2.3　树脂结合剂磨具

以合成树脂或天然树脂作结合剂制成的磨具称为树脂结合剂磨具，简称树脂磨具。按磨料分为普通磨料树脂磨具、金刚石树脂磨具、立方氮化硼树脂磨具。

树脂磨具具有以下特点。

①结合强度高　树脂结合剂比陶瓷结合剂具有较高的黏结强度，制成的磨具机械强度高，可在高速磨削条件下承受较大的磨削力。

②可制成各种形状复杂的磨具　树脂结合剂硬化温度低，收缩率小，可制成各种复杂形状和特殊要求的磨具。

③具有一定的弹性和韧性　树脂属高分子化合物，具有一定的弹性和韧性，可缓冲磨削压力，磨削效果好且具有良好的抛光作用，可提高磨削表面质量。

④树脂结合剂耐热性低，不易产生磨削烧伤现象。

⑤树脂结合剂化学稳定性较差　一般树脂结合剂磨具耐碱性、耐水性较差，不能长期存放，遇碱性物质时，树脂结合剂发生降解，影响磨具的强度和硬度。

树脂磨具广泛应用于荒磨、粗磨、半精磨、精磨、珩磨、超精密加工、抛光和切割等多种工艺，可加工钢、铝、铜、铁、硬质合金、高速钢、钛钢、不锈钢、木材、橡胶、塑料、玻璃、陶瓷、石材等众多工程材料。

制造可随树脂的种类、性质和对磨具的不同要求而采用不同的工艺方法和工艺装备，但归纳起来，所有树脂结合剂磨具的制造，都基本遵守以下工艺流程：

2.3.1　树脂结合剂原材料

（1）磨料

树脂结合剂所用的磨料品种有：棕刚玉（A）、白刚玉（WA）、单晶刚玉（SA）、微晶刚玉（MA）、铬刚玉（PA）、锆刚玉（ZA）、黑刚玉（BA）等刚玉系列磨料；黑碳化硅（C）、绿碳化硅（GC）、立方碳化硅（SC）、立方碳化硼（BC）系列磨料；超硬磨料的人造金刚石（RVD、MBD、SCD、SMD、DMD、M-SD）和立方碳化硼（CBN、M-CBN）。

制造树脂磨具的磨料对磁性物质含量要求不高，但对磨料颗粒表面质量要求严格。因为磨料表面附着有石墨和灰尘，能降低和削弱树脂和磨粒的黏结力，导致磨具的硬度和强度降低。为了提高磨料与结合剂的黏结能力，并改善磨料的强度、韧性、耐磨性等，应对磨料进行必要的附加处理。磨料的处理方法有煅烧、颗粒整形、表面涂附、表面腐蚀等。

①磨料的煅烧处理　刚玉磨料经800～1300℃、2～4h的煅烧，可明显提高磨粒的显微硬度、韧性和亲水性。温度超过1300℃后，磨料性能下降。煅烧处理对刚玉磨料有明显效果，对SiC磨料效果不明显。

②选用专门的工艺制造磨料　采用熔块法生产刚玉磨料，熔块法具有结晶颗粒大的特点，使得磨料颗粒强度增大，硬度提高。在磨粒加工方法上采用对滚方法加工，可增加片状和剑状颗粒，同时保证磨料表面粗糙。对滚加工后再经筛选，可提高磨料基本粒的含量及粒度的均匀性，并清理杂物、粉尘和粗粒。

③磨料表面涂附处理　是在磨粒表面涂上一层薄薄的物质，再经热处理、松散过筛。其作用是提高磨粒表面的亲水性和加大表面粗糙度。涂附处理方法有金属盐处理、树脂处理、陶瓷液-硅烷处理及碱腐蚀处理。刚玉磨料根据对磨具的要求不同，而选用不同的涂附处理方法对磨料进行处理。

④超硬表面的镀覆处理　超硬磨料表面镀上一层不同材料的镀膜层，就成为不同性能的新品种磨料。镀覆的目的是赋予超硬磨料颗粒以特殊的理化性能，从而改善磨料的性能和使用效果，提高磨具耐用度。

