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浙江工业大学硕士学位论文 光固化树脂砂轮制造技术研究 摘要 采用光固化树脂作为结合剂制造砂轮是一种全新的磨具洁净和 快速生产工艺。本文分析了光固化树脂层间结合机理，根据机械结合 理论，增加表面粗糙度，增强层间结合强度。研究结果表明，该方法 可有效提高层间结合强度。根据光固化树脂制造原理，自制光固化树 脂砂轮制造的实验装置，并且通过该实验装置制造光固化树脂砂轮。 通过磨削实验证实了在光固化树脂结合剂砂轮制造过程中，对层间结 合强度的改善措施，可有效提高层间结合强度，且砂轮具有同类树脂 砂轮的磨削性能。 第一章介绍了磨削加工领域和光固化技术的研究现状，并简单介 绍了本课题的研究背景，在此基础上提出了本论文的研究内容以及研 究意义。 第二章阐述了磨料和结合剂的基本特性，分析光固化树脂结合机 理。然后对传统树脂砂轮和光固化树脂砂轮的制造工艺作了比较分 析。 第三章提出了一种基于磁场力作用的光固化工艺方法制造光固 化树脂砂轮，实验证明该方法可有效提高层间结合强度。在自制实验 装置上成功制造了光固化树脂砂轮。 第四章用光固化树脂砂轮对玻璃的初步磨削实验，通过对砂轮的 磨损表面和工件的表面粗糙度分析表明，光固化树脂砂轮能够满足磨 t 浙江工业大学硕士学位论文 削要求。 第五章概括了全文的主要结论，并在此基础上对理论上和技术上 所要做的工作做了进一步展望。 关键词：光固化树脂，砂轮，层间结合强度，分层堆积 i i 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h e m a n u f a c t u r i n g p r o c e s so f p h o t o s e n s i t i v er e s i n g r i n d i n g w h e e l s a b s t r a c t i tw a saf i r e n e wt e c h n i c sf o rm a n u f a c t u r i n gg r i n d i n gt o o l s a d o p t i n gp h o t o s e n s i t i v er e s i na sb o n dm a t e r i a lt om a k eg r i n d i n g w h e e l s i nt h i sp a p e r ，t h el a y e r - t o l a y e rb o n d i n gm e c h a n i s mo f p h o t o s e n s i t i v er e s i nw a sa n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo f m e c h a n i c a lb o n d i n g ，l a y e r t o l a y e rb o n ds t r e n g t hw a si m p r o v e d b ym a k i n gt h es u r f a c eb e c o m em o r er o u g h n e s s t h er e s e a r c h s h o w e d l a y e r t o l a y e r b o n d s t r e n g t hh a d b e e n e f f e c ti v e l y i m p r o v e db yt h em e t h o d b a s e do nt h em a n u f a c t u r i n gm e c h a n i s m o fp h o t o s e n s i t i v er e s i ng r i n d i n gw h e e l s ，t h ee q u i p m e n tt om a k e p h o t o s e n s i t i v er e s i ng r i n d i n gw h e e l sh a db e e ns e tu p ， a n dt h e p h o t o s e n s i t i v er e s i ng r i n d i n gw h e e l sh a db e e n m a d eb yt h i s e q u i p m e n t t h el a y e r t o l a y e rb o n ds t r e n g t hw a sp r o v e dt h a th a d b e e ni m p r o v e db yt h eg r i n d i n ge x p e r i m e n t s ，a n dc o m p a r et ot h e t r a d i t i o n a lg r i n d i n gw h e e l s ，t h ep h o t o s e n s i t i v er e s i ng r i n d i n g w h e e l sh a d t h es i m il a rg