2.4　橡膠結合劑磨具

橡膠結合劑磨具簡稱橡膠磨具，它是以天然橡膠或合成橡膠和配合劑為結合劑，與磨料混勻并成形，經過加熱硫化而得到的橡膠制品。這種制品既有磨具的一般磨削特性，又有橡膠制品的性能特點，是磨削加工中不可缺少的磨具，約占磨具總量的5％。

橡膠磨具具有以下特點。

①機械強度高　橡膠磨具屬于硬質硫化橡膠制品，有很高的機械強度，其物理力學性能：抗拉強度為576～720MPa，抗沖擊強度為0.05MPa，密度為1.1g/cm3，伸長率為5％～705％，軟化溫度為60℃。

②富有彈性，拋光性能好　橡膠為具有大分子量、可變形的高彈性體，在常溫下表現出高彈性的獨特性能。在磨削加工中，受磨削熱影響，磨具與被磨工件的接觸處于彈性狀態，受磨削力作用，磨具表面磨料可以被壓入彈性結合劑橡膠中，因而，被磨工件表面留下較淺的劃痕，工件表面可獲得較低的表面粗糙度值。

③磨具組織緊密，氣孔率低　橡膠結合劑原料生膠是一種高黏度的液體，受熱軟化流動，成為黏彈性物質。橡膠磨具成形加工是在熱塑性狀態下進行加熱硫化，因而制成的磨具坯體組織緊密，氣孔率低甚至無氣孔，故在磨削過程中排屑和散熱性能差，易摩擦生熱，燒傷工件，因此影響了橡膠磨具的廣泛使用。

④耐熱性較差　軟質橡膠磨具不耐油，易老化。硬質橡膠磨具則耐油、耐酸、耐堿，可在常溫下存放。橡膠磨具耐熱性差，60℃開始軟化，100℃以上放出H2S氣體，產生惡臭氣體。溫度超過200℃開始炭化分解，達到250～280℃燃燒。故橡膠磨具僅在濕磨中使用。

橡膠磨具的特性決定了其用途，主要制成硬質磨具，如磨軸承砂輪、磨螺紋砂輪、無心磨削導輪；用于精密磨削，在軸承行業廣泛應用；還可制成硬質橡膠薄片砂輪，其厚度可薄至0.08mm，對儀表、量具、精密零件進行刻槽與開溝，對貴重金屬材料進行切割與切斷。所加工出的溝槽有較高的表面質量。另外，制成柔性拋光輪，對精密零件及工具進行拋光和修飾。

橡膠磨具按制造工藝分為滾壓法砂輪、模壓法砂輪；按結合劑性狀分為軟質膠砂輪、半硬質膠砂輪、硬質膠砂輪；按用途分為精密砂輪、導輪、切割砂輪、拋光砂輪。橡膠磨具形狀、尺寸、材質、粒度的標準代號和表示方法可參考GB/T 2484—1994。

橡膠磨具生產工藝流程如圖2-12所示。

2.4.1　橡膠磨具的原材料

橡膠磨具所使用的原材料種類繁多，大體上分為磨料、橡膠及配合劑三個部分。

（1）磨料

橡膠磨具常用磨料是棕剛玉、白剛玉。少量磨具使用微晶剛玉、綠碳化硅、黑碳化硅。原料粒度號為F80～F120，少量磨具使用F40～F60和F150～F240，個別使用F280、F400及F800。

橡膠磨具中不同品種磨料對磨具使用性能有一定影響。在相同結合劑的生膠中加入粒度和數量相同的磨料，但磨料品種不同，制成相同規格的磨具，在相同磨削條件下使用，白剛玉（WA）和鉻剛玉（PA）磨具強度最低；單晶剛玉（SA）磨具對工件表面燒傷最嚴重，微晶剛玉（MA）和鉻剛玉（PA）燒傷最輕。不同磨料品種對磨具生產中生膠的可操作性有一定影響。棕剛玉（A）與生膠料的黏附性比白剛玉（WA）好；細粒度磨料與生膠的黏附性比粗粒度磨料好。含剛玉磨料的生膠料，對磨料的包輥性能遠比SiC磨料好。生膠中含磨料量大時，則膠料性能發脆，易斷裂散碎，壓片成形困難，但壓出的磨具坯體尺寸穩定，硫化變形小。磨料含量少時，壓出的坯體尺寸膨脹大，膠料粉碎性差。磨料含量大，結合劑含量相對減少，則會降低磨具強度，耐用度下降，但磨削能力增加且不易燒傷工件。