常用的镀膜材料有铜、镍、钼、铜合金，铜锡钛合金，非金属材料的陶瓷、碳化钛、氮化钛等难熔硬质材料。

目前，普遍采用镀铜、镀镍的金刚石及CBN磨粒制造树脂磨具，大约有90％的树脂结合剂金刚石磨具采用镀金属薄膜的金刚石磨料。使用镀覆CBN磨料，可以使磨粒脱落数从60％降至30％。镀铜磨料用于干磨，镀锡磨料用于湿磨。镀覆超硬磨粒具有以下优点。

a.磨粒强度提高30％～60％。RVD金刚石及CBN是脆性材料，在镀上一层铜或镍薄膜后，改善脆性，可以承受较大的外力冲击。同时，在镀覆过程中，镀液渗入磨料表面裂纹、气孔和空穴，从而修补了缺陷，使RVD金刚石与CBN颗粒得到强化。

b.改善树脂结合剂对超硬材料的浸润性，从而提高了树脂结合剂对磨粒的黏结性能，增加了磨具的耐用度。试验表明，未经镀覆的超硬磨具干磨硬质合金时，大约有70％的磨粒未充分利用而直接脱落，而镀覆RVD金刚石及CBN磨具，可大大改善磨粒的脱落状况。

c.金属镀膜对RVD金刚石及CBN起到了良好的热屏障作用。在磨削过程中产生的磨削热首先传到金属膜上，并通过金属膜传递给结合剂，因此磨削热积聚较少，使RVD金刚石及CBN周围树脂结合剂达到碳化温度而分解的概率就少得多，保证了树脂结合剂对磨粒的黏结强度，能充分发挥磨粒的磨削作用。

d.镀膜金属可使RVD金刚石及CBN的自锐性降低，因而在磨削过程中增加磨床动力消耗10％～20％。

e.要适当调整树脂结合剂的配方，合理选择磨料浓度。树脂结合剂超硬磨具的磨料粒度较细，选用粗粒度磨粒将加剧砂轮损耗。一般粒度选择100μm/120μm以下至微粉。树脂磨具选用磨料浓度较低，一般RVD金刚石磨具的浓度为25％～100％，常用磨料浓度为75％～100％；CBN磨具的磨料浓度为75％～100％。粗磨用的粗粒度磨具宜采用高浓度，精磨用的细粒度磨具宜采用低浓度。

（2）树脂结合剂

树脂结合剂用来把松散的磨料黏结起来，固结成一定形状，经过加热固化使其具有一定的硬度、强度和磨削性能。树脂结合剂由黏结剂（树脂）和各种填料组成。填料的种类和用量对结合剂的物理力学性能影响很大。因此，必须合理选用填料的种类和用量。

树脂结合剂应具备以下性能：良好的黏结性能，结合剂强度要高，硬度要合适；良好的耐热性，有利于提高磨削加工效率和降低磨削工件表面粗糙度；良好的经济性及环保性。

国内外制造树脂磨具的树脂主要是人造酚醛树脂、环氧树脂、聚砜树脂、聚酰胺等。为适应磨具生产的特殊要求，以酚醛树脂为主，加入一定量的其他树脂，如酚醛-环氧树脂、酚醛-聚酰胺等。

①酚醛树脂　主要生产原料是苯酚、二甲酚、多元酚等酚类，甲醛、乙醇糠醛等醛类，催化剂，如盐酸、硫酸、草酸、氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、氧化镁等。

酚醛树脂的生产工艺流程如下：

酚与醛的缩聚反应可在加压、常压及减压等条件下进行。通常是在酸性或碱性介质中进行常压缩聚反应。

酚醛树脂分为热塑性酚醛树脂和热固性酚醛树脂。热塑性酚醛树脂的密度为1.18～1.32g/cm3，软化点为85～110℃。游离酚质量分数为3.5％～7％，常温下为白色或淡黄色半透明固体粉末，在空气中易吸收水分。树脂粉不加硬化剂，能溶于乙醇、丁醇、丙酮等溶剂中。在硬化剂作用下，树脂粉经加热可变为热固性树脂。热塑性酚醛树脂的软化点高，其磨具的抗拉强度较高。软化点高低对磨具硬度影响不明显，但对于磨具制造工艺的可行性影响较大。软化点低（如85℃），树脂粉易发黏，易结块，易造成成形料结块，给制造带来不便。软化点过高，则成形料可塑性差，且影响磨具的成形强度，特别是对薄片砂轮影响更大。