r i n d i n gp e r f o r m a n c e i nc h a p t e ro n e ，t h es i g n i f i c a n c ea n d t h ec o n t e n to ft h e p a p e r w a se x p o u n d e do nt h eb a s i so ft h eg e n e r a ld i s c u s s i o na b o u t i i i 浙江工业大学硕士学位论文 t h ed e v e l o p m e n th i s t o r y ，p r e s e n ts i t u a t i o na n dt h ed e v e l o p i n g t r e n do nt h eg r i n d i n gt e c h n o l o g y i nc h a p t e rt w o ，t h ec h a r a c t e ro fa b r a s i v ep a r t i c l e sa n d b o n d i n gm a t e r i a lw e r ei n t r o d u c e d a n dt h eb o n d i n gm e c h a n i s mo f p h o t o s e n s i t i v er e s i nw a sa n a l y z e d ，t h et h e o r yf i tf o ri m p r o v i n g t h el a y e r t o l a y e rb o n ds t r e n g t hw a sd is c u s s e d t h e ns o m es t u d y o nt h et e c h n i c so fm a n u f a c t u r ea b o u tt r a d i t i o n a lg r i n d i n g w h e e l sa n dp h o t o s e n s i t i v er e s i ng r i n d i n gw h e e l sw e r ec a r r i e d i nc h a p t e rt h r e e ，i tp r o p o s eam e t h o do fu vc u r i n gw h ic h b a s e do nt h em a g n e t i cf o r c e ，a n dt h el a y e r t o l a y e rb o n d s t r e n g t hw a sp r o v e dt h a th a db e e ni m p r o v e db yt h ee x p e r i m e n t o ft e n s il es h e a r ，t h ep h o t o s e n s i t i v er e s i ng r i n d i n gw h e e l sh a d b e e nm a d eb yt h ee q u i p m e n tw h i c hw a sm a d eb yt h ea u t h o r i nc h a p t e rf o u r ，t h eg r i n d i n gs u r f a c eo fg r i n d i n gw h e e ls a n dt h es u r f a c er o u g h n e s so ft h ew o r kp ie c ew e r ea n a l y z e db y t h e g r i n d i n ge x p e r i m e n t ，t h e r e s u l ts h o w e dt h a t t h e p h o t o s e n s i t i v er e s i ng r i n d i n gw h e e lh a dt h es i m i l a rg r i n d i n g p e r f o r m a n c e i nc h a p t e rf i v e ，t h em a i nc o n c l u s i o n sw e r eg a t h e r e du p ，a n d t h ef u r t h e rw o r ko nt h et h e o r ya n dt h et e c h n o l o g ya l s o p r o s p e c t e d k e yw o r d s ：g r i n d i n gw h e e l ， p h o t o s e n s i t i v er e s i n ， i v 浙江工业大学硕士学位论文 l a y e r t o l a y e rb o n ds t r e n g t h ，l a y e rd e p o s i t i n g v 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名：袭狴千 日期：露年歹月声日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密阢 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：贾耀千 刷谧易审 ，名。