1、1阿2007 届毕业生毕 业 论 文题 目: 空调压缩机气缸、活塞专用 CBN 树脂砂轮的结构与性能研究 院系名称： 材料科学与工程 专业班级： 材料 0301 学生姓名： 学 号： 200374104 指导教师： 教师职称： 教授 2007 年 6 月 2 日毕业设计（论文）0摘 要本文主要介绍了有关 CBN 树脂砂轮结构与性能的分析.空调压缩机气缸活塞专用 CBN 树脂砂轮要求有良好的性能才能达到理想的加工效果.然而提高树脂磨具质量需要从其结构和性能来分析影响砂轮质量的因素,才能找到改进 CBN 树脂砂轮质量的配方工艺,使国内加工高精度零件达世界先进水平.我们选用三种国外进口酚醛树脂作为结
2、合剂，设计首先是对这三种酚醛树脂作一系列的物理化学性能分析，包括熔点、固化时间、流动性；接着通过综合热分析和红外光谱实验对三种树脂的化学结构进行推断；然后做树脂样条检测结合剂的强度硬度以及检测砂轮的抗冲击强度和硬度,这些可以用来检验树脂对磨料的结合能力；最后用这三种树脂所做的 CBN 砂轮完成一系列的磨削实验，确定其磨削性能。关键词： 酚醛树脂 磨削性能 力学性能 结构分析毕业设计（论文）1Title Structural and Functional Research on Air-condition compressor Gas Cylinder, Piston specialized C
3、BN resin Grinding wheel AbstractThis paper mainly analyzes the structure and function of CBN Resin Grinding wheel.Air-condition compressor Gas Cylinder ,Piston specialized CBN resin grinding wheel. must have perfect functional to reach ideal processing effect. For the quality improvement, structural
4、 and functional factors that affect the quality of grinding wheel should take into consideration. With the perfect processing prescription for improving the quality of CBN resin grinding wheel, the technique skill for home processing field on high finish components can catch up with the world level.
5、We chose three foreign imports as a phenolic resin binder to experiment. Design is the first of three this phenolic resin as a series of physical and chemical properties, Including melting point, curing time, mobility ，Then through the integrated thermal analysis and infrared spectroscopy of three r
6、esin chemical structure inference; For the kind of resin binder can detect the strength and hardness; Detection Wheel impact strength and hardness resin can be used to test the combination of abrasive; Finally, the three resins done CBN wheel grinding completed a series of experiments to determine g
