树脂结合剂金刚石磨具的散热问题

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磨削加工是极为重要的一种机械加工方式，其加工量约占机加工总量的30%以上。现代加工对加工件的表面质量提出很高要求，这包括加工件的高精度、低表面粗糙度值，低残余应力以及低的硬化层等。这催化了超硬磨料磨具和CNC数控磨床的推广，加快了高速、高效、高精度磨削工艺的发展。
超硬材料(金刚石、立方氮化硼等)磨具是性能极其优异的先进工具。依照不同磨削要求，它们分为不同的结合剂类型，主要是树脂、金属、陶瓷和电镀四种。在这些各异的金刚石磨具中，以各种树脂作为结合剂的金刚石磨具占据了绝大比例。表1显示出了这种比例关系。
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2 W( ?: q1 b, v1 z部分国家或国家集团中不同结合剂金刚石磨具的比例（%）树脂金刚石磨具独具特色
8 n, T, U4 I1 h2 U4 j! H3 Q1.优势明显
截至2009年，我国在国内外巿场上有一定影响的树脂金刚石磨具生产企业已有300家左右。目前，国内外用於磨具(含普通磨具和超硬材料磨具)结合剂的树脂或改性树脂种类有数十种之多，如：酚醛树脂、三聚氰胺树脂、聚醯亚胺树脂、环氧树脂、糠醛树脂、新酚树脂、脲醛树脂、聚乙烯醇缩醛树脂、聚脂树脂、聚碸树脂、硼酚醛树脂等。而其中用量最多、应用范围最广的则属酚醛树脂。
相比生产金属结合剂或陶瓷结合剂的金刚石磨具，树脂结合剂磨具生产具有以下明显优点：1）原材料价廉易得；2）起步投资不高；3）操作不繁复，生产周期较短；4）生产过程能耗较低。
6 t$ Q2 a2 O# V0 q树脂结合剂金刚石磨具既可用於要求磨削效率高、表面粗糙度低的加工场合，也能用於要求较低的加工场合，即在半精磨、精磨和抛光磨削领域都能找到其用武之地。金刚石粒度与加工表面粗糙度的对应关系参见下表。
金刚石硬度与加工表面粗糙度的关系
树脂结合剂金刚石磨具的加工材质对象非常广泛，全球80%以上的硬质合金工件需要利用它来加工。而且，半导体材料、新能源晶体材料、铁氧体材料、建筑陶瓷材料、工程陶瓷材料、功能陶瓷材料、玻璃材料、耐火材料、电碳材料、有色金属材料，高淬硬金属材料，以及天然与人造石材等，均可用树脂结合剂金刚石磨具进行加工。
: }4 P3 m! o, }4 E. a: _如采用含B金刚石或经表面改性处理的金刚石作为磨粒，树脂结合剂金刚石磨具还能够对黑色金属、耐热合金等进行加工。正因为其性能优异、广谱适用，传统SiC、Al2O3系列磨具的应用领域才逐渐被其侵蚀、取代、超越。
2.过高温度应用场合的局限
4 Y/ v  c' }, Y1 p1 @9 J不过，事物总有其两面性，作为有机材料的树脂，其性能也具有明显的不足：难以在过高温度条件下使用。以最常用的酚醛树脂为例，其安全工作温度低於120℃，温度高於236℃即开始分解，高於300℃则会碳化。即便采用耐热性能较好的聚醯亚胺作结合剂，也只能在260℃以下方可正常工作。
1 g( A' C2 t+ m$ A" D通常，磨削时磨削能为20-60J/mm3，磨削能在工件表层产生的温度可用下式表达：
式中：C—热容；VW—工件速度；ap—磨深；f—进给量；Vs—砂轮速度
磨削测试表明，即使采用0.02mm的磨削进给量，在磨具前端与加工工件的接触点也会产生400℃以上的高温，干磨条件下该区域的局部温度甚至可能高达上千度。
9 P3 q! f3 H$ Z这足以造成酚醛树脂的分解、碳化，导致树脂结合剂金刚石磨具出现龟裂、崩落、丧失对金刚石磨粒的把持作用，使金刚石磨粒过早脱落。这种比例可达到金刚石颗粒总量的40%以上，严重影响磨具使用寿命。
4 y9 G, M" ]$ J6 Q( d8 i0 w再者，磨削产生的高温还会烧蚀被磨工件表面，产生微细裂纹。在工件使用过程中，由於应力集中，很可能在裂纹处产生断裂，直接影响加工质量及工件寿命，存在危及人员、设备的安全隐患。第三，磨削产生的高温还可能引起工件表层局部金相组织的改变。以淬火钢为例，温度高於650℃时，其金相组织将由马氏体向奥氏体转变，事实上影响了工件的使用性能。现代磨削惯常用的高速度、大磨削用量、重负荷磨削工艺，对於传统树脂结合剂金刚石磨具而言就更加难以胜任。
3.如何有效克服耐热性的局限
长期以来，对於如何才能提高树脂结合剂金刚石磨具的耐热性，使其能在较高的温度条件下正常工作，扬长避短，一直是令业界困扰的问题。
不少人尝试从提高树脂本身的耐热性能入手，试图通过新型树脂的合成或对树脂改性的研究方面寻求突破，也取得了一定进展。但作为有机材料家族成员的树脂本身，其理化性能决定它的耐热度提升空间很有限。我们只需看看聚苯硫醚(PPS)的耐热温度上限为400℃、聚苯亚噻唑也只能耐受500℃的事实就明白了。还有一些人在树脂结合剂的金属粉料配方组元中做文章，希望通过增加导热性能好的Cu粉之类的金属成分比例，达到迅速将磨削热由“金属桥”外传的效果。姑且不论这种“桥”的有效性如何，金属粉料的增加不仅会使配方成本明显增加，还会改变树脂结合剂金刚石磨具的组织硬度，必然对其锋利度和自锐性造成负面影响。
笔者尝试另辟蹊径。基於一些物质在相变时会吸收大量热能的特性，利用树脂结合剂金刚石磨具配方组元变化使树脂结合剂金刚石磨具获得“自散热”性能。经过试验和筛选，确实取得了提高其散热性能方面的突破，并取得了国家发明专利：《强散热型树脂金刚石磨具》(专利号：ZL01129089.7 国际专利主分类号：CO8J 5/14)。
/ n. Y+ V  W" g利用该发明专利生产的树脂结合剂金刚石磨具在磨削时始终保持良好工作状态，相比传统树脂结合剂金刚石磨具的优点十分突出：
磨削锋利，使用时不堵塞，噪音少；
9 R- L* T3 X9 M0 I  S(2)磨具工作层在工作时无裂纹、“脱环”（即金刚石工作层与金属基体在磨削热作用下相互分离）等现象发生；
(3)工件表层无裂纹、烧蚀或金相组织的改变；
(4)磨具工作层强度高，可以承受比传统树脂结合剂金刚石磨具大10倍以上的磨削进给量；
(5)磨具工作层耐磨损，比同规格、粒度、浓度的传统树脂结合剂金刚石磨具使用寿命高20%以上；
8 z- e' v/ \" s8 n) B, ^" V磨加工相同工件，磨削成本比同规格、粒度、浓度的传统树脂结合剂金刚石磨具低15%以上。
文章关键词： 树脂、磨具