對于軟彈性拋光砂輪、超薄砂輪等特殊用途的橡膠磨具的磨料，需要對磨料的表面涂覆一層酚醛樹脂薄膜，制備成包涂磨料（俗稱樹脂砂），再投入混料，以提高磨料與結合劑的黏結強度，提高磨具的拋光性能，所涂覆的酚醛樹脂是極性有機物，容易與磨料的極性表面產生較好的物理吸附力并在受熱固化后，能牢牢地把持磨粒。而橡膠受熱硫化時，酚醛樹脂與橡膠也能與橡膠分子發生交聯反應，成為網狀硫化橡膠結構，磨粒表面的酚醛樹脂薄膜層便與硫化橡膠結合，牢固地連接起來。在生產中，粗粒度軟彈性橡膠磨具，細粒度或剛性的硬質硫化橡膠磨具都在使用涂覆磨料，以提高橡膠磨具的耐磨性能和磨削效果。

（2）橡膠

橡膠是生產橡膠磨具的主要原料。按質量計，橡膠占磨具的10％～15％。橡膠的物理化學性能，直接影響磨具的使用性能。

橡膠是高分子化合物，分天然橡膠和合成橡膠，把未經硫化的橡膠稱為生膠。按生膠形態分為固體膠（粉末、片狀、粒狀）和液體膠與膠乳。橡膠彈性高，可塑性強，能夠硫化和降解，在室溫下長期存放會發生老化現象。

橡膠磨具生產中所用橡膠有天然橡膠、丁苯橡膠、固體丁腈膠、液體丁腈膠等。天然橡膠主要來源于三葉橡膠樹。天然橡膠密度為0.9～0.95g/cm3，無固定熔點。加熱到50℃開始分解，270℃則急劇分解，300℃以上完全炭化。天然橡膠主要用于制造無心磨削導輪，柔性拋光砂輪等系列產品，并可與合成橡膠并用制成有特殊要求的磨具。丁苯橡膠是合成橡膠中應用最廣的一個膠種。它由單體丁二烯和苯乙烯共同聚合而成。按單體配比可分為丁苯-10、丁苯-30、丁苯-50（數字為苯乙烯含量）。丁苯橡膠具有較好的耐熱、耐老化性能和較高的耐磨性能，加工工藝性不如天然橡膠，硫化速度也較慢。丁苯橡膠主要用來制造硬質膠磨具。所制成的磨具磨削力強，耐熱，耐磨；可用于制作薄片砂輪，在干磨條件下具有優異的磨削性能。丁腈橡膠是由丁二烯和丙烯腈兩種單體經乳液或溶液聚合而成的一種高分子彈性體。丁腈橡膠種類繁多。硫化丁腈橡膠對礦物油及其他油類具有高的穩定性，耐磨性、熱穩定性比天然橡膠、丁苯橡膠好，丁腈橡膠工藝性能比丁苯橡膠差，可用軟化劑或增塑劑，提高可塑性和黏結性能。丁腈橡膠可制成硬質薄片切割砂輪。

（3）配合劑

未經硫化的生膠，分子之間沒有交聯，不能制作橡膠制品，在生膠中必須加入配合劑，使生膠硫化交聯成具有一定物理力學性能的硫化膠。配合劑是多種化學物質。配合劑種類繁多，根據這些化學物質在生膠中的主要作用，分為硫化劑、硫化促進劑、防焦化劑、防老劑、填充劑、增塑劑、軟化劑或專用的配合劑等十幾個大類。