，i l fl 、 1 日期：旅年月j 乙日 日期韧庐月2 - e l 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 磨削加工及超硬磨粒砂轮研究现状 1 1 1 磨削加工技术概述 一般来说，按砂轮线速度k 的高低将磨削分为普通磨削( k 4 5 m s ) ，高速 磨削( 4 5 m s v 。 1 5 0 m s ) ；按磨削精度分为普通磨削， 精密磨削( 加工精度i - - - 0 1i tm ，表面粗糙度r a o 2 o 1i tm ) ，超精密磨削( 加工 精度 0 1i tm ，表面粗糙度r a o 0 2 5i tm ) ；按磨削效率分为普通磨削，高效磨 削，高速高效磨削，超高速磨削。据报道，德国a a c h e n 大学正在进行目标为5 0 0 r 1 1 m s 的磨削实验研究；在实用磨削方面，日本已有2 0 0 m s 的磨床在工业中应用1 。 国内外都采用超精密磨削，精密修整，微细磨粒磨具进行亚微米级以下切深 磨削的研究，以求得亚微米级的尺寸精度。日本镜面磨削时使用的砂粒度为 4 0 0 0 # m 8 0 0 0 # ，其微粉的平均尺寸为1 5 4um ，加工后工件表面粗糙度可达 0 0 0 1 0 0 0 3i lm 。同时，日本开发了电解在线修整( e l i d ) 超精密镜面磨削技术， 使的用超细微超硬磨粒制造砂轮成为可能，可实现硬脆材料的高精度、高效率的 超精密磨削。作平面研磨运动的双端面精密磨削技术，其加工精度，切除率都比研 磨高得多，且可获得很高的平面度。电泳磨削技术也是一种新的超精密级纳米磨 削技术。它是在机床无切深进给条件下，利用吸附在磨粒层本身厚度的增加来实 现微量进给。在普通磨床上应用该技术，不仅可以有效地降低工件表面粗糙度， r ，1 同时还可以实现微米级的磨削精度卜1 。 随着磨削加工技术的发展，磨床在加工机床中也占有相当大的比例。据1 9 9 7 年欧洲机床展览会( e m o ) 的调查数据表明，2 5 的企业认为磨削是他们应用的最主 要的加工技术，而车削只2 3 ，其它占8 ：而磨床在企业中占机床的比例高达4 2 ， 车床占2 3 ，铣床占2 2 ，钻床占1 4 。我国从1 9 4 9 一- - 1 9 9 8 年，开发生产的通用磨 床有1 8 0 0 多种，专用磨床有几百种，磨床的拥有量占金切削机床总拥有量的1 3 浙江工业大学硕士学位论文 左右。由此可见，磨削加工技术及磨床在机械制造业中占有极其重要的位置【3 。 1 1 2 超硬磨粒砂轮 目前市场上砂轮种类比较多，它们具有各自的优点及适用场合，但是在超硬 磨粒的结合剂砂轮中，主要有金属结合剂、陶瓷结合剂和树脂结合剂。 1 、金属结合剂砂轮，它是属于超硬磨粒专用的结合剂，由青铜、钴、钢和铸 铁等金属粉末烧结而成，合金( 基材) 上只有一层( 最近也出现了镀多层磨粒的 砂轮) 磨粒层，使用电镀法固定磨粒。 一般在金属结合剂砂轮中，多数是根据粉末冶金制成的砂轮。填料大部分是 固态润滑剂，无气孔型。因此，修形后必须要修锐。金属结合剂对磨粒的把持力 在结合剂是最强的，但相反切削刃的再生作用很差。因此，这种结合剂使用在工 件比较容易被磨削和对砂轮的磨损或变形要求不高的加工中。 电著砂轮，与其它的结合剂砂轮相比，其切削刃的间隔很大，因此在超精密 磨削中得到的面形粗糙度很差，但具有修锐和修形容易的特点。但是，电著砂轮 是在安装磨削盘后对砂轮进行修锐，由于砂轮的振动使修锐不能进行，磨削精度 恶化。而且与一般精密磨削用的砂轮相比砂轮表面的磨粒密度低，磨粒切削刃的 高度也参差不齐，使磨削粗糙度恶化。切削刃的磨损和磨粒的脱落不会有新切削 刃的再生。因此，磨削抵抗在磨削初期很小，但与磨削时间一起增加，而且跨度 很大。为了提高超精密磨削的面形精度，用小切削进给量修整方法进行修整。 电铸砂轮，用分散电镀技术在合金或金属模具上铸上一层磨粒层，一般使用 镀镍( n i ) 。这种方法适合制造特别薄的砂轮，在硅片、半导体芯片的分离中使 用的划片就是典型的例子，厚度大约是1 5um 。 电铸刀片比树脂刀片或烧结类型的金属刀片的弹性模量高，也有很高的韧 性。除了上面所说到的划片以外，像对切割弯曲精度要求极高的精密切割中使用 0 1 - 0 5 m e 的电铸刀片。但是，其刀刃的锋利程度比树脂刀片要差一些，不适用 于对高硬度陶瓷进行切割。 2 、树脂结合剂，一般使用的苯酚树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂和聚酰亚胺 树脂等有热固化性质的树脂。其中，最常使用的是苯酚树脂。三聚氰胺树脂或聚 酯树脂专门适用于轻磨削中。环氧树脂有很好的耐水性，但耐热性低，因此不适 2 浙江工业大学硕士学位论文 用于一般的砂轮中。聚氨酯树脂的耐热性也很低，但能制造强度大的砂轮。聚酰 亚氨树脂的耐热性好，一般使用在重磨削或加工难切削材料的超硬磨粒砂轮中。 在树脂结合剂砂轮中，普通的磨粒砂轮的结合剂是有孔型的苯酚树脂( 酚醛 树脂) 。