CN103481208A - 一种磨具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磨具，以磨料、填料、结合剂、消泡剂、固化剂、稳定剂为主要成分，其中，填料中含有在100～800℃时分解吸热的化合物。本发明还提供了一种制备以上磨具的方法。与现有技术相比，本发明能够实现磨具的自冷却作用，提高磨具的工作速度和磨削性能，延长磨具的使用寿命。

Description

一种磨具及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种磨削工具，具体是一种用于对工件进行磨削、研磨和抛光的磨具。

背景技术

有机磨具是指以有机分子化合物做结合剂，将一颗颗磨粒固结在一起，形成一种具有一定刚性（强度和硬度）的磨削工具。有机磨具包括以天然和合成做脂做结合剂所制成的树脂磨具，以及由天然或合成橡胶结合剂所制成的橡胶磨具。有机磨具一般由磨料、有机结合剂和气孔构成。有机结合剂包括树脂结合剂和橡胶结合剂。其中，聚氨酯是一种常见的橡胶结合剂。聚氨酯是一种非常特殊的性能特种材料，具有良好的操作性能，通过混合反应就可以生产磨具，工艺成本非常低廉。同时，聚氨酯也是一种弹性非常好的柔软物质，并且具有很好的结合强度，加上它具有发泡的能力，形成的多孔结构可以起到很好的排屑作用，如果配合棕刚玉作为磨料可以替代稀土抛光磨具对玻璃进行抛光。

但是目前存在的问题是，聚氨酯的耐温性能很差，其强度随着温度的升高会急剧下降。在磨具对工件进行磨削的工作过程中，由于摩擦产生巨大的热量，必然对磨具材质本身造成很大影响，特别是对于树脂结合橡胶结合剂或者聚氨酯塑料结合剂磨具等这些结合剂耐温不高的产品来讲影响更大。由于在磨削的过程中磨料和工件之间的摩擦温度可以达到800度以上（甚至达到发出闪光的温度），而磨具的结合剂如树脂、塑料、橡胶、聚氨酯等的耐温多数介于120至300摄氏度之间，如果在高温环境下，结合剂就会产生软化、熔解碳化等破坏结构的变化，直接导致磨具的性能失效，如磨料脱落、锋利度下降、结合剂软化熔解堵塞等现象。因此解决聚氨酯磨具工作中的冷却问题是磨具使用的一个关键。

在很多场合磨具使用中的冷却使用冷却液进行冷却，方法是在磨具进行使用的过程中加入例如水、乳化液、冷却油等冷却液的方法。但是还是存在一些问题使冷却效果不理想：第一，冷却液冷却时，对于耐温性低于200度的结合剂磨具效果不理想；第二，对于磨削接触面积比较大的环境中（例如杯形砂轮磨削时接触面较大）冷却液不能很好的进入到工作表面，导致冷却失效；第三，对于结合剂材质本身为热的不良导体，因此在磨削过程中磨料局部产生的高温根本就没法快速的传递出去形成散热效果，因此对于局部高达800℃的高温也会很大地影响到磨料和结合剂的过渡带的性质，使磨料和结合剂结合不好直接导致磨具性能的急剧下降。

发明内容

本发明的一个目的是针对以上要解决的技术问题，提供一种能够在切削过程中提高冷却效果，从而保证性能良好、延长使用寿命的磨具。

本发明的另一个目的是提供一种制备该磨具的方法。

为了达到以上目的，本发明提供了一种磨具，该磨具以磨料、填料、结合剂为主要成分，其中，所述填料中含有在磨具工作时发生分解反应并吸热的化合物。在一个优选的实施例中，所述化合物在100～800℃时发生分解反应并吸收热量。

以上所指化合物指的是能够在磨具工作（例如磨削、研磨、抛光）并温度升高时发生分解反应并吸收热量的化合物，这些化合物优选在100～800℃，更优选在150℃～600℃，特别是在150～500℃时发生分解反应的化合物，该化合物在分解的同时吸收热量，从而达到冷却降温的目的。在优选的情况下，该化合物分解时不会产生有毒物质。本领域技术人员可以根据具体要求选用不同类型的可以达到这一目的的化合物。

本发明在现有的磨具配方基础上，通过在填料中添加可在磨具工作时（例如达到100～800℃）发生分解吸热反应的化合物，使其在工作发热时促使填料中所用的“化合物”发生分解反应并吸收热量，从而降低磨具的温度。这种通过化合物分解吸热来冷却磨具的方式尤其适用于有机磨具，例如聚氨酯树脂磨具。

在所有能够实现这一目的的化合物中，优选为无机盐水合物。这些无机盐水合物包括但不限于水合硫酸钙、水合碱式碳酸铜、水合碳酸镁、五水合硫酸铜、十二水硫酸铝钾、七水硫酸亚铁中的一种或多种。以上化合物优选占所述填料总重的重量百分比为40～50%。