7、rinding performance.Keywords: Phenolic Resin Phenolics performance Rubs truncates the performance Mechanics performance毕业设计（论文）2目 次1 前言 .11.1 国外研究状况 .11.2 国内研究状况 .21.3 研究的意义 .22 原料及方案 .22.1 CBN 磨料 .32.2 树脂结合剂 .32.2.1 酚醛树脂粉 .32.2.2 填料 .42.3 实验方案的确定 .43 实验及分析 .43.1 酚醛树脂粉的物理性能 .53.1.1 酚醛树脂的熔点的测定及分析 .53
8、.1.2 酚醛树脂的流动性的测定及分析 .63.1.3 酚醛树脂的凝胶时间的测定及分析 .63.2 结构分析 .73.2.1 差热分析 .73.2.2 红外光谱分析 .103.3 树脂块的力学性能 .113.3.1 纯树脂块的的制备 .113.3.2 洛氏硬度的测定及分析 .123.3.3 抗折强度的测定及分析 .133.3.4 冲击试验的测定及分析 .133.3 磨削性能 .133.3.1 SiC 树脂样条的性能测定及分析 .143.3.2 CBN 树脂样块磨削性能的测定及分析 .15结 论 .17致 谢 .18参 考 文 献 .19毕业设计（论文）01 前言随着科学的发展科技的进步,中国国
9、民生活水平得到了提高,汽车、空调不再是那么的遥不可及,反而与人们的生活联系日益密切 1 。汽车、空调的社会需求量也突飞猛进的增长,然而这些产品零部件的加工需要达到高精度的要求。目前国内汽车、空调行业多采用进口这些零部件,致使产品成本大大增加,与国外的同等行业竞争处于劣势,阻碍了国内汽车、空调行业的发展。近年来，国际知名的空调生产企业纷纷来华建厂，空调压缩机制造行业在国内的竞争日趋国际化，空调压缩机的核心零部件汽缸、活塞磨削 CBN 砂轮系列产品的市场竞争十分激烈，空调压缩机厂家纷纷要求降低成本，要求砂轮国产化。而我国的 CBN 磨具与世界先进水平还有很大距离，因此其应用前景十分广阔。每个厂家使
10、用 CBN 砂轮的年平均用量约合人民币一千多万元，总进口量约合人民币八千多万元，若实现此种砂轮的进口替代，可实现销售收入五千多万元，这样会带来十分客观的经济效益和社会效益。所以加快研究这一系列超硬材料砂轮是刻不容缓的事，是具有重大意义的。1.1 国外研究状况据来自不同途径的资料统计，国外用超硬材料磨具、工具加工的汽车零部件已达 100 余种，而我国仅十余种，且这十余种零部件大都仅少数工艺装备较先进的汽车厂或配件厂使用。目前，国外己将超硬材料磨具用于关键的汽车零部件，且己融入大生产线之中。(CBN)磨料具有高硬度、高强度和导热性好等优点，在国外已广泛应用于高温合金、钛合金等难加工材料的磨削加工。
11、如德国的温特公司己大批量提供用于汽车活塞环加工的 CBN 磨盘、高精度耐磨轴承加工的特殊陶瓷结合剂 CBN 砂轮和曲轴磨砂轮。以加工高合金钢的 CBN 砂轮为例，德国雷格公司的 CBN 磨轮在奔驰汽车公司使用，每次进刀量(深度)达 0.10mm 时，其磨削比 G 值可达 80(干磨)，而国产的 CBN 磨轮根木无法使用，当将磨削进刀量降至 0. 02mm 时，才勉强可用，其磨削比 G 值仅 20 左右 2 。而我国这些关键零部件加工连最基础的试验工作还未完成。温度高，磨削表面完整性差。毕业设计（论文）11.2 国内研究状况20 世纪 70 年代我国研制成功了 CBN 砂轮主要是用来磨削一些硬度
12、高难磨的材料或一些精度要求高的工具和模具解决了精度差、易烧伤等质量问题。而在磨削工艺密集，生产批量大的产品，如汽缸、活塞、轴承生产磨削等用 CBN砂轮磨削的技术研究进展很少，更没有在工业大生产中应用。2004 年, 沈阳中科超硬磨具磨削研究所研制了空调压缩机汽缸活塞磨削用CBN 砂轮系列产品。他们研制的树脂 CBN 砂轮采用的关键技术为： 采用压力控制以保证砂轮的成型密度； 选用国外耐高温树脂、化工配方填料、热压温度参数，保证了产品的磨削性能；采用专用工装卡具保证了产品的尺寸精度.该所生产的 CBN 树脂砂轮的主要性能指标为：节拍 12 秒，修整周期 3000 件，砂轮寿命 15 万件，达到国