树脂粉的粒度大多属于F240及更细粒度，树脂粉粒度过细易结块，粒度过粗则成形料不易混匀，影响磨具硬度与强度。树脂粉易在空气中吸水而结块变硬，给生产带来不便，且影响磨具的强度和硬度。试验表明，树脂粉的湿度由0.176％增至4.23％的磨具试块的硬度降低两小级，强度降低20％。

热塑性酚醛树脂的硬（固）化剂是乌洛托品，与水作用生成CH2O，甲醛先与线型树脂中苯环的邻对位作用生成羟甲基物，之后进一步缩聚生成网状结构。固化剂加入量不足，树脂硬化不完全，影响磨具的强度和硬度，加入量过高，多余的固化剂并不与树脂粉结合，在硬化过程中分解挥发，使磨具的气孔增多，降低磨具硬度与强度。

热固性酚醛树脂液在常温下是一种淡黄色至深褐色的黏性液体，密度为1.16～1.20g/cm3，黏度为60～200s（4号杯法），能溶于乙醇、丙酮及糠醛中，经加热也可溶于水。其化学性能不稳定，常温下存放，能缓慢进行缩聚反应，黏度增大，在110～120℃保持2h，则失去流动性，变为弹性或脆性物。加热至230℃以上，则树脂液开始炭化，温度越高，炭化程度越深，当达到500℃时，则完全烧毁。树脂液的黏度为100～500s（杯法）时常作结合剂，黏度在40～200s范围内，常将树脂液作树脂粉的润滑剂。合适的黏度可获得结合剂适宜的可塑性。黏度太低时，成形料的流动性大，可塑性差，容易粘模，制成的磨具坯体机械强度低；黏度太高，则成形料太硬，不易混匀，不利于压型时摊料，影响磨具组织均匀性和机械强度。实践证明，树脂液的杯法黏度为100～500s时，质量稳定，对磨具硬度影响很小。

热固性酚醛树脂在180℃温度下，缩聚硬化后的质量称为固体含量。固体含量在不同程度上决定磨具的硬度与强度，固体含量低，则制成的磨具硬度和强度下降，生产中必须控制树脂液的固体含量。

以氨水为催化剂制成的树脂液结合剂黏结强度大，耐火性能好；以氢氧化钠作催化剂制成的树脂液结合剂的黏结强度和耐火性较差。

酚醛树脂结合剂固化后具有较高的耐热性和良好的力学性能，但结构中的酚羟基与亚甲基易氧化，使耐热性与耐氧化性受到影响。亚甲基的存在使固化后的结合剂显现一定的脆性等弱点，需要改性加以克服。酚醛树脂改性是加入添加剂，改变树脂的一些性质。改性树脂有酚醛-缩醛树脂、酚醛-环氧树脂、硼酚醛树脂、有机硅改性酚醛树脂等。

②环氧树脂　是指含有环氧基团的高分子化合物或反应中能生成环氧基团的化合物与某些组成中具有活泼氢氧基团的物质相互作用而成的线型聚合物。环氧树脂有缩水甘油基型环氧树脂、环氧化烯烃、新型环氧树脂三类。我国通用的环氧树脂为E-型环氧树脂，它是由环氧氯丙烷和双醛A（二酚基丙烷）两种单体，在碱性催化剂（NO2OH）作用下，逐步聚合而成的双醛A型环氧树脂。环氧树脂中含环氧基的多少是一项重要指标。

环氧树脂常压下为淡黄色至琥珀色的透明液体或固体，能溶于丙酮、甲苯、二甲苯等有机溶液中。它是线型结构，自身不会固化，只有加入硬化剂使其线型结构交联成网状或体型结构，形成不溶物，才具有优良的使用性能，固化物的性能取决于硬化剂的种类与用量。硬化剂是环氧树脂结合剂中重要的组成部分。

硬化剂根据所需要的温度，可分为加热硬化剂和室温硬化剂；根据化学结构类型可分为胺类硬化剂、酸酐类硬化剂、树脂类硬化剂、咪唑类硬化剂；按硬化剂的形态可分为液体硬化剂与固体硬化剂。树脂磨具结合剂常用的硬化剂有：胺类，包括己二胺、间苯二胺、三乙醇胺；树脂类，包括聚酰胺树脂、酚醛树脂；酸酐类，包括顺丁烯酸酐、邻苯二甲酸酐、均苯四甲酸二酐；咪唑类，包括α-甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑。

