一种有机无机矿物复配高速砂轮基体的成型制备方法与流程

本发明属于磨削磨具，具体为一种有机无机矿物复配高速砂轮基体的成型制备方法。

背景技术：

1、高速砂轮是现代精密磨削加工的核心工具之一，广泛应用于航空航天、汽车制造、轴承加工等领域。砂轮基体作为砂轮的支承结构，承担着传递磨削力、维持砂轮形状精度和保证高速旋转安全性的关键作用。随着磨削速度的不断提高（线速度从传统的35-50m/s提升至80-120m/s甚至更高），对砂轮基体的力学性能、动态平衡精度和热稳定性提出了更为严苛的要求。

2、目前，高速砂轮基体常用的材料主要包括金属（钢、铝合金、钛合金）和碳纤维增强复合材料。钢基体强度高、刚性好，能够满足高速磨削不变形的要求，但质量大，增大了主轴负荷，导致主轴轴承发热和磨损，功率消耗高。碳纤维基体虽然密度低、不易变形，但在高速磨削产生的大量热量反复作用下容易产生疲劳损伤，最终导致断裂，使得砂轮动平衡精度超差，磨削时产生震纹。此外，碳纤维增强复合砂轮基体采用铺层工艺制备时，基体与砂轮磨料层的粘结区域容易存在层间分层和边缘效应，导致磨料层剥落、脱离等问题。

3、在树脂基砂轮基体方面，酚醛树脂因其成本低、工艺成熟、耐热性较好而占据市场主导地位，约占树脂结合剂市场的80%。然而，纯酚醛树脂存在脆性大、韧性差、硬度高、耐热性不足等固有缺陷，极大限制了其在高速砂轮基体中的应用。为克服上述缺陷，现有技术通常采用聚氨酯、聚乙烯醇缩丁醛（pvb）等弹性体对酚醛树脂进行增韧改性。例如，采用pvb对酚醛树脂进行物理共混改性，当pvb添加量为14%时，改性树脂的拉伸强度为44.46mpa，断裂伸长率为1.19%，弯曲强度为93.06mpa，分别较未改性酚醛树脂增加了48.82%、36.50%和135.25%，但热稳定性有所下降。然而，这种物理共混方式存在两相界面结合力弱、长期使用中容易发生相分离的问题，在高速旋转的离心力作用下，界面缺陷会成为裂纹萌生和扩展的源头。

4、此外，现有树脂基砂轮基体的成型工艺多采用一次性热压成型或等温固化，固化过程中产生的小分子气体难以充分排出，容易在基体内部形成气孔和残余应力，影响基体的回转强度和动平衡精度。因此，亟需开发一种兼具高韧性、高界面结合强度和高热稳定性的有机无机复配高速砂轮基体及其成型制备方法。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中酚醛树脂基砂轮基体韧性不足、界面结合强度低、固化过程中易产生内应力和气孔等技术问题，提供一种有机无机矿物复配高速砂轮基体的成型制备方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种有机无机矿物复配高速砂轮基体的成型制备方法，包括如下步骤：

4、步骤一：利用六亚甲基二异氰酸酯的异氰酸酯基与酚醛树脂分子链上的羟基在二月桂酸二丁基锡催化下发生氨基甲酸酯化反应，得到接枝改性酚醛树脂。

5、步骤二：基于端-nco接枝改性酚醛树脂与聚氨酯多元醇中-oh的原位反应，生成氨基甲酸酯键或脲键，使酚醛相与聚氨酯相通过化学键连接，形成化学交联网络，得到一体化酚醛/聚氨酯复合材料。

6、步骤三：对热固性酚醛树脂粉和pvb树脂分别进行真空干燥，得到预处理热固性酚醛树脂粉和预处理pvb树脂。

7、步骤四：在对甲苯磺酸催化下，甲基丙烯酸缩水甘油酯（gma）的环氧基与pvb分子链上的羟基发生开环醚化/酯化反应，将环氧基团接枝到pvb分子链上，得到环氧接枝改性pvb。

8、步骤五：将环氧接枝改性pvb溶液与预处理热固性酚醛树脂粉复配，加入六次甲基四胺和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，得到双组分粘接剂。

9、步骤六：将白刚玉、氧化铝、碳化硅、碳酸钙、冰晶石按比例复配为形成复配无机矿物填料；与双组分粘接剂、一体化酚醛/聚氨酯复合材料、短切玻璃纤维、六次甲基四胺、kh-550混合，过80目筛，得成型料。

10、步骤七：将玻璃纤维网格布浸渍粘接剂后与成型料交替铺层，经分段热压和高温后固化，得到有机无机矿物复配高速砂轮基体。

11、进一步地，接枝改性酚醛树脂具体制备步骤如下：

12、向酚醛树脂溶液中加入二月桂酸二丁基锡，搅拌均匀，在35-40℃的条件下，缓慢滴加六亚甲基二异氰酸酯，滴加时间为0.5-2h，滴加完毕后，将体系升温至60-80℃，在氮气保护下回流反应4-10h，将粗产物用甲苯或丙酮溶解后，滴入正己烷、石油醚或环己烷中沉淀，重复沉淀2-4次，将沉淀产物在40-50℃真空条件下干燥6-10h，得到接枝改性酚醛树脂。