13、外技术水平 3。1.3 研究的意义CBN 磨具磨削复杂程度和技术水平远高于传统的磨削技术，而我国在 CBN应用研究方面起步较晚，虽然也取得了很大进步，但和世界工业发达的国家相比我国在全面技术、制品研制及应用领域还有一定的差距 4 。为适应市场竞争的需要, 应对大量进口超硬材料磨具带来的冲击, 提高国产金刚石和 CBN 磨具的质量 , 尤其是树脂结合剂磨具质量已到了刻不容缓的地步。随着全球经济一体化进程的加快, 中国经济的进一步对外开放, 越来越多的先进加工机械进入中国的制造业领域, 附之而来的高质量的 CBN 磨具也越来越多。这一方面对本行业的市场进行冲击; 另一方面由于磨具价格的极大差距 ,
14、 为降低产品加工成本, 不得不向国内磨具行业寻求可以替代进口的磨具产品。 5因此, 外资的进入既是挑战, 更是机遇。本行业应当不失时机地积极组织人力、物力、财力进行攻关。用于加工高精度汽车零配件、空调压缩机气缸、活塞的 CBN 树脂结合剂砂轮技术的研究和推广，有利于中国超硬材料的在这一领域的迅速发展，为中国企业带来了很大利润，也节省了大笔开支，对中国汽车、空调等产品也是一次好的技术革新。2 原料及方案CBN 树脂砂轮由 CBN 磨料、树脂结合剂和基体三部份组成,其中 CBN 磨料与毕业设计（论文）2树脂结合剂决定着表面结构和性能的重要因素。2.1 CBN 磨料CBN（Cubic Boron N
15、itride）是继人造金刚石问世之后，于1957年，由美国GE公司首先合成出的又一种超硬材料。我国在1966年试制成功CBN，至今已有近四十年的历史了 6。CBN 主要性能：CBN 的硬度远高于其它普通磨料。高的硬度意味着切削能力更强、更锋利;CBN 有高的耐磨性，意味着它比普通磨料更难磨损。保持磨粒形状的能力是 CBN 作为高性能磨料的主要特性之一；CBN 的抗压强度很高，这意味着在恶劣的条件下使用时它能保持颗粒完整而不易破碎；CBN 有很好的导热性，在磨削时可实现冷切削。由于它的这些优异性能,CBN 树脂磨具特别适合于各类铁族金属材料的磨加工.CBN 磨料粒度有不同型号,我们可根据需求选择
16、适合的粒度。2.2 树脂结合剂树脂结合剂是由作为粘结材料的树脂和填料组成, 结合剂的优劣主要取决于所用粘结材料的性能,但填料的作用也不可忽略 6。目前国内 CBN 磨具所用树脂主要有两大类: 酚醛树脂包括普通酚醛树脂(牌号为 2123)、改性酚醛树脂(如硼酚醛树脂、新酚树脂, 但使用得很少); 聚酰亚胺树脂它是一种比酚醛树脂有更好的高温强度, 且耐腐蚀、耐磨损的有机聚合物。我们这次选用酚醛树脂粉,其特点是自锐性好,富有弹性,抛光性能好,适应范围广,且成本低 7。2.2.1 酚醛树脂粉我们有三种不同的酚醛树脂粉,它们分别是: 英国的 939P,德国的 Bakelite公司生产 0327 和 03
17、09。这三种树脂粉的物理性能如下:英国 939P:粉红色粉末,具有特有气味,可溶于乙醇.熔点:85-105,粒度小于 75 微米,堆积密度:0.35-0.37g/cm3,成型密度:1.20-1.24g/cm3. 939P 具有特殊的芳烷基酚醛树脂，被证实是有着显著的高温热稳定性，抗热性。用其作为结合剂制作的砂轮应用广泛，包括硬化钢或硬质合金的加工工具，切割研磨机，也可以用于花岗岩，大理石和其他装饰材料的抛光和打磨。德国的酚醛树脂 0309 和 0327 是热固性树脂，其特点是含有少（无）量的毕业设计（论文）3甲醛和苯酚，可以是溶剂型，也可以是无溶剂型，固体含量较高，黏度底。耐烧蚀，阻燃，低发烟
18、，在高温下的刚性保持率高，耐蠕变等优点 8。2.2.2 填料超硬磨料树脂磨具使用的辅助材料,包括填充剂、润滑剂、湿润剂等几类, 多达 20 余种.国内常用填充剂为 Cu 粉、Cr 2O3、ZnO、Fe 2O3；国外一些进磨具配方中，铜用得少,甚至不用。国外使用 Al2O3、SiC 比国内多见，既是填料，又是辅助磨料.而二氧化硅等其它填料现在已很少使用。但国内有些厂家仍在大量使用,效果不好，应当放弃 9。.我们选的填料主要有填充剂 Cu 粉、氧化锆、氧化锌和润湿剂。2.3 实验方案的确定在实验之前充分作好准备，根据事先确定的工艺流程最后结合多种注意事项要求，结合配方和工艺过程，最终确定最佳方案。