这些化合物在填料中的含量可综合种类、吸热能力、分解温度、原料成本、产物类型等因素，视具体的情况而定。作为本发明的一种优选实施方式，所述化合物占所述填料总重的重量百分比为30～60%，更优选为40～50%。

在本发明特别优选的一个实施例中，所述磨具由以下重量百分比的组分制成：

磨料          40～45%，    填料            10～14%，

多羟基化合物  16～20%，    甲基二异氰酸酯  25～30%，

消泡剂        适量，       固化剂          适量，

催化剂        适量，       稳定剂          适量；

其中，所述填料由占填料重量百分比为40～50%的二水合硫酸钙和50～60%的辅料组成；

以上各组分的重量百分比之和为100%。

所述多羟基化合物优选为聚酯多元醇或聚醚多元醇。所采用的聚酯多元醇或聚醚多元醇均为本领域技术人员所熟知的类型，其羟值优选为7000。

所述磨料天然磨料和人造磨料，优选为棕刚玉、白刚玉、单晶刚玉、碳化硅、立方氮化硼、氧化铈中的一种或多种。如果选用棕刚玉的话，所述棕刚玉优选粒度为40#、60#、80#、120#中的至少一种。

所述催化剂为本领域常用催化剂，优选为胺类催化剂。

所述稳定剂为本领域常用稳定剂，优选为有机锡羧酸盐，特别优选为二月桂酸二正丁基锡。

所述固化剂为本领域常用的固化剂即可，特别优选为3,3’-二氯-4,4’-二氨基二苯基甲烷。

所述消泡剂为本领域常用的消泡剂即可，特别优选为二甲基硅油。

本发明还提供了一种制备以上磨具的方法，其包括以下步骤：

（1）称料：按比例称量填料，将填料经两次筛网混合后与磨料搅拌混合成干料混合料备用，同时将结合剂与消泡剂、固化剂、稳定剂混合制备结合剂混合料；

（2）搅拌：将所述结合剂混合料预搅拌至少30秒，加入所述干料混合料搅拌，滴加催化剂，滴加完毕后搅拌2～3分钟，停止搅拌；

（3）倒模：模具在使用前涂抹脱模剂，倒模；

（4）初步硫化及脱模：100℃硫化反应1小时后，出炉，冷却至40℃，脱模；

（5）恒温熟化后，进行表面处理、打磨整形。

本发明的磨具使用能在100～800℃时发生分解吸热反应的化合物作为冷却剂，当磨具工作时，所产生的热量使填料中的这部分化合物发生分解反应并吸收热量，从而对磨具起到降温冷却的作用。

下面以二水合硫酸钙为例进行说明。二水合硫酸钙（CaSO₄·2H₂O，生石膏）是石膏的主要成分,当二水合硫酸钙在受热达110℃到170℃之间时，发生脱水,会逐步变成半水合硫酸钙2CaSO₄·H₂O，过程中吸收热量，并在400～750℃再度发生强烈的脱水反应吸收大量的热量。这是一个典型的吸热反应，引发反应的条件分别是温度达到110～170℃和400～750℃。

研究发现，在磨具对工件进行磨削的过程中，磨削时的瞬间温度往往能够超过800℃，足以引发生石膏的局部脱水反应，而恰好这时反应吸收热量会对磨具产生冷却降温的作用。利用这种原理，可利用二水合硫酸钙这一类能够在高温发生分解吸热反应的化合物作为冷却剂，利用其在高温环境下发生脱水反应并吸收热量的原理解决结合剂过热的问题，使磨具本身具有一定的自冷却功能，从而提高冷却效果，提高磨具性能。

与现有技术中未添加能够在高温发生分解吸热反应的化合物的磨具相比，本发明具有以下明显效果：（1）对于解决低温结合剂的冷却具有良好的作用，例如树脂结合剂磨具，橡胶结合剂磨具等。这些结合剂很多时候耐温都在200℃左右，特别是聚氨酯结合剂磨具，如果温度超过170℃就会大幅度降低性能，本发明能够很好地保持聚氨酯本身的特性，使磨具在使用过程中不易遭受结构性的破坏，也增加了磨具配方的可能性，使研究结合剂的范围更广。（2）提高磨具的工作速度和磨削性能：由于采用这种辅助的冷却手段，使磨具的极限工作速度得到提高。磨具在工作中产生的热量和工作时磨削的速度直接相关，工作速度越快产生的热量就越大。因此在同等的结合剂材质中加入了这种脱水冷却剂会明显的提高最大工作速度和磨削性能。（3）对于较大面积磨削的磨具，具有良好的冷却效果。例如杯形砂轮，工作面是端面，磨削面积比较大，因此热量不容易通过冷却液散出，因此采取磨具内部吸热，有效的降低了磨削过程中的局部温度，避免磨料和结合剂之间的结合度受到影响。