环氧树脂结合剂有如下特点。

a.具有强的黏结能力　可黏结金属与非金属。以环氧树脂作结合剂的磨具比酚醛树脂磨具强度高。

b.收缩率小　其收缩率很小（约2％），若加入填充剂，其制件收缩率仅有0.25％～1.25％，线胀系数小（60×10-6℃-1）。适于制造细粒度、高密度磨具。

c.优良的化学稳定性　可耐有机溶剂和各种化学试剂。

d.耐热性差　环氧树脂磨具在磨削接触区的瞬时温度可达800～1000℃，环氧树脂在磨削热作用下，易发生炭化，丧失对磨料的保持能力，使磨粒过早脱落，加大磨具损耗。在相同工艺条件下，环氧树脂磨具比酚醛树脂磨具的磨损量高3～5倍，加上价格昂贵，环氧树脂磨具未被广泛应用于磨具制造，常用于珩磨轮、细粒度抛光轮、磨转子槽砂轮、高速磨片等特殊磨具制造。另外，与酚醛树脂混用组成酚醛-环氧改性树脂，可提高磨具质量。

③辅料　树脂磨具的原料中常用的辅料有填充剂、润湿剂、增塑剂、稀释剂、偶联剂、脱模剂、增强材料等，用于改善结合剂的强度、硬度、耐热性、导电性、表面质量等性能。

填充剂（填料）用以改变结合剂的性能或降低成本。常用的填充剂有用于提高磨具强度的，如半水石膏、刚玉粉、SiC粉、长石粉、石英粉、黏土、尼龙丝、石棉纤维等；用于提高磨具导电性的，如钼、银、石墨粉等；用于促进硬化的，如CaO、MgO等；用于提高磨具耐热的，如石墨粉、石棉粉、黏土粉、石英粉、FeO粉等；用于提高磨具抛光性能的，如二硫化钼、石墨粉、精萘、食盐、浮石、聚乙烯空心球等；用于提高磨削效率的，如冰晶石粉、黄铁矿粉、氟硅酸钠（钾）、氧化物、硫化物等。

润湿剂的作用是混制成成形料时，先把磨料润湿，再进行混料，保持坯体湿强度。常用的润湿剂有乙醇、水、机油、煤油等。

增塑剂是为了降低树脂的玻璃化温度，增加流动性，提高磨具的韧性，常用邻苯二甲酸二丁酯、聚酰胺、液体胶等。

偶联剂是为了促进结合剂与被粘磨料之间形成化学键，提高黏结强度。常用的偶联剂有沃兰、A-151、KH-550、KH-590、B201、B202。一般用量为0.1％～0.8％，磨具强度可提高10％～30％。

增强材料用于制造高速树脂磨具，在结合剂中加入玻璃纤维、网络布、尼龙丝等。

2.3.2　树脂结合剂配方设计

（1）普通树脂磨具结合剂的配方设计

普通树脂磨具是指刚玉系、碳化硅系各种磨料的树脂磨具。树脂结合剂的配方设计就是为了确定设定性磨具磨料、结合剂、填料、辅料之间的比例关系。常用以磨料质量为100份，其他材料按占磨料的百分比表示法和已构成磨具各组分原料的总质量为100份，每种原料占总质量的百分数的表示法。普通树脂磨具的基本要素是磨料种类与粒度、磨具硬度、结合剂量、磨具组织、成形密度或压强。树脂磨具配方基本规律是要控制好：磨料种类与结合剂量的关系；磨料粒度与结合剂的关系；成形密度与磨具硬度关系；结合剂量与磨具硬度的关系。

在粒度和成形密度相同的条件下，要制成相同强度等级的磨具，SiC磨料所用结合剂量比刚玉磨料用得多。在磨具强度（或硬度）、磨料种类和成形密度（或压强）相同的情况下，其结合剂量随着磨料粒度号的增加而增加，即磨料越细，所需结合剂越多。在其他条件相同的情况下，混合粒度所用结合剂量比单一粒度要少一些。在磨料种类、粒度和成形密度相同的情况下，增加结合剂量，能提高磨具的强度和硬度。在磨料种类、粒度和结合剂量相同的情况下，随着成形密度的增大，磨具的硬度和强度也提高。调整成形密度是调整磨具硬度和强度的主要方法。尤其是高强度磨具，提高成形密度比调整结合剂量的效果更有效。

