1 前言

　　超硬材料涂附磨具是指用粘結(jié)劑把超硬材料磨粒粘附在柔性可撓曲基材上的磨具。

　　磨削加工是所有加工方式中磨料消耗最大的部分。金剛石和CBN產(chǎn)量的增加，為加快工具的發(fā)展提供有力的材料支撐，國家十二五規(guī)劃綱要中再次明確指出要“要建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)”，迫切要求工業(yè)生產(chǎn)改變傳統(tǒng)的粗放型加工方式，轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)境友好、資源節(jié)約的集約型加工方式。

　　由于生產(chǎn)設(shè)備、原材料價(jià)格、制造水平等諸多因素的影響，超硬材料涂附磨具在我國的應(yīng)用是少之又少。可是，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，由于對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，以及有生產(chǎn)技術(shù)基礎(chǔ)，且產(chǎn)品品種齊全，在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，有的企業(yè)生產(chǎn)已具規(guī)模。

　　世界著名的磨料磨具公司，如美國3M、NORTON公司的產(chǎn)品目錄中有大量超硬材料磨具產(chǎn)品，從汽車車身的拋光到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、凸輪軸的加工都是用高檔超硬材料砂紙和聚酯薄膜砂帶和圓片進(jìn)行的。圖1是3M公司超硬材料涂附磨具。

　　“21世紀(jì)是金剛石的世紀(jì)”【1】，超硬材料的應(yīng)用必將擴(kuò)大，超硬材料涂附磨具是目前最有潛力和發(fā)展前景的發(fā)展方向之一。采用金剛石或CBN制作的砂帶、柔性磨輪、磨片等柔性超硬材料工具必將逐步替代目前市場(chǎng)上大量使用的剛玉、碳化硅工具。
 
　　2涂附磨具的分類

　　按磨粒材料可分為金剛石和立方氮化硼涂附磨具。

　　按加工方法可分為電鍍和樹脂超硬材料涂附磨具。

　　樹脂超硬材料涂附磨具又分為涂布型和點(diǎn)膠型。

　　按用途可分為砂帶、砂帶圈、柔性磨輪、研磨圓片、拋光片和軟銼刀等等。

　　金剛石涂附磨具用于加工非鐵金屬、玻璃、陶瓷、寶石等硬質(zhì)材料。

　　立方氮化硼涂附磨具主要用于鋼件，主要是各種砂帶磨床用立方氮化硼砂帶。

　　3 三大要素

　　涂附磨具制造中常涉及到的三大要素是基體、磨料和粘結(jié)劑。這三種要素中任一要素的改進(jìn)，都會(huì)使涂附磨具產(chǎn)品性能發(fā)生變化。

　　基材是涂附磨具磨料和粘結(jié)劑的承載體，是提供磨削或拋光加工的基礎(chǔ)材料。基材主要分4種：紙基、布基、復(fù)合基和無紡布。

　　現(xiàn)在布基材料的種類有棉、麻、人造纖維、合成纖維和聚酯纖維等。近十多年來，在大面積強(qiáng)力磨削方面大力發(fā)展了人造棉和聚酯纖維布，特別是后者，使用它作為砂帶和其它涂附磨具基材是一趨勢(shì)。

　　無紡布是將天然纖維、合成纖維分別或混合制成一種纖維網(wǎng)，通過加熱、加壓或粘合的方法形成的寬幅大卷。它必須粘在布基或紙基上才能制成砂帶或無紡布輪。

　　值得注意的是國外使用聚酯薄膜基材制造超硬材料砂帶、研磨片、拋光片在磨削難加工材料具有明顯優(yōu)勢(shì)?？梢哉J(rèn)為，有了聚酯薄膜為基材，超硬材料涂附磨具才將其應(yīng)用范圍擴(kuò)大和延伸到精密和超精密研磨拋光領(lǐng)域【2】。

　　無紡布是將天然纖維、合成纖維分別或混合制成一種纖維網(wǎng)，通過加熱、加壓或粘合的方法形成的寬幅大卷。它必須粘在布基或紙基上才能制成砂帶或無紡布輪。

　　磨料是涂附磨具上起磨削、研磨和拋光作用的一種粒狀物質(zhì)。磨料總的來說分為天然磨料和人造磨料。

　　天然磨料有石榴石、天然剛玉、天然金剛石等。

　　人造磨料有剛玉、碳化硅、人造金剛石和立方氮化硼等。

　　超硬材料涂附磨具選用金剛石品種，屬于研磨類的可選MBD系列金剛石，拋光類的可選用RVD品種。顆粒尺寸屬于精磨、研磨類的可選粒度號(hào)：50∕60、60∕70、80∕100、100∕120、120∕140、140∕170、170∕200、200∕230∕270、270∕325、325∕400；屬于拋光類的可選微粉級(jí)的超硬磨料：W40、W20、W14、W10、W7、W5、W3.5、W2.5、W1.5、W1.0、W0.5。

