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超硬镗刀CAD/CAPP集成系统设计方法时间：2012-04-10作者：模具联盟网点击： 1评论： 0字体：T|T超硬材料刀具简称超硬刀具，主要包括金刚石刀具和立方氮化翻刀具.其中以人造金刚石复合片(简称PCD)刀具及立方氮化硼复合片(简称PCBN)刀具占主导地位。超硬材料刀具在机械制造领域的应用，极大的提高了劳动生产效率和加工质量，提高了产品档次、降低了制造成本。PCD超硬镗刀主要用于有色金属的高效精密加工。PCBN超硬镗刀主要用于耐磨黑色金属材料的高效精密加工。超硬镗刀在汽车工业和轧钢设备制造中得到了广泛的应用。 为了解决目前超硬镗刀设计、制造效率低下的问题，提高刀具制造企业的信息化水平，我们设计了一套超硬镗刀CAD/CAPP集成系统(简称系统)。系统针对超硬镗刀设计和制造工艺的特点，使用VB,Access和AutoCAD作为开发工具，具有针对性强、精确高效、使用方便的特点。 1 系统总体设计 1.1 系统的组成 系统采用模块化的组织结构(如图1所示)，各模块间既相互独立又相互影响，系统公共数据库构成了各模块之间的桥梁。系统主要包括CAD,CAPP,数据库三大模块，每个大的模块又由若干个小的功能模块组成。采用模块化的组织结构具有组织框架清晰的特点，同时也有利于将来系统的扩充，比如扩充CAM模块。 系统中CAD模块采用自动式CAD方法，CAPP模块采用基于实例的工艺设计方法，数据库模块采用动态数据库和静态数据库相结合的模式。1.2 系统的工作过程 系统的工作过程如下: 1)将被加工对象的属性(原始数据)输人系统; 2)根据被加工对象的属性由系统的CAD模块完成刀具材料选择、刀头结构参数设计、刀杆参数选择、刀具结构尺寸数据生成等初步设计工作; 3)将初步设计结果以特征编码的形式存人动态数据库中，并通过对话框显示，经过人机交互环节对设计结果进行分析、判断、编辑等操作形成最终设计结果; 4)将最终设计结果传递至AutoCAD自动绘制刀具零件图; 5)根据特征编码进行工艺特征匹配，找到某一种刀具的标准工艺，对符合特征的标准工艺进行编辑得到新零件的工艺规程。 在系统的工作过程中安排有一系列的人机交互环节，实现使用者与系统的交互。设计完成后自动生成零件工作图和工艺文件，并可打印输出。 2 系统的CAD模块 2.1 CAD模块的功能 CAD模块主要解决两方面的问题，一是超硬镗刀的计算机辅助设计，二是超硬镗刀零件图的自动绘制。对于第一方面问题，采用VB语言编制了设计计算程序，根据输人的已知数据进行计算，计算结果以特征编码的形式存储在特征编码动态数据库中，供绘图和工艺设计时调用。对于第二方面问题，研究了使用VB调用AutoCAD的方法，实现了VB程序和AutoCAD的自动连接，以设计结果为绘图依据在AutoCAD中直接绘制零件图形。 2.2 CAD模块的算法 通过分析镗刀的设计要点并结合参考文献，决定锉刀刀头结构参数设计采用产生式算法。产生式算法是一个以如果某些条件被满足，就选择某个参数值形式表示的语句。这种算法和人的思维方式接近，比较直观，容易收集和组织设计资料，非常适合超硬镗刀设计。产生式算法对于一个目标需要多个设计条件，这也符合刀具设计的要求，并且用这种算法扩充条件相对比较容易。和设计人员的设计经验来设置产生式算法规则。下面以主偏角的设计计算为例介绍算法规则: 通过应用产生式算法可以将设计人员的经验程序化，避免人为因素对设计结果的影响。锉刀设计结果用对话框输出，通过人机对话的方法可以对设计结果进行修改。修改结束后得到的最终结果以特征编码的形式存储在设计结果文件(即动态数据库)中。 零件图的自动绘制是用AutoCAD软件包来完成的。用VB语言编程，将AutoCAD当成系统中的一个图形窗口，直接对AutoCAD进行操作，实现自动绘图。应用VB语言编程驱动AutoCAD，首先要将VB与AutoCAD连接起来，需要两个步骤;(1)在编写VB代码前，在VB编程环境中引用AutoCAD对象库;(2)编写VB程序代码，创建AutoCAD对象，启动运行AutoCAD，创建新图形文件，调用绘图命令绘图，调用标注命令进行标注，最后将绘图结果自动存盘。3 系统的CAPP模块 3.1 CAPP模块的组成和工作原理 CAPP模块主要包括:零件分类索引树、工艺实例库、零件相似性检索模块、零件工艺编辑模块、工艺规程输出模块等五部分。 本系统的工艺决策借鉴派生式CAPP系统的设计思想，将现有的镬刀加工工艺进行分类、编码，使用工艺特征编码构成零件分类索引树。在进行工艺设计时将零件特征编码与工艺特征编码进行相似性计算，从而找到最相近的编码，从工艺实例库提取工艺实例。3.2 提取工艺实例的算法 工艺实例是按照零件分类索引树分类存储的。