耐水PVA磨具的应用研究
耐水PVA磨具是日本原创产品，上世纪八十年代，国内最先用于精磨磁头。深圳、苏州、成都、宁波等地都建有磁头厂，起初就是为了满足这些厂家的国产化需求，第二砂轮厂才开始进行这项研究。当时最好用的是日产FBB砂轮，密度在0.8g/cm3左右。这项技术扩散后，国内相继建了多家磨具厂，专门生产磨磁头砂轮。但总体水平偏低，磨具性能调整范围有限，仅仅是在内销磁头生产上部分替代日产砂轮。近年来，随着电子技术的迅速发展和国内外制造水平的日益提高，各种新型耐水PVA磨具，尤其是低密度产品不断涌现，国内需求十分旺盛。而按照原来的那些制造技术，要获得低密度产品，只能通过调整砂结比来实现，这样势必造成磨具的磨削能力和磨削效率低下，“蹭大于磨”，增加磨削热。很显然，要想改变这种落后状况，很有必要对耐水PVA磨具制造过程再做进一步的深入研究。
1、耐水PVA磨具的性能特点
理想的耐水PVA磨具，具有大量类似于海绵结构的丰富的微气孔，有很好的弹性及吸水性。作为“弹性水磨石”，耐水PVA磨具强度高，发热少，散热快，能避免研磨产生的高温，不易烧伤工件，能防止出现螺旋形烧伤、花斑和振纹；耐磨性强，锋利度好，具有磨削刃前角变动的能力，自锐性优异，磨削阻力均匀，磨削过程中不需要修整磨具，不会产生粉尘污染。特别适宜于不锈钢、有色金属和硬质合金等热敏材料的的精磨、超精磨和镜面磨削。
2、技术要素分析
耐水PVA磨具制造技术的关键在于准确控制磨具的气孔率和砂结比，调整缩醛化速度。
砂结比控制的难点在确定PVA和热固性树脂的添加比例上，比例过大，耐水性能不好，结合不牢；比例过小，浆料难以混匀，甚至会出现凝聚沉淀。选用和PVA溶液混和性能好、互溶比例范围变化大的热固性树脂，是解决这个技术难题的有效办法。据资料介绍，目前国外已经成功使用的热固性树脂有酚醛树脂、环氧树脂和氨基树脂。
磨具的气孔率是依靠机械搅拌混入空气和添加发泡剂产生气孔两种工艺方法来保证的。密度较大的磨具一般只通过调整搅拌速度和搅拌时间直接控制。搅拌速度越快，搅拌时间越长，浆料中的泡沫越多，孔径越小，分布越均匀，制品的气孔率就越高。对于那些密度较小的制品，则要添加化学发泡剂。通过发泡引入足量气体，在缩醛化成型之前采取机械打泡方法调整气泡大小和泡沫均匀度，再选择合适的缩醛化反应条件，从而控制成品密度和泡孔结构。发泡剂的加入量要准确控制，太少，制品成闭孔结构，影响磨削效果；太多，则泡孔大小不一，制品的强度降低，会使磨粒产生不均匀脱落。一般控制在磨料质量的5%以内。另外，要制得密度足够小的制品，还需要在浆料混制过程中多添加一定量的水，同时加入增稠剂、触变剂、泡沫稳定剂等混合助剂来提高浆料体系的稳定性。因为增加水量后，浆料变稀，磨料易沉降分层，泡沫不稳定。泡沫本来就是热力学不稳定体系，泡膜排液和泡内气体扩散均会导致泡膜破裂，气泡聚并，严重时甚至会塌泡。增加混料温度和延长搅拌时间，会使浆料混制得更加均匀，而浆料搅拌的越均匀，磨料颗粒越能稳定地悬浮在浆料中。
PVA缩醛化是一个相对缓慢的过程，在低于50℃的条件下，大约需要反应近40小时，缩醛化度才能达到60－70%。升高温度，可缩短缩醛化时间。提高缩醛化度，可增加产品的脆性，降低弹性。为保证磨具制品具有适度弹性，一般缩醛化度控制在70%左右。另外，初始缩醛化温度过高，泡内气体膨胀，使泡壁变薄，弹性降低，排液速度加快，出现破泡，小泡并成大泡，致使气孔结构和分布发生改变，不易得到组织均匀的产品。初始缩醛化温度过低，缩醛化速度太慢，易出现磨料颗粒沉降分层，低密度的气泡上浮，同样不能得到气孔均匀的制品。而且低温时间也不能过长，否则泡孔易固定成闭孔结构。闭孔结构的制品，冷却液不易浸透，润滑及冷却效果不好，磨削不易均匀。总之，要控制好适当的初始反应温度，既不使泡孔过早破泡、并泡，又要使泡孔在均匀状态下相对固定，然后再适时升高温度，使相对固定的泡孔破裂，形成开孔结构，得到上下密度均匀的制品。
