CN1305883A - 研磨材料 - Google Patents

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Abstract

一种研磨材料,包括:用含有金刚石磨粒的结合料树脂粘合的氧化铝基长纤维;设在所述粘合了的纤维表面上的金刚石磨粒层。所述研磨材料,例如,制成厚度为0.45mm到1.2mm的平板。所述金刚石磨粒层设在所述粘合好了的纤维的两个相对的表面中至少一个的上面。用作氧化铝基纤维的是扁平长丝,其截面形的长轴线与短轴线之比在1.3到1.8范围之内。

Description

研磨材料
本发明涉及诸如抛光磨石之类的研磨材料，特别是涉及一种适于对例如烧结硬质合金、高硬钢和淬火钢这样的硬材料抛光，特别是能以手工或以振动工具或旋转工具对诸如用这种硬材料制造的例如棱和凸起部这样的非常精细的部分进行精确抛光的一种研磨材料。
对用高硬钢或洛氏硬度C级(HRC)等于或大于50的淬火钢或硬度更高的烧结硬质合金制造的模具的需求近年来一直在增加。
能对这样硬的材料抛光的研磨材料主要是金刚石。然而，一般的金刚石磨石都是用金属或热固性树脂作结合料结合金刚石磨粒制成的，广泛用于磨削和切割这种硬材料，但很少用于抛光这种硬材料。真的，至今还没有适于，特别是适于精确抛光的金刚石磨石。其原因如下：在精确抛光方面，一般的做法是用金刚石砂或金刚石磨膏以木制或竹制的刮刀对材料进行抛光。这种方法的问题是耗时长而且要有抛光技术。所以，一直很需要研制一种密实的磨石。然而，如果这种磨石不是体积小而且薄，就不能适应于工件，同时磨石本身还要有相当的强度和弹性。一般的金刚石磨石作成这种形状时，就很容易碎，不适于实际使用。
另一方面，还有一些广为人知的以添加各种加强纤维的办法加强磨石的方法。例如，日本专利申请公开号63-52972就建议了一种以诸如碳化硅纤维、碳纤维、氮化硅纤维、硼纤维和铝纤维等短纤维加强磨石的方法。日本专利申请公开号63-52972这一专利中还说明了一种以长纤维增强材料的方法，也已为一般人所知晓。至今人们尚不了解包含增强纤维、磨粒和基体树脂三种成分能精确抛光硬材料的磨石。对于磨石来说，出色的抛光性能和对硬材料抛光所需的高强度都是必需的，但人们一般了解的纤维增强磨石满足不了这种要求。
纤维增强磨石遇到的问题是如果看重抛光性能试图增加纤维增强磨石中的磨粒含量，磨石的强度就会降低。另一方面，如果看重强度试图增加磨石中的纤维含量，实际的抛光性能又没有了。
因此，本发明的目的是提供一种具有足够的实用强度同时又有出色的抛光性能因而解决了与现有技术有关问题的研磨材料。
为了达到以上目的，根据本发明的第一方面和第一特征提供一种研磨材料，包含用含有金刚石磨粒的基体树脂粘结的氧化铝基长纤维，和设在粘结好的纤维表面上的金刚石磨粒层。
除了第一特征外，还根据本发明的第二方面和第二特征把所述研磨材料制成平板形并在粘结了纤维的两个相对表面中的至少一个上面覆有一个金刚石磨粒层。
除了第二特征外，还根据本发明的第三方面和第三特征把所述研磨材料制成平板形并在所述粘结好了的纤维的两个相对的表面上都覆有金刚石磨粒层。
除了第二特征外，还根据本发明的第四方面和第四特征把氧化铝基长纤维以6度到30度的交角螺旋形地绕于一筒形件上并沿筒形件的轴向切开成一个薄板，垂直于切开方向的面被限定为抛光端面。