在输人当前零件特征编码后，系统开始进行检索，从分类树的树根开始，采用二叉树的先序遍历方法，逐层地进行搜索，寻找当前零件所属的零件类。在找到当前零件所属的零件类后，系统将计算当前零件与该零件所属类中所有实例的相似性系数k，并将k最大的两个零件按先后次序显示出来.供用户选用。用户可以选用满意的实例，调用其工艺信息直接使用，或进行编辑修改。 相似性系数k是用于衡量当前零件与实例库内有关零件的相似程度的一个参数，其计算方法是多样的，本系统选用以下计算方法: 在计算KP时，检查零件的材料、热处理方法、硬度等总体信息与搜索到的零件的匹配情况。 计算后将K,最大的两个零件按先后次序列表显示，若K=1,表示该零件与当前零件完全匹配，该零件工艺可直接使用;若0.7Ks1,为基本匹配，可调用零件工艺进行编辑修改;若长0.7，则匹配情况不理想，需重新设计当前零件工艺。 零件的主特征包括:结构形式、材料、精度、表面质量;辅助特征包括刀具的几何结构参数等。 4 结论 综合应用Visual Basic,Access和AutoCAD等工具，进行了超硬镗刀CAD/CAPP集成系统的设计和开发，达到了简单、实用、直观、经济的目的。为中小企业建立专用的CAD/CAPP集成系统提供了一种廉价、高效的方法。摘要 在陶瓷、石材类材料表面加工领域，金刚石磨块由于具有高效率、低能耗、 高质量等优点，正逐步取代普通的碳化硅磨块树脂结合剂金剐石唐块在磨削过 程中自锐性好，唐削效率高和加工表面光洁度好等优点，因此在材料表面抛唐领 域应用越来越广泛本文采用浇注法制备环氧树脂结合剂金刚石唐块，对唐块的 制备工艺及性能影响因素进行了分析研究 按照制备工艺及性能要求选择丁浇注法制备金HC石唐块所需要的液体环氧树 膳：磨科及填料等，并对一些材料进行了处理，在此基础上设计丁三组磨块试样 配方在棍料过程中，检测丁不同温度和填料下树脂体系粘度，发现80(2时树脂 体系的粘度达到最小值，因此浇注浆料适宜在80C条件下搅拌；纳米Si02对环 氧树脂体系的粘度影响较大，而轻质CaC03影响较小，因此可通过变化两种物质 的含量调节浇注浆料的粘度然后分析了环氧树脂及纳米siOI对浇注浆料稳定性 的影响，表明环氧树脂含量为26和纳米si02含量为4时浆料的稳定性较好， 不易出现沉降现象根据不同促进剂含量下环氧树脂体系的凝胶化时间，认为促 进剂量佳含量为025，综合DSC分析，红外分析及浇注工艺，确定唐块固化工艺为130C4h+1602h 通过分析制备工艺对磨块性能的影响， 发现对浇注浆料进行真空度为 002MPa的捧泡处理，得到的磨块气孔较少，且强度和硬度较高；纳米SiOz颗粒 经过硅烷偶联剂KH570改性后，分散性有较大的提高，从而优化了金刚石磨坍妁 制备工艺通过分析填料对唐块性能的影响，表明纳米SiOz含量为4，轻质CaCO， 含量为3，铜粉含量为5时磨块的强度、硬度，耐热性及耐磨性等性能最好， 从而确定了磨块的最佳配方采用最佳配方制备了不同金刚石磨料的三种唐块， 并对其耐磨性进行分析，结果表明采用KH570表面处理RVD金刚石磨块比未处 理RVD金刚石磨块耐磨性提高149，采用镀N卜RVD金刚石唐块比未处理RVD 金刚石唐块耐唐性提高328 关键词：金剐石磨块：环氧树脂；浇注工艺：抛磨 第1章绪论 11课题研究背景 随着建筑装饰行业的高速发展，陶瓷、石材类材料的需求量日益增加，数据 表明，2009年我国陶瓷砖产量达6725亿m，内销总额18002100亿元，未来 510年仍将处于快速增长时期，预测到2012年，我国陶瓷砖总产量将超过100 亿m2，持续保持全球陶瓷砖产量第一的地位；2009年石材行业全国规模以上企 业花岗石和大理石板材产量达29469万m2，销售收入达到1689亿元，预计2010 年花岗石和大理石板材产量将达到35000万m2，销售收入将达到2000亿元ti41 材料的加工离不开加工工具，而陶瓷、石材类材料属于高硬度且耐磨性强的硬脆 材料，且现代人对这类材料的表面质量又有着很高的要求，因此其表面的加工质 量和效率显得非常重要可以推测，用于这类材料磨削加工的磨具需求量将十分 巨大 目前，用于陶瓷、石材类材料表面加工的唐具有普通碳化硅磨块和金刚石唐 块普通的碳化硅蘑块，由于具有使用寿命短、效率低、耗能高，污染物捧放量太等缺点，严重影响着加工质量和加工效率，已不能满足这类材料的加工需求相比之下，金刚石磨具在加工这些材料时，则表现出无可比拟的优越性，主要表现在以下几个方面141：1)磨削力小而稳定，有利于减少机床动力消耗和减弱磨削振动，提高工件加工精与表面粗糙度，被加工表面残留应力小，应力层簿，有利于减少工件崩口、裂纹现象2)磨削热小，由于金刚石磨削力小，而且与许多被加工材料间的摩擦系数小，因此磨削时摩擦热少，利于延长唐具寿命3)磨削比高，金刚石硬度极高，很容易切入工件，磨耗非常小井能长久保持锋利另外金刚石唐具使用寿命长，在加工过程中可以减少修整和更换砂轮次数，节约工时，因此效率高，唐削成本低，而且方便操作由于具有以上优点，使得金刚石唐具比普通的碳化硅躇具具有更高的加工质量和加工效率 