通常，磨粒被液体状的苯酚树脂覆盖，然后与粉末状的苯酚树脂混合， 在室温下成形( 冷压机) ，在1 8 0 - - 1 8 5 下烧结。烧结时间一般为几十小时，大 型的、特别是厚度很厚的也有在1 0 0 小时以上。另一方面，超硬磨粒砂轮中基本 上没有气孔型的，因此在烧结的同时还需要加压( 热压机) 。也有将液态树脂当 润滑剂使用的场合，烧结温度与冷压机的场合相同，聚酰亚氨树脂为3 0 0 - - , 3 5 0 【8 9 】 3 、陶瓷结合剂，其成分有粘土、长石和石英等，大约需要在1 3 0 0 的高温 用长时间( 约3 0 h ) 来烧结而成。其对磨粒得保持力很强，但也有很高的脆性， 使用于精密磨削的砂轮基本上都是用的是这种结合剂。由于有气孔，所以进行修 形的同时可以进行修锐。特别是对普通砂轮，可以用单金刚石工具进行修形。 在超硬磨粒砂轮中一般使用磁性材料，或被称为汽车玻璃的硼系玻璃和结晶 玻璃【1 0 一14 1 。在c b n 磨粒中，结合剂中的组成元素( b ) 会引起一些化学反应， 所以相对于树脂结合剂和金属结合剂，它对磨粒的保持力要强固的多。因此，即 使对粒度比较大的砂轮进行修形或者修锐，也能够使磨粒的前端破碎成微小的切 削刃。与此相对，金刚石磨粒表面化学稳定性强，陶瓷结合剂对磨粒的保持力小， 所以就不能期待用修锐或修形来形成新的切削刃。因此，金刚石砂轮一般使用比 c b n 磨粒粒度小的磨粒。 而且，金刚石磨粒热点低，低熔点不活跃的气体氛围中烧结而成。烧结温 度为6 0 0 - 8 0 0 。c 陶瓷结合剂金刚石砂轮制造方法分为两种方法： 1 ) 像普通砂轮那样把已经搅拌好的原料放入金属模中，在室温下加压成形 后干燥，加热烧结而成。 2 ) 将原料烧结成形填入，在烧结炉中同时加压的烧结方法。 方法2 ) 是按照磨粒、骨材和结合材料的比例进行加工，分为有气孔和无气 孔。使用方法2 ) 比用方法1 ) 制造出的砂轮具有气孔尺寸小，气孔数量多等特 点。在使用方法2 ) 制造无气孔砂轮时，会添加胸墨等固体润滑剂作为添加剂， 浙江工业大学硕士学位论文 而且像对c 口a ：等烧结后，可将液体润滑剂当作气孔形成剂来使用。 1 1 3 磨削技术发展的几个推动因素 磨削加工技术之所以能够不断发展，其主要原因：( 1 ) 加工精度高：由于磨削 具有其它加工方法无法比拟的特点，如砂轮上参与切削的磨粒多，切削刃多且几 何形状不同；仅在较小的局部产生加工应力；磨具对断续切削，工件硬度的变化 不很敏感；砂轮可实现在线修锐等，因而可使加工件获得很高的加工精度。( 2 ) 加工效率高：如缓进给深磨，一次磨削深度可达到o 2 5 m m ，如果将砂轮修整成所 需的形状，一次便可磨出所需的工件形状。而当进给速度进一步提高后，其加工 效率则更高。( 3 ) 工程材料的发展：由于许多新的材料在工业中的应用不断扩大， 而有些材料只能用磨削加工，所以需要新的磨削技术及磨削工艺与之相适应。( 4 ) 新的磨粒磨具：如s g 磨粒，人造金刚石砂轮和c b n 砂轮的出现，扩大了磨削加工的 应用范围。s g 磨粒的磨削性能介于刚玉与c b n 之间，价格适中。金刚石砂轮适用于 磨削硬、脆金属和磨削硬质合会、光学玻璃、陶瓷和宝石等高硬脆性大的非金属 材料。c b n 砂轮适用于磨削淬硬钢和耐热合金钢等高硬度韧性大的金属材料。( 5 ) 相关技术的发展：如砂轮制造技术，控制技术，运动部件的驱动技术等，都能促 进磨削技术及磨削装备的发展。 随着材料科学的发展、新型工程材料的大量出现及其在工程上的应用，为磨 削加工提出了新的任务和课题。磨粒磨具行业研究和开发新型磨粒、磨具，特别 是研究和开发超硬超微细磨粒及其磨具的制造技术，以适应超精密磨削、超高速 磨削。砂轮作为磨削加工中最主要的一种磨具，在磨削领域应用最为广泛，开发 出新型砂轮对磨削加工的发展有着重要的作用。 1 2 光固化技术的研究现状 1 2 1 光固化技术概述 所谓光固化技术是指光固化树脂经过光照后发生聚合变化由液态转化为固 态的一种技术。光固化树脂至少需要三种化学成分：单体、活性预聚物和光引发 剂。前二者之中必须有一种是含有两个或两个以上不饱和键的化合物。单体和光 4 浙江工业大学硕士学位论文 引发剂均匀溶解于活性预聚物中，当紫外光照射这个体系上时，光引发剂吸收紫 外线辐射能量而生成自由基，这些自由基与单体和活性预聚物发生连锁反应。随 着反应的进行，分子链不断变长，并且始终都带有一个自由电子，这就是链增长 机理。当两个增长的链自由基相遇时形成更长的链或链间交链而终止反应，即发 生所谓双基终止。此外，增长的链自由基与氧相遇亦可导致链增长反应的终止。 但是只要保持光照，自由基的不断生成会抑制液态树脂中自由氧分子的存在，固 化反应就可顺利进行下去。紫外线消失后，由于缺乏新的自由基，氧就有充分的 机会与自由电子结合，从而抑制了聚合反映的继续进行，这就是链终止机理。可 r 1c 1 见，控制氧在树脂表面的存在和扩散是控制固化反应的关键“。 1 2 2 光固化技术在实际生产中的应用 在5 0 年代初时美国首先把光固化技术应用于感光树脂印刷板的制造。随着光 固化技术的发展，光固化技术在快速原型制造( r p ) 、模具制造、医疗以及微型制 造中都得到了广泛的应用，光固化树脂本身也得到迅速发展，其种类不断丰富、 性能不断提高【1 6 j 。 