①硫化劑　在一定條件下能使橡膠發生硫化交聯的物質稱為硫化劑。硫化劑類型按化學結構可分為硫、硒、碲等元素，含硫化合物，有機過氧化物，金屬氧化物，胺類化合物，合成樹脂等。其中使用硫磺作為天然橡膠與丁苯橡膠硫化的主要硫化劑。在橡膠磨具生產中除硫磺外，還需加入一定量的促進劑、活性劑等。所以橡膠磨具老化過程是一個多組分體系的平行和依次進行的許多雙分子反應的總和。硫磺的硫化過程是硫磺分子在常態下為8原子的環狀結構，生膠料中硫磺在硫化溫度下及約30J/mol分子能量作用下，環狀結構產生開環，生成鏈狀的雙基性硫。根據不同條件，硫環斷裂后可生成自由基或離子基的雙基性硫。雙基性硫與橡膠大分子在雙鍵處或α-碳原子處反應時，可在一根分子鏈上生成“分子內的化合物”，也可在兩根分子鏈之間生成“分子間的化合物”即產生交聯。隨硫磺用量增加，結合硫量也增加，硫化膠的強度、硬度、耐熱性提高，彈性下降，耐溶劑性、耐水性提高，橡膠發脆，沖擊強度下降，故硫磺用量不是無限的，有一個最大限量，即100g生膠的最大硫磺含量（g），稱為硫化系數（％）。天然橡膠的硫化系數為47％，丁苯橡膠硫化系數為44.5％。

②硫化促進劑　凡能促進硫化反應的物質均稱為硫化促進劑，簡稱促進劑。促進劑可提高和改善硫化膠的物理力學性能，減少硫化劑用量，縮短硫化時間，提高生產率，能促進硫化的適宜溫度，保證膠料有相當的焦烘時間，保證膠料的混料、壓延及壓出過程中的操作安全。

常用的有噻唑類、2-硫磺醇基苯并噻唑（商品名：促進劑M）、二磺化二苯并噻唑（促進劑DM）、胍類（二苯胍）。

③活性劑　能增加促進劑活性，發揮促進劑的硫化效能，減少促進劑用量，縮短硫化時間。硫化活性劑分有機活性劑與無機活性劑。有機活性劑常用硬脂酸，無機活性劑常用氧化鋅。

④填充劑與補強劑　在橡膠生產中增大產品體積，節約生膠，改善生膠工藝性能的填充料稱為非活性填充劑，簡稱填充劑。在橡膠生產中可顯著提高硫化橡膠的抗沖擊、抗伸長、抗撕裂等強度及耐磨耗性能的填充料稱為活性填充劑或補強填充劑，簡稱補強劑。兩者均為填料。根據填料的化學組成和形狀，可分為粒狀填料、樹脂填料、纖維填料三大類。粒狀填料在橡膠工業中應用最廣泛，主要有炭黑、白炭黑及其他礦物。樹脂填料中有改性酚醛樹脂、聚苯乙烯樹脂，主要用于補強。纖維填料主要有石棉、玻璃纖維、有機短纖維等，可用來補強。橡膠磨具制造中常用填料有炭黑、氧化鋅、氧化鎂、氧化鐵、氧化鈣、黏土、酚醛樹脂等。軟質磨具如柔性拋光砂輪，主要采用炭黑、氧化鋅。硬質磨具主要采用MgO、ZnO、Fe2O3、CaO、酚醛樹脂、橡膠粉。

⑤增塑劑　橡膠進行混煉、壓延、壓出前，必須先使其具有塑性。加入一些助劑，增加膠料的塑性流動，易于加工，改善制品某些性能。增塑劑分為化學增塑劑與物理增塑劑兩類。化學增塑劑加入生膠后能切斷橡膠分子鏈，降低生膠分子量，從而降低橡膠彈性，提高塑性，可稱為橡膠塑解劑。物理增塑劑也稱軟化劑，加入生膠后使生膠產生溶脹，增大生膠分子間的距離，降低生膠分子間的相互作用力，從而使彈性降低，塑性提高。常用化學增塑劑有硫酚、過氧化苯甲酰、硫化苯甲酸等。物理增塑劑有：石油類軟化劑，如機械油、錠子油、重油、瀝青、石蠟等；松油類軟化劑，如松焦油、松香等。