另外，从1960年代初投入商业生产开始，随着经济和科学技术快速发展，人们对金刚石合成机理有了正确认识，我国金刚石合成技术水平也有了飞跃性的提高，不断发展成熟，在工业生产中金刚石的应用数量也越来越多，在合成昔通粒度金刚石方面已达到世界先进水平，年产量达J0亿克拉，约占世界总产量的80%，质量和稳定性逐步提高，价格也已经大大下降，在各个领域的应用越来越广泛一些新材料、新生产工艺和新装备被引进超硬材料磨具的生产和研究中来，促进了超硬材料磨具的发展因此普通的碳化硅唐块也正逐渐被金刚石磨块所取代，如在陶瓷地板砖生产领域，以前广泛采用菱苦土结合剂碳化硅唐块，近一两年来已部分被金属和树脂结合剂的金刚石唐块所取代12金刚石磨块应用及研究现状121金刚石磨块特点及应用 金刚石唐具按照结合剂的不同分为烧树脂结合剂金剐石唐具、结金属结合剂金刚石唐具、电镀金属结合剂金刚石唐具、陶瓷结合剂金剐石唐具171根据结合剂的不同，国内用于陶瓷、石材等材料的表面唐削加工金刚石磨块主要有烧结金属结合剂金刚石唐块和树脂结合剂金刚石磨块 根据结构不同，目前市场上金刚石磨块主要有整体式和组合式两种，其外形 结构如图11所示 金属结合剂金刚石唐整体式由磨削层、联接层、缓冲层和支撑体四部分组成 唐削层由结合剂与金刚石唐料均匀混合后热压烧结而成；联接层是与磨削层烧结 在一起的联接钢板：缓冲层是在联接层和支撑体之间安装有一定弹性的橡胶体， 起到缓冲作用，减小磨块对工件的冲击力，降低工件的破损串；支撑体是一个塑 料卡，通过螺丝与磨削层和联接层联在一起，装卡部分有燕尾结构，方便磨块安 装组合式同样由磨削层、联接层、缓冲层和支撑体四部分组成与整体式不同 的是唐削层由焊接在连接层上的多个金属结合剂金刚石刀头组成，刀头之间留有 一定的间隙，间隙中也可以填充一些树脂填料，在磨削过程中易消耗，形成凹面， 有助于唐屑快速排出，使得刀头表面不容易堵塞，有利于保持和稳定磨块的锋利 度的，提高其唐削性能：缓冲层和支撑体部分与整体式唐块相同由于整体式唐 块的制备工艺简单，生产效率高，因此在市场上应用较多 树脂结合荆金刚石唐块主要是整体式，由磨块和塑料卡座两部分组成，卡座 与蘑块间通过树脂胶粘结固定磨块主要应用于陶瓷，石材类建筑板材表面的抛磨加工，而这类材料的成分大多比较复杂，原子结构是离子键、共价键或离子键和共价键的混合键，理论抗拉强度与理论抗剪强度比值小，抗压强度高，抗弯强度低，硬度高，脆性大，主要物理性能如表11所示材料磨削去除机理一般以脆性断裂和塑性成形为主，脆性断裂的材料去除方式是通过空隙和裂纹的成形或延展剥落及碎裂等方式来完成的，而塑性成形去除方式类似于金属磨削中的切屑成形过程，涉及了滑擦，耕犁和切屑成形，材料是以剪切切屑成形方式去除的因此对于这类材料，在加工过程中极有可能产生各种类型的表面亚表面损伤，如果加工方法不当更会容易引起脆性破坏、微裂纹等，给加工带来很大困难在保持足够材料表面完整性和尺寸精度的同时获得最大的材料去除率是这类材料高效磨削加工的目标 以陶瓷砖为例，烧成后的陶瓷砖表面较租糙，尺寸精度较低，提高其外观质量和尺寸精度是增加陶瓷砖附加值的重要手段图1-2所示为陶瓷地板砖抛光设备抛光机主要由磨头和磨座组成，唐头是工作部件，磨座驱动唐头旋转并可作上下升降，磨头上装有金刚石磨块，电动机通过传动机构带动磨头旋转，磨块在砖面进行磨削加工，砖在输送带上以一定速度依次送到一系列磨头下磨削苦土碳化硅磨块是以氧化镁粉末(菱苦土)和氯化镁水溶液按一定比例配制的MgO-MgCl2-H20体系浆体，加入碳化硅磨抖，凝固后把磨料固结起来形成菱苦土碳化硅磨块菱苦土唐块采用浇注成型，常温固化，制备工艺简单，成本低廉，不易烧伤工件，自锐性能好，在石材行业得到了广泛应用1S-162008年以前陶瓷砖的表面抛光基本全部使用传统的碳化硅磨块但是这类磨具的缺点就是磨削效率低，耐磨性较差，使用寿命短需要频繁地更换唐具，且能耗高、污染物排放量太相比之下使用金刚石磨块有如下优点： (1)低能耗：金刚石唐块具有超强的锋利性，磨削加TT件时切屑力非常小，因此磨头压力可以大幅度下降，机械磨损率降低，同时加工同样厚度的板材可以减少石材破损率， (2)磨削效率高：在陶瓷板材生产过程中，唐块属于易耗品，一组普通磨块使用没多久就需更换，所以工人在打唐抛光工件过程中需要频繁地更换磨块，费时费力，极大地影响了工作效率而金刚石唐块有超强的锋利性和耐磨性，可稳定地提高输送带的传动速度，从而极大的提高了生产效率。 (3)加工表面质量好：采用金刚石为主要磨料的唐具、比使用昔通碳化硅磨具抛光石材、板面清晰度更高，石材质感更强，光泽度显著提高，用金刚石磨块 可以提高石材光度10度以上另外由于金刚磨料生产和检测工艺比碳化硅严格， 金刚石的粒度均匀性远大于碳化硅，所以造成石材划痕和光度不稳定的可能性大 大降低 (4)磨块质量可靠：金刚石与工件的磨擦力较小，因此唐头承受的扭矩较小，故磨头各部件不易损坏金刚石磨块可以完全避免菱苦土碳化硅唐块在生产过程中氧化镁活性降低和养护条件的变化使磨块质量的不稳定现象 (5)利于环保：材料损耗低，可减少大量废弃材料的产生，节约资源，减少环境污染 由于具有以上优点，金刚石磨块在我国部分大型石材加工流水线上它已经被大量使用，并取得了较好的效果但由于现阶段的生产状况的多样化，尚有大部分小型生产厂家仍大量使用菱苦土磨块来唐加工石材表面，严重影响着加工效率和加工质量122金刚石唐块研究现状1221金属结合剂金剐石蘑块 烧结金属结合剂金刚石磨块由基体、金剐石磨料和金属结合剂体系构成，经配料、混料、热压烧结、后加工等工序制备而成烧结金属结合剂金刚石磨块具有结合强度高，成形性好，使用寿命长口耐高温，导热性和耐磨性好，使用寿命长，可承受较大的负荷，能够满足高速磨削和精密磨削技术的要求等显著特性烧结结合剂金刚石磨块制备一般采用热压烧结工艺，通过烧结，结合剂与金剐石形成机械钳合，化学键合或二者混合的联结方式大量研究认为，结合剂与金刚石产生化学健合时，金刚石才能枝牢固把持，不易脱落，磨具才具有较高的唐削效率和使用寿命，因金刚石热稳定性差，烧结温度一般控制在900以下金属结合剂主要有钻基、铜基，铁基、铝垂和冯垂等，结合剂体系及特点见衰1-2，其中钻基、铜基、铁基结合剂研究较多目前在陶瓷、石材类板材的唐磨削中铜基结合剂的金刚石磨块应用比较广泛，价格低廉，铜基结合剂金剐石磨块结合力强，耐唐，工作面几何形状保持性好，使用寿命长，陶瓷不易出现弯边缺陷，但容易堵塞、自锐性差，需经常修整钻基被认为是在金剐石工具结合剂中最出色的结合剂，抗弯强度高，对碳材料和碳化物的润湿性和粘结性好，耐唐但钻的价格较高，因此钻基结合剂唐具的生产成本高为降低成本，研究普遍采用F-Ni、Fe-MnH：、F-Ni。Cu-C、Fe-P等预合金粉代替钻粉1221铁基的硬度、强度、耐磨性与钻基接近但价格却远低于钻粉，所以铁基结合剂成为结合剂研究的主要方向国内已有不少对铁基结合剂的研究，但只有少数厂家掌握了成熟的工艺和技术北京科技大学的罗骥等：31以F-Cu-Sn为结合剂体系，采用凝胶注模成型工艺和低温无压烧结技术制备出金属结合剂金刚石唐块铝基结合剂烧结温度低，被认为是很理想的节能粘结剂，哈尔滨工业大学的王双喜等241采用热压烧结法制备出铝基几1-Cu-Ti-Zn-Mg-Ag，Al-Si-Ti-Sn-Cu体系金剐石磨块此外，有人还对钍基结合剂体系做出了研究，王刚等12，1采用自蔓延烧结技术，制备出结合剂金刚石磨块，在自蔓延过程中金刚石与结合剂中的Ti反应形成碳化物，唐块结合强度高，耐磨性好，使用寿命长 用金属基金刚石磨块加工陶瓷等脆硬材料，由于磨块的硬度较高，因此被躇材料表面比较粗糙，崩边、崩角现象严重，产品加工质量不高，金属基金剐石唐块主要应用于材料表面的粗抛工艺1222树脂结合剂金剐石磨块 树脂结合剂金刚石唐块由金刚石房料，结合剂和填料组成，通过配料、混料，热压成形、后加工等工艺制成，其中金刚石唐料是主体，结合剂则是用来固着磨料颗粒，而填料则可以提高唐块的耐热性、耐磨性和强度，树脂磨块具有弹性好，强度高、耐冲击、生产周期短，在磨削过程中自锐性好、磨削效率高和加工表面光洁度好等优点，因此在材料的表面抛光领域应用越来越广泛但由于树脂结合剂本身耐热性较差，因此在加工过程中磨块损耗较快，不耐磨目前，国内对树脂结合剂金刚石磨块的研究报道较少，陈政伟等制备出了结构合理，使用寿命长的树脂结合剂金刚石磨块13树脂结合剂金刚石磨具研究现状 树脂结合剂金刚石唐具以金刚石为磨料，以树脂作为粘结剂，加入适当的填充材料，通过一系列制备工艺制成的具有一定几何形状的磨削加工工具由于树脂结合剂金刚石膳具具有弹性好、强度高、耐冲击、生产周期短、在磨削过程中自锐性好，磨削效率高和加工表面质量好等优点，因此得到了广泛的应用，用量约占世界上金剐石磨具总量的60左右但树脂结合剂金刚石砂轮也有很多缺点，如树脂结合剂本身不耐高温，造成磨具使用寿命短，因而增加了加工成本，树脂结合剂有弹性，在唐削加工材料时加工精度不易控制等，这些缺点随工业发展和技术进步而变得比较明显，需要加以改进 