除了第二特征外，还根据本发明的第五方面和第五特征把研磨材料制成0.45mm到1.2mm厚的平板。
除了第一或第二特征外，还根据本发明的第六方面和第六特征，形成金刚石磨粒层的磨粒嵌入结合料树脂。
除了第一或第二特征外，还根据本发明的第七方面和第七特征，使不包括所述磨粒层内的金刚石磨粒的金刚石磨粒的含量占3％到15％(重量)。
除了第一或第二特征外，还根据本发明的第八方面和第八特征，所述的氧化铝基长纤维的长丝主要是扁平截面的长丝。
除了第八特征外，还根据本发明的第九方面和第九特征，截面形的长轴线与短轴线之比在1.3到1.8的范围内。
除了第一或第二特征外，还根据本发明的第十方面和第十特征，在垂直于氧化铝基长纤维纵长方向的方向上加负荷的情况下，所述研磨材料的抗弯强度在500Mpa或更高，抗弯弹性模数在50Gpa或更高。
为了根据本发明生产所述研磨材料，要把氧化铝基纤维、金刚石磨粒和基体树脂用作必要组分，并首先使氧化铝基纤维和金刚石磨粒在研磨材料中处于特定的分布状态，从而使所生产出的研磨材料表现出出色的抛光性能并使强度提高。氧化铝基纤维和金刚石磨粒的这种分布保证研磨材料在加入抛光工件所必需的和足够的磨粒量的情况下，强度不会下降。而且还可以用特殊的氧化铝基长纤维作加强纤维，提高研磨材料的强度。
因此，根据本发明的研磨材料甚至对例如洛氏硬度C级在50或50以上的高硬钢和硬度更高的烧结硬质合金这样的硬材料既可以进行粗抛光又可以进行精抛光，还可以用于对非常精细的部分或者诸如模具的槽和角之类的面积小的部分，对凸缘和凸起部进行抛光。而且，这种研磨材料具有卓越的精确的抛光性能和能很容易地在短时间内抛光通常要求其表面光洁度Ra等于或小于0.5μm的烧结硬质合金模具的抛光效率。
下面详细说明本发明。
用于根据本发明的研磨材料中的纤维是氧化铝基长纤维。玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维之类的纤维一般都知道是加强纤维。然而，已知的这些纤维中的任何一种用到研磨材料里都会遇到研磨材料在要抛光的物件表面打滑的问题。而氧化铝基纤维却非常适合对工件抛光，因为考虑到氧化铝基纤维的前端在抛光过程中逐渐破碎。
金刚石磨粒可以在市场上购得，粒度在大约100至1000目之间用在根据本发明的研磨材料中最好，但本发明所用磨粒不限于此。
用于把根据本发明的氧化铝基纤维和磨粒结合起来的基体树脂的优选实例是诸如环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂、聚马来酰亚胺树脂、不饱和聚酯树脂之类的热固性树脂。
根据本发明的研磨材料的特征是构成研磨材料的加强纤维和磨粒在分布上做到磨粒在外表面的含量高于内部的含量。就是说，本发明保证抛光性能和实用强度的目的通过保持外表面磨粒层对工件的良好迎角和高抛光性能和研磨材料内部氧化铝基纤维提供的强度而达到。
特别是，例如把研磨材料做成厚约0.45mm到1.2mm，宽约3mm到20mm的平板，平板的两个相对的表面中至少有一个表面有，最好是两个表面都有金刚石磨粒层。
在这种情况下，氧化铝基纤维呈薄板状，是把长丝纤维束以6度到30度的交叉角螺旋形地绕在筒形件(即，对筒形件的圆周方向的角度为3度到15度)并沿圆柱件的轴向切开缠绕的纤维束而成。垂直于切开方向的纤维束边被限定为抛光面。这样，研磨材料就制成了，其中不会引起分层脱开。
最好使用300到3000根各为0.06到2.5特的丝的纤维束作为长丝束。
