光固化樹(shù)脂結(jié)合劑對(duì)金剛石磨粒把持力的實(shí)驗(yàn)研究

崔 晨, 邱燕飛, 黃 輝

(華僑大學(xué)制造工程研究院，福建 廈門(mén) 361021)

1 引言

金剛石具有硬度高、耐磨損、導(dǎo)熱性能好、摩擦系數(shù)小以及較高的化學(xué)惰性等優(yōu)異性能，常被制成磨削工具而廣泛應(yīng)用于非金屬材料的加工。其中樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪由于自銳性好、胎體柔性好、易于修正等特點(diǎn)而被廣泛用于各種難加工材料的精密加工中[1]。金剛石砂輪在使用過(guò)程中的失效行為，不僅會(huì)增加設(shè)備零部件的更換量，還會(huì)直接破壞加工零件表面質(zhì)量，縮短工具的使用壽命，影響加工效率[2]。因此金剛石砂輪的失效也成為研究者們關(guān)注的重點(diǎn)。以往的研究表明，金剛石磨粒的脫落失效是樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪的主要失效方式。在前期研究中，研究者將此失效形式歸因于樹(shù)脂在磨削溫度的作用下產(chǎn)生變質(zhì)，從而導(dǎo)致金剛石磨粒的脫落[3]。事實(shí)上樹(shù)脂本身與金剛石磨粒分屬高分子材料和晶體材料，因此在制備過(guò)程中，兩者間不可能產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。對(duì)于樹(shù)脂結(jié)合劑而言，主要還是依靠包裹金剛石磨粒來(lái)把持金剛石磨粒[4]。但目前關(guān)于樹(shù)脂結(jié)合劑對(duì)金剛石磨粒把持力的研究并不多見(jiàn)。

本文設(shè)計(jì)了一種模擬金剛石砂輪磨削加工過(guò)程的實(shí)驗(yàn)，用單顆金剛石磨粒劃擦經(jīng)拋光的銅塊，測(cè)量不同樹(shù)脂結(jié)合劑對(duì)單顆金剛石的把持力，研究金剛石在不同出露高度條件下把持力的分布規(guī)律及失效模式，分析了樹(shù)脂中添加劑及磨粒出露高度對(duì)把持力的影響規(guī)律。

2 實(shí)驗(yàn)條件

2.1 實(shí)驗(yàn)工具的制備

實(shí)驗(yàn)所選用的金剛石磨粒大小為30/40 (ISD-1650, ILJIN Co. Ltd., Korean)。為控制劃擦單顆金剛石出露高度，設(shè)計(jì)制作夾具如圖1所示。在壓頭頂部設(shè)計(jì)了凹槽，通過(guò)改變凹槽深度來(lái)控制調(diào)節(jié)金剛石出露高度。設(shè)計(jì)凹槽深度為0.05mm、0.1 mm、0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm、0.30 mm、0.35 mm、0.40 mm、0.45 mm，共九個(gè)梯度。為了提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可重復(fù)性，每個(gè)槽深參數(shù)下制備六個(gè)試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖1 夾具示意圖Fig.1 The schematic diagram of fixture

本實(shí)驗(yàn)采用純光固化樹(shù)脂與添加微米級(jí)氧化鋁的光固化樹(shù)脂作為金剛石磨粒的結(jié)合劑。實(shí)驗(yàn)所用的結(jié)合劑分別是UV-MI-25N光固化樹(shù)脂(杭州)，以及含有添加劑的結(jié)合劑。將30μm氧化鋁顆粒按一定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5%、10%、15%、20%)加入到純光固化樹(shù)脂中，在攪拌機(jī)中以950 r/min的速度攪拌2小時(shí)，待攪拌均勻后滴入夾具中，在中間放入單顆金剛石，然后紫外光以150 mW/cm2的光強(qiáng)照射0.5 s進(jìn)行光固化。在制備過(guò)程中保證樹(shù)脂與夾具表面平齊。

2.2 磨粒出露高度測(cè)定

本實(shí)驗(yàn)采用KEYENCE超景深三維視頻顯微鏡(型號(hào)為VHX-100)對(duì)每個(gè)試樣中金剛石的出露高度進(jìn)行測(cè)量。為提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，每個(gè)試樣的出露高度測(cè)量三次，并計(jì)算相同槽深試樣出露高度的平均值。圖2為所測(cè)量的金剛石磨粒的三維視圖。