具体实施方式

以下一聚氨酯结合剂磨具为例，对本发明的技术方案作进一步的详述，但实施例仅为便于阅读者的理解与参考，并不对本发明作任何形式的限制，本发明同样适用于其他类型的磨具，例如环氧树脂结合剂碳化硅玻璃抛光砂轮等等。

实施例1

按照以下配方准备各制备磨具的原料：

聚酯多元醇（羟值7000）：290g，

甲基二异氰酸酯：410g，

二甲基硅油：11g，

3,3’-二氯-4,4’-二氨基二苯基甲烷（MOCA）：4.5g，

胺类催化剂：2.15g，

二月桂酸二正丁基锡：3滴，

颜料：103g，

二水合硫酸钙：84g，

棕刚玉：680g。

具体制备步骤如下：

1）称料：按照以上配方比例称量各组分，将颜料和二水合硫酸钙经过两次筛网混合后再与棕刚玉搅拌混合成干料混合料备用；MOCA在使用前用80#筛网筛选，然后将二甲基硅油、MOCA和二月桂酸二正丁基锡加入聚酯多元醇中，再加入甲基二异氰酸酯，混合制备结合剂混合料；该步骤中，聚酯多元醇和甲基二异氰酸酯必须经过过滤，以避免材料结团，其他材料如果不在当天使用必须经过干燥保存。此外，所有的筛分材料都必须有充足的粉粒度和均匀度，不可以有结团和不均匀的粗点。

2）搅拌：将上述结合剂混合料预搅拌30～45秒，加入干料混合料搅拌2分钟，然后开始滴加胺类催化剂，滴加完毕后搅拌2.5～3分钟，停止搅拌，倒模。该搅拌过程中，室内温度保持低于23℃、湿度低于60%。

3）倒模：模具在使用前涂抹脱模剂，脱模剂为聚乙烯蜡（分子量2000）经过煤油加热溶解成糊状。倒模要求在1分钟内完成，倒模要求物料表面平坦，物料足够。装模后经过初步反应在模具排气空中有少量物料被挤出。该倒模过程中应保持各次倒料均匀，并且立刻装模。

4）初步硫化及脱模：100℃硫化反应1小时后，出炉，冷却至40℃，脱模；脱模时，砂轮已经成形，要求脱模后的胚体不能有变形和脱落。

5）85～100℃恒温熟化8～16h后，用聚氨脂清漆经过表面涂抹，涂抹表面均匀，不能有过厚或没有涂抹到的地方，需要静置到充分固化后才进入下一工序。固化干燥后打磨整形，使上下两个端面达到平整度和厚度要求。