把这种片制成直径为1mm到6mm的圆杆或任何直径和任何断面形状的杆，再在杆的整个周面上覆以金刚石磨粒层。
在这种情况下，以纤维的侧边方向为轴线卷UD薄板就可以很容易地制造出杆状研磨材料来。
不管什么情况，金刚石磨粒层都是用以下方法制成的：给已经制成预定形状并处于未固化状态的磨料结合树脂的表面敷以金刚石磨粒；再在这种状态下在如此做出的材料的外周施加压力，把材料制成最后的形状；与此同时，挤出内部过剩的基体树脂。这样，形成金刚石颗粒层的金刚石磨粒就可以嵌入基体树脂了。金刚石磨粒可以完全埋入基体树脂，也可以嵌入使得磨粒的头部稍稍露出基体树脂的表面。
最好整个金刚石磨粒层基本上都有金刚石磨粒。
以上述方法制造磨粒层，层的外表面上的磨粒含量高于层内部的含量，以此可以提高研磨材料对硬质材料制成的工件的抛光性能。另一方面，为了提供抛光作业必需的实用强度，需要内部的磨粒含量低于外表面的含量。特别是，除了磨粒层之外在内部的磨粒含量最好等于或少于15％(重量)。为了进一步提高强度磨粒含量，最好等于或少于10％(重量)。
根据本发明的研磨材料内部的磨粒含量如上所述，但是，研磨材料的总磨粒含量最好在7％到20％(重量)的范围内。根据本发明的研磨材料的总磨粒含量如果等于或少于20％(重量)，研磨材料具有满意的抛光性能。所以，不要求磨粒含量超过20％(重量)或更多，而且如果这样的话强度会下降而且磨料消耗会加快。另一方面，如果研磨材料内的总含磨粒量小于7％(重量)，研磨材料的抛光性能根本不够。
当然，本发明使用的氧化铝基纤维有较高的强度更好。研制之初氧化铝基短纤维和氧化铝基脆性长纤维的抗拉强度一般最多大约为100kg/mm2，但是，由于后来改进，生产出了抗张强度大约为150-200kg/mm2的氧化铝基纤维。于是用于本发明的氧化铝基长纤维抗拉强度和抗拉伸弹性模量最好分别等于或大于1.8Gpa(大约180kg/mm2)和180Gpa(大约180吨/mm2)。
如上所述，氧化铝纤维的强度不一定比碳纤维之类的强度高。为了提高磨石的强度即使使用高强度的氧化铝基纤维，强度也有限度。所以，本发明的发明者们经过积极的研究发现如果使用包含截面为扁平形的扁平长丝的氧化铝基纤维，磨石的强度会进一步提高。换言之，用于本发明的氧化铝基纤维的长丝的通常截面最好是扁平形的而不是真正的圆形。扁平形的具体例子是椭圆形、茧形、雨滴形等，这些形状在长丝中可以兼而有之，混合使用，圆截面长丝也可以结合使用，但是其量最好少一些。例如，圆截面的长丝的含量等于或少于20％较好，正如在压制产品截面照片中所见到的那样，等于或少于总长丝量的10％更好。
扁平形的长轴线与短轴线之比最好在1.3到1.8之间。
据认为，使用这种扁平形截面的纤维磨石的强度提高的原因如下：长丝与相邻的长丝之间和长丝与磨粒之间的附着面积通过基体树脂增加了，而且压制产品破裂时纤维从基体树脂脱开的现象不易发生。
因为根据本发明的研磨材料是用于抛光硬质材料的，为了实际应用具体强度最好做到抗弯强度等于或大于500Mpa，抗弯弹性模量等于或大于50Gpa。为了消除对使用中的研磨材料损坏的担心，抗弯强度大约需要800Mpa。假使根据本发明的研磨材料制成层结构的，使用抗拉强度等于或大于1.8Gpa，抗拉弹性模量等于或大于180Gpa的氧化铝基纤维可以获得这种值的强度。此外，如果使用主要是由扁平截面长丝组成的氧化铝基纤维束可以生产出强度更高的研磨材料。假使抗弯强度等于或大于1000Mpa，那就更好了。