圖2 測(cè)量出露高度三維視圖Fig.2 The exposing height in three dimensional views

2.3 劃擦實(shí)驗(yàn)

圖3 劃擦實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.3 The schematic diagram of scratch experiment

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 金剛石出露高度

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制不同凹槽深度來(lái)控制金剛石出露高度，制備試樣的磨粒出露高度如圖4所示。由圖可見(jiàn)，雖然在同一槽深下，金剛石磨粒出露高度有一定的波動(dòng)，但是隨著槽深的增加，金剛石顆粒的出露高度大致呈現(xiàn)線性減少的規(guī)律，這表明實(shí)驗(yàn)中通過(guò)控制凹槽深度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)金剛石磨粒出露高度的調(diào)節(jié)是基本可行的。

圖4 出露高度數(shù)據(jù)處理Fig.4 Data of Exposing heights

3.2 劃擦實(shí)驗(yàn)把持力數(shù)據(jù)處理

劃擦過(guò)程中磨粒所承受的劃擦力隨時(shí)間變化的曲線如圖5所示。從圖中可以看出，劃擦力隨著所加載荷的增加而逐漸升高。但當(dāng)加載力達(dá)到一定程度時(shí)，劃擦力會(huì)突然變小。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)劃擦力出現(xiàn)第一次降低后，有部分情況會(huì)發(fā)生再次升高并降低的情況，也有出現(xiàn)直接衰減到很低的情況。結(jié)合對(duì)劃擦過(guò)程的觀察，可以發(fā)現(xiàn)在劃擦力發(fā)生第一次變化時(shí)，正是磨粒產(chǎn)生松動(dòng)的時(shí)刻。因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中以劃擦過(guò)程中樹(shù)脂對(duì)金剛石把持力突變降低處為失效判斷依據(jù)，視為失效點(diǎn)，取突變值為樹(shù)脂對(duì)金剛石顆粒的有效把持力。

兩種結(jié)合劑在不同磨粒出露高度情況下的劃擦力變化如圖6所示。從圖中可以看出，隨著出露高度的增加，兩組樹(shù)脂對(duì)金剛石的把持力都隨之顯著降低。隨著出露高度從100μm增加到380μm，其把持力也從70N降低到10N，其衰減相當(dāng)明顯。這主要是因?yàn)闃?shù)脂主要是依靠機(jī)械包裹來(lái)把持金剛石磨粒，磨粒出露高度的增加，意味著樹(shù)脂對(duì)金剛石磨粒的包裹面積減少，因此導(dǎo)致其把持力也隨之顯著降低[6]。

從圖中還可以看出，在相同出露高度的情況下，添加微米氧化鋁的樹(shù)脂對(duì)金剛石的把持力略大于純樹(shù)脂的把持力。當(dāng)磨粒出露高度較低時(shí)，添加劑的影響較大，但當(dāng)磨粒出露高度較高時(shí)，兩種樹(shù)脂對(duì)金剛石磨粒的把持力則大致趨于相同。

圖5 把持力測(cè)量圖Fig.5 Measured holding force

圖6 把持力分析圖Fig.6 The holding force of resin bond to diamond grain

3.3 磨粒劃擦失效形式

劃擦實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)對(duì)于兩種樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石顆粒，雖然其磨粒出露高度不同，但其失效形式大致相似，主要存在以下幾種情況：滑移、松動(dòng)和脫落，如圖7所示。其中圖7a、7b、7c為純樹(shù)脂結(jié)合劑，圖7d、7e、7f為有添加劑的樹(shù)脂結(jié)合劑。

滑移失效：如圖7a、7d所示，其特征為金剛石磨粒仍然還留在樹(shù)脂中，但金剛石不在原始位置，其后端有較為平直的移動(dòng)軌跡，且末尾軌跡增大。隨著工件材料去除量的增大，金剛石顆粒后面出現(xiàn)明顯的“拖尾”現(xiàn)象。

松動(dòng)失效，如圖7b、7e所示。其特征為金剛石磨粒還留在樹(shù)脂的原始位置，但金剛石與周?chē)鷺?shù)脂有明顯間隙，金剛石周?chē)鷺?shù)脂有明顯較大破裂裂紋和破碎顆粒堆積。

