崔 晨, 邱燕飛, 黃 輝

(華僑大學制造工程研究院，福建 廈門 361021)

1 引言

金剛石具有硬度高、耐磨損、導熱性能好、摩擦系數(shù)小以及較高的化學惰性等優(yōu)異性能，常被制成磨削工具而廣泛應用于非金屬材料的加工。其中樹脂結(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程中的失效行為，不僅會增加設備零部件的更換量，還會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注的重點。以往的研究表明，金剛石磨粒的脫落失效是樹脂結(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脂在磨削溫度的作用下產(chǎn)生變質(zhì)，從而導致金剛石磨粒的脫落[3]。事實上樹脂本身與金剛石磨粒分屬高分子材料和晶體材料，因此在制備過程中，兩者間不可能產(chǎn)生化學反應。對于樹脂結(jié)合劑而言，主要還是依靠包裹金剛石磨粒來把持金剛石磨粒[4]。但目前關于樹脂結(jié)合劑對金剛石磨粒把持力的研究并不多見。

本文設計了一種模擬金剛石砂輪磨削加工過程的實驗，用單顆金剛石磨粒劃擦經(jīng)拋光的銅塊，測量不同樹脂結(jié)合劑對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，分析了樹脂中添加劑及磨粒出露高度對把持力的影響規(guī)律。

2 實驗條件

2.1 實驗工具的制備

實驗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，設計制作夾具如圖1所示。在壓頭頂部設計了凹槽，通過改變凹槽深度來控制調(diào)節(jié)金剛石出露高度。設計凹槽深度為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，共九個梯度。為了提高實驗數(shù)據(jù)的可重復性，每個槽深參數(shù)下制備六個試樣進行實驗。

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

本實驗采用純光固化樹脂與添加微米級氧化鋁的光固化樹脂作為金剛石磨粒的結(jié)合劑。實驗所用的結(jié)合劑分別是UV-MI-25N光固化樹脂(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)量分數(shù)(5%、10%、15%、20%)加入到純光固化樹脂中，在攪拌機中以950 r/min的速度攪拌2小時，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的光強照射0.5 s進行光固化。在制備過程中保證樹脂與夾具表面平齊。

2.2 磨粒出露高度測定

本實驗采用KEYENCE超景深三維視頻顯微鏡(型號為VHX-100)對每個試樣中金剛石的出露高度進行測量。為提高實驗準確性，每個試樣的出露高度測量三次，并計算相同槽深試樣出露高度的平均值。圖2為所測量的金剛石磨粒的三維視圖。

圖2 測量出露高度三維視圖Fig.2 The exposing height in three dimensional views

2.3 劃擦實驗

圖3 劃擦實驗示意圖Fig.3 The schematic diagram of scratch experiment

3 實驗結(jié)果與討論

3.1 金剛石出露高度

本實驗通過控制不同凹槽深度來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，雖然在同一槽深下，金剛石磨粒出露高度有一定的波動，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，這表明實驗中通過控制凹槽深度來實現(xiàn)對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 劃擦實驗把持力數(shù)據(jù)處理

劃擦過程中磨粒所承受的劃擦力隨時間變化的曲線如圖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。但當加載力達到一定程度時，劃擦力會突然變小。從實驗結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，當劃擦力出現(xiàn)第一次降低后，有部分情況會發(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)合對劃擦過程的觀察，可以發(fā)現(xiàn)在劃擦力發(fā)生第一次變化時，正是磨粒產(chǎn)生松動的時刻。因此實驗數(shù)據(jù)分析中以劃擦過程中樹脂對金剛石把持力突變降低處為失效判斷依據(jù)，視為失效點，取突變值為樹脂對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，兩組樹脂對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，其衰減相當明顯。這主要是因為樹脂主要是依靠機械包裹來把持金剛石磨粒，磨粒出露高度的增加，意味著樹脂對金剛石磨粒的包裹面積減少，因此導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脂對金剛石的把持力略大于純樹脂的把持力。當磨粒出露高度較低時，添加劑的影響較大，但當磨粒出露高度較高時，兩種樹脂對金剛石磨粒的把持力則大致趨于相同。

圖5 把持力測量圖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

劃擦實驗中，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)對于兩種樹脂結(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、松動和脫落，如圖7所示。其中圖7a、7b、7c為純樹脂結(jié)合劑，圖7d、7e、7f為有添加劑的樹脂結(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脂中，但金剛石不在原始位置，其后端有較為平直的移動軌跡，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。

松動失效，如圖7b、7e所示。其特征為金剛石磨粒還留在樹脂的原始位置，但金剛石與周圍樹脂有明顯間隙，金剛石周圍樹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，周圍樹脂有破碎堆積，且脫落方向樹脂破碎嚴重。

對比兩種樹脂結(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似，但對于添加了氧化鋁顆粒的樹脂結(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，樹脂結(jié)合劑中均沒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

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

如圖8所示，隨著光固化樹脂中氧化鋁體積分數(shù)的增加，光固化樹脂的拉伸強度先增后減，于15%時達到峰值。相比于純樹脂而言，其拉伸強度提高了67%。

圖8 不同質(zhì)量分數(shù)的微米氧化鋁對樹脂拉伸強度的影響Fig.8 The effect of micron alumina on the tensile strength of the resin

文獻[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程。但當結(jié)合劑對磨粒的把持力不足時，則容易導致磨粒的早期失效。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，對磨粒金剛石進行受力分析。無填料時，金剛石所受把持力來自純樹脂基體，受到劃擦力的作用時，主要是依靠樹脂的強度來支持，如圖9a所示。隨著氧化鋁顆粒的添加，一方面樹脂本身的強度得到提高，另一方面，磨粒在受到劃擦力作用時，其滑移的同時受到樹脂和氧化鋁磨粒的共同阻止(見圖9b)，所以隨著氧化鋁顆粒的增加，使得其把持力會有所上升。

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

本文通過光固化樹脂結(jié)合劑固定把持單顆金剛石對銅塊進行劃擦試驗，研究和討論了不同光固化樹脂結(jié)合劑對金剛石磨粒的把持能力。通過實驗可以得出以下結(jié)論：

(1)純樹脂、微米氧化鋁填料樹脂結(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脂結(jié)合劑可以提高樹脂對金剛石的把持力，當質(zhì)量百分數(shù)為15%時，其效果最佳。

(3)樹脂結(jié)合劑對磨粒的把持以機械包裹為主，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，其樹脂的把持力越小。