实例
现在说明本发明的实施例。实例1
把由1000根各为0.6特的单根长丝组成的氧化铝基纤维束用作制造磨石的加强材料。所述纤维束，包含85％(重量)的Al2O3和15％(重量)的SiO2，直径为10μm，平均抗拉强度为2.5Gpa，平均抗拉弹性模量为220Gpa。把用环氧树脂基扎绞剂(每根长丝的量为3％)对氧化铝基长丝轻轻扎绞而制成的纤维束从卷丝管拉出并穿过把粒度为400目的人造磨料金刚石粒(Matsumoto Yusi公司制造的KMG-03)放入水中而成的浆液(磨粒浓度等于20％(重量)并不断搅拌)，以这一方法使磨粒附着在纤维束上。然后，把附着了磨粒的纤维束螺旋状地绕到转鼓上，卷绕宽度350mm，与周向成5度的角，长丝交叉角等于10度，并充分干燥脱水。接着，以手工敷层的方式把在重量上含100份环氧树脂(Yuke Shell Epoxy公司制造的Epikote 828),3份三氟化硼单甲胺和30份丙酮的复合树脂敷于纤维束上，再把这种敷了复合树脂的纤维束干燥并沿转鼓的旋转轴线切开，这样就制造出了尺寸为310mm×350mm的含金刚石砂粒的氧化铝基纤维预浸处理薄板。
对这种薄板加热并在115摄氏度的温度下作15分钟预固化，然后，再把同样的金刚石磨粒撒布于所述薄板的相对的两个表面上直到板面盖住为止。此后，把一张不粘纸放在上面撒有金刚石砂粒的薄板上并用熨斗轻轻熨烫，这样，磨粒就固定住了。把这样制出的薄板放进压力机挤压，挤出多余的树脂，直到薄板的厚度达到1mm为止。以后，再对薄板加热并在160摄氏度的温度下以压力对其进行两个小时的固化。结果，金刚石磨粒就嵌入了树脂。
用金刚石圆片车刀把用上述方法制得的板状产品切成宽10mm长100mm和厚1mm的平板形研磨材料条。
把这种试样放在650摄氏度的空气里烧结并对树脂含量进行定量测定。然后再在1200摄氏度的温度下煅烧试样烧金刚石，并对金刚石的含量进行定量测定。结果表明金刚石的整个含量约为14.4％(重量)。此外，清除表面上的金刚石砂粒，再以同样的方法烧薄板并测定内层的金刚石磨粒含量，结果，证实重量占10.2％。这种研磨材料平均抗弯强度为810Mpa，平均抗弯弹性模量为70Gpa。
把研磨材料固定于振动工具(UHT公司制造的TurbolapswingTLS-07)并用空气压力以每分钟来回17000次的频率振动，对SKD11的经电火花加工过的表面(洛氏硬度C级为57，表面光洁度Ra约等于2.5μm)抛光，与此同时，对经电火花加工过的表面施以250g的负荷。结果，经电火花加工过的表面的光洁度Ra达到大约0.5μm。
实施例2
把由1000根各为0.6特的单根长丝组成的氧化铝基纤维束用作制造磨石的加强材料。所述纤维束，包含重量85％的Al2O3和重量15％的SiO2，根据比重3.2和特(TEX)决定的平均直径为10μm，根据直径决定的平均抗拉强度为2.5Gpa，根据直径决定的平均抗拉伸弹性模量为220Gpa。正如横断面照片中所见到的那样，长丝截面主要是茧形的，茧形的长轴线与短轴线之比主要为大约1.5。很少见到有圆截面的长丝。用氧化铝基纤维束制造预浸处理的薄板的方法与实施例1相同。
在这种薄板上固定金刚石磨粒的方法同实施例1，然后还要加热加压。用金刚石圆片车刀把用上述方法制成的板状产品切成宽10mm，长100mm，厚1mm的平板形条。
