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新型树脂切割砂轮的研制


第 17 卷第 3 期
Vol . 17 No . 3

郑 州 工 业 高 等 专 科 学 校 学 报
JOURNAL OF ZHENGZHOU POLYTECHNIC INSTITUTE

200 1 年 9 月 Sept . 200

新 型树脂切割砂 轮 的研 制
王改民, 郭广玲2


(1郑 工 高 专 学 材 工 系 郑 450007; 2郑 工 高 专 学 后 处 郑 450007 州业 等科 校 料程 州 州业 等科 校 勤 州
摘 要 本文介绍一种新型的混合磨料树脂结合剂切割砂轮的制造技术, 对其切割机理 进行 了探讨 , 系统阐述了影响树脂切割砂轮的切割效率、 耐用度等方面的因素。 关键词 切割砂轮 混合磨料 切割效率 耐用度
中图号
0 引言

TG731

3300k创 2, mm m功 性脆而锋利。若将棕刚玉、 黑碳化硅
两种磨料混合来制造砂轮, 就有可能提高其切削 性能 , 原因有二 : 其一 , 棕刚玉磨料中加人适量的 黑碳化硅可以增加砂轮锋利的切削刃, 提高研磨 能力 , 同时由于黑碳化硅磨粒性脆 , 在磨削中当工 作压力增大到一定程度时 , 就可以破裂或脱落, 保 证砂轮 良好的自锐性 , 从而获得较高的切削性能; 其二, 由于两种磨料的颗粒形状不同, 磨料的比表 面积相对增大 , 颗粒与结合剂的接触面也增大, 并 且由于棕刚玉磨粒较粗 , 磨粒的间隙大, 结合剂桥 长。而黑碳化硅磨料薄而细, 可以部分的填充在 棕刚玉磨料之间, 扩大结合剂结合磨料的粘结面 积, 使结合剂桥相对的多而短, 这样砂轮强度就能 得到一定的提高, 为提高砂轮的切削性能奠定了 良好的基础。 1 原材料选择 1. 1 磨料的选择 目前 , 我国的树脂薄片砂轮所使用的磨料主 要是 K24 一K36 粗粒度 的棕刚玉 , 且采用混合粒 度磨料。混合粒度的磨具 , 由于含有多种直径的 磨粒 , 较细的磨粒能填充到较粗的磨粒间隙中, 因 而缩小了磨粒间的空隙, 增大了磨料的比表面积, 磨具是靠结合剂粘结起来的, 在相同的砂结比时, 混合粒度的切割砂轮结合剂桥短而粗 , 磨料的粘 结面积大 , 因此混合粒度能有效地提高磨具的强 度、 磨削效率和耐用度等 , 并能降低磨具的耗损速 度, 直接影响到切割加工的速度和质量。同时, 我

树脂切割砂轮是 以树脂为粘结剂, 将松散的 磨料粘结起来 , 固结成一定形状的薄片砂轮 , 它主 要应用于圆钢、 扁钢、 钢管、 角钢、 槽钢、 钢轨等金 属型材的切割加工。随着我国机械工业的迅速发 展, 磨料磨具市场的竟争越来越激烈, 价格战是必 然的发展趋势 , 因此, 我国大多数生产厂家采用价 格较低的棕刚玉磨料制造树脂切割砂轮 , 受其性 能的限制, 这种砂轮的切削性能不能满足机械工 业迅速发展的需要。如果将棕刚玉磨料用锻烧和 无机或有机材料进行表面处理来提高其切削性 能, 这样必然会造成生产工艺复杂, 增加生产成

本。我们曾在棕刚玉磨料中加人 25% 的白刚玉
来制造切割砂轮, 切割性能得到了较大改善, 但由 于加入量较大, 提高了产品成本。如何在生产工 艺条件不变、 产品成本也基本保持不变的情况下 生产出性能 良好的产品呢? 针对这一问题 , 在有 关树脂砂轮厂的大力协助下 , 利用该厂现行生产

条 和 行 工 路 械 磨 特 将 件 现 生产 艺 线, 据 料的 性, 棕
刚玉中加入少量价格低于白刚玉的黑碳化硅磨料 来制造树脂结合剂混合材质的切割砂轮, 旨在提 高砂轮的切削效率和耐用度, 而又不明显增加产
品的生产成本。 棕刚玉磨料颗粒形状呈不规则菱柱体 , 显微