（2）超硬磨料磨具树脂结合剂的配方设计

超硬磨料价格昂贵，所以超硬磨具在结构上与普通磨具有很大区别。为了节约超硬磨料，充分发挥金刚石、CBN磨具耐磨性强，使用周期长的优势，因此将金刚石、CBN磨具的工作层制成一薄层镶在磨具非工作层之上。一般金刚石与CBN磨具由基体、过渡层、工作层构成，如图2-7所示。

超硬磨具特有的特性是金刚石、CBN在工作层中的浓度。浓度是指金刚石、CBN工作层每立方厘米体积中所含金刚石或CBN质量的对应百分比。金刚石树脂磨具使用的浓度一般为75％左右，CBN磨具一般为75％～100％，成形磨削时为100％～150％。

超硬磨料树脂磨具制造工艺与生产普通树脂磨具基本相同，但在配方和工艺操作上略有不同。配方的特点是填料多、磨料少，工艺特点是热压成形，热压温度酚醛树脂为180℃，聚酰亚胺为225℃左右，单位压力为30～75MPa，甚至100MPa，固化时间为10～30h。由于超硬磨具结构的特殊性，使得成形模具和成形操作变得复杂，要求更加细致和严格。图2-8所示是酚醛树脂结合剂金刚石砂轮生产工艺流程；图2-9所示是树脂结合剂CBN砂轮生产工艺流程。

超硬磨具树脂结合剂配方是根据超硬磨具使用性与工艺要求来拟定的，考虑配方中各种原料的性能及配比能不能适合磨削加工质量要求。

树脂结合剂配方设计原则如下。

超硬磨具工作层的总体积V∑

V∑=V磨料+V结+V孔=100

式中　V∑——磨料工作体积；

V磨料——金刚石或CBN所占体积；

V结——树脂结合剂所占体积；

V孔——气孔所占体积。

V结=V黏+V填料

成形密度=V磨料ρ磨料+V黏ρ黏+V填料ρ填料

式中　ρ——各组成密度。

配方中各数据取决于磨料、结合剂、气孔三者的比例关系，要使三者比例关系搭配合理，必须抓住影响配方的浓度、硬度、磨料粒度几个因素进行分析。

磨料浓度代表了磨料在磨具中所占的体积。浓度高，说明同等体积的磨具中磨料占的体积多，磨削时单位时间内有较多的磨料参与磨削工作。根据磨具三要素的关系，浓度过高，结合剂量减少，对金刚石或CBN把持不牢，易过早脱落，不能充分发挥每颗磨粒的作用，造成磨损快，增加成本；浓度过低，参与磨削的磨料数量少。结合剂量多，则摩擦阻力增加，造成磨削力增加。要根据磨削加工要求选用合适的浓度，根据浓度的大小，选择结合剂量：浓度小时，结合剂量少；浓度大时，结合剂量增加，填料量减少，以增大对磨料的把持力。

磨料粒度决定被加工表面的粗糙度和磨削效率。粗糙度值小时，磨粒使用细粒度。要求磨削效率高，使用粗粒度磨粒。磨粒粒度越细，比表面积越大，所需结合剂量多，气孔率相同的磨具细粒度磨具比粗粒度软。在同一浓度的磨具中，随结合剂用量增加，磨具硬度提高。但结合剂量过多，不但磨具硬度提高很少，且给混料与成形带来较多困难。提高磨具硬度常用增加填料的方法而不用增加结合剂的方法。另外，也可采用增加成形压力使磨具密度（压强）增大。

