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1、 中国石材物联网中国石材物联网 网址： 来源：中国石材物联网 探讨金刚石磨具的散热问题探讨金刚石磨具的散热问题 超硬材料超硬材料( (金刚石、立方氮化硼等金刚石、立方氮化硼等) )磨具是性能极其优异的先进工具。依照磨具是性能极其优异的先进工具。依照不同磨削要求，它们分为不同的结合剂类型，主要是树脂、金属、陶瓷和不同磨削要求，它们分为不同的结合剂类型，主要是树脂、金属、陶瓷和电镀四种。在这些各异的金刚石磨具中，以各种树脂作为结合剂的金刚石电镀四种。在这些各异的金刚石磨具中，以各种树脂作为结合剂的金刚石磨具占据了绝大比例。表磨具占据了绝大比例。表 1 1 显示出了这种比例关系。显示出了这种比例关
2、系。 树脂金刚石磨具独具特色树脂金刚石磨具独具特色 1.1.优势明显优势明显 截至截至 20092009 年，我国在国内外巿场上有一定影响的树脂金刚石磨具生年，我国在国内外巿场上有一定影响的树脂金刚石磨具生产企业已有产企业已有 300300 家左右。目前，国内外用於磨具家左右。目前，国内外用於磨具( (含普通磨具和超硬材料含普通磨具和超硬材料磨具磨具) )结合剂的树脂或改性树脂种类有数十种之多，如：酚醛树脂、三聚结合剂的树脂或改性树脂种类有数十种之多，如：酚醛树脂、三聚氰胺树脂、聚醯亚胺树脂、环氧树脂、糠醛树脂、新酚树脂、脲醛树脂、氰胺树脂、聚醯亚胺树脂、环氧树脂、糠醛树脂、新酚树脂、脲醛树脂
3、、聚乙烯醇缩醛树脂、聚脂树脂、聚碸树脂、硼酚醛树脂等。而其中用量最聚乙烯醇缩醛树脂、聚脂树脂、聚碸树脂、硼酚醛树脂等。而其中用量最多、应用范围最广的则属酚醛树脂。多、应用范围最广的则属酚醛树脂。 相比生产金属结合剂或陶瓷结合剂的金刚石磨具，树脂结合剂磨具生相比生产金属结合剂或陶瓷结合剂的金刚石磨具，树脂结合剂磨具生产具有以下明显优点：产具有以下明显优点：1)1)原材料价廉易得原材料价廉易得;2);2)起步投资不高起步投资不高;3);3)操作不繁操作不繁复，生产周期较短复，生产周期较短; ;4)4)生产过程能耗较低。生产过程能耗较低。 中国石材物联网中国石材物联网 网址： 来源：中国石材物联网
4、 树脂结合剂金刚石磨具既可用於要求磨削效率高、表面粗糙度低的加树脂结合剂金刚石磨具既可用於要求磨削效率高、表面粗糙度低的加工场合，也能用於要求较低的加工场合，即在半精磨、精磨和抛光磨削领工场合，也能用於要求较低的加工场合，即在半精磨、精磨和抛光磨削领域都能找到其用武之地。金刚石粒度与加工表面粗糙度的对应关系参见下域都能找到其用武之地。金刚石粒度与加工表面粗糙度的对应关系参见下表。表。 金刚石硬度与加工表面粗糙度的关系金刚石硬度与加工表面粗糙度的关系 树脂结合剂金刚石磨具的加工材质对象非常广泛，全球树脂结合剂金刚石磨具的加工材质对象非常广泛，全球 80%80%以上的硬以上的硬质合金工件需要利用它
5、来加工。而且，半导体材料、新能源晶体材料、铁质合金工件需要利用它来加工。而且，半导体材料、新能源晶体材料、铁氧体材料、建筑陶瓷材料、工程陶瓷材料、功能陶瓷材料、玻璃材料、耐氧体材料、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、电碳材料、有色金属材料，高淬硬金属材料，以及天然与人造石火材料、电碳材料、有色金属材料，高淬硬金属材料，以及天然与人造石材等，均可用树脂结合剂金刚石磨具进行加工。材等，均可用树脂结合剂金刚石磨具进行加工。 如采用含如采用含 B B 金刚石或经表面改性处理的金刚石作为磨粒，树脂结合剂金刚石或经表面改性处理的金刚石作为磨粒，树脂结合剂金刚石磨具还能够对黑色金
