轮对硬质合金工件开展平面磨削试验。

试验用砂轮尺寸 3A1-（250×30×75×5×20）mm，粒度 140/170；工件材料是常用材料YG8，工件尺寸（150×100×30）mm。砂轮、样条编号和试验仪器设备分别，如表1、表2所示。

表1 砂轮、样条编号Tab.1 Number of Wheel and Spline

表2 .试验仪器设备Tab.2 Experiment Equipments

2.2 试验方法

对三片砂轮开展磨削试验，每片砂轮以0.01mm/行程和0.02 mm/行程的进刀量分别进行两轮磨削试验，其它各磨削参数相同，如表3所示。磨削试验平台示意图，如图1所示。利用激光位移传感器实现砂轮径跳非接触式检测，利用功率仪全程监测磨削功率，采用激光位移传感器实现磨削后砂轮磨料层损耗厚度的精密测量，采用千分尺测量工件去除厚度，采用粗糙度仪测试工件磨削表面质量，采用超景深显微镜定点跟踪磨削前后砂轮表面微观形貌变化，如图2所示。

表3 磨削工艺参数Tab.3 Grinding Process Parameters

图1 磨削试验平台示意图Fig.1 Grinding ExperimentPlatform

图2 砂轮磨料层损耗厚度测量Fig.2 Loss Thicknessof Abrasive Section Test

3 试验结果与分析

3.1 样条机械性能

树脂结合剂强度直接影响树脂砂轮的耐磨性、自锐性、型面保持性等[7]。三种树脂机械性能对比，如图3所示。S2样条的抗冲击强度比S1高出12%，比S3高出20%，说明增韧树脂韧性好，B2砂轮耐磨性、型面保持性好，而耐热性树脂和未改性树脂韧性差，B1和B3砂轮在磨削时树脂结合剂容易脱落损耗而露出新的磨粒；S3样条的抗拉强度比S1高出24%，抗折强度比S2高出27%，说明未改性树脂的粘结性能好，可以较好包覆磨粒，但其在磨削中结合剂易损耗而加速磨粒脱落，因此B3砂轮的磨粒把持能力可能优于B1砂轮，而不及B2砂轮。

图3 样条机械性能试验测试结果Fig.3 Data of Spline Mechanical Property

3.2 砂轮磨削功率

平面磨削中，针对全程监测的功率数据进行有效化处理后分析。每磨削行程取最大功率值，可代表磨削过程中磨削功率的整体变化趋势及稳定程度，反映主磨削力变化规律[8]。功率上升斜率反映砂轮钝化速度，功率相对这种上升趋势的离散程度反映磨削功率和状态的稳定性。对试验中最大功率值数据均分两段进行直线拟合，两直线斜率之和作为评价砂轮钝化速度参数，两直线拟合残差均方根作为评价磨削功率稳定性参数，参数对比，如图4、图5所示。从磨削功率变化趋势及其拟合斜率、残差均方根对比中看出：（1）B1砂轮磨削功率上升斜率最大，钝化速度最快。由于耐热性树脂对磨粒的把持能力不强，磨削时磨粒易脱落，因而砂轮钝化更快；大进刀时砂轮表面摩擦磨损加剧，钝化更快，功率上升更快。（2）B2砂轮磨削功率上升斜率小于B1砂轮，且0.02mm/行程进刀时的斜率小于0.01mm/行程时，磨削功率波动小。这是因为增韧树脂磨粒把持力强，砂轮钝化速度慢，且其韧性好，磨削状态更稳定；大进刀时产生更多磨削热使树脂结合剂体系强度和韧性有所降低，砂轮自锐作用增强，从而减缓磨削功率上升趋势。（3）B3砂轮在0.01mm/行程进刀时功率上升斜率最小，但在0.02mm/行程进刀时功率上升斜率明显增大，且磨削功率波动较大。由于未改性树脂抗拉、抗折强度高，对磨粒有较强的包覆能力，且其磨削时自锐效果好，有效磨粒数多，因而单刀进0.01mm磨削时，磨削功率上升斜率小；未改性树脂耐热性差，单刀进0.02mm磨削时，磨削热增多，树脂老化严重甚至烧蚀，以致结合剂体系性能恶化，树脂和金刚石脱落严重，砂轮钝化加快；未改性树脂抗冲击强度过低，造成砂轮磨削时表面结合剂出现损耗不均匀的现象，磨削功率容易波动。