超硬磨具配方表示方法仍用体积表示法与质量分数表示法，可分别计算出各组分原料的用量。

2.3.3　树脂磨具配混料工艺

（1）结合剂的配混

结合剂由结合剂与填料组成。它的配制按下列顺序进行。

①黏结剂配制　将干燥的块状树脂放入球磨机球磨24h之后按树脂:乌洛托品=9:1的比例加入乌洛托品混匀，再过120号筛网2～3遍，保存待用。

②填料配制　按配方分别准确称取各种所需填料，装入混料机，均匀混合1～2h，过180号筛网2遍，存入干燥器具内待用。

③结合剂配制　将已混均匀的黏结剂与填料按配方称重放入球磨机罐内进行混合，混合至无白点或颜色一致，过80号筛网2～3遍，存放干燥处待用。

（2）成形料的配混

成形料的配制与陶瓷结合剂类似。按配方方式分别计算出各种原料的用量。配好料后进行混料。树脂结合剂粗粒度粉状树脂成刮料混合工艺与细粒度粉状树脂成形料混合工艺的流程分别如图2-10（a）、（b）所示。

液体树脂磨具成形料是一种可塑性黏性混合料。具有成形压力低、便于制造异型磨具，硬化时结合剂流动性大，黏结能力较强。要选择合适的树脂液的黏度，黏度太高，成形料松散性差，易结成硬块，黏度太低，成形料可塑性差，坯体强度低，易变形或倒塌。在一般室温下，磨料粒度为F14～F46，树脂液的黏度选用170～250s（涂-4杯法，25℃）；F60～F120时，树脂液的黏度为120～180s。混料时间与数量和混料机的搅拌效率、物料数量及操作方法有关。常用轮碾机混制粗粒度成形料；用双轴叶片混粒机混制粗粒度成形料；用球磨机混制细粒度树脂液成形料。图2-11所示是球磨机混制细粒度液体树脂成形料工艺流程。

2.3.4　树脂磨具成形工艺

成形是把松散的可塑性的成形料，制成密度均匀、有一定形状和尺寸的、没有外观和内在缺陷的磨具坯体的过程。

（1）普通磨料树脂磨具的成形

普通磨料树脂磨具成形的工艺流程如下。

普通磨料树脂磨具的成形的工艺方法有模压成形、热压成形、擀压成形、滚压成形、浇注成形、振动成形等，通常采用模压成形。

模压成形压制磨具坯体所需的总压力N按下式计算：

式中　F——磨具受压面积，m2；

p——磨具单位面积所需压力，MPa。

成形压力p1按下式计算：

式中　p1——压力机的常压，MPa；

S1——压力机活塞的横截面积，m2；

p——磨具单位面积所需压力，MPa；

S——磨具受压面积，m2。

压型系数（压缩比）K为

压缩比K取决于成形料中的磨料粒度、磨具硬度等，其值为1.4～2.0；粗粒度磨具K值小些，细粒度磨具K值大些。

压制成形的压制方法有定单重法（定密度法）、定压法。普通磨料树脂磨具压力较大，一般为150～400MPa。

（2）超硬磨料树脂磨具的成形

树脂超硬磨具成形多以热压法为主。其工艺原理是在压制过程中，使树脂熔融流动并在保压时间内逐渐缩聚固化或半固化，保证磨具的密度、硬度和强度。热压成形工艺流程如下。

热压成形是利用油压机上、下压板上的加热系统，并以热电偶控温，保持热压时温度恒定。先将过渡层成形料投入模腔内，刮平、捣实，用压料环预压紧，之后放上压环送入压力机进行冷压，之后取出预压坯体，将预压坯体涂上一层黏结剂再放模具内，投入工作层成形料搅匀、刮平、捣实、放上压环垫铁，再送入热压机内进行再次预压和热压并保温、卸模。

（3）超硬树脂模具固化工艺

经模压成形和热压成形的磨具坯体，还未达到完全固化，必须经过进一步热处理，使树脂与固化剂充分反应，形成交联的网状或体型结构，磨具才具有足够的强度、硬度和良好的磨削性能。

固化机理是利用酚醛树脂可塑性，具有可熔性及结构中存在未反应的活性点，在遇到固化剂乌洛托品时，进一步产生缩聚反应，形成不溶的网状体型结构。

常用固化方法有一次固化法，磨具在压机内保压时，加热固化30～40min后即成产品；还有二次固化法，对大而厚的磨具一次在压机上只进行初步加热固化后再放入电烘箱内进行二次加热固化。二次加热固化设备主要是电热干燥箱。对酚醛树脂的固化温度一般以（180±5）℃为好。在加热固化时要注意升温速度的控制。在100℃以下可自由升温，在升温达140℃后，升温应缓慢，逐步达到180℃左右。