6、属、 耐热合金等进行加工。 正因为其性能优异、金刚石磨具还能够对黑色金属、 耐热合金等进行加工。 正因为其性能优异、广谱适用，传统广谱适用，传统 SiCSiC、Al2O3Al2O3 系列磨具的应用领域才逐渐被其侵蚀、取代、系列磨具的应用领域才逐渐被其侵蚀、取代、超越。超越。 2.2.过高温度应用场合的局限过高温度应用场合的局限 不过，事物总有其两面性，作为有机材料的树脂，其性能也具有明显不过，事物总有其两面性，作为有机材料的树脂，其性能也具有明显中国石材物联网中国石材物联网 网址： 来源：中国石材物联网 的不足：难以在过高温度条件下使用。以最常用的酚醛树脂为例，其安全的不足：难以在过高温度条
7、件下使用。以最常用的酚醛树脂为例，其安全工作温度低於工作温度低於 120120，温度高於，温度高於 236236即开始分解，高於即开始分解，高於 300300则会碳化。则会碳化。即便采用耐热性能较好的聚醯亚胺作结合剂，也只能在即便采用耐热性能较好的聚醯亚胺作结合剂，也只能在 260260以下方可正以下方可正常工作。常工作。 通常，磨削时磨削能为通常，磨削时磨削能为 2020- -60J/mm360J/mm3，磨削能在工件表层产生的温度可，磨削能在工件表层产生的温度可用下式表达：用下式表达： 磨削测试表明，即使采用磨削测试表明，即使采用 0.02mm0.02mm 的磨削进给量，在磨具前端与加工的
8、磨削进给量，在磨具前端与加工工件的接触点也会产生工件的接触点也会产生 400400以上的以上的高温，干磨条件下该区域的局部温度高温，干磨条件下该区域的局部温度甚至可能高达上千度。甚至可能高达上千度。 这足以造成酚醛树脂的分解、碳化，导致树脂结合剂金刚石磨具出现这足以造成酚醛树脂的分解、碳化，导致树脂结合剂金刚石磨具出现龟裂、崩落、丧失对金刚石磨粒的把持作用，使金刚石磨粒过早脱落。这龟裂、崩落、丧失对金刚石磨粒的把持作用，使金刚石磨粒过早脱落。这种比例可达到金刚石颗粒总量的种比例可达到金刚石颗粒总量的 40%40%以上，严重影响磨具使用寿命。以上，严重影响磨具使用寿命。 再者，磨削产生的高温还会
9、烧蚀被磨工件表面，产生微细裂纹。在工再者，磨削产生的高温还会烧蚀被磨工件表面，产生微细裂纹。在工件使用过程中，由於应力集中，很可能在裂纹处产生断裂，直接影响加工件使用过程中，由於应力集中，很可能在裂纹处产生断裂，直接影响加工质量及工件寿命，存在危及人员、设备的安全隐患。第三，磨削产生的高质量及工件寿命，存在危及人员、设备的安全隐患。第三，磨削产生的高温还可能引起工件表层局部金相组织的改变。以淬火钢为例，温度高於温还可能引起工件表层局部金相组织的改变。以淬火钢为例，温度高於650650时时，其金相组织将由马氏体向奥氏体转变，事实上影响了工件的使，其金相组织将由马氏体向奥氏体转变，事实上影响了工件
10、的使用性能。现代磨削惯常用的高速度、大磨削用量、重负荷磨削工艺，对於用性能。现代磨削惯常用的高速度、大磨削用量、重负荷磨削工艺，对於中国石材物联网中国石材物联网 网址： 来源：中国石材物联网 传统树脂结合剂金刚石磨具而言就更加难以胜任。传统树脂结合剂金刚石磨具而言就更加难以胜任。 3.3.如何有效克服耐热性的局限如何有效克服耐热性的局限 长期以来，对於如何才能提高树脂结合剂金刚石磨具的耐热性，使其长期以来，对於如何才能提高树脂结合剂金刚石磨具的耐热性，使其能在较高的温度条件下正常工作，扬长避短，一直是令业界困扰的问题。能在较高的温度条件下正常工作，扬长避短，一直是令业界困扰的问题。 不少人尝