光固化技术在快速成型制造技术的发展中起到了重要作用。快速成型制造技 术是2 0 世纪8 0 年代末出现的一门综合性、交叉性前沿技术。它可以自动、快速地 将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型或直接制造零部件，从而可以对产 品设计进行快速评价、修改，以响应市场需求，提高企业的竞争力。快速成型技 术的工艺方法目前己有十余种、如光固法( s l ) 、叠层法( l o w ) 、激光选区烧结法 ( s l s ) 、熔融沉积法( f d m ) 、掩模固化法( s g c ) 、三维印刷法( t d p ) 、喷粒法( b p m ) 等。其中光固法是最早商品化、市场占有率最高的r p 技术。光固化法快速成型技 术的基本原理是在1 9 8 0 年首先由日本工业技术研究院的小玉秀男提出，1 9 8 6 年美 国推出第一台原型机，1 9 8 8 年美国的3 ds y s t e m 公司展示出了第一台商品化的“快 速原型机”。它是集c a d c a m 技术、激光应用技术、光刻技术和光化学技术为一 体的立体制造技术【1 7 2 0 1 。 光固化树脂在磨具结合剂中的应用研究最早始于日本立命大学的田中武司 等人，主要是研究光固化平面磨削砂轮的快速制造工艺，研究结果表明，将光敏 浙江工业大学硕士学位论文 树脂作为结合剂，其砂轮的制造过程完全可以通过类似快速造型的工艺来完成， 磨削实验也证明了光敏树脂砂轮的可行性。日本主要利用光敏树脂制造切割锯片 和切割丝锯，并且有将电场或磁场理论应用于此，以控制超微纤维的方向，从而 改变固化后的产品的机械性能【2 1 1 。 国内开始研究光敏树脂应用于砂轮结合剂的主要是浙江工业大学的彭伟等 人，通过添加微粉的方法对光敏树脂进行改性，己经初步实现了圆盘状平面磨削 砂轮和超薄型切割砂轮的制造。由于没有深入研究和设法解决结合剂本身的机械 性能和与磨粒的结合性能，砂轮的强度和使用寿命等问题都没有得到很好的解 决。 1 3 论文的背景及主要研究内容 1 3 1 本课题的背景 以树脂为结合剂的磨具是目前应用较为广泛的一种砂轮，以金刚石磨具为 例，其中树脂类磨具约占6 0 7 0 2 2 】。用树脂结合剂制造的砂轮，树脂硬化温 度低，收缩率小，可制成多种复杂形状的砂轮，并可埋入金属环和玻璃丝网布等 补强材料，故砂轮回转强度高，能在重负荷或冲击力大的恶劣条件下工作。但目 前的市场上的树脂砂轮均为热固化或热塑型树脂砂轮，这种砂轮存在制造过程周 期长，耗费能源，制造过程中需要几十小时保持高温高压等一系缺点，这种制造 工艺也增加了砂轮的成本，且在固化成型过程中会产生有害气体，对人体、环境 都会产生不利的影响。本研究提出以光固化树脂来替代热固化树脂作为结合剂制 造砂轮，可以弥补这些不足之处。与热固型树脂相比较，光固化树脂具有以下特 点： 1 ) 固化时间短，可在几秒内固化。 2 ) 光固化树脂是吸收一定的波长，发生聚合反应和交联反应，在反应过程中 不产生任何有害气体，所以节省能源，清洁，无污染，制造工艺简单。 3 ) 可避免磨粒团聚现象，由于紫外光固化树脂为液体，在搅拌过程中包裹在 磨粒表面，使磨粒无法团聚。 所以如果能用光固化树脂代替热固化树脂作为结合剂制造砂轮，不仅可以缩 6 浙江工业大学硕士学位论文 短制造周期，节省能源，减少生产成本，而且也具有很大的市场潜力。以光固化 树脂作为结合剂的磨具国内外一些研究机构已经作了不少的研究工作，国外的有 日本东京大学田中武司等人，而在国内则以浙江工业大学机电学院彭伟教授为 主，研究现状：磨粒与光固化树脂结合剂之间结合性能的研究；以光固化树脂作 为结合剂的磨具已有初步的研究，但尚未市场化；磨粒与光固化树脂结合剂之间 的结合性能进行了一定的研究；光固化树脂结合剂磨具的固化过程进行理论研 究。 对于磨粒与树脂之间的结合性能以及光固化树脂磨具的固化过程浙江工业大 学高涛在硕士及博士的课题中已经作了较深的研究，本文主要针光固化树脂砂轮 制造过程中，由分层堆积这种特殊工艺而引起的层间结合强度问题进行研究，提 出改善解决方法，制造光固化树脂砂轮。 1 3 2 主要研究内容 本文提出了一种基于磁场力作用的光固化工艺方法制造光固化树脂砂轮，有 效地改善了光固化树脂砂轮层间结合强度，实验研究表明所提出的方法是有效 的。具体研究内容有： 1 ) 光固化树脂砂轮层问结合强度分析 光固化树脂砂轮由逐层固化而成，因此而带来层间结合强度的问题。首先深 入地对层间结合强度进行研究分析，以机械粘结理论为依据，提出了一种基于磁 场力作用的光固化工艺方法制造光固化树脂砂轮，经实验证明该方法对层间结合 强度的改善有显著作用。 2 ) 光固化树脂砂轮制造实验装置的的研制 根据光固化树脂树脂砂轮的制造原理，设计构建了用于制造光固化树脂砂轮 的实验装置。该实验装置主要包括三大部分，即动力及传输部分( 微型电机，传 输及砂轮基体等) ，紫外灯及附属部分( 紫外灯，灯箱，风扇等) ，供料部分( 喷 头组件，空压机，气压阀等) 。 3 ) 光固化树脂砂轮的制造及其关键工艺环节 利用砂轮制造的实验装置研制砂轮，研究了光固化树脂砂轮制造过程中的关 键工艺环节。