⑥防老劑　橡膠制品在使用和存放中，常變硬、變脆或軟化發黏，失去彈性，不能使用，這稱為老化現象。老化的主要原因是氧化作用。為防止老化，常在生膠料中加入防老化添加劑。有物理防老劑和化學防老劑。制造軟彈性磨具使用化學防老劑A（防老劑甲）及防老劑D（防老劑丁）。物理防老劑是在生膠料中加入石蠟等物質，可在橡膠制品表面生成薄膜，保護橡膠制品不被氧化。

2.4.2　橡膠磨具的配方

橡膠磨具的配方是決定磨具性能的重要因素。它反映成形料的成分及量的關系。配方合理才能使磨具具有所需的性能。配方內容包括各種原材料的品種、數量、硫化條件（壓力、溫度、時間）。橡膠磨具配方表示方法常用兩種形式，即以橡膠為基準，其他組分相對所占的質量比例列出的表示法和以磨料為基準，其他組分相對所占的質量比例列出的表示方法。

橡膠磨具配方設計的基本原則要根據磨具使用中對磨具的彈性、強度、硬度、耐熱、耐磨等使用性能要求，選擇不同種類、數量的原材料進行合理配方；橡膠膠料（結合劑及成形料）在磨具制造中工藝性好壞，對磨具產品質量和生產效率有很大影響，這就要求膠料既不能過硬也不能過軟，既不能包輥也不能粘輥。膠料必須具有良好的工藝性。配方決定磨具制品的成本和效益：配方應能達到使磨具具有良好的使用性能；結合劑和成形料應具有良好穩定的工藝性能，使磨具產品有較低的成本，較高的經濟效益，所用原料具有良好的環境友好性。生產軟質橡膠磨具，由于所用合成橡膠機械強度較低，必須加入大量的填料，炭黑是具有補強作用的填料，是合成橡膠不可缺少的補強材料，又因為軟質膠交聯度小，易裂解，故加入適量的防老劑。硬質橡膠磨具在常溫下是堅固的固狀物，要求具有較高的彈性系數和抗拉強度。結合劑的配方決定磨具硬度、耐熱性及彈性。加入硫磺的數量增加，會增加磨具硬度。調整磨具硬度可通過調整結合劑中含硫填料樹脂及軟化劑量來實現。表2-6所列是橡膠磨具常用材料用量范圍。

注：除含膠率和砂結比外，各項用量范圍均以橡膠為100計算。

2.4.3　橡膠結合劑的原料加工準備

制造橡膠磨具所用原料有磨料、橡膠、配合劑三大類。原料進入車間后，需根據生產工藝過程及磨具質量要求，對其進行加工處理后，才能用于混料。

①包涂磨料的制備　對于軟質彈性砂輪及特別薄的砂輪所用磨料需包涂酚醛樹脂，制備成樹脂砂，才能用于混料，其他橡膠磨具所用磨料不需再處理，可直接用于混料。

②生膠加工　包括切膠、破膠、塑煉等處理。塑煉是把橡膠從彈性狀態變為具有可塑性狀態物體的過程。塑煉后的橡膠分子結構受到一定程度的破壞，長鏈分子斷裂成較短的分子，分子量降低，產生降解反應，使彈性降低，可塑性增加。塑煉方法有機械塑煉法，此法是對生膠進行反復碾壓，使生膠分子在機械力的擠壓和剪切下，分子鏈斷裂，即發生降解作用，使彈性降低，可塑性提高；還可使用熱氧化塑煉法，用機械塑煉不能達到所需可塑性要求時，必須再用熱氧化塑煉法，此法是把生膠放在空氣中加熱到相當溫度（在120～170℃溫度進行），使生膠分子與空氣中的氧反應產生氧化，從而斷裂為較小分子，使彈性降低，并提高可塑性。