硬度为 180。 2200k创 m2, 一 川 韧性好, m 能承受较大的
压力 , 抗破碎能力强 ;黑碳化硅磨料颗粒形状呈片

状、 针状, 硬度较棕刚玉高, 显微硬度为 3100
收稿 日期 :2001 - 04 - 17

第3期

王改民等 :新型树脂切割砂轮的研制

们在棕刚玉磨料 ( A) 中只加人少量的黑碳化硅 (C) , 避免过量的黑碳化硅( 因黑碳化硅引人了 C 的化学成分) 与钢材的化学反应。 1.2 结合剂的选择 结合剂的作用是把松散的磨料固结起来, 形 成具有一定形状、 一定硬度和一定磨削性能的磨 具, 普通切割砂轮一般采用酚醛树脂作结合剂, 这 是因为酚醛树脂耐热性和耐磨性好, 价格便宜, 磨
削适应性强。

2 .4
3.1

厂 家配方及砂轮性能
正 交试 验

3 试验过程

在实际生产中影响磨具使用性能的因素有很 多, 必须综合考虑。根据经验和有关资料 , 结合本 厂情况我们选择了具有代表性 、 典型性的试验点, 合理地选择了因素与水平, 安排了正交试验, 并以 数理统计的观点 , 应用正交性原理 , 同时采用综合 评分的方法分析影响产品质量的因素和指标。配

1.3 填料的选择 填料也称填充剂, 一般指添加到结合剂中作 为其中组分, 以改变结合剂的性能或降低生产成
本的物料 , 半水石膏粉是常用的填料 , 加人后能提 高磨具的强度, 减少硬化时树脂析出挥发物的数 量, 避免磨具起泡或变形等, 可缩短硬化时间, 还 能降低生产成本。
2 试验条件 2. 1 试验设备及仪 器

方的因素水平见表 2, 采用正交表 玛(34) 安排试 验, 通过九次试验制出的砂轮进行数据处理和有
关性能检测如表 3 所示。
表2 配方的因素水平表




C 成型密度 D 填料
(% )

水平

A磨料( 1 00%) B 结合剂
(%)

(g/cm 3)

1)200t 油压机; 2)程序控制热风循环硬化炉; 3) 数显高速回转试验机;

3. 1. 1 砂轮切割性能的评分方法
砂轮切割效率及耐用度计算公式如下: 切割效率 = 切除金属( 9) + Tilat t- (认 n I 砂轮损耗( 9) 切割时间和砂轮消耗 为每个试验 号三片砂 轮, 每片切割 8" (80 x 43 x 5) 热轧普通槽钢五次 的平均值 , 经计算, 切割 8" (80 x 43 x 5)热轧普通
耐用 度 =

4)J3G一 型高速切割机。 400
2.2 试验指标

1)切割效率和耐用度与该厂产品相 比提高
5% 以上 ;

鱼些 x (g)

2)砂轮达到行业标准的要求, 工作线速度从 该厂产品的70m/s 提高到 75m/so
2 .3 切 割试 验 方 法

使用J3G一 型高速切割机(功率为2.2kw, 400 转 速为 2800r/min ) , 根据多次切割试验的情况确
定合适的进给速度。 切割工件为 8" ( 80 x 43 x 5) 热轧普通槽钢, 材质为 A3a 开机, 等切割机转速达到最高稳定后开始切。 每个试验号选择三片作切割试验 , 每片切五刀 8x

槽钢时每刀切除金属量为25.5ga 以厂家的产品(表 1) 切割效率 2.52g/s 为80 分, 耐用度3.618/g 为80 分;正交表乌(30)试验中 (表3)最好的情况切割效率 3.20g/s 为 100 分, 耐 用度4.45g/g 为 100 分, 按线性关系分别评判砂轮
的切割效率和耐用度得分 , 综合评分为切割效率

(80 x 43 x 5)热轧普通槽钢, 用秒表记录每切一刀
从开始切到结束的时间。
裹 1 厂家配方及砂轮性能《 PB400 x 3 x 32APB70)