通过试验，总结得出了电机转速和供料气压的协调关系，并且解决 7 浙江工业大学硕士学位论文 了影响砂轮涂敷的气泡和树脂黏附问题。试验过程中得出适合制造光固化树脂砂 轮的工艺路线。 4 ) 光固化树脂砂轮磨削试验 主要对光固化树脂砂轮进行磨削实验，通过磨削实验表明，以这种工艺制造 的光固化树脂砂轮在强度和结合度方面基本符合砂轮要求。层间结合强度改善的 砂轮，其结合强度，基本满足磨削要求，而层间未处理过的砂轮在修整以及磨削 时都有不同程度的层间脱落现象。 1 3 3 本课题的主要创新点 本文以机械结合理论为依据，提出了一种基于磁场力作用的光固化工艺方法 制造光固化树脂砂轮，有效地改善了光固化树脂砂轮层间结合强度，实验研究表 明所提出的方法对层间结合强度的改善作用显著。磁场力作用的光固化工艺，即 在光固化树脂中添加磁性微粒，并在在固化过程中施加强磁场，使磁性微粒凸起， 增大表面面积和粗糙度，从而提高层间的结合强度，使之能够满足磨削要求。 1 4 本章小结 1 ) 介绍了磨削加工技术国内外发展现状和超硬磨粒结合剂砂轮的现状。 2 ) 简要述说光固化技术的原理及其应用领域。目前光固化技术应用领域主 要在快速原型制造( r p ) 、模具制造、医疗以及微型制造中都得到了广泛的应用， 光固化树脂树脂作为结合剂的磨具尚在在实验研究阶段。 3 ) 对本论文的背景、研究内容及创新点作概述。砂轮作为应用最广泛的磨 具，其制造成本和性能的改善对机械3 n t - 业将起重要的影响。本文主要从光固化 砂轮层间结合强度的改善，砂轮制造装置的研制，砂轮制造的工艺等几个方面进 行研究。 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章树脂砂轮制造技术 砂轮是用磨粒和结合剂等制成的中央有通孔的圆形固结磨具。在研究砂轮制 造技术前对磨粒和结合剂的性质进行分析是非常必要的，本章将先对磨粒和结合 剂的性质作阐述，然后再分别对传统树脂砂轮制造工艺和光固化树脂砂轮制造技 术进行理论研究。 2 2 磨粒 2 2 1 磨粒的基本性质 1 ) 硬度，通常是指外力侵入时物体所表现的抵抗能力。磨粒硬度比工件硬度 高是实现磨削加工的重要条件。 2 ) 韧性，磨粒的韧性是指磨粒在磨削力的作用下抵抗破碎的能力。在磨削过 程中，磨粒的磨损与磨粒的硬度、抗热震能力、抗冲击、抗震动、抗压以及抗磨 蚀能力密切相关，所有这些性能综合在一起可用“韧性”表达，因此韧性这个概 念体现了多项理化性质，对它确切定义很难，主要是通过试验进行。磨粒的韧性 愈高，金属的单位磨下量也愈多，但韧性过高会影响磨粒的自锐性，磨粒行业测 定的，实际上是脆性，即磨粒在外力作用下的抗破碎能力口在磨削加工中磨粒的 尖角磨钝后能局部破碎，露出新的尖角作为切削刃，继续加工。 3 ) 物化稳定性能，在磨削加工产生的高温和磨削力作用下，磨粒既要保持高 硬度又要避免同工件、冷却液之间发生化学反应，否则磨削加工难以进行。 4 ) 堆积密度，磨粒的堆积密度是粒状磨粒在自然堆积情况下，在空气中单位 体积内所含的质量，单位是g c m 3 。 2 2 2 磨粒的种类 使用磨削砂轮主要是使用其磨粒部分，磨粒主要分为刚玉系、碳化硅系、氧 化锆系、金刚石、立方氮化硼。前三者为普通磨粒，与此相对，后两者由于具有 9 浙江工业大学硕士学位论文 高硬度、高韧性和高耐磨等优良特性而被称为超硬磨粒。 1 ) 白刚玉，白色，刚玉的基本品种，条状结构。强度高、耐磨，磨粒易碎 裂，棱角锋利，磨削能力强，效率高，发热量较小。但韧性偏低，磨削时易切入 工件，其硬度略高于棕刚玉，价格高于棕刚玉。白刚玉砂轮可用于薄壁零件、高 速钢、合金钢、淬火钢工件的普通磨削，也可用于齿轮磨、螺纹及成型磨，同时， 也用于磨削轴承钢，汽车钢套等硬度较高的钢材，有人也称白砂轮。 2 ) 棕刚玉，棕褐色( 经过烧制后变为灰色) ，刚玉的基本品种，块状结构。硬 度高、韧性大。其二级品磨粒常用作磨米砂轮、树脂切割砂轮、砂瓦、砂布、砂 纸等等。棕刚玉砂轮广泛用于普通钢材的粗磨，还适合于磨加工抗张强度高的金 属，在缺少其他磨粒的情况下，一般可由它来代替。有人也称灰砂轮或黑砂轮。 3 ) 铬刚玉，为白刚玉的派生品种，玫瑰色。棱角保持性好，磨粒切削刃锋 利，光洁度好，精度高，耐用度较高。硬度与白刚玉相近，韧性略高于白刚玉且 强度高，通常较白刚玉具有更好的磨削性能。铬刚玉砂轮，应用范围与白刚玉砂 轮相似，适用于工具钢，合金钢，淬火钢的内园磨及成型磨，尤其适于各种刀具、 量具仪表零件对光洁度要求较高的工件的精磨，有人也称红砂轮。 4 ) 单晶刚玉，淡黄色，球型多棱角结构。磨粒颗粒是由单一晶体组成，有 良好的多棱切削刃。硬度高、韧性大、磨削能力强，磨削发热量少，抗破碎性较 强，但生产成本较高。单晶刚玉砂轮可用于磨削较硬且韧性好的难磨金属材料， 如不锈钢、高钒高速钢、耐热合金钢，以及刃具、量具、铜、铝合金材料等易变 形、易烧伤的工件，考虑其成本的因素，所以一般只推荐用于耐热合金和难磨金 属材料的磨削。 5 ) 绿碳化硅，绿色，硬度高，脆性较大，磨粒锋利，导热性好，有一定的 韧性。绿碳化硅砂轮用于光学玻璃、硬质合金、钛合金、玛瑙、汽缸套、轴承钢 的研磨抛光，高速钢刀具的刃磨，还可用于热能原件、陶瓷等硬脆材料的磨削， 有人也称绿砂轮或青砂轮。 