樹(shù)脂金剛石砂輪的散熱冷卻問(wèn)題

　　磨削加工是極為重要的一種機械加工方式，其加工量約占機加工總量的30%以上。現代加工對加工件的表面質(zhì)量提出很高要求，這包括加工件的高精度、低表面粗糙度值，低殘余應力以及低的硬化層等。這催化了超硬磨料磨具和CNC數控磨床的推廣，加快了高速、高效、高精度磨削工藝的發(fā)展。

　　超硬材料(金剛石、立方氮化硼等)磨具是性能極其優(yōu)異的先進(jìn)工具。依照不同磨削要求，它們分為不同的結合劑類(lèi)型，主要是樹(shù)脂、金屬、陶瓷和電鍍四種。在這些各異的金剛石磨具中，以各種樹(shù)脂作為結合劑的金剛石磨具占據了絕大比例。表1顯示出了這種比例關(guān)系。

　　部分國家或國家集團中不同結合劑金剛石磨具的比例(%)

　　樹(shù)脂金剛石磨具獨具特色

　　1.優(yōu)勢明顯

　　截至2009年，我國在國內外巿場(chǎng)上有一定影響的樹(shù)脂金剛石磨具生產(chǎn)企業(yè)已有300家左右。目前，國內外用於磨具(含普通磨具和超硬材料磨具)結合劑的樹(shù)脂或改性樹(shù)脂種類(lèi)有數十種之多，如：酚醛樹(shù)脂、三聚氰胺樹(shù)脂、聚醯亞胺樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、糠醛樹(shù)脂、新酚樹(shù)脂、脲醛樹(shù)脂、聚乙烯醇縮醛樹(shù)脂、聚脂樹(shù)脂、聚碸樹(shù)脂、硼酚醛樹(shù)脂等。而其中用量最多、應用范圍最廣的則屬酚醛樹(shù)脂。

　　相比生產(chǎn)金屬結合劑或陶瓷結合劑的金剛石磨具，樹(shù)脂結合劑磨具生產(chǎn)具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)：1)原材料價(jià)廉易得;2)起步投資不高;3)操作不繁復，生產(chǎn)周期較短;4)生產(chǎn)過(guò)程能耗較低。

　　樹(shù)脂結合劑金剛石磨具既可用於要求磨削效率高、表面粗糙度低的加工場(chǎng)合，也能用於要求較低的加工場(chǎng)合，即在半精磨、精磨和拋光磨削領(lǐng)域都能找到其用武之地。金剛石粒度與加工表面粗糙度的對應關(guān)系參見(jiàn)下表。

　　金剛石硬度與加工表面粗糙度的關(guān)系

　　樹(shù)脂結合劑金剛石磨具的加工材質(zhì)對象非常廣泛，全球80%以上的硬質(zhì)合金工件需要利用它來(lái)加工。而且，半導體材料、新能源晶體材料、鐵氧體材料、建筑陶瓷材料、工程陶瓷材料、功能陶瓷材料、玻璃材料、耐火材料、電碳材料、有色金屬材料，高淬硬金屬材料，以及天然與人造石材等，均可用樹(shù)脂結合劑金剛石磨具進(jìn)行加工。

　　如采用含B金剛石或經(jīng)表面改性處理的金剛石作為磨粒，樹(shù)脂結合劑金剛石磨具還能夠對黑色金屬、耐熱合金等進(jìn)行加工。正因為其性能優(yōu)異、廣譜適用，傳統SiC、Al2O3系列磨具的應用領(lǐng)域才逐漸被其侵蝕、取代、超越。

　　2.過(guò)高溫度應用場(chǎng)合的局限

　　不過(guò)，事物總有其兩面性，作為有機材料的樹(shù)脂，其性能也具有明顯的不足：難以在過(guò)高溫度條件下使用。以最常用的酚醛樹(shù)脂為例，其安全工作溫度低於120℃，溫度高於236℃即開(kāi)始分解，高於300℃則會(huì )碳化。即便采用耐熱性能較好的聚醯亞胺作結合劑，也只能在260℃以下方可正常工作。

　　通常，磨削時(shí)磨削能為20-60J/mm3，磨削能在工件表層產(chǎn)生的溫度可用下式表達：

　　式中：C—熱容;VW—工件速度;ap—磨深;f—進(jìn)給量;Vs—砂輪速度

　　磨削測試表明，即使采用0.02mm的磨削進(jìn)給量，在磨具前端與加工工件的接觸點(diǎn)也會(huì )產(chǎn)生400℃以上的高溫，干磨條件下該區域的局部溫度甚至可能高達上千度。