实施例2

按照以下配方准备各制备磨具的原料：

聚酯多元醇（羟值7000）：310g，

甲基二异氰酸酯：465g，

二甲基硅油：11g，

3,3’-二氯-4,4’-二氨基二苯基甲烷（MOCA）：4.5g，

胺类催化剂：2.15g，

二月桂酸二正丁基锡：4滴，

颜料：90g，

二水合硫酸钙：60g，

棕刚玉：620g。

具体制备步骤及注意事项与实施例1相同。

实施例3

按照以下配方准备各制备磨具的原料：

聚酯多元醇（羟值7000）：260g，

甲基二异氰酸酯：400g，

二甲基硅油：11g，

3,3’-二氯-4,4’-二氨基二苯基甲烷（MOCA）：4.5g，

胺类催化剂：2.15g，

二月桂酸二正丁基锡：4滴，

颜料：110g，

二水合硫酸钙：110g，

棕刚玉：710g。

具体制备步骤及注意事项与实施例1相同。

对照实施例

取一不添加二水合硫酸钙的聚氨酯磨具作为对照，该对照磨具的配方中不含二水合硫酸钙，所使用的颜料的重量为187g，其他组分以及制备方法均与实施例1相同。

检验实施例

分别对实施例1～3和对照实施例的磨具进行指标检测和试磨，其方法如下：

1、指标检测方法：

检测的项目包括平均比重、弹性（回弹率）、邵氏硬度并且计算出相应的标准差，检验的操作方法如下：

（1）浸水法比重检验操作方法：

比重=空气中称量/（空气中称量－浸水称量）

（2）邵氏硬度检测方法和步骤：

A．调整测头高度，使测头端面和被测量件的距离约为7mm；

B．上提置物台，并调整平台的水平，使被测物品的测量平面，和测头的端面完全均匀贴紧，没有间隙；

C．重新上提置物台，如果发现测头垂直上升没有偏摆，方可读数。

（3）弹性（回弹率）检测方法和步骤：

A.调整仪器水平，使水平仪的气泡在中间位置；

B.调整摆锤位置，使摆锤在自然下垂状态下刚好碰到被测表面；

C.上提摆锤并卡到固定钩中，把指针拨到刻度0处；

D.夹好被测物，释放摆锤，到摆锤完成回弹动作后读出刻度的数据为回弹率。

2、试磨检验方法

使用240#金刚石砂轮对10mm厚的玻璃进行粗磨，然后用样本进行3.5KG压力下的试磨对经过粗磨的玻璃进行抛光。试验加工速度为6米/分钟。

3、指标检验的标准：

（1）PA轮的平均硬度必须在81到84之间。

（2）硬度标准差小于1.17，否则必须加大50%抽样率进行检验。

（3）平均弹性必须大于20%。

（4）平均比重大于1.60克/立方厘米。

4、试磨检验的标准：

（1）表面脱落均匀没有散砂，并且表面为薄薄的一层胶表面伴有砂粒，不允许有胶粘在玻璃上。

（2）“水冷抛光”时轮子工作稳定不散砂不变形，并且抛光后测量玻璃被加工面的光洁度大于20Gs。

（3）完成试磨的轮子表面应该有少量的油膜，不起泡，明显看见有较多的砂砾在表面。

分别对以上实施例1～3和对照实施例所制得的磨具进行试磨。试磨结果表明，同等条件下，对照实施例的磨具在打磨10mm厚度玻璃边的时候工作速度为1.5米/分钟，可以达到既定的抛光效果，但是磨具出现变形的现象。而实施例1、2、3中添加二水合硫酸钙作为冷却剂后，磨具的工作速度可提高到7米/分钟，并且磨具一直没有出现变形，有效延长了磨具的使用寿命，证明了本发明的有益效果。

通过在现有的各种类型的磨具配方中添加例如水合碱式碳酸铜、水合碳酸镁、五水合硫酸铜、十二水硫酸铝钾、七水硫酸亚铁这些无机盐水合物以及其他具有同等分解吸热能力的化合物，利用现有工艺所制得磨具进行试磨，结果均显示加入这些化合物之后的磨具与未加入以上化合物的磨具相比，由于自冷却作用，能够有效提高工作速度，且磨具未出现变形，可以改善磨具的使用寿命。

Claims (10)

1.一种磨具，以磨料、填料、结合剂、消泡剂、固化剂、稳定剂为主要成分，其特征在于所述填料中含有在磨具工作时发生分解反应并吸热的化合物。

2.根据权利要求1所述的磨具，所述化合物在100～800℃时发生分解反应并吸收热量。

3.根据权利要求1或2所述的磨具，其特征在于：所述化合物为无机盐水合物。

4.根据权利要求3所述的磨具，其特征在于：所述无机盐水合物为水合硫酸钙、水合碱式碳酸铜、水合碳酸镁、五水合硫酸铜、十二水硫酸铝钾、七水硫酸亚铁中的一种或多种。

5.根据权利要求3所述的磨具，其特征在于：所述化合物占所述填料总重的重量百分比为40～50%。

6.根据权利要求1或2任一项所述的磨具，其特征在于：所述化合物占所述填料总重的重量百分比为30～60%。

7.根据权利要求6所述的磨具，其特征在于：所述化合物占所述填料总重的重量百分比为40～50%。

8.根据权利要求7所述的磨具，其特征在于由以下重量百分比的组分制成：

磨料            40～45%，        填料            10～14%，

多羟基化合物    16～20%，        甲基二异氰酸酯  25～30%，

消泡剂          适量，           固化剂          适量，

催化剂          适量，           稳定剂          适量；

其中，所述填料由占填料重量百分比为40～50%的无机盐水合物和50～60%的辅料组成；

以上各组分的重量百分比之和为100%。

9.根据权利要求8任一项所述的磨具，其特征在于：所述多羟基化合物为聚酯多元醇或聚醚多元醇。

10.制备权利要求1至9任一项所述磨具的方法，其特征在于包括以下步骤：

1）称料：按比例称量填料，将填料经两次筛网混合后与磨料搅拌混合成干料混合料备用，同时将结合剂与消泡剂、固化剂、稳定剂混合制备结合剂混合料；

2）搅拌：将所述结合剂混合料预搅拌至少30秒，加入所述干料混合料搅拌，滴加催化剂，滴加完毕后搅拌2～3分钟，停止搅拌；

3）倒模：模具在使用前涂抹脱模剂，倒模；

4）初步硫化及脱模：100℃硫化反应1小时后，出炉，冷却至40℃，脱模；

5）恒温熟化后，进行表面处理、打磨整形。