11、试从提高树脂本身的耐热性能入手，试图通过新型树脂的合不少人尝试从提高树脂本身的耐热性能入手，试图通过新型树脂的合成或对树脂改性的研究方面寻求突破，也取得了一定进展。但作为有机材成或对树脂改性的研究方面寻求突破，也取得了一定进展。但作为有机材料家族成员的树脂本身，其理化性能决定它的耐热度提升空间很有限。我料家族成员的树脂本身，其理化性能决定它的耐热度提升空间很有限。我们只需看看聚苯硫醚们只需看看聚苯硫醚(PPS)(PPS)的耐热温度上限为的耐热温度上限为 400400、 聚苯亚噻唑也只能耐、 聚苯亚噻唑也只能耐受受 500500的事实就明白了。还有一些人在树脂结合剂的金属粉料配方组元的事实就明白
12、了。还有一些人在树脂结合剂的金属粉料配方组元中做文章，希望通过增加导热性能好的中做文章，希望通过增加导热性能好的 CuCu 粉之类的金属成分比例，达到粉之类的金属成分比例，达到迅速将磨削热由“金属桥”外传的效果。姑且不论这种“桥”的有效性如迅速将磨削热由“金属桥”外传的效果。姑且不论这种“桥”的有效性如何，金属粉料的增加不仅会使配方成本明显增加，还会改变树何，金属粉料的增加不仅会使配方成本明显增加，还会改变树脂结合剂金脂结合剂金刚石磨具的组织硬度，必然对其锋利度和自锐性造成负面影响。刚石磨具的组织硬度，必然对其锋利度和自锐性造成负面影响。 笔者尝试另辟蹊径。基於一些物质在相变时会吸收大量热能的
13、特性，笔者尝试另辟蹊径。基於一些物质在相变时会吸收大量热能的特性，利用树脂结合剂金刚石磨具配方组元变化使树脂结合剂金刚石磨具获得利用树脂结合剂金刚石磨具配方组元变化使树脂结合剂金刚石磨具获得“自散热”性能。经过试验和筛选，确实取得了提高其散热性能方面的突“自散热”性能。经过试验和筛选，确实取得了提高其散热性能方面的突破，并取得了国家发明专利： 强散热型树脂金刚石磨具破，并取得了国家发明专利： 强散热型树脂金刚石磨具( (专利号：专利号：ZL01129089.7 ZL01129089.7 国际专利主分类号：国际专利主分类号：CO8J 5/14)CO8J 5/14)。 中国石材物联网中国石材物联网
14、 网址： 来源：中国石材物联网 利用该发明专利生产的树脂结合剂金刚石磨具在磨削时始终保持良利用该发明专利生产的树脂结合剂金刚石磨具在磨削时始终保持良好工作状态，相比传统树脂结合剂金刚石磨具的优点十分突出：好工作状态，相比传统树脂结合剂金刚石磨具的优点十分突出： 磨削锋磨削锋利，使用时不堵塞，噪音少利，使用时不堵塞，噪音少; ; (2)(2)磨具工作层在工作时无裂纹、 “脱环”磨具工作层在工作时无裂纹、 “脱环”( (即金刚石工作层与金属基即金刚石工作层与金属基体在磨削热作用下相互分离体在磨削热作用下相互分离) )等现象发生等现象发生; ; (3)(3)工件表层无裂纹、烧蚀或金相组织的改变工件表层无裂纹、烧蚀或金相组织的改变; ; (4)(4)磨具工作层强度高，可以承受比传统树脂结合剂金刚石磨具大磨具工作层强度高，可以承受比传统树脂结合剂金刚石磨具大 1010倍以上的磨削进给量倍以上的磨削进给量; ; (5)(5)磨具工作层耐磨损，比同规格、粒度、浓度的传统树脂结合剂金磨具工作层耐磨损，比同规格、粒度、浓度的传统树脂结合剂金刚石磨具使用寿命高刚石磨具使用寿命高 20%20%以上以上; ; 磨加工相同工件，磨削成本比同规格、粒度、浓度的传统树脂结合剂磨加工相同工件，磨削成本比同规格、粒度、浓度的传统树脂结合剂金刚石磨具低金刚石磨具低 15%15%以上。以上。