针对对树脂结合剂金刚石磨具的不足之处，目前的研究主要集中在三个方面：一是提高结合剂的性能，主要通过对树脂结合剂的改性与优化配方和研发新型耐高温高性能树脂结合剂，如德国wenter公司生产的树脂和金属结合剂砂轮可在500600温度下较长时间使用，制造出的金剐石砂轮磨具磨削效率高、耐用度好，磨具形状保持性好，国内目前还没有开发出相应的树脂材料二是对金刚石表面进行镀覆处理，以提高树脂结合剂对金刚石的把持力，三是对制备工艺进行改进，尽量使制备工艺简单化，以降低生产成本131树脂结合剂改性 目前，国内用于金刚石屠具结合刑的树脂主要有酚醛树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂等树脂结合剂共同且量主要问题就是耐热性差，不耐磨，磨削过程中产生的大量的热容易导致树脂软化或分解，粘结力下降，磨大量脱落，使得在”实际磨削应用中，价格昂贵的金刚石磨料没有完全发挥作用，据资料报道1321，超硬材料树脂磨具中，磨料的利用率只有5060这不仅严重影响了唐具的磨削效率，同时也造成了很大的浪费因此超硬磨具多采用改性后的树脂做结合剂，这就使得对树脂结合剂的改性研究就显得非常有必要 1酚醛树脂 国内用于制备树脂磨具采用酚醛树脂最多酚醛树脂具有良好的粘结性，固化后具有较高的耐热性和良好的力学性能，普通酚醛树脂在200C以下能够稳定使用，超过2002便明显地发生氧化，从340360C进入热分解阶段，到600900C时就释放出CO、C02，H20，苯酚等物质因此性能能达到一般使用要求的特点但其结构中尚存在一些弱点，主要表在：结构中的酚羟基和亚甲基易氧化，耐热性和耐氧化性受到影响：固化后酚醛树脂因芳核间仅有亚甲基相连而显脆性；同时由于酚羟基易吸水从而影响制品的电性能，机械性能和耐碱性等因此需要对其加以改性，人们通过采用芳烷基、环氧、聚酰亚胺，橡胶及无机纳米粒子等改性酚醛树脂，形成不同的酚醛树脂品种133-341彭进等13Jl通过溶胶凝胶法用纳米Si02改性酚醛树脂，Si-OH与酚羟基发生缩聚反应，从而使添加纳米Si02的酚醛树脂结合剂的强度，韧性、延展性均大幅度提高田看纳米SiOz含量的增加，纳米Si02酚醛树脂树脂的热稳定性不断提高，采用纳米Si02酚醛树脂制备的树脂唐具的拉伸强度和冲击强度都有所提高，含量10的纳米Si02酚醛树脂的初始热分解温度比纯酚醛树脂提高了59C，由该树脂制备的树脂磨具的拉伸强度比纯酚醛树脂提高148 2环氧树脂 环氧树脂是指含有环氧基团的高分子化合物，是由环氧基的各种化合物或反应物中能够生成环氧基的化合物与某些组成中具有活泼氢原于基团的物质相互作用而成的线型聚合物环氧树脂的种类较多，但基本上可分为两大类，双酚A型和非双酚A型，其中双酚A型环氧树脂用途最为广泛。 分子中含有羟基，醚基和环氧基它们都是极性结构，与被粘物质的极性衰面有根强的作用力环氧树脂是线性型的热塑性树脂，本身并不会固化且不具有使用性能，在粘结过程中，只有通过固化剂的作用，环氧树脂才能转变为网状或体型结构，从而提高树脂本身的内聚力环氧树脂与固化剂的反应是通过加成反应来进行的，因此在固化过程中没有副产物产生，也不会产生气泡，而且是热固性树脂中收缩力最小的一种，约为2需要说明的是，虽然环氧树脂作为结合剂制成的磨具强度和硬度较高，但脆性和耐热性却比较差不能满足高性能粘结剂的要求，因此需要加以改性 环氧树脂的改主要通过采用刚性无机填科，橡胶弹性体、聚氨酯、酚醛树脂及有机硅树脂等来提高其韧性和耐热性藏建英等采用液体端羧基丁睛橡胶对环氧树脂进行改性，改性后的环氧树脂具有优异的粘接性能，制得的金刚石磨具硬度高、耐热性和耐介质性能好，可以在150c长期使用董元彩等以纳米Ti02为填料制备丁环氧树脂纳米二氧化钛复合材料，结果表明，纳米Ti02经表面处理后，可对环氧树脂实厦增强、增韧，当填充质量分数为3时，材料的拉仲弹性模量提高370，拉伸强度提高44，冲击强度提高878，其他性能也有明显提高UZhihua等采用聚氨酯改性环氧树脂，表明当PU含量为15时，PUEP体系的耐热性、冲击强度、拉伸强度均显著提高 3聚酰亚胺树脂 聚酰亚胺树脂是20世纪60年代末期随着尖端科学技术如电子、航空航天等技术的发展而研制出的一种新型耐高温、耐腐蚀、耐唐损、高温强度好等特性的聚合物，可以长期在2502温度下工作聚酰亚胺是指主链上含有酰亚胺环的一类聚合物，可分为热塑性聚酰亚胺和热固性聚酰亚胺，热固性聚酰亚胺又分为三种主要类型：PMR聚酰亚胺、乙炔封端聚酰亚胺和双马来酰亚胺 目前，在树脂磨具中，PMR聚酰亚胺和乙炔封端聚酰亚胺树脂的实际应用率并不高，这主要是由于PMR聚酰亚胺和乙炔封端聚酰亚胺均必须首先通过二元酐和二元胺预聚制备酰胺酸，然后在经过脱水亚胺化制备热固性树脂，而固化过程中的脱水反应易于引起磨具制品的发泡及裂纹，此外成型压力大，固化温度高，都对于热压成型工艺制备唐具不利再加上聚酞亚胺的价格较贵，制造唐具时性价比低，限制了其应用范围为了改善热此类聚酰更胺的工艺性能和提高磨具的性价比，人们对其进行了一系列的改性研究彭进等采用纳米Si3N4改性聚酰亚胺树脂，由于纳米Si3N4表面存在大量的活性基团Si-OH键，高温固化后，与树脂中的C-OH反应生成Si-O-C，结果纳米Si3N4和聚酰亚胺树脂间形成化学健连接，可以明显改善聚酰亚胺树脂的力学性能和耐热性，从而提高树脂唐具的磨削性能和使用寿命 