Projekt i zastosowanie koła ze spoiwem żywicznym

1. Wprowadzenie do ściernicy diamentowej ze spoiwem żywicznym

Narzędzia z supertwardego materiału ze spoiwem żywicznym są wykonane głównie z diamentu lub CBN jako materiału ściernego, proszku żywicznego jako spoiwa, z dodanym odpowiednim materiałem wypełniającym, a po zaprojektowaniu formuły, wymieszaniu wagowym, prasowaniu na gorąco, wtórnym utwardzeniu, późniejszym przetwarzaniu i innych procesach, które można zastosować w przypadku różnych wymagań dotyczących szlifowania.
W porównaniu ze spoiwem ceramicznym lub spoiwem metalowym charakteryzuje się prostym procesem produkcyjnym, łatwym dostępem do surowców, niskim kosztem i może być stosowany do dużej liczby niskiej jakości, supertwardych materiałów ściernych; obiekty przetwarzające są szerokie, takie jak wszelkiego rodzaju trudne do obróbki stale, twarde stopy, szkło, ceramika, kamień itp.
Narzędzia ścierne supertwarde z żywicy są szeroko stosowane, ponieważ charakteryzują się dobrą samoostrznością i nie są łatwe do zamocowania w procesie szlifowania, a obrabiany przedmiot ma dobrą jakość powierzchni, a ściernicę łatwo się obrabia.

Spoiwo żywiczne stosowane w narzędziach diamentowych z żywicy można podzielić na dwie kategorie: żywicę fenolową i żywicę poliimidową. Rzeczywista temperatura robocza narzędzi diamentowych z żywicy fenolowej nie przekracza 120 stopni. Żywica poliimidowa ma lepszą odporność na ciepło i może być używana przez długi czas w temperaturze 260 stopni.
W obliczu stosunkowo drogich żywic poliimidowych coraz częściej stosuje się żywice fenolowe. W ostatnich latach naukowcy modyfikują żywice fenolowe tak, aby uzyskać rzeczywistą temperaturę roboczą przekraczającą 200 stopni C. Przykładem jest żywica 939P firmy Advanced Mixed Limited z Wielkiej Brytanii.

W artykule tym przedstawiono głównie ideę projektowania i czynniki wpływające na narzędzia z żywicy diamentowej.

2. Projektowanie narzędzi diamentowych ze spoiwem żywicznym

Konstrukcja narzędzi diamentowych ze spoiwem żywicznym opiera się głównie na następujących pięciu aspektach:
(1) Przyczepność musi być dobra.
Spoiwo może być równomiernie rozprowadzone na powierzchni ściernej, cząstki ścierne mogą być ściśle kontrolowane w narzędziu ściernym i mogą być ściśle związane z matrycą, co nie tylko zapobiega przedwczesnemu odpadaniu ścierniwa, ale również zapobiega oddzielaniu się spoiwa od matrycy, co zapewnia bezpieczeństwo produkcji.
(2) Wysoka wydajność szlifowania, dobra odporność na zużycie, dobre wykończenie (lub chropowatość powierzchni) obróbki.
Spoiwo żywiczne ze względu na elastyczność i kruchość, dzięki czemu podczas szlifowania samoostrzy się, nie jest łatwe do zatkania, ale ma słabą odporność na zużycie.
Dlatego też, badając i projektując formułę spoiwa, musimy wziąć pod uwagę nie tylko konieczność zapewnienia wysokiej gładkości, ale także zapewnienie jak najwyższej odporności na zużycie.
Przygotowanie spoiwa jest ważne. Stosunek spoiwa powinien być dobrany tak, aby spełniał zarówno wysoką wydajność szlifowania, jak i dobrą odporność na zużycie, tak aby zapewnić wymagania szlifowania i zmniejszyć koszty.
(3) Dobra odporność na ciepło.
Jeśli odporność cieplna spoiwa jest słaba, przez co materiał ścierny w procesie użytkowania nie jest odporny na wysoką temperaturę, szybkie zużycie, a nawet dlatego, że ciepło szlifowania jest zbyt wysokie, przez co materiał ścierny się przypala, pęka, pierścieniuje itp., należy wybrać spoiwo o dobrej odporności cieplnej i dodać odpowiedni wypełniacz, aby poprawić jego odporność cieplną;
(2) W miarę możliwości należy stosować chłodziwo podczas szlifowania na mokro, aby wydłużyć trwałość narzędzi szlifierskich;
(3) W przypadku stosowania mielenia na sucho należy zadbać o to, aby wsad był jak najmniejszy, aby wydłużyć trwałość narzędzia mielącego.
(4) Wytrzymałość spoiwa musi być wysoka.
Wytrzymałość spoiwa ma bezpośredni wpływ na wydajność szlifowania, wielkość ścierniwa, jakość obrabianego przedmiotu i bezpieczeństwo narzędzia szlifierskiego w procesie użytkowania, dlatego konieczne jest zrozumienie czynników wpływających na wytrzymałość spoiwa.
 