图4 磨削功率拟合结果Fig.4 Fitting Data of Grinding Power

图5 磨削功率参数测试与处理结果Fig.5 Processing Data of Grinding Power Parameters

3.3 砂轮磨削比

试验中用的磨削比为体积比值，由砂轮磨料层损耗厚度和工件去除厚度计算出磨削比，砂轮磨削比测试结果，如图6所示。在不同的磨削条件下砂轮磨削比存在较大差异。0.01mm/行程进刀时：（1）B2砂轮磨削比比B1高出46%，比B3高出33%，这是因为增韧树脂抗冲击强度高，磨削时表现出较好的耐磨性。（2）B3砂轮磨削比比B1高出9%，这是因为未改性树脂的抗折、抗拉强度大于耐热性树脂，磨粒把持力更强，且磨削时B3砂轮的磨削功率和主磨削力更小，磨削中B1砂轮的损耗更严重。0.02mm/行程进刀时：（1）相较0.01mm/行程时，B2砂轮磨削比减小37%，B3砂轮减小21%，这是由于进刀量大时，一方面磨削过程中的摩擦磨损加剧，另一方面产生较多磨削热，致使耐热性差的树脂老化降解，强度、韧性降低，金刚石连同周围树脂一同脱落[9]，从而加快了砂轮损耗。（2）B1砂轮磨削比比B2高出32%，比B3高出38%，这是因为耐热性树脂耐热性好，不存在树脂降解以致损耗增加的问题，磨削状态稳定。

图6 砂轮磨削比测试结果Fig.6 Test Data of Grinding Ratio

3.4 磨削表面粗糙度和波纹度

磨削试验后，工件表面均无烧伤、振纹等现象，测量其粗糙度（Ra）和波纹度（Wa）结果，如表4所示。三片砂轮在同一磨削条件下磨削表面的粗糙度和波纹度差别并不大，但存在以下规律：单次进刀量小时磨削表面质量更好；磨削功率不稳定有可能引起磨削表面波纹度增大。B3砂轮在0.02mm/行程磨削时，磨削表面粗糙度较小，但波纹度较大，可能是磨削时砂轮性能恶化，砂轮挤压工件导致。

表4 磨削表面Ra和WaTab.4 Ra and Wa of Grinding Surface

3.5 砂轮表面形貌

磨削试验前后，对砂轮外圆表面形貌进行定位跟踪对比。B1砂轮0.01mm/行程磨削过程中跟踪照片，如图7所示。可以看出树脂金刚石砂轮在磨削中的磨粒形态有脱落图中（a）、磨耗图中（b）、破碎图中（c）、断裂图中（d）等；磨粒的脱落不是结合剂桥断裂，而是磨粒与结合剂界面的脱离；同时有较多磨削前被树脂包裹的磨粒因树脂磨除而露出。虽然树脂砂轮存在自锐性，但露刃较高磨粒的磨耗和脱落，使砂轮表面磨粒露刃高度总体减小[10]，导致砂轮钝化。三片砂轮在0.01mm/行程磨削后砂轮表面照片，如图8所示。磨削试验后，B1砂轮的磨粒脱落更严重，B3砂轮新露出的磨粒更多。这是因为耐热性树脂磨粒把持力不强，且B1砂轮磨削功率较大；未改性树脂韧性不强，磨削时包裹磨粒的树脂更易磨除而露出新的磨粒。三片砂轮在0.02mm/行程磨削后砂轮表面照片，如图9所示。由于增韧树脂和未改性树脂耐热性差，B3砂轮表面树脂发生了明显的烧蚀，大量磨粒脱落，B2砂轮表面磨粒脱落情况也较0.01mm/行程磨削时严重；而耐热性好的B1砂轮表面状态与0.01mm/行程时基本一致。

图7 磨削过程中砂轮表面形貌对比Fig.7 Surface Topography of Wheel in Grinding Process

图8 0.01mm/行程磨削后砂轮表面形貌Fig.8 Surface Topography of Wheel in 0.01mm Grinding

图9 0.02mm/行程磨削后砂轮表面形貌Fig.9 Surface Topography of Wheel in 0.02mm Grinding

4 结论

（1）树脂的机械强度直接影响砂轮磨削性能：树脂抗拉强度和抗折强度高，则树脂粘接性好，对磨粒的包覆能力强；树脂抗冲击强度高，则树脂韧性好，砂轮型面保持性好，磨削状态稳定，磨削表面质量高，磨削比大，但抗冲击强度过高则砂轮自锐性差，钝化快，降低磨削效率。（2）增韧树脂韧性好，在冷却条件好的湿磨、进刀量小的精磨等条件下具有较好的耐磨性和稳定性，磨削比比非增韧树脂高出约40%，功率稳定程度高出约35%；耐热性树脂耐热性好，在磨削热多的干磨、进刀量大的粗磨等条件下仍具有较高的强度，磨削比比非耐热树脂高出约35%。（3）相同配方、相同修整磨削工艺下，仅树脂原材料不同的砂轮，其磨削性能不同；同一砂轮在不同的磨削工艺下，其磨削性能也表现出较大差异。应根据加工环境和磨削工艺要求选择适合的树脂制作砂轮，物尽其用。

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