双马来酰亚胺(BMl)树脂是以马来酰亚胺为活性端基的双官能团化合物，从热压成型工艺流程图可以看到，在制备金剐石磨具的过程中需要经过研磨树脂、装模、加沮加压成型以及脱模等程序，工艺复杂，在实际应用中有一定的局限性 浇注法制备树脂磨具是将配制好的料浆注入模具内，待固化后卸模而制取唐具的成型方法与其它成型方法有显著不同；浇注祛成型不蓖加压力即可实现唐具的成型，其成型料是一种能流动的浆料通过在搅拌机内充分搅拌制备，无论在搅拌或浇注过程中都要保持一定的沮度，使浆料具有适宜的流动性，浆料的均匀性和磨料颗粒能悬浮于料中直至固化，是制取优良浇注产品的重要条件，在成型过程中要防止磨料沉降，主要措施是增大料浆的粘度和加快固化速度” 浇注成型法广泛应用于酚醛树脂，环氧树脂及不饱和树脂等树脂结合剂抛光磨块及珩磨轮的制备浇注法最大的优点是工艺简单，劳动强度低，可以制取形状复杂的唐具，料将均匀就可以获得组织和硬度均匀的制品浇注法成型磨具再制造过程中必须除去料浆中的气泡，才能保证产品的致密性，若磨具内存在气孔较多，会降低磨具的耐磨性和强度，气孔分布不均匀时还会造成蘑具的不均匀磨损为消除唐具在制造过程中产生的气泡，通常采用的方法有真空法、振动法，离心法等，其中真空浇注工艺应用比较成熟，真空浇注技术就是尽可能减少浇注制品中的气隙和气泡，通常在原料的预处理、混料、浇注等各个工序都需要控制好真空度、温度及时间真空浇注工艺是目前树脂浇注中应用最为广泛、工艺条件最为成熟的工艺方法，适合大批量生产，质量较好14课题主要研究内容及意义 本文采用浇注法制备树脂结合剂金刚石唐块，主要研究内容如下： (1)选取适合浇注法制备金刚石磨块的树脂粘结剂、金刚石唐料、填料等材料，井对所选材料进行适当的处理在确定树脂与磨料大致比例的基础上，通过填科含量的变化来调节浇注料浆的粘度和稳定性，并确定浇注浆料的固化条件，形成一套完备的磨块制备工艺 (2)研究不同填料在磨块中的比例及其对磨块微观结构、强度，硬度、耐热性及耐磨性等方面的影响 (3)综合磨块制备工艺及填料含量对金剐石磨块性能的影响，从而优化蘑块制备工艺，井确定磨块的最佳配方本文以液态环氧树脂为结合剂，加入一些具有优良填充特性的填料，采用浇注法制备金刚石磨块，与传统的磨块制备方法相比，由于制备工艺简单，适合大批量生产，可明显降低磨块的制造成本，因此有望在陶瓷，石材类建筑材料表面加工领域推广使用，从而部分取代传统的菱苦土碳化硅磨块，提高此类材料的加工效率和质量，节约能源，减少环境污染222厚材料的处理 1填料纳米Si02表面处理 取一定量的纳米Si02放入电热恒温鼓风干燥箱中干燥，在150c条件下干燥2h，脱去纳米Si02中含有的水分，然后冷却取出取质量是纳米Si021%一3的硅烷偶联剂KH570，用35的倍乙醇水(体积比为3：1)的混合溶液稀释，用草酸调节PH值至4左右，加入干燥后的纳米$i02，放入超声波清洗仪中调节温度为80c左右，用增力电动搅拌器搅拌分散30min，然后取出静放反应60min，将纳米Si02悬浮液抽滤，将滤饼放入烘箱中120c干燥，然后在研钵中研磨，装入密封袋中备用。 2磨料的处理 用KH570硅烷偶联剂处理RVD型金刚石磨料，所用方法与处理纳米Si02的方法相同。 制备磨块前，将所用全部磨料放入干燥烘箱中，150c条件下干燥1h，以除去磨料在空气中吸收的水分，从而防止磨块固化时水分造成内部气孔2,23配方设计步骤和优化 树脂结合剂金刚石磨具是由唐料、结合剂和气孔三部分组成，配方是根据磨具的工艺要求和使用性能而拟定的，因此配方设计要抓住树脂结合剂的含量与唐料含量、唐料粒度、填科的种类和含量等方面的关系对工艺及使用性能的影响对于本实验所采用的浇注法制备环氧树脂结合剂金刚石磨块，首先从环氧树脂和金刚石磨料两因素简单配比入手经过反复试验，初步确定了树脂和磨料配比范围，如表2-1所示然后再考虑加入一些填料，仍以单因素变化来确定各成份对磨块浇注工艺及使用性能的影响，最后综合各因素不同含量下磨块性能的好坏，从而确定多因素复杂体系配方。