Głównymi czynnikami wpływającymi na wytrzymałość spoiwa są:

(1) dodanie wypełniaczy zwiększy lub zmniejszy wytrzymałość spoiwa. Większość wypełniaczy zwiększy wytrzymałość mechaniczną i wzrośnie wraz ze wzrostem ilości wypełniacza w określonym zakresie, ale współczynnik zużycia zmniejszy się.
Niektóre wypełniacze, takie jak grafit i stały dwusiarczek molibdenu, po dodaniu zmniejszają swoją wytrzymałość, dlatego też zgodnie z wymaganiami rozsądnego doboru wypełniacza;
(2) Gęstość formowania materiału ściernego (lub porowatość materiału ściernego) wpływa na wytrzymałość spoiwa.
Gęstość formowania materiału ściernego jest niska, porowatość jest wysoka, a wytrzymałość spoiwa jest niska, podczas gdy wytrzymałość spoiwa jest wysoka.
Dlatego konieczne jest racjonalne zaprojektowanie parametrów porowatości narzędzia ściernego.
(3) Temperatura utwardzania, temperatura utwardzania wtórnego i krzywa wzrostu temperatury formy ściernej wpływają na wytrzymałość spoiwa.
Spoiwo musi mieć odpowiednią twardość i dobrą odporność na zużycie.
Siła spoiwa musi odpowiadać szybkości zużycia ściernych cząstek diamentu (lub cBN). Cząstki ścierne nie powinny odpadać przedwcześnie z powodu szybkiego zużycia spoiwa. W takim przypadku materiał ścierny nie zostanie w pełni wykorzystany, co spowoduje odpady.

3. Czynniki wpływające na narzędzia diamentowe ze spoiwem żywicznym

Narzędzia żywiczno-diamentowe powstają ze spoiwa żywicznego, wypełniacza oraz ścierniwa diamentowego, które następnie są mieszane i utwardzane metodą prasowania na gorąco.

Na jego właściwości wpływają również bezpośrednio spoiwo żywiczne, wypełniacz oraz ścierniwo diamentowe.

3.1 Wpływ spoiwa obejmuje głównie wpływ rodzaju i zawartości spoiwa itp.

(1) Wspólną cechą wszystkich rodzajów narzędzi diamentowych ze spoiwem żywicznym jest słaba odporność na ciepło. W procesie obróbki narzędzie diamentowe i obrabiany przedmiot łatwo nagrzewają się w wysokiej temperaturze, a po osiągnięciu wartości krytycznej spoiwo żywiczne diamentu odpada, a diament w stanie, który nie jest całkowicie stępiony, odpada, co znacznie zwiększa koszty obróbki.

Obecnie spoiwo żywiczne jest modyfikowane w celu zwiększenia jego odporności cieplnej.

Gao Liangchang zmodyfikował żywicę fenolową kwadratowym eterem alkilowym, a jej odporność cieplna może sięgać ponad 180 stopni.

Du Yang i in. zsyntetyzowali prepolimer borokrzemowy, kwas borowy, fenol i formaldehyd jako surowce do produkcji nowej borokrzemowej żywicy fenolowej BSP. Dzięki wprowadzeniu wiązania BO i organicznego łańcucha krzemu do struktury żywicy fenolowej, żywica BSP charakteryzuje się doskonałą odpornością na ciepło i wytrzymałością, a także lepszą odpornością na wodę i stabilnością podczas przechowywania.