6 ) 黑碳化硅，黑色，硬度高，磨粒锋利，有光泽，具有良好的电热传导性， 韧性低，性脆。黑碳化硅砂轮多用于切割和研磨抗张强度低的材料，有色金属材 料、灰铸铁工件、玻璃、陶瓷、矿石和耐火制品等。如铸铁、黄铜、铅、锌等金 属材料及橡胶、皮革、塑料等非金属材料。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 7 ) 金刚石，人造金刚石又称“工业钻石”，它和天然金刚石一样，是当今人 们已知自然界中最硬的物质，用于超硬合金、半导体材料、玻璃、陶瓷和石材等 高硬度脆性大的材料( 一般通称为硬脆材料) 磨削加工。但由于金刚石在空气中 约8 0 0 以上时表面容易被氧化，到1 3 5 0 时开始被碳化。特别是以铁作催化剂 其反应更明显，因此金刚石磨粒不用于对钢类，特别是对低碳钢的磨削。 8 ) 立方氮化硼，氮化硼是由氮原子和硼原子所构成的晶体，硬度仅次于金 刚石。立方氮化硼 c b n ) 砂轮主要用于各种工具钢、硬质合金、耐热合金钢工件 的磨削加工，其磨削效率高、砂轮消耗较慢、磨削力小、磨削发热量少、不易堵 i 0 1 塞，一般不会出现工件烧伤现象卜“。 2 3 结合剂 2 3 1 结合剂和砂轮的一般特性 粘黏磨粒形成砂轮，是结合剂的主要目的。因此，结合剂对磨削比( 在磨削 中也就是磨掉的工件体积与砂轮磨损体积之比) 等磨削性能起着很重要的作用。 普通砂轮使用的是陶瓷结合剂和树脂结合剂，而且占砂轮组成的大部分。树脂结 合剂砂轮，在粗加工的重磨削和切割磨削中使用较多。与陶瓷结合剂砂轮相比， 树脂结合剂砂轮对磨粒的把持力要差一些，切削刃还没有完全被磨顿时，磨粒就 脱落。因此，在重磨削中不使用树脂结合剂砂轮。与此相反，陶瓷结合剂砂轮方 面，结合剂属于陶瓷类的，一般使用于脆性高的精密磨削中。而且一般的陶瓷结 合剂和树脂结合剂砂轮，也是具备了砂轮三要素的有气孔型砂轮。 在超硬磨粒砂轮中使用的结合剂有金属结合剂、陶瓷结合剂和树脂结合剂 ( 在金刚石砂轮中，金属结合剂和树脂结合剂使用的较多) 陶瓷结合剂砂轮都有 气孔，而树脂结合剂砂轮，在镜面磨削中小部分有气孔，大部分都是无气孔型的。 金属结合剂砂轮属于无气孔型的。在有气孔的砂轮中，只需要对砂轮的外形进行 修整，就能实现气孔的容屑槽作用，还能得到新的切削刃；如果只是对无气孔的 砂轮进行修整，但由于磨粒被埋在结合剂中，切削刃仍然不能实现其切削能力。 因此，要适当除去磨粒周围的结合剂，使磨粒的切割刃露出，同时容屑槽的作用 也是必不可少的，称为修锐。 浙江工业大学硕士学位论文 以金刚石砂轮为例子，一般的金属结合剂砂轮用于对石材、玻璃和半导体等 相对比较容易磨削的材料，用于砂轮形状容易被破坏的磨削中。树脂结合剂砂轮 针对碳化硼或氮化硼陶瓷那样的高硬度难切削材料的磨削，也可用于对玻璃或低 硬度陶瓷的磨削中，在有粗糙度或精密度的要求的精密磨削中加工中同样适用。 陶瓷结合剂砂轮的性质处于前两者之间。 在普通磨粒方面，陶瓷结合剂或是树脂结合剂的粘黏性很好，根据结合剂率 的改变，结合度，即对磨粒保持力的程度也会跟着改变m 。 2 3 2 结合剂的种类 1 ) 陶瓷结合剂( 符号：v ) 在j i s 中用符号v 表示陶瓷结合剂，其成分 有粘土、长石和石英等，大约需要在1 3 0 0 的高温用长时间( 约3 0 h ) 来烧结而 成。其对磨粒得保持力很强，但也有很高的脆性，使用于精密磨削的砂轮基本上 都是用的是这种结合剂。 2 ) 树脂结合剂( 符号：b ) 在j i s 中用符号b 表示树脂结合剂( 根据苯酚 树i i i ；i 成的商品名称“贝克莱特酚醛树脂( b a k e l i t e ) ”的b ，不是树脂( r a s i n ) 的r ，r 是指橡胶结合剂) 。一般使用的苯酚树脂、环氧树脂、聚氨酯树脂和聚酰 亚胺树脂等有热固化性质的树脂。其中，最常使用的是苯酚树脂。三聚氰胺树脂 或聚酯树脂专门适用于轻磨削中。环氧树脂有很好的耐水性，但耐热性低，因此 不适用于一般的砂轮中。聚氨酯树脂的耐热性也很低，但能制造强度大的砂轮。 聚酰亚氨树脂的耐热性好，一般使用在重磨削或加工难切削材料的超硬磨粒砂轮 中。 3 ) 氯氧化物结合剂( 符号：m g ) 氧化镁和氯化镁混合形成胶泥状，制成 的砂轮称为氧化镁砂轮。其结合剂的组成以m m g c l n i l 2 0 为代表。由于其在磨 削中不容易出现烧痕，因此充分发挥了切削中的作用。但是另一方面其耐水性低， 成分中的氯化物影响磨削盘作用的发挥，所以其应用范围有限。 4 ) 橡胶结合剂( 符号：r ) 硬橡胶是由硬质的橡胶制成，弹性丰富，用于 砂轮切割或空心磨削的调整轮中。 5 ) 虫胶结合剂( 符号：e ) 虫胶是热可塑性的天然橡胶，富有弹性，用于 镜面磨削中的砂轮中，目前在树脂结合剂的砂轮中也使用较多。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 6 ) 海绵胶结合剂( 符号：s p ) 海绵胶是聚乙烯醇纤维，又是聚氨酯橡胶等 海绵状的结合剂。海绵胶结合剂砂轮是弹性砂轮，p v a 砂轮是其中的一种。p v a 砂轮的结合剂是由聚乙烯醇的乙缩醛化合物制成的结合剂。