③配合劑加工處理　配合劑種類繁多，形狀不一，有粉狀、無定形狀和黏性流體狀，因此加工處理方法也不相同。鑒別不同形態常分別經過粉碎、過篩、干燥、蒸發等處理方法。

2.4.4　成形料的配制

（1）配料

按照市場配料單（市場配方）規定的各種材料的用量進行稱量與盛放的過程就是配料。配料量的計算要根據混料機的容量，確定一次混料量；根據砂結比分別計算磨料和結合劑的用量；根據配方計算出結合劑中生膠用量；由生膠的含量計算出各種配合劑的用量。配料時，必須對各種原材料的稱重嚴格控制，誤差不超過0.5％。

（2）混料

用一定的設備和方法把配合劑、磨料均勻地混入橡膠中的過程稱為混料。將磨料與配合劑均勻地混合在生膠中，所得到的混合料稱為成形料。成形料的質量好壞，受到生膠的黏度，生膠對磨料與配合劑的浸潤性，配合劑的分散性，純度、溫度和細度，加料的順序及混料時間等因素影響。

混料方法根據生膠形態和性質分為兩類：一類是對液體膠來說，混料方法為松散混料；另一類是對固體膠來說，是采用開放式煉膠機，先使生膠發熱軟化，再混入配合劑與磨料。

①開放式煉膠機的混料　開放式煉膠機混料分三個階段進行：結合劑混合、成形料混制（加砂）、成形料輥碎（松散料制備）。

結合劑的混合按開放式煉膠機操作順序分為包輥、吃粉、翻煉三個階段。將生膠或塑煉膠、促進劑加入開煉機兩輥縫中，控制前后輥輥距，經輥壓3～4min，膠料均勻、連續地包于前輥上，形成光滑無隙的包輥膠。形成包輥膠后，先加入硬脂酸等助劑，隨后加入ZnO等難分散的助劑，再加入填料，加入填充劑粉料，徐徐進入膠中，將粉料全部吃入后，輥壓4～5min后，加入硫化劑，待硫磺全部混入膠中，完成全部吃粉過程。加料的順序是：生膠→固體軟化劑→小料（促進劑、助促進劑、防老劑等）→補強劑與填充料→液體軟化劑→硫磺→翻割混勻→下料。翻煉包括割切和翻動。割切與翻動方法有拉刀法、八字刀法與三角包法等多種。

成形料的配制在結合劑包輥膠形成后，調整輥距，使之在輥縫上形成一定的堆積膠，在堆積膠上方均勻不斷地加入磨料，隨著磨料進入結合劑的數量增多，逐步加大輥距，并開冷卻水，使料溫下降至82℃以下，待磨料加入2/3后，再加大輥距，繼續加入全部磨料，再輥煉一定時間，然后加大輥距使成形料自動脫輥，冷卻后等分為若干份，并分別壓成長塊，撒上滑石粉，停放待用。

②松散料混料機的混料　松散料混料機主要用于混制模壓法成形的固體橡膠成形料。該混料機主要工作部件是兩個帶輥旋突棱的橢圓空心輥子，以不相等的速度對向轉動，在混料時起擠壓、搓揉、上下左右翻動、撒裂等作用，既把成形料混勻，又把成形料打成松散狀態。其工藝過程為：破膠成膠團→軟化→結合劑混料→軟化→混磨料→打散與過篩→松散成形料。

2.4.5　橡膠磨具成形

將混分好的成形料，用一定的成形方法把其制成各種形狀和尺寸的磨具坯體的過程稱為成形工序。橡膠磨具坯體成形方法分為：固體生膠成形料，常用輥壓法和疊壓法成形；松散料，用模壓法成形。

（1）輥壓法成形

輥壓法成形只適用薄片（<20mm）制作。這種成形方法包括出片、剪切、壓延、沖型等工序，其工藝流程如圖2-13所示。

（2）疊壓法成形

疊壓法成形主要由于固體膠的高厚度（>20mm）磨具的成形。疊壓法可分為用模子疊壓和不用模子疊壓。疊壓將壓出的成形料片趁熱疊在一起，在壓延機或油壓機上進行施壓，使數片料片粘在一起。