13、进一步地，酚醛树脂溶液、二月桂酸二丁基锡和六亚甲基二异氰酸酯的用量比为200-400g：0.1-2g：60-80g。

14、进一步地，酚醛树脂溶液具体制备步骤如下：

15、将酚醛树脂在60-80℃真空条件下干燥4-8h，在氮气保护下，将干燥后的酚醛树脂加入无水丙酮中，于40-60℃搅拌溶解，得到固含量为20-40wt%的酚醛树脂溶液；

16、进一步地，酚醛树脂和无水丙酮的用量比为100-110g：200-400g。

17、进一步地，一体化酚醛/聚氨酯复合材料具体制备步骤如下：

18、将接枝改性酚醛树脂与聚氨酯多元醇搅拌混合，并加入3-4wt%二月桂酸二丁基锡和1,4-丁二醇，在60-90℃下搅拌反应0.5-3h，脱泡后注入模具，于80-120℃固化2-16h，在该过程中，端异氰酸酯接枝改性酚醛树脂末端的-nco基团与聚氨酯组分中的-oh发生原位反应，形成氨基甲酸酯键或脲键，使酚醛相与聚氨酯相通过化学键连接，形成化学交联网络，得到一体化酚醛/聚氨酯复合材料。

19、进一步地，接枝改性酚醛树脂、聚氨酯多元醇、二月桂酸二丁基锡和1,4-丁二醇的用量比为200-400g：180-200g：0.8-2.5g：40-50g。

20、进一步地，预处理pvb树脂具体制备步骤如下：

21、取羟甲基含量为2-8wt%、粒径为80-200目的热固性酚醛树脂粉，于60-80℃真空条件下干燥4-6h，使其含水量不大于500ppm，得到预处理热固性酚醛树脂粉；将分子量为30000-80000、羟基含量为10-20wt%的pvb树脂，在50-60℃真空条件下干燥6-8h，得到预处理pvb树脂。

22、进一步地，环氧接枝改性pvb具体制备步骤如下：

23、在氮气保护下，将预处理pvb树脂加入无水甲苯中，于50-60℃搅拌溶解至完全透明，加入对甲苯磺酸，搅拌均匀后，缓慢滴加甲基丙烯酸缩水甘油酯（gma）作为环氧化接枝单体，滴加时间为0.5-1h，滴加完毕后，将体系升温至60-80℃，回流反应4-8h，反应结束后冷却至室温，用碳酸氢钠水溶液中和至ph6-7，将中和后的反应液缓慢滴入大量去离子水中沉淀，过滤后用去离子水反复洗涤2-4次，将沉淀产物在40-50℃真空条件下干燥8-12h，得到环氧接枝改性pvb。

24、进一步地，预处理pvb树脂、无水甲苯、对甲苯磺酸和甲基丙烯酸缩水甘油酯的用量比为100-110g：300-600g：0.5-5g：80-90g。

25、进一步地，双组分粘接剂具体制备步骤如下：

26、将环氧接枝改性pvb溶解于无水乙醇中，配制成固含量为20-40wt%的环氧接枝改性pvb溶液；将预处理热固性酚醛树脂粉与环氧接枝改性pvb溶液混合，加入六次甲基四胺及γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷，在20-25℃和500-600r/min的条件下搅拌40-60min，得到双组分粘接剂。

27、进一步地，预处理热固性酚醛树脂粉、环氧接枝改性pvb溶液、六次甲基四胺和γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷的用量比为100-105g：300-308g：0.8-1g：3-5g。

28、进一步地，复配无机矿物填料具体制备步骤如下：

29、将白刚玉、氧化铝、碳化硅、碳酸钙、冰晶石按照（5-10）：（15-25）：（8-15）：（5-10）：（3-8）的质量比分别干燥、过筛形成复配无机矿物填料。

30、进一步地，型料具体制备步骤如下：

31、将25-40份双组分粘接剂、10-20份一体化酚醛/聚氨酯复合材料、15-25份复配无机矿物填料、3-8份短切玻璃纤维、0.5-1.5份六次甲基四胺、0.3-1.0份kh-550，混合30-45min，过80目筛，得成型料。

32、进一步地，分段热压程序为：

33、80-90℃、1-2mpa、1-2min；100-105℃、3-4mpa、2-3min；120-130℃、5-6mpa、2-4min；125-130℃、6-8mpa、15-20min，期间排气3-5次，保压冷却至60-80℃后脱模，175-180℃下固化4-6h，缓慢降温至50-60℃出炉，得到有机无机矿物复配高速砂轮基体。

34、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

35、（1）通过酚醛相与聚氨酯相之间的化学键合，在刚性酚醛网络中引入柔性氨基甲酸酯链段，克服了传统物理共混两相界面结合力弱、易相分离的缺陷，所得基体的断裂伸长率和抗冲击韧性显著优于纯酚醛树脂基体。

36、（2）通过玻璃纤维网格布层叠增强与化学交联网络的协同作用，使基体的切向抗张强度大幅提升，回转试验破裂速度达到允许最高工作速度的2.0倍以上，满足高速砂轮的安全系数要求。

37、（3）通过化学交联网络的形成有效抑制了聚氨酯组分的迁移和降解，同时冰晶石和氧化铝等无机填料的加入提高了基体的导热性和热稳定性，使基体在高速磨削产生的高温环境下仍能保持力学性能稳定。

38、（4）本发明基体的密度显著降低，有效减轻了机床主轴负荷；分段热压和梯度固化工艺充分排除了固化过程中产生的气体和内应力，基体内部缺陷少，动平衡精度高。