弹性砂轮是根据结合 剂的弹性效果，使磨粒切削刃的切入深度一致，常用在超精密磨削或滚动磨削中 的镜面磨削里。通常干式磨削中使用油性磨削液润滑，由于现已开发出了耐水性 的结合剂，因此也可使用水溶性磨削液。 7 ) 金属结合剂( 符号：m ) 在j i s 中用符号m 表示金属结合剂。它是属于 超硬磨粒专用的结合剂，由青铜、钻、钢和铸铁等金属粉末烧结而成，合金( 基 材) 上只有一层( 最近也出现了镀多层磨粒的砂轮) 磨粒层，使用电镀法固定磨 粒( 电著砂轮) ，要与用铸造法制成的砂轮( 电铸砂轮) 区分开，一般这种结合 r ， c 1 剂的成分大部分是青铜和钴p 训。 2 4 光固化技术原理 2 。4 1 光固化原理 光固化树脂至少需要三种化学成分：单体、活性预聚物和光引发剂。前二者 之中必须有一种是含有两个或两个以上不饱和键的化合物单体和光引发剂均匀 溶解于活性预聚物中，当光照射这样一个体系时，光引发剂吸收紫外线辐射能量 而生成自由基，这些自由基与单体和活性预聚物发生连锁反应。随着反应的进行， 分子链不断变长，并且始终都带有一个自由电子，这就是链增长机理。当两个增 长的链自由基相遇时形成更长的链或链间交链而终止反应，即发生所谓双基终 止。此外，增长的链自由基与氧相遇亦可导致链增长反应的终止。但是只要保持 光照，自由基的不断生成会抑制液态树脂中自由氧分子的存在，固化反应就可顺 利进行下去紫外线消失后，由于缺乏新的自由基，氧就有充分的机会与自由电 子结合，从而抑制了聚合反映的继续进行，这就是链终止机理。可见，控制氧在 树脂表面的存在和扩散是控制固化反应的关键。光引发剂是一类易吸收紫外光能 量而很快生成自由基的一类化合物，其活性直接决定固化反应速度。 在这种从液态到固态的转变过程中，分子之间的距离减小，大分子之间的排 列也不断变化。聚合反应的过程中，大分子之间的缠绕结构会使材料内部存在“空 浙江工业大学硕士学位论文 隙 ，而这种排列的分子结构处于亚稳态，随着时间的推移，最终结构将趋于无 “空隙”排列的稳态结构。因此，分子之间距离的减小以及大分子结构间“空隙 的消除，都会使得树脂产生收缩的特征。树脂的收缩是产生内应力、导致变形的 r ， 1 根本原因。有研究表明卜，零件的变形同紫外光扫描方向是密切相关的，沿短 纤维方向扫描的成型工艺对减小变形是非常有利的。它完全不同于以往的成型工 艺，可以有效降低应力，减小变形，从而保证成型件的最终质量。另外选择合适 分子量预聚体对减少成型工件变形也是十分重要的。 光固化树脂主要由基础聚合物( 光交联性聚合物) 、活性稀释剂( 光聚合性单 体) 、光引发剂以及添加剂组成。光固化树脂在波长为3 0 0 n m - 5 0 0 n m 的紫外光的照 射下，发生交联反应从而固化。它和热固化树脂的最本质区别是其固化过程是吸 收适当波长的光而引起的化学反应过程，从液体转变为固体是分子量增加的结 果，固化而不是溶剂挥发形成的。而且固化的时间很短一般在几秒之内就可以完 r ，1 1 全固化。因此光固化成型的优点是固化速度快、无污染、节约能源卜“。 2 4 2 光固化技术及特点 所谓光固化就是利用一定波长和光强的紫外光照射，使光引发剂迅速分解成 活性中心诸如自由基、阳离子等，进而引发可聚合有机化合物化学交联，形成不 溶性的交联网络结构的过程。光固化法成型的过程是紫外线对光固化树脂作用的 结果。当紫外光束在液态光固化树脂表面扫描运动时，由于光子能量被吸收而引 发聚合反应，使小分子的单体生成大分子链的聚合物。液态时单体分子之间的距 离为范德华距离，聚合反应后形成的大分子之间的距离为共价键距离，分子之间 的距离变小，材料密度增大，从而使树脂从液态变成固态。 紫外光固化技术是具有明确目的实施紫外光固化过程的工艺技术，具有其他 r ， 0 1 材料成型技术不具备的特点卜： 1 ) 速率快。液态的材料最快可在0 0 5 - 0 1 s 的时间内固化，较之传统的最 快也需几秒，常常多达数个小时甚至几天才能固化的热固化工艺，无疑大大提高 了生产率，节省了半成品堆放的空间，更能满足大规模自动化要求。 2 ) 费用低。u v 固化仅需要用于激发光引发剂( 或光敏剂) 的辐射能，不像传 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 统的热固化那样需要加热基质、材料、周围空间以及蒸发除去稀释用的水、有机 溶剂的热量，从而可节省大量的能源。同时，由于u v 固化材料固含量高，使得材 料实际消耗量大幅度减少。此外，u v 固化设备投资相对较低，可节省一大笔热固 化设备的投资，减少厂房占地。 3 ) 污染少。传统的热固化法需向大气中排放大量稀释用的有机溶剂挥发性 有机物。进入大气的有机物会形成比二氧化碳更严重的温室效应，而且在阳光照 射下形成氧化物和光化学烟雾，从而造成环境污染和对操作工人身体健康的损 害。u v 固化基本不使用有机溶剂，其稀释用的活性单体也参与固化反应，基本上 1 0 0 固含量，因此可减少因溶剂挥发所导致的环境污染以及可能产生的火灾或爆 炸等事故。 4 ) 室温下即可快速固化，固化工艺对环境温度没有特别的依赖性，先进的 固化工艺可在几秒甚至毫秒内完成液体有机物向固相有机物的转变。 5 ) 固化工艺容易设计成自动化生产流水线，连续操作性强，而且生产周期 短。 2