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    玻璃纤维增强树脂切割砂轮软片的问题及解决方案

    玻璃纤维增强树脂切割砂轮软片的问题及解决方案


    一、玻璃纤维增强树脂切割砂轮软片的现象概述 

      (一)玻璃纤维增强树脂切割砂轮用磨料介绍

      随着玻纤增强树脂切割砂轮的性能不断提升,高耐用性、高效率的树脂砂轮新品不断涌现,这方面都依赖磨料的深加工。下面简单介绍一下磨料。
      磨削材料简称磨料,即一种具有一定硬度及一定磨削能力且可作磨削用途的磨削材料。磨料分天然和人造两大类。
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    天然磨料
      天然磨料是自然矿物开采后,经过加工而制成的磨料。先后已有如下种类:

      1.1 燧石:化学成分主要是SiO2,莫氏硬度7。主要用来制造张页式砂纸,主要用于皮革、毛毡等的抛光加工。

      1.2 石英砂:主要化学成分为SiO2,莫氏硬度7,理化性能如燧石。用于低端砂布或砂纸。

      1.3 紫红铁粉即氧化铁:多用天然的、也可以经过人工制造。主要用于工件的清理和抛光的目的加工,如部分光学玻璃的研磨或抛光。

      1.4 石榴石:系一种天然矿物材料,如采用这种石榴石在高温条件下进行热处理,可使这种材料的硬度和韧性增强。石榴石具有较好的切削力,可以提高磨削效率。用石榴石制成的涂附磨具可用于木材或金属材料的磨削加工,少量用于制造树脂磨具。

      1.5 硫铁矿砂:天然硫铁矿制成粒度砂,在树脂砂轮使用时俗称黄金砂。在树脂切片生产中有一定的用量。

      1.6 金刚砂(Emery):系自然界中刚玉(Al2O3)氧化铁的混合物。一般只作为抛光使用。已很少用来制造磨具,有淘汰的趋势。

      1.7 氧化锶(Sr2O3):抛光性能甚好,适用于做抛光材料,光学玻璃的抛光一直在用。

      1.8 金刚石:天然金刚石系自然界最硬的物质,莫氏硬度为10。在制造磨具上多用人造金刚石,在极个别的应用范围内才采用天然金刚石。

      总之,天然矿石的磨料已趋于淘汰之势,仅用于制作树脂磨具,量不多。

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    人造磨料
      人造磨料是人工通过用有关矿物材料加上必须的材料进行加工而成的磨料,其应用范围愈来愈广泛。由于磨具的不断发展和性能的不断提高,磨削加工的水平也得到了发展和提高。随着磨削加工走上高效、高速和加工件要求质量的不断提高,又要求磨料磨具适应这种发展要求,提高自身的品种、质量、生产加工,水平和科研水平等。

      2.1 棕刚玉:主要化学成份Al2O3,由铝矾土、铁屑和无烟煤在电弧炉中熔炼而成。这种磨料具有一定的硬度和韧性,具备较强的磨削能力,能承受很大的压力。它适用于磨削抗张强度大的材料,适用于普通钢、高碳钢、合金钢,可用于硬质木材的加工是使用最广泛的一种磨料。

      2.2 白刚玉:主要化学成份为Al2O3,由铝氧粉为原料在电弧炉中熔炼而成。采用的铝氧粉原料,系由棕刚玉所用的铝矾土事先加工制成,主要物理成分为β- AL2O3(无磨削能力),具有较强的磨削力。

      2.3 黑碳化硅:主要化学成份为SiC。由石油焦碳、石英砂、木屑等为原料在电阻炉中熔炼而成。黑碳化硅质地比刚玉磨料脆,硬度较硬,主要用于非金属材料(各种板材如木质胶合板、刨花板、高中低密度纤维板、竹质板、硅酸钙板、皮革、玻璃、陶瓷、石材等)和有色金属(铝、铜、铅等)等材料的加工,对质地坚硬而脆性材料的加工也比较理想。

      2.4 绿碳化硅:主要化学成份为SiC,在制造上所采用的原料与黑碳化硅生产大致相同,另加工业食盐作为反应剂和促进剂在电阻炉内反应而成。就其色泽而言为绿色,故命名为绿碳化硅。它更适合用于材料的精磨如磨螺纹、磨量具等,在磨削材料上更广泛的用于硬质合金、金刚石制品的工件。