酸和醛的加入量不能少于配方要求，过多则是浪费。催化剂用量小，反应速度慢，缩醛化时间长，缩醛化度低。催化剂用量增大，缩醛化反应速度初期增加很快，中后期则渐趋于平缓，产品的缩醛化度随之增大。甲醛用量对缩醛化反应速度及产品缩醛化度的影响类似于酸催化剂，即体系中的甲醛浓度越高，初期反应速度就越快，中后期则基本不变，缩醛化度同样也随甲醛浓度的增加而提高。酸催化剂、甲醛的用量过小、过大都会破坏浆料体系的平衡。过小时，反应速度太慢，浆料会因凝固时间过长出现浓度梯度，严重时甚至会沉降分层；过大时，由于反应速度太快，热固性树脂的固化反应速度大于PVA的缩醛化反应，同样会因树脂的聚沉而出现沉降分层。另外，酸催化剂、甲醛的用量越大，水洗难度越大，不但增加成本，不易回收，又污染环境，而且如果水洗不净，还会腐蚀制品表面，轻者产品两面颜色不一致，影响美观，严重时制品表面会因腐蚀而变黑。
干燥过程是磨具湿坯体内水分排出蒸发的过程。其中，水分自湿坯体内部移向坯体表面，称为内扩散；湿坯体表面的水分吸热汽化，蒸发到大气中，称为外扩散。初始干燥温度过高，外扩散速度大于内扩散速度，会导致坯体因收缩不均而变形，严重时会造成裂纹废品。根据不同阶段坯体含水量的变化和内外扩散速率的大小，控制干燥湿度，采取分段升温的措施，在保证干燥质量的前提下，缩短干燥周期。在干燥完成后，继续升温至适当的温度，使坯体内的树脂结合剂完全硬化。硬化阶段升温速度太快，最终温度过高，都会影响磨具品质。
3、研究成果
本项研究在磨具密度、硬度控制上取得技术性突破，掌握了制造耐水PVA磨具的核心技术。确定了稳定的生产工艺和密度为0.4-0.8g/cm3的低密度耐水PVA磨具产品配方。能够根据用户需要，采用不同的磨料材质、磨料粒度制造出不同硬度和密度的耐水PVA产品。产品的磨削性能明显高于国内现用产品，经多家用户使用，完全能取代日本进口磨具。
4、应用前景
耐水PVA磨具取代传统的抛光研磨材料，广泛应用于有色金属、硬质合金和各种非金属材料的精密磨削，特别适用于对磨削热要求严格的磨削工序和磨削对象。常用的磨削工序和磨削对象有：照相印刷锌板、镁板的镜面磨削；不锈钢表面抛光；薄铜面的去除氧化皮、研磨、抛光；铜带、钢带的表面抛光；不锈钢餐具、手表表壳和不锈钢管材等其他不锈钢工件的研磨及镜面抛光；坡莫合金、铜铬合金、镁铝合金材料的精磨和抛光；复印机辊筒、印刷铜辊以及录放音磁头、刷卡磁头的精磨；IT行业PCB/CCL压合板、电脑硬盘内的铝质盘片的精磨和抛光；显像管玻壳和LCD平面、硬质合成树脂、光学玻璃、眼镜镜片、印刷用橡胶辊、高档皮革、玉石、象牙、工艺陶瓷、微晶玻璃等非金属材料的精磨和抛光；计量仪器刻度修正、美容刀超精磨、微型精密轴承的滑动面精磨、汽车减震杆的超精磨、各种轴承插梢、压縮机內传动轴及各种模具加工等。
作者简介
郭立云，男，汉族，磨料磨具高级工程师。1965年1月出生，河南项城人。1985年湖南大学有机化工专业毕业，大学本科学历。1985-2000年在白鸽集团有机公司、技术开发处、技术中心分别担任助理工程师、工程师和高级工程师。获河南省科技进步三等奖1次，河南省机械工业科技进步一等奖2次、二等奖1次，郑州市科技进步二等奖1次。主要从事磨料磨具产品开发、生产指导和技术转让，并担任企业常年技术顾问。精通树脂磨具制造技术和生产工艺，对砂轮配方设计和树脂结合剂的选用及改良改性有深入研究。
作者：西部车床，如若转载，请注明出处：https://www.lathe.cc/2023/11/6118.html