224磨块试样制备 1混料与浇注成型 浇注成型中浆料的配混工艺流程如图2-2所示，按设计好的配方，用电子天平称取E-54型环氧树脂和MTHPA固化剂，质量比为109(由购买厂家确定为最佳)，然后将两者混合，放入烘箱中加热到80(2，加入促进剂，加入量为树脂含量的025(在第三章中说明)，搅拌均匀再加入填料，然后将处理过的金刚石和碳化硅磨料加入树脂混合液中，用电动搅拌器在80C条件下充分搅拌均匀，即制得成型浆料在配置浆抖的同时，在模具内表面均匀地涂上一层脱模剂，放2唐块的固化 实验利用动态DSC法测试了环氧树脂分别在5Crain、lOCmin、15Crain三种升温速率下的峰始温度、温度峰顶温度和峰终温度，然后用外椎法求得OCmin时的峰始，峰顶和峰终温度从而确定环氧树脂的交联固化温度另外考虑到金剐石和碳化硅磨料易于沉降，因此环氧树脂固化时间要尽量短磨块的固化工艺确定为130C4h+160C2h(见第三章) 第3章金刚石磨块制备工艺研究31材料选择与处理分析311树脂的选择 用作树脂磨具的粘结剂主要有酚醛树脂、环氧树脂和双马来酰亚胺等目 前国内用于制备树脂唐具较多采用的是酚醛树脂，酚醛树脂具有价格较低，性能 能达到一般使用要求的特点，但酚醛树脂耐热温度一般只有200，并且在高温 状态下挥发份比较多，因而有树脂唐具不耐高温的说法，双马树脂虽然耐温达到 三四百度，但双马树脂的价格较高，因而制得的磨具性价比较低，并且磨料的 结合强度不高，环氧树脂是一类线型的热塑性树脂，本身并不会固化，且不具有 使用性能，只有有加入固化剂，使它由线性结构交联成网状或体型结构，形成不 溶不熔物，才具有使用性能，并且固化产物的性能在很大程度上取决于固化剂 环氧树脂具有粘结强度高，收缩性小等优良特点，但其耐热性能较酚醛树脂差， 在做成磨具磨削过程中磨削温度太高时，环氧树脂容易软化造成磨粒过早脱落， 因此未经改性的环氧树脂不能满足高性能粘结剂的需求 鉴于以上情况，考虑到在实际应用过程中，酚醛树脂结合剂磨具在磨抛陶瓷板材时容易对板材表面染色而降低板材的价值，因此本实验选用环氧树脂作为磨块结合剂环氧树脂的牌号很多，除通用的双酚A型环氧树脂外，其它还有酚醛环氧树脂、甘油环氧树脂，氨基环氧树脂以及脂环族环氧树脂等，但经过试验与比较发现和其它环氧类型相比，双酚A型环氧树脂的机械性能较好，环氧指数较高，固化物收缩率较小，工艺性能好，材料易得，价格合理是理想的浇注树脂材料，因此本实验选用由无锡化工厂提供的改性E-54环氧树脂，其主要技术指标如衰3-1所示固化剂也选用由该化工厂提供的改性MTHPA(甲基四氢苯酐)312唐料的选择与处理 在金刚石磨具中，磨料可分为两种，主磨料和辅助磨料，主磨料是人造金刚石，辅助唐料有碳化硅、白刚玉等 1金刚石唐料 我国金刚石磨料经过40多年的发展，年产量逐渐大，价格越来越便宜，应用越来越广泛，产生的磨料品种已有很多，且各品种适用的领域也不相同(见表3-2)，目前，用于树脂结合剂金刚石磨具的金刚石磨料品种可以分为二类：一类就是表3-2中所列的RVD型金刚石，是国内树脂磨具普遍使用的一种金刚石磨料，其特征为晶形不规则，脆性大，磨削锋利，常用的RVD型金剐石有原生料和破碎料两种原生料是指金刚石合成后，经酸洗、碱洗、分级后得到的产品，磨料颗粒大小和颗粒形状都保持合成时的状态，其尖角保持良好，晶型比较规则，锋利性很好，但由于在其合成过程中，金刚石晶体不规则生长堆积，导致其表面子整度不高，缺陷较多破碎料是指原生料经球磨，将尺寸较大的金刚石颗粒破碎成粒径相对较小的颗粒，在破碎过程中，由于金刚石颗粒大多从缺陷处破裂，因此金刚石破碎料缺陷很少，其抗压和抗冲击强度较高，但同时破碎时磨料尖角损失较多，锋利性较差另一类是镀金属衣金剐石，镀金属可以提高金刚石的强度改善树脂对金刚石表面的漫润性，减少磨削过程中金刚石表面热量的积聚，使磨粒周围的树脂少受或免受破坏2辅助唐料 辅助磨料在磨具工作层中起到提高砂结比和辅助磨削作用，能够提高唐具的磨削比和降低低磨料浓度磨具制造工艺上的困难另外由于金剐石比较贵，因此金刚石磨具并不完全采用金剐石制造，而是根据不同的需要采用不同的浓度大多数唐具金刚石磨料浓度并不是很高，而要制造比较低金刚石磨料浓度的磨具是1比较困难的，因此必须要加入辅助磨料，以提高磨具的砂结比，减少制造困难作辅助唐料的主要有白刚玉和碳化硅，其主要物理特性如表3-3所示因为本实验的磨削对象属于脆硬材料，因此要求磨料的硬度要尽量的高，经过对比，实验选用碳化硅作为辅助磨料313填料的选择与处理 在树脂结合剂金刚石磨具中，结合剂由树脂和填料共同组成，填料的主要作用主要用来改善结合剂的耐热性、硬度、强度等，以提高磨具的唐削性能和使用寿命填料的种类比较多，一般为金属和无机非金属粉末，对于粉状填料，原则上是颗粒越细越好，这样便于在树脂中分散均匀本实验选用纳米SiO：、铜粉和轻质Caco3，作为树脂结合剂填料 1纳米Sio2：及其表面处理 