圖7 金剛石磨粒失效形式Fig.7 The SEM morphology of the failure of diamond abrasives

脫落失效，如圖7c、7f所示。其特征為金剛石不在原始位置，完全脫落，周?chē)鷺?shù)脂有破碎堆積，且脫落方向樹(shù)脂破碎嚴(yán)重。

對(duì)比兩種樹(shù)脂結(jié)合劑可以發(fā)現(xiàn)，雖然兩種結(jié)合劑中金剛石磨粒的失效形式類(lèi)似，但對(duì)于添加了氧化鋁顆粒的樹(shù)脂結(jié)合劑而言，其失效模式都較為“緩和”。與其它金屬結(jié)合劑的失效形式相比，樹(shù)脂結(jié)合劑中均沒(méi)有觀察到磨粒破碎和磨粒磨平的失效形式。

3.4 結(jié)果討論

由于依靠機(jī)械包裹的作用來(lái)把持金剛石磨粒，所以相比于其它結(jié)合劑而言，樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪對(duì)金剛石的把持力并不高[9]。而在樹(shù)脂中添加一定的填料是可以在一定程度上改善結(jié)合劑對(duì)磨粒的把持力[2]的。氧化鋁是最常用的填料，具有熱導(dǎo)率高、熱膨脹系數(shù)小，耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，在光固化樹(shù)脂中添加適量氧化鋁，可以提高樹(shù)脂的導(dǎo)熱性能、硬度及壓縮強(qiáng)度等[10]。

如圖8所示，隨著光固化樹(shù)脂中氧化鋁體積分?jǐn)?shù)的增加，光固化樹(shù)脂的拉伸強(qiáng)度先增后減，于15%時(shí)達(dá)到峰值。相比于純樹(shù)脂而言，其拉伸強(qiáng)度提高了67%。

圖8 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的微米氧化鋁對(duì)樹(shù)脂拉伸強(qiáng)度的影響Fig.8 The effect of micron alumina on the tensile strength of the resin

文獻(xiàn)[11]的研究表明，金剛石的工作失效包含正常磨損和早期失效，其中，正常磨損屬于連續(xù)逐步失去出露工作高度的過(guò)程。但當(dāng)結(jié)合劑對(duì)磨粒的把持力不足時(shí)，則容易導(dǎo)致磨粒的早期失效。把持力的提高不僅能夠減少金剛石的過(guò)早脫落，還大大提高了金剛石工具的使用壽命和加工效率[12]。如圖9所示，對(duì)磨粒金剛石進(jìn)行受力分析。無(wú)填料時(shí)，金剛石所受把持力來(lái)自純樹(shù)脂基體，受到劃擦力的作用時(shí)，主要是依靠樹(shù)脂的強(qiáng)度來(lái)支持，如圖9a所示。隨著氧化鋁顆粒的添加，一方面樹(shù)脂本身的強(qiáng)度得到提高，另一方面，磨粒在受到劃擦力作用時(shí)，其滑移的同時(shí)受到樹(shù)脂和氧化鋁磨粒的共同阻止(見(jiàn)圖9b)，所以隨著氧化鋁顆粒的增加，使得其把持力會(huì)有所上升。

圖9 不同結(jié)合劑金剛石劃擦受力圖Fig.9 Schematic diagram of forces in diamond scratches with different binders

4 結(jié)論

本文通過(guò)光固化樹(shù)脂結(jié)合劑固定把持單顆金剛石對(duì)銅塊進(jìn)行劃擦試驗(yàn)，研究和討論了不同光固化樹(shù)脂結(jié)合劑對(duì)金剛石磨粒的把持能力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出以下結(jié)論：

(1)純樹(shù)脂、微米氧化鋁填料樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石磨粒的主要失效模式表現(xiàn)為滑移、松動(dòng)和脫落。

(2)在相同磨粒出露高度的情況下，添加微米氧化鋁顆粒的樹(shù)脂結(jié)合劑可以提高樹(shù)脂對(duì)金剛石的把持力，當(dāng)質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，其效果最佳。

(3)樹(shù)脂結(jié)合劑對(duì)磨粒的把持以機(jī)械包裹為主，所以磨粒的出露高度是影響磨粒把持力的主要因素。出露高度越高，其樹(shù)脂的把持力越小。