（3）模壓法成形

模壓法用于液態膠成形料和固體膠松散成形料成形。模壓法成形能控制磨具組織和制造異型磨具及細粒度磨具。采用定密度成形方法，所使用油壓機和模具與樹脂磨具和陶瓷磨具類似。

2.4.6　橡膠磨具硫化

硫化是制造橡膠磨具中的重要工序，是決定磨具性能的最后一個過程。硫化是在加熱條件下，坯體結合劑中的生膠與硫化劑發生化學反應，使橡膠由線型結構的大分子交聯成為網狀或體型結構的大分子，導致制件的物理力學性能有明顯改善。硫化的目的是使磨具坯體固定其形狀，并變成符合質量要求的磨具。正常的硫化將使磨具坯體的強度、硬度、耐熱性提高，而伸長率下降，對軟質膠磨具彈性有所提高，對硬質膠磨具彈性有所下降。對于大多數橡膠磨具采用熱硫化法，少量加超速促進劑的磨具采用冷硫化法。熱硫化工藝過程包括以下幾個工藝環節：碼垛裝車→爐體預熱→升溫→冷卻→卸車。

橡膠磨具硫化過程分為焦燒、熱硫化、平坦硫化、過硫化四個階段。焦燒階段為硫化反應前的誘導階段，膠料在模具中有良好流動性，但交聯作用未開始。熱硫化階段為交聯反應階段，交聯開始逐漸產生網構。平坦硫化階段是硫化歷程中網構形成階段的前期，交聯反應結束。膠料抗張曲線出現平坦區，這段時間稱為平坦硫化時間。過硫化階段是網狀形成階段的后期，交聯鍵重排、裂解等，膠料抗張性能下降。硫化歷程可用硫化儀測定。

硫化過程中膠料綜合性能達到最佳值的階段，稱為正硫化。正硫化時間（正硫化點）是指達到正硫化所需最短時間。在正硫化階段，膠料的物理力學性能保持最高值。對于含硫橡膠膠料的硫化加熱溫度、加熱時間、硫化壓力，稱為硫化條件或硫化三要素。

（1）硫化溫度、硫化時間和硫化壓力

橡膠硫化的溫度是促進化學反應速度加快的因素：溫度升高，硫化速度加快，達到正硫化點所需時間短。硫化時間包括升溫時間、保溫時間、冷卻時間。在硫化過程中，硫化劑與生膠分子的作用是固相反應，壓力對反應速度有影響，在加壓條件下進行硫化可避免磨具坯體變形、膨脹等現象，提高硫化溫度和縮短硫化時間，使產品組織緊密，機械強度、耐磨性、彈韌性提高，磨具拋光性能好，可降低工件表面粗糙度。

硫化所使用的設備有圓形臥式間接熱風硫化爐、加壓熱空氣硫化罐。

（2）橡膠磨具硫化規范

①滾壓精磨砂輪　采用臥式硫化罐硫化，硫化溫度165℃，硫化時間8h（其中升溫5h，保溫3h）。采用循環熱風爐硫化，硫化溫度175℃，硫化時間9h（升溫5h，保溫4h）。

②柔性拋光砂輪　采用臥式硫化罐硫化，硫化溫度160℃，硫化時間8h（升溫5h，保溫3h）。

③松散料砂輪　采用臥式硫化罐硫化，硫化溫度180℃，硫化時間15h（升溫10h，保溫5h）。

④薄片砂輪　采用臥式硫化罐硫化，硫化溫度170℃，硫化時間8h（升溫3h，保溫5h）。

⑤磨螺紋砂輪　采用帶壓臥式硫化罐硫化，硫化溫度135℃，硫化時間6.5h（升溫4h，保溫2.5h），硫化壓力5.1MPa，硫化完畢逐步放壓。