　　這足以造成酚醛樹(shù)脂的分解、碳化，導致樹(shù)脂結合劑金剛石磨具出現龜裂、崩落、喪失對金剛石磨粒的把持作用，使金剛石磨粒過(guò)早脫落。這種比例可達到金剛石顆粒總量的40%以上，嚴重影響磨具使用壽命。

　　再者，磨削產(chǎn)生的高溫還會(huì )燒蝕被磨工件表面，產(chǎn)生微細裂紋。在工件使用過(guò)程中，由於應力集中，很可能在裂紋處產(chǎn)生斷裂，直接影響加工質(zhì)量及工件壽命，存在危及人員、設備的安全隱患。第三，磨削產(chǎn)生的高溫還可能引起工件表層局部金相組織的改變。以淬火鋼為例，溫度高於650℃時(shí)，其金相組織將由馬氏體向奧氏體轉變，事實(shí)上影響了工件的使用性能。現代磨削慣常用的高速度、大磨削用量、重負荷磨削工藝，對於傳統樹(shù)脂結合劑金剛石磨具而言就更加難以勝任。

　　3.如何有效克服耐熱性的局限

　　長(cháng)期以來(lái)，對於如何才能提高樹(shù)脂結合劑金剛石磨具的耐熱性，使其能在較高的溫度條件下正常工作，揚長(cháng)避短，一直是令業(yè)界困擾的問(wèn)題。

　　不少人嘗試從提高樹(shù)脂本身的耐熱性能入手，試圖通過(guò)新型樹(shù)脂的合成或對樹(shù)脂改性的研究方面尋求突破，也取得了一定進(jìn)展。但作為有機材料家族成員的樹(shù)脂本身，其理化性能決定它的耐熱度提升空間很有限。我們只需看看聚苯硫醚(PPS)的耐熱溫度上限為400℃、聚苯亞噻唑也只能耐受500℃的事實(shí)就明白了。還有一些人在樹(shù)脂結合劑的金屬粉料配方組元中做文章，希望通過(guò)增加導熱性能好的Cu粉之類(lèi)的金屬成分比例，達到迅速將磨削熱由“金屬橋”外傳的效果。姑且不論這種“橋”的有效性如何，金屬粉料的增加不僅會(huì )使配方成本明顯增加，還會(huì )改變樹(shù)脂結合劑金剛石磨具的組織硬度，必然對其鋒利度和自銳性造成負面影響。

　　筆者嘗試另辟蹊徑。基於一些物質(zhì)在相變時(shí)會(huì )吸收大量熱能的特性，利用樹(shù)脂結合劑金剛石磨具配方組元變化使樹(shù)脂結合劑金剛石磨具獲得“自散熱”性能。經(jīng)過(guò)試驗和篩選，確實(shí)取得了提高其散熱性能方面的突破，并取得了國家發(fā)明專(zhuān)利：《強散熱型樹(shù)脂金剛石磨具》(專(zhuān)利號：ZL01129089.7 國際專(zhuān)利主分類(lèi)號：CO8J 5/14)。

　　利用該發(fā)明專(zhuān)利生產(chǎn)的樹(shù)脂結合劑金剛石磨具在磨削時(shí)始終保持良好工作狀態(tài)，相比傳統樹(shù)脂結合劑金剛石磨具的優(yōu)點(diǎn)十分突出：

　　磨削鋒利，使用時(shí)不堵塞，噪音少;

　　(2)磨具工作層在工作時(shí)無(wú)裂紋、“脫環(huán)”(即金剛石工作層與金屬基體在磨削熱作用下相互分離)等現象發(fā)生;

　　(3)工件表層無(wú)裂紋、燒蝕或金相組織的改變;

　　(4)磨具工作層強度高，可以承受比傳統樹(shù)脂結合劑金剛石磨具大10倍以上的磨削進(jìn)給量;

　　(5)磨具工作層耐磨損，比同規格、粒度、濃度的傳統樹(shù)脂結合劑金剛石磨具使用壽命高20%以上;

　　金剛石砂輪磨加工相同工件，磨削成本比同規格、粒度、濃度的傳統樹(shù)脂結合劑金剛石磨具低15%以上.