      2.5 单晶刚玉:主要化学成份为Al2O3,颜色为浅黄或灰白,颗粒形状为球形。硬度和韧性比白刚玉高。主要用于磨削不锈钢和高钒高速钢。近几年在树脂切片中用于制作超薄片较多。

      2.6 微晶刚玉:主要化学成份为Al2O3。微细结晶的刚玉比普通刚玉的机械强度要高。用微晶刚玉做成的磨具常用于粗磨铸钢、高韧性钛镍合金钢等难磨材料。在树脂砂轮中可以用于磨片和荒磨树脂砂轮制造。

      2.7 铬刚玉:是在白刚玉的生产过程中加入Cr2O3的混合物,改变刚玉的性能和结构。铬刚玉的韧性比白刚玉要高,其硬度与白刚玉大概相同。铬刚玉磨削的材料常用于淬火钢、合金钢和螺纹钢的刃磨和仪器仪表零件的精密磨削。铬刚玉常用于生产固结磨具尤其是高端树脂磨片。

      2.8 镀衣磨料或特殊处理的磨料:常见的深加工磨料有如下几种。

      (1)煅烧处理:将磨料置于800℃-1300℃的高温下直接煅烧。磨料的煅烧处理使用效果明显,棕刚玉磨料经煅烧后显微硬度可提高10%,韧性提高10%,亲水性提高3.5倍,磨削量提高3%,耐用度提高30%-50%。

      (2)碱处理:磨料浸泡于2%NaOH溶液中处理。有利于磨料与粘结剂的粘结效果,提高了砂轮的磨削效果与耐用度。

      (3)涂金属盐的处理:磨料浸泡于浓度为0.1%-1.0%的金属盐溶液中处理,用处理后的磨料制成的砂轮磨削效率可提高4%-20%。

      (4)涂陶瓷液的处理:以长石、粘土、或石灰石等成份的陶瓷液涂于磨料表面,并经高温烧结(约1000℃-1300℃),用此磨料制成的砂轮,耐用度有一定的提升。

      (5)涂树脂液的处理:用液体酚醛树脂和少量的金属氧化物组成的树脂混合液将磨料处理,可以增加磨料对粘结剂的粘结,砂轮的耐用度有一定的提升,同时砂轮的切磨削效率也有所改善。

      (6)涂硅烷的处理:涂硅烷后磨料有利于磨料与粘结剂的结合。

      2.9 空心球磨料:所谓空心球磨料是指将磨料均匀地涂附于直经0.05mm-1mm的塑料制成的空心球表面而组成的一种球状磨料的集合体,用此磨料生产高档树脂砂轮可以大幅提升切磨削效率。

      2.10 微晶结构的新型陶瓷磨料:以凝胶法制造的烧结陶瓷磨料,制成的砂轮,切削效率大幅提升,特别适用高强压下加工难磨材料,如航天合金、高镍合金钢、含钒工具钢、含钴合金钢等。

      2.11 锆刚玉磨料:加入ZrO2并具有20微米晶体尺寸的高韧性磨料,特别适用于加工不锈钢件、钛合金零件。其磨削效率比棕刚玉高254%-300%,但是由于性价比的问题,在树脂砂轮生产中使用较少。

      2.12 复合磨料:指一种磨料与另一种磨料的机械复合而非起化学反应的复合。在使用时发挥各自的优点,并达到更好效果的目的。为达到磨削的目的,在国外或国内常采用以复合磨料的方式来生产制造磨具用于难加工的材料。复合磨料多用于固结磨具尤其是树脂砂轮制造,主要在国外使用,随着技术进步今后必将在国内逐步推广。

      (二)玻纤增强树脂切割砂轮

      纤维增强树脂切割砂轮是指厚度T≤10mm、工作速度50

      纤维增强树脂切割砂轮形位公差应符合表1的规定。 

     
    (三)玻纤增强树脂切割砂轮软片现象描述

      每年在国内不同地区、不同砂轮生产厂家、不同时期,总会出现纤维增强树脂切割砂轮软片现象。

      树脂切割砂轮软片主要表现在:树脂切片从硬化(固化)炉出炉后,检测发现砂轮侧向弯曲有明显的发软,用双手用力抖动有明显的摆动(抖动)。

      树脂切割砂轮虽然发软,但在形位公差方面符合国家标准(JB/T4175-2006),砂轮强度也符合国家标准要求,只是在切割性能检测时出现切割比明显降低,同时切割时砂轮明显摆动(发软)。