得分和耐用度得分各占50%o 3 . 1.2 优选配方 1) 极差分析
根据表 3 试验数据进行极差分析, 可以看出,

磨 料(A) 结合剂 填料 成型密度 切割效率 耐用度 回转强度

RA= 19 最大, 说明两种材质磨料配比是最主要因

(1 00%) ( %) ( %) (g/cm ) ,
K24 25 x 30 50
x 36 25

(g/s)
2 . 52

(g/g)
3 .61

(5350rpm)
通过

素, 其次是结合剂( R, = 17) , 再其次是成型密度 (R。 8) 和填料( Rn = 3) , 二 填料的影响最小, 九次
试验中综合得分最高的是 2 A, BZCZD20

7

2 . 25

郑州工业高等专科学校学报
裹3
因素 试验 号

2001 年

第 17 卷

正交 4 (3' ) 砂轮磨耗 砂 刀
5 . 73 7 . 40

切割时间
s/ 刀

切割 效率

耐用 度 评分
4 . 45 10 0
76

回转强度
5730rpm
通过 通过

综合评分
7 8 8 5 6 0 8 1 7 7 5 翻 3 6 7 5

评分
2 .32 3 .20
74 1o o

’ l 州 犷 护 犷 f 尸 扩 尹 1
n l 扭
, 几 , } , ~ , }
q J 内 j

2 3 l 2 3 l 2 3 7 4 7 ) ( 6
17

1 2 3 2 3 1 3 1 2 9 6 5 7 7 6
8

1 2 3 3 1 2 2 3 1 2 7 0 7 9 6
3

11 . 0 1 7 .97 11 .70
10 . 4 0 10 . 7 1

3 . 44
2 . 77

9 .20
6 .91 8 .44 9 .49 8 .21
7 .4 1 10 . 8 5

2 . 18
2 .45

0 7 8 7 6 7 6 5 印 0 5 4 6

印 2 8 6 8 5 8 6 6 7 0 5

通过 通过 通过
通过

3 .69
3 .02 2 . 67

2 . 38 1 . 70 1 . 84
1 . 50
1 .9 8

14 . 9 6 13 . 8 6 17 . 0
12 . 叭〕

3 . 10
3 .44
2 . 35

通过
通过
通过

伟 」

0 8 9 6 1 6
19

R

2}效应曲线分析
将表 3 中已计算好的数据作效应 曲线图, 以 工、 , lI 综合评分为纵坐标 , I I 以因素水平为横坐 标, 绘制综合评分与四因素的关系图如图 1 所示。
得分
只n 钊 }

相同的各项试验。
表4 项 磨料 结 填 成 型
验 .r

优选配方试验
切割 砂轮 切割 耐用 时间 磨耗 效率 度
9 . 70 8 .9 1
11 . 2

试 目00% \ ’
A:C

密度

回转 强度
通过 通过
通过

I几 件

) 剂 料 (以 ' ) (S ) (岁 ) (g/s) (g/g) (5730rpm 烧伤 cm /刀 刀
2 . 25
2 . 25

10 " 9 0 : 10 18 7 11"
12 x
93 :7
96 :4

6 .75
6 . 33

2 . 63
2 . 86

3 . 78
4 .03

无 无 无

18 7
18

,n 尹U

7 . 24

2 . 28

3 . 52

6 n

U

1 n 1 钊

AI

A2

A3

BI

B2

B3

CI

C2

C3

D 1 D2

D3

因素水平
图 1 综合评分与四因素的关系

从表 4 可以看 出: 11# 切割效率和耐用度是 最理想的。据分析和资料介绍 , 黑碳化硅磨料是 混合材质的重要组成部分, 其加人量的多少, 对砂 轮的切割性能有很大的影响, 砂轮的磨耗量随着

黑碳化硅用量的增加而增加( 10# 与 11“ 比较)。
这是因为黑碳化硅切割钢材时, 易发生化学磨耗, 其用量越大, 与钢材 的化学磨耗也越大 , 其反应

从 图 1 我 们 可 以 看 出, 佳 组 合 为 最

A, B,C2D, , 而此配方九项试验号中没有。从图 1
中还可看出, 磨料配比中随碳化硅加人量增加 , 评

分 低, 化 加 量有必 准 1 越 碳 硅 人 要 0%以 再作 内 进
一步调整。B, , B 2对评分影响不大, B3 却明显 但
降低, 可见, 结合剂是不能低于 17 .0% , 但随着结 合剂量的增加, 平分增加不明显; 成型密度取 2 . 25 较理想; 填料的影响不十分明显 , 可不作主要 因素考虑, 一般取 6% 一 8%较合适。