Xiao Dongzheng i in. zastosowali BMI (bismaleimid) do modyfikacji żywicy fenolowej i otrzymali żywicę fenolową modyfikowaną bismaleimidem o dobrej odporności cieplnej.

(2) Wpływ zawartości spoiwa żywicznego.

Zawartość spoiwa żywicznego ma duży wpływ na wydajność obróbki narzędzi diamentowych.

W literaturze wprowadzono plasterki krzemu monokrystalicznego do ściernic, zawartość spoiwa żywicznego wzrosła, twardość ściernicy, wytrzymałość na ściskanie wzrasta stopniowo, gdy zawartość spoiwa żywicznego wzrosła do pewnego stopnia, wyższego niż w przypadku ściernicy zużycie ma tendencję do wolniejszego, powierzchnia ściernicy jest podatna na zjawisko blokowania w tym samym czasie, zawartość jest wyższa w tym samym czasie, tym poważniejsze jest zjawisko blokowania.

(3) Wpływ wielkości spoiwa żywicznego.

Wielkość cząstek proszku żywicy używanego do produkcji ścierniw diamentowych w Chinach wynosi przeważnie od 80 do 180 oczek. Istnieją dwie wady w tym zakresie wielkości, jedna z nich to wpływ na właściwości formowania ścierniw, druga to wpływ na właściwości spoiwa.

W procesie tłumienia proszek drzewny można podgrzać, aby zmiękł i miał pewną płynność, co pozwala uzyskać materiał ścierny powlekany, ale w procesie tłumienia materiałami wiążącymi jest ciśnienie w formie, przestrzeń jest ograniczona, zakres przepływu żywicy jest ograniczony, a gdy rozmiar cząstek proszku drzewnego jest gruby, część spoiwa ściernego nie jest mocna i odpada zbyt szybko.

3.3 Wpływ ściernego diamentu obejmuje przede wszystkim wpływ powłoki diamentowej, rodzaju i wielkości cząstek itp.

(1) Po pokryciu powierzchni diamentu metalem poprawia się wytrzymałość pojedynczych cząstek na ściskanie, a współczynnik zużycia ulega zmniejszeniu, co wydłuża żywotność.

W porównaniu z diamentami bez powłoki, ich konkretna funkcja obejmuje następujące aspekty:

(1) powłoka o powolnym impulsie cieplnym wiązania żywicy diamentowej przewodność cieplna powłoki jest mniejsza niż diamentu, więc narzędzia stykają się z ziarnami diamentowymi o natychmiastowej wysokiej temperaturze po powlekaniu żywicą, chroniąc w ten sposób natychmiast ścierne części żywicy, które nie są narażone na uszkodzenia spowodowane wysoką temperaturą;

(2) powłoka poprawiająca siłę wiązania diamentu i spoiwa, powłoka metalowa z diamentem wewnątrz, na zewnątrz i spoiwem żywicznym może zapewnić dobre wiązanie;

(3) powłoka poprawiająca wytrzymałość na kruszenie cząstek diamentu; metal platerowany po usunięciu defektów cząstek diamentu pełni rolę wzmacniającą, a powłoka zawiera ciągliwy metal, co sprzyja poprawie wytrzymałości na kruszenie cząstek;

(4) Powłoka na cząstkach ściernych pełni rolę izolacyjną, izolacyjną od tlenu i innych szkodliwych mediów, a jednocześnie podczas szlifowania w wysokiej temperaturze powłoka na grafityzacji kryształu diamentu może pełnić funkcję hamującą.

(2) Krajowi i zagraniczni producenci materiałów supertwardych opracowali stosunkowo szczegółową klasyfikację materiałów ściernych supertwardych, wśród których do przygotowywania narzędzi diamentowych wiązanych żywicą stosuje się głównie niskiej jakości materiały ścierne diamentowe lub materiały ścierne diamentowe o wysokiej ostrości własnej i właściwościach mikrokruszenia, poddane specjalnej obróbce technologicznej.