纳米si02为无定型白色粉末，是一种无毒、无味、无污染的无机非金属材料其微观结构为絮状或三维网状，颗粒尺寸小，比表面积由于纳米sio：粒子具有独特的表面效应和量子尺寸效应，颗粒表面有大量没有键合的羟基和不饱和残健，以及表面欠氧等特点使它表现出极强的活性，很容易与树脂材料中的某些官能团发生物理或化学作用，因此如果在树脂材料中加入纳米siO：井分散均匀，则纳米siO：可以在树脂中形成空间网状结构，从而可以大幅度提高高分子材料的力学强度、韧性、耐磨性，耐热性和耐老化性等因而，人们常利用纳米siOz的这些特殊结构和性能对树脂及涂料进行改性或制备复合材料，以提高材料的综合性能，纳米siO2这种优良填充性能，使其在各领域都有这广泛的应用， 纳米引O：极大的比表面积和高表面化学能使其处在激发的不稳定状态，易于团聚成微米极的聚集态颗粒，因此要利用纳米级SiO：的优异性能，需要对其表面进行改性处理，以降低其自身团聚纳米siO：的改性处理方法较多，通常采用的方法是用硅烷偶联剂进行处理，硅烷偶联剂可以提高聚合物与siO：纳米粒子间的亲和力硅烷偶联剂的化学通式为R，-Si(oR)n(n；1，2，3)，si(oR)n代表亲无机的基团，可以是烷氧基、乙酰氧基等，基团OR可水解生成硅烷醇，其反应见式 2Cu粉 Cu本身熔点高，导热性好，如果在结合剂中加入一定量的Cu粉，磨削过程中产生的瞬时高温可通过cu粉迅速传给唐具的基体，热量很快散失，从而减轻了唐削区局部过热现象，提高了结合剂的耐热性Cu粉与树脂的相互浸润性较好，以cu粉为填料可以提高树脂磨具的强度，加上Cu粉本身耐磨性较好，因此使用Cu粉的树脂唐具比不使用Cu粉的树脂磨具寿命可以提高很多但是根据不同的树脂Cu粉的用量也有一定的限度，因为Cu是韧性材料，延展性大，用量过多，磨具在窘削过程中容易堵塞，磨削能力下降，一般选用量为15一20体积分数66-6S1另外，由于铜粉的密度较大，在浆料中易于沉降，因此其在本实验中含量过多时容易造成浆料稳定性变差 3轻质CaCO 轻质碳酸钙又称沉淀碳酸钙，是用化学方法制得的一种重要无机化工原料由于它具有粒度细、白度高，晶型好、价格较低等特点，广泛用于橡胶，塑料，造纸、涂料等行业中作填充剂，具有颗粒微细，表面较粗糙，吸油值较高等特点101轻质碳酸钙在常温(2)下溶解度为00014，无毒、无刺激性气味，通常为白色，密度为259264gcm3根据晶形的不同，可将轻质碳酸钙分为纺锤形，立方形、针形，链形、球形、片形和四角柱形碳酸钙，不同的晶形应用范围也不同此外，由于沉降体积(2428m1e)较大，轻质碳酸钙在沉降方面好些，因此在水性涂料行业的用途较广泛，能使涂料不沉降，易分敝，光泽好等特性，轻质碳酸钙应用在树脂材料中，能起到一种骨架作用，对制品尺寸的稳定性有很大作用，能提高制晶的硬度、耐热性、表面光泽和表面平整性，可改善树脂的加工性能，增加体积，降低产品成本32配方设计 树脂结合剂金剐石磨具配方是针对不同磨削对象根据磨具的工艺要求和使用性能面拟定的，因此配方设计要抓住树脂结合剂的含量与磨料含量，唐料粒度，填料的种类和含量等方面的关系对工艺及使用性能的影响在分析各种原材料作用的基础上，根据加工要求，进行结合剂混配和磨具成型，固化后测定其强度、硬度等各项性能参数，选择性能良好的配方进一步实验，并对唐具进行性能测试及磨削鉴定对比，从而选取最佳配方321配方设计原则 ” 唐具的配方是经过反复试验而制定出来的，这个过程需要考虑多种因素，并且应该对唐具技术可行性研究与经济指标进行综合评估，技术上主要考虑所设计的配方中厩材料的性能及配比能否适合磨削加工质量的要求，经济上要考虑磨具制造和使用方面的加工费用322磨块配方设计1唐料粒度和浓度1唐料粒度和浓度 配方中磨料的粒度决定了配方中结合剂的含量和磨具的磨削效果，唐料粒度越细，比表面积越大，所需结合剂量也就越多；要求效率高，使用粗粒度磨料，粗糙度要求高，则选用细粒度磨料本实验根据要求，选用金刚石粒度为200230的磨料，碳化硅选用粒度为24腓磨科 磨料浓度是超硬材料磨具所特有的概念，它表示磨具工作层中单位体积内超硬磨料含量超硬磨料浓度基础值是100，对应磨具中磨料含量为088gcm工作层中，唐料所占体积分数与磨料浓度有以下关系： y-些竺x100 r 式中，v为磨料所占体积分数：c为唐料浓度；Y为唐料的密度(金刚石密度为352gcra3) 2配方的表示方法 ， 超硬材料树脂唐具配方有两种常用的表示方法，体积分数表示法和质量分数表示法在实际工业生产中质量法使用比较方便，它其实是由体积法演变而来的，通过各种材料的体积乘以该材料的密度，然后换算成质量分数，就将体积法变换成质量法但质量法在工业生产操作中仍有诸多不便，因此， 目前行业上普遍采用的方法是；先按照体积表示法设计好配方，再通过质量计算，将树脂和填料所占的质量算出，列出结合剂的重量配方表，然后按此表将结合剂预先棍合好，使用时只需按磨具体积计算出金刚石的用量，再混合均匀即可使用为便于实验操(2)各种填料最佳用量 在最佳树脂含量26的基础上