为:SiC+4Fe- FeSi + Fe3C, 切割时间则随黑碳化
硅用量的增加而减少( 11# 与 12# 比较) , 表现为较 高的切割效率; 当黑碳化硅用量超过 10 % 时, 砂 轮磨耗逐渐增大 , 而切割时间反而变长, 表现出较 低的切割效率 , 这是因为砂轮的磨耗速度过快, 当 切削刃尚未正常发挥切割作用时, 就发生破碎或 脱落, 从而使切削能力降低; 当用量在 7%左右为 最好 , 这是因为碳化硅用量少, 与刚材的化学磨耗 也少 , 使黑碳化硅和棕刚玉切削刃很快的暴露出 来进行有效切削的结果 ; 如果用量低于 4% , 切割 效率和耐用度就会偏低。 3 .3 回转破裂试验 通过以上试验选择 出最佳配 为试验号 110 , 以

根据以上分析, 选取最佳组合为 A,B C D Z Z Z,
以最佳组合为试验点再作单项试验 , 把棕刚玉与 黑碳化硅磨料的比例从 90 10 分别调整到 93 . 7

和 96 40
3 .2 优选配 试验

表 4 每种配 按 10 片配料 , 进行与正交试验

第3期

王改 民等 :新型树脂切割砂轮的研制

7

试验号 11# 的砂轮与厂家砂轮各取三片作对 比回 转破裂试验, 试验结果见表 5 所示 :
裹 5 回转破裂试验结果
项 目

速度从该厂产品 70m/ s 提高到 75m/s , 达到了本课

题试验的指标。
4 结论

砂轮回转强度 砂轮回转强度 砂轮回转破裂




1

5350rpm
通过
通过 通过

5730rpm

( 1.6 x 70m/s) ( 1.6 x 75m/s) 速度的 1.8 倍)
6190rpm 6250rpm

转速(大于工作

1) 试制棕刚玉黑碳化硅混合磨料砂轮时, 磨 料配比在 5% 一10% 之间选择为宜, 酚醛树脂液

应在 18% 一 19%之间, 成型密度为 2 .25g/c耐, 填
料在 6 % 一 之间。 8%

厂家砂轮( A) 2
3 1

6280rpm
通过 通过
通过

6520rpm 6580rpm
6590rpm

试验号 I1"


3

的砂轮( A + C) -

2) 该种砂轮与单一材质棕刚玉砂轮相比, 具 有切削效率高, 自锐性好 , 磨削热少, 不易堵塞等

优点;切割效率从单一棕刚玉砂轮2.52g/s 提高到

注:砂轮回转强度为砂轮工作速度的 1.6 倍. 维持 30: 不破裂;
砂轮回转破裂转速在工作速度的 1.8 倍以上。

2.86g/s, 高 345%;耐 度 提 了1 用 从3.618/g提 到 高
4 .038/g, 提高了11.6%;砂轮I 作线速度从70m/s 提高到75m 回转破裂转速提高了300rpm, /s, 产品
综合成本与厂家原产品基本相当。

从表 5 可以看出: I1#砂轮的的回转破裂转
速可达到 6500 转/分 以上, 比厂家产品回转破裂 转速约 6200 转/分提高了 300 转/分, 砂轮工作线
参 考





t 陈义辉主编. 树脂磨具制造 .机械工业部机床工具局, 1984 2 孟庆辉, 李印江主编. 磨料磨具技术手册 .兵器工业出版, 1993
3 刘蒲生主编. 磨具选择与使用 . 机械工业出版社出版, 1985

On Development of New-typed Resin-bonded Cutting Wheel
W ang G aimin Guo Gua喇 ing

Abstract This paper introduced a new type of resin-bonded cutting wheel in mixed abrasive . Cutting mechanism of the mixed abrasive is studied in the paper . A ffectting factors of cutting wheel in efficiency, w ear-resistance
etc . are also discussed . Ever cutting function target of this new wheel is better than common wheel by performance y
test and the cut surface is neat without burnt mark .

Keywords cutting wheel , mixed abrasive, cutting efficiency, wear-resistance


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