      所有的切割砂轮都会不同程度出现砂轮软片现象,只是凭外在的表象,外径大于300mm的砂轮更为明显。

      所以本文着重探讨外径大于300mm的树脂切割砂轮的软片问题。
     
     二、玻璃纤维增强树脂切割砂轮软片的原因分析


      大切片软片问题的解决是技术难题,也是受综合因素影响造成的。主要涉及工艺方案、技术路线、配方、原材料同工艺的相符性等因素。

      (一)硬化(固化)是第一位应该考虑的因素

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    硬化温度低或过高
    当气温和湿度突然大幅变化,加上原材料同时出现相关技术指标的波动时,如果硬化曲线还是与以前一样的话,软片便容易产生。

      硬化稳定性低,是指由于环境及原材料的双重影响,在季节交替或者气温湿度明显变化时,应该及时提供树脂砂轮的最高硬化温度。

      硬化稳定性高,是指硬化曲线已经进行了调整,但是当稳定快速降低,天气干燥时又没有及时调低硬化稳定,也容易造成砂轮软片。

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    硬化曲线的时间短
    这主要是指在特定条件下,硬化曲线的低温干燥时间短,升温阶段升温速度过快。100℃、120℃是关键点。

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    出炉或出窑太急或温差太大
    由于树脂切割砂轮尤其是直径大的砂轮,在硬化保温结束时应该有一定的降温时间段来满足树脂切割砂轮应力的均匀释放,此时如果出炉温度过高或者温差变化过大,砂轮的冷却变化就不会同步,所以砂轮就会出现变形。树脂切割砂轮软片其实也是变形的一种表现形式。

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    硬化炉窑排除硬化潮气问题
    所有硬化炉无论是箱式炉还是隧道窑,在设计炉窑时必须考虑进气和排气。

      由于树脂砂轮硬化过程中会释放出大量的废气(主要是氨气、水蒸气),如果这些废气不能及时排出,就会在砂轮降温过程中被树脂砂轮的气孔重新吸附,所以就造成砂轮发臭及发软。

      (二)天气及环境是造成树脂切割砂轮软片的直接外因

      1. 生产现场的环境问题、海拔高度、是否在河边、山凹等;
      2. 如果工厂现场确实存在这些问题,就要认真面对并改善。

      众所周知,夏天或春夏秋冬交替季节是最容易出现软片的。主要原因是潮气太大,或者温差太大,造成炉窑排潮不畅。

      (三) 砂轮配方设计不合理

      1.原材料配比上的不均衡现象:如增加树脂粉流长的添加材料过多;影响树脂硬化温度和程度的材料添加量过大。
      2. 配方的结合剂波动大,进而造成硬化程度不够或过火。

      (四)原材料波动范围大

      1. 树脂中的挥发分(挥发物)单位体积内增加,造成现有的硬化曲线硬化时无法充分排尽。

      2. 填料中的水分太大(或者变化太大),造成硬化过程中湿气增加。

      3. 砂轮成型中使用石蜡过多,渗进砂轮半成品的量明显增加,影响酚醛树脂的硬化。

      (五)成型时砂轮组织不均

      1. 砂轮半成品刮料不均,漏粉严重,造成砂轮硬化时不均匀;

      2. 成型时保压时间不够或者成型时压制不平衡(包括压头不平,产品厚度波动大等)。

      
    三、玻璃纤维增强树脂切割砂轮软片的解决方案

    (一)硬化工序解决方案:

      1. 调整科学合理的硬化曲线

      2. 在温差变化大或者湿度变化大的季节交叉时期,及时调整硬化低温干燥时间和最高硬化温度。

      我在前期技术交流文章中讲过硬化曲线的设置问题,从下文的硬化阶段图表可以看出:

      酚醛树脂的固化依赖于加热反应进而完成硬化(固化)。期间,硬化的升温速率是十分关键的。

      在树脂砂轮制造技术中,有两种最基本的硬化曲线,所有其他的硬化曲线都是这两种曲线的转化。

      1)短曲线(快速升温曲线)

      升温速度较快,每小时大于10℃。曲线总时间为20至24小时。

      该曲线常用来硬化酚醛树脂液做湿润剂,且砂轮配方中添加一定量的石膏填料的树脂砂轮。

      该曲线特点是:快速硬化,采用的酚醛树脂粉的流长较短。

      2)长曲线(慢速升温曲线)

      适用于结合剂流动性较好(中等密度,用低粘度树脂液做湿润剂等)的树脂砂轮,硬化时升温速率较慢,每小时升温3℃~5℃,在120℃保温4小时左右,最高硬化温度在160℃~190℃之间,曲线总长为40~60小时。

      我们在设计硬化曲线时,必须认真考虑曲线的升温速度、长度、最高温度及其它细节问题,并且必须经过多次试验验证。

      硬化曲线设计必须遵循的原则:

      a、大直径砂轮、高厚度砂轮,硬化时曲线在最高温度保温时间要长,以保证硬化完全;

      b、要求砂轮不完全硬化时,曲线最高温度需调整较低些;

      c、高硬度冷压砂轮硬化时,在105℃~120℃段的保温时间必须延长,以便挥发物彻底释放;

      d、流长极短树脂粉制作的砂轮,硬化时升温速度要快,以保证结合剂有充分的流动性,从而获得最佳的产品性能。

      短曲线,低温硬化,会生产出“软”砂轮;

      相反,生产“硬”砂轮时,最高温度低于160℃,砂轮强度低,磨削作用弱,砂轮偏软;最高温度高于210℃时,硬化过度,生产的砂轮较脆,容易破损。

      更准确的事实是:许多砂轮生产厂家经过长期的生产实践和摸索,都已经制定出了一套合理的硬化曲线,还是应该坚持。

      表2为树脂砂轮硬化曲线常见的设计过程。

    解决树脂切割砂轮软片的首要问题是,在最容易出现砂轮软片的时期,提前调整硬化曲线的第1温度段(延长低温干燥时间),同时调高第6温度段温度。

      3. 如果上述两项调整难度大,可以寻求酚醛树脂供应商调整部分技术指标,使之适应硬化条件。

      (二)天气和环境影响解决方案:

      1. 工厂环境不适宜制作树脂砂轮的情况下,安装空调系统,确保室温不高于20℃。

      2. 如果不能安装空调系统,可以寻求酚醛树脂供应商调整部分技术指标(主要是调整酚醛树脂的胶化时间),使之适应硬化条件。

      (三)树脂砂轮配方合理设计解决方案:

      1. 配方设计时充分考虑冷压成型和热压成型所用酚醛树脂及填料的区别。
      树脂切割砂轮配方设计要求除了有合适的结合剂比例外,必须充分考虑填料的品种科学搭配和填料比例的合理运用。

      2. 配方设计时要充分考虑砂轮密度的大小对产生软片的影响程度,建议适当增加砂轮密度。

      (四)树脂砂轮所用原材料的严格把关

      1. 在最易出现软片的时期必须采用挥发酚、水分含量低的液体酚醛树脂,采用游离酚低、流长短的粉体酚醛树脂。在最易出现软片的时期,相关技术指标都会进行科学合理的调整,可以确保客户高枕无忧。

      2. 砂轮填充材料增加过筛工序,必要时烘干后使用。

      3. 减少石蜡等蜡质脱模剂的使用量,必要时改用高挥发温度的脱模剂。

      (五)树脂砂轮成型工序解决方案:

      树脂切片成型工序由于大都采用旋转刮料,所以存在一定刮料不均现象。这方面我们的砂轮生产厂家一定要引起足够的重视。在最容易出现树脂切片软片的时期,及时调整成型设备。

      1. 调整校验成型设备的刮料机构,混合料必要时除粉。
      2. 校验压机的精度,增加成型时的保压时间。

      综上所述,树脂切割砂轮软片是受综合因素影响的,上面列出的是重要的影响因素。当有超过60%以上的原因凑在一起时,软片现象也就发生了。所以,这就要求树脂砂轮生产厂家在特定时期逐项排除影响因素。

     


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