19、整个实验的流程如图 1 所示:图 1 实验方案物理性能检测:熔点、流动性、凝胶时间(聚合速率 )化学结构性能检测：热重分析差热分析红外光谱实验纯树脂实验样块性能检测：抗冲击强度抗折强度硬度性能检测树脂中加入 SiC 制备样制备 CBN 圆块磨具 CBN 磨削性能检测SiC 磨具的抗折强度、硬度毕业设计（论文）43 实验及分析空调压缩机气缸活塞专用 CBN 树脂砂轮需要达到对零件的高精度磨削,因此砂轮需要较好性能才能达到我们的要求。我们主要从酚醛树脂粉的性能分析其对 CBN 树脂砂轮结构与性能的影响。酚醛树脂粉的熔点、凝胶时间、流动性都影响着结合剂 CBN 磨料之间结合力的强弱,而树脂块的抗折强
20、度洛氏硬度冲击韧性都是砂轮的力学性能的重要指标 10。从实验我们知道,CBN 树脂砂轮性能有诸多因素制约,合适的原料,合适的配方,先进的工艺方能生产出质量达先进水平的树脂砂轮。3.1 酚醛树脂粉的物理性能3.1.1 酚醛树脂的熔点的测定及分析毛细管法测定树脂的熔点：取少许待测熔点的干燥树脂粉，至于干净的表面器皿上，取一根一面封闭的毛细管，将开口向下的端插入粉末中，然后把开口的一端转向上，轻轻地在桌面上敲击，让粉末倒入底部。将熔点管垂直夹在铁架上，把温度计插在带有缺口橡皮塞内，温度计的刻度应面向有缺口的一面，并将调节至水银球在熔点管上下叉管之间。取出带温度计将毛细管固定在温度计上，使装料部分处于
21、温度计的中部，然后把带温度计和毛细管的橡皮塞插入熔点管。在熔点管弯曲的支管部分加热。开始升温较快，每分钟约上升 5到距离熔点 10-15调整火焰使每分钟上升 1。待甘油冷却到熔点以下 30左右，另取一根装好样品的毛细管重复以上操作。得出数据如表 1:表 1 酚醛树脂的熔点（）1 2 3 平均熔点（）939P 88 84 85 86.50309 132 112 110 1180327 98 96 98 97结果分析: 三种酚醛树脂的熔点:0309(sp)0327(sp )939P. 从表中可以看出 0309 的熔点高于 0327 高于 939P毕业设计（论文）53.1.2 酚醛树脂的流动性的测定
22、及分析称取树脂粉 10 克，压制成 50mm*5mm 圆柱实验块。将已经成型好的实验块用游标卡尺测量其直径后,用小钉固定在倾斜角为 45 度的铁板上放入初始温度为 40 度的烘箱中，以每小时 10的速率加热 8 小时至达到 180为止，取出后用游标卡尺测量其流长，最终得到三种树脂流长,做三次数据如表 2 所示：表 2 酚醛树脂的流动性(mm)939P 0309 032763.2 70.6 171.259.460.869.270.4175.7172.2结果分析: 三种酚醛树脂的流动性 0327 最好,其次是 0309,较差的是 939P. 结合剂的流动性对磨具的制造以及产品性能的有重要影响，若结
23、合剂的流动性过低，则结合剂的黏度大，不容易流动，不易均匀地分布在磨粒之间，因而会影响结合剂和磨粒之间的结合程度，不能保证磨具应有的机械强度；相反，若结合剂的流动性过大，则结合剂的黏度过低，很容易从磨粒之间流出，并造成制品变形，对磨具的制造都是不利的 11。3.1.3 酚醛树脂的凝胶时间的测定及分析树脂聚合是树脂内部结构有线型向体型转化的过程，由 A 期转化 C 期所要的时间，即为树脂的聚合速率，它决定了树脂磨具的硬化快慢程度。把加热板升温到 180将 2-3 克树脂粉末放于加热板中心， ，并不断把玻璃棒提高 10-12 毫米，观察到伸长线的生成，当线条到伸长断裂的瞬间为止，所需要的时间为硬化时间，三种树脂做三次取平均值如表 3 所示：.表 3 酚醛树脂的凝胶时间 939P 0309 0327101 150 44110 205 106112 156 55结果分析: 三种酚醛树脂的凝胶时间为 0309(sp)939P 0327(sp) ，所以在三种树脂制作磨具时硬化时间应考虑逐次减少。测出树脂的硬化时间对以后