金刚石在研磨材料中的总含量是11.5％(重量)，金刚石磨粒在内层的含量是8.3％(重量)。这种研磨材料的平均抗弯强度为1020Mpa，平均抗弯弹性模量为75Gpa。
对这种研磨材料进行与实施例1同样的抛光试验。结果表明工件的表面光洁度Ra达到0.4μm。
还使用这种研磨材料在振动条件下对用烧结硬质合金制造的工件(HRA为89.0和表面光洁度Ra等于1.1μm的V-30)进行了10分钟的抛光试验。结果表明工件的表面光洁度达到0.2μm。
实施例3
像实施例2那样把有金刚石磨粒的铝基纤维束绕于转鼓上，纤维束平行地一圈圈绕制，纤维束的邻近圈之间没有间隙。把绕好的纤维束经干燥脱水，然后，再把成分和实施例1中的相似的树脂敷上并干燥再切开制出一张所谓的UD薄板。
把这种薄板放在115摄氏度的温度下预固化15分钟然后在纤维的纵长方向每100mm切开，在垂直于纤维的方向每40mm切开。把这样切成的薄板以卷寿司的方法在平行于纤维的方向卷成圆杆。再使这个圆杆在放有同样的金刚石磨粒的基板上滚动，以此把金刚石磨粒粘到所述圆杆上。对粘到圆杆表面上的金刚石砂粒通过对圆杆的树脂加热的办法加以固定，然后，再通过在胶压过程中的加热对固定了金刚石砂粒的圆杆进行加压及固化，制成直径约3mm圆杆形研磨材料。
在重量上，金刚石在这种研磨材料中的总含量是13.8％，在内层的含量是10.2％。这种研磨材料的平均抗弯强度为850Mpa，平均抗弯弹性模数为71Gpa。
把这种研磨材料固定于旋转工具上并以每分钟30,000转的速率旋转对与实施例1类似SKD 11的经电火花加工过的表面(洛氏硬度C级为57)进行抛光。结果证实这种研磨材料特别适于对很粗糙的表面部分进行初抛光。结果，抛光10分钟工件表面的表面光洁度Ra达到0.7μm。

Claims (10)

1．一种研磨材料包括用含有金刚石磨粒的基体树脂粘合的氧化铝基长纤维和设在所述粘合了的纤维表面上的金刚石磨粒层。
2．按照权利要求1的研磨材料，其特征是：所述研磨材料制成平板形；在所述粘合了的纤维的两个相对的表面中至少有一面上覆有所述金刚石磨粒层。
3．按照权利要求2的研磨材料，其特征是：所述研磨材料制成平板形；在所述粘合了的纤维的两个相对的表面上都覆有所述金刚石磨粒层。
4．按照权利要求2的研磨材料，其特征是：所述氧化铝基长纤维以6度到30度的交角螺旋形地绕于一筒形件；再沿所述筒形件的轴向切开成一薄板；垂直于切开方向的边被限定为抛光端面。
5．按照权利要求2的研磨材料，其特征是所述研磨材料制成厚度为0.45mm到1.2mm的平板。
6．按照权利要求1或权利要求2的研磨材料，其特征是形成所述金刚石磨粒层的磨粒嵌入于所述结合料树脂内。
7．按照权利要求1或权利要求2的研磨材料，其特征是除了所述磨粒层内的金刚石磨粒以外的金刚石磨粒含量占3％到15％(重量)。
8．按照权利要求1或权利要求2的研磨材料，其特征是所述铝基长纤维的长丝主要是具有扁平截面的长丝。
9．按照权利要求8的研磨材料，其特征是所述截面形的长轴线与短轴线之比在1.3到1.8的范围内。
10．按照权利要求1或权利要求2的研磨材料，其特征是：在垂直于所述氧化铝基长纤维纵长方向上施以负荷的情况下，所述研磨材料的抗弯强度为500Mpa或更高；抗弯弹性模数为50Gpa或更高。
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