　　粘結(jié)劑是起粘結(jié)磨料和基材的作用，使磨具具有一定的形狀和強(qiáng)度。涂附磨具中的粘結(jié)劑一般由基材處理劑、底膠、復(fù)膠等構(gòu)成。涂附磨具所使用的粘結(jié)劑主要有動(dòng)物膠和合成樹脂等。酚醛樹脂粘結(jié)強(qiáng)度高、耐水、抗酸、耐候性好，尤其是水溶性酚醛樹脂的使用，使之成為涂附磨具產(chǎn)品的最主要的粘結(jié)劑之一。納米SiO2∕酚醛樹脂粘結(jié)劑可成為生產(chǎn)涂附磨具的第二大主要材料。發(fā)達(dá)國家制造涂附磨具所使用的粘結(jié)劑，專用性日趨細(xì)化，產(chǎn)品不同，使用的粘結(jié)劑也不同。

　　4金剛石砂帶的應(yīng)用

　　金剛石砂帶按照結(jié)合劑不同，分為金屬結(jié)合劑和樹脂結(jié)合劑金剛石砂帶。西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家已有幾家公司產(chǎn)品具有較齊全的種類，包括不同規(guī)格尺寸、不同粒度，并配以不同工作層顏色以區(qū)分粒度，表1為瑞士某公司不同表面形狀的金剛石砂帶產(chǎn)品【3】。

　　4.1 汽車玻璃磨邊用金剛石砂帶

　　玻璃磨邊主要采用砂帶磨邊和砂輪磨邊兩種方式。砂帶磨邊具有設(shè)備要求相對(duì)較低，玻璃損傷小，且能用于異形玻璃加工，特別是用于汽車玻璃加工具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，但是砂帶使用壽命相對(duì)較低。

　　由于金剛石砂帶在玻璃磨邊加工中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)，國外大多數(shù)廠家都采用金剛石砂帶作為汽車玻璃磨邊工具。然而，國內(nèi)由于金剛石砂帶及設(shè)備技術(shù)不成熟，而進(jìn)口金剛石砂帶和設(shè)備價(jià)格昂貴，導(dǎo)致很多廠家仍然采用碳化硅砂帶進(jìn)行磨邊。

　　碳化硅砂帶用于玻璃磨邊，由于使用壽命短，需要頻繁更換，且加工效率低、表面質(zhì)量差，在玻璃加工連續(xù)生產(chǎn)線生產(chǎn)中是極為不利的。而采用金剛石砂帶，每副砂帶更換次數(shù)從少于30min/次提高到72小時(shí)/次，從而大大提高了整體生產(chǎn)線的工作效率。表2為金剛石砂帶和碳化硅砂帶的使用成本對(duì)比。

　　表2 使用不同類型磨邊砂帶生產(chǎn)55萬m2汽車玻璃相關(guān)成本對(duì)比

砂帶類型	單位售價(jià) （元∕條）	用時(shí)（天）	工具數(shù)量（條）	工具 成本 （萬元）	人工水電消耗（萬元）*	相關(guān)成本合計(jì)（萬元）	相關(guān)單位成本（元∕m2）	磨邊質(zhì)量
碳化硅砂帶	10	979	94000	94	2575	2669	48.5	差
金剛石砂帶	2500	365	230	57	960	1017	18.5	好

　　*注：按照每條生產(chǎn)線運(yùn)營人工數(shù)量為400人，人工工資及水電消耗按照每月每人2000元計(jì)。

　　由表2可見，雖然金剛石砂帶制作成本高，單位售價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于碳化硅砂帶，然而由于碳化硅砂帶使用壽命短，更換頻率高，實(shí)際消耗工具成本以及單位成本消耗成本都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金剛石砂帶。因此，金剛石砂帶在汽車玻璃磨邊生產(chǎn)中具有不可比擬的性價(jià)比優(yōu)點(diǎn)，是新一代節(jié)能、環(huán)保的高效能產(chǎn)品。

　　2010年我國汽車玻璃消耗量突破8000萬m2，且近年來每年都以20%以上的比率增長(zhǎng)，表3為估測(cè)的國內(nèi)汽車玻璃磨邊金剛石砂帶需求量。

　　表3 國內(nèi)汽車玻璃磨邊金剛石砂帶需求計(jì)算表

全年汽車玻璃 加工量（萬m2）	玻璃磨邊 總線長(zhǎng)（億m）	每副砂帶磨削 線長(zhǎng)（萬m）	每年砂帶 消耗量（條）	每年砂帶需求 總值（萬元）
8000	3.4	2	34000	8500

　　4.2 軋輥耐磨涂層加工

　　瓦楞輥是瓦楞紙板生產(chǎn)線上的關(guān)鍵部件，它的楞型合理性和制造精度、耐磨性能、使用壽命和運(yùn)行速度是衡量其品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)性的主要技術(shù)指標(biāo)，直接關(guān)系企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。

　　為提高瓦楞輥的耐磨性和表面硬度，滿足瓦楞紙板生產(chǎn)線向高速化方向發(fā)展的需要，往往需要采用先進(jìn)熱噴涂技術(shù)在瓦楞輥表面噴涂一層WC-Co金屬陶瓷涂層。

　　一般涂層厚度為250μm，噴涂后涂層表面粗糙度Ra為8μm，Rt（最大輪廓不平度）為70μm，因此，一般要除去100μm左右的表層，使表面達(dá)到所需要的精度和光滑度。先用200#金剛石砂帶去除70～75μm，不過由于金剛石砂帶價(jià)格昂貴，為了降低加工成本，目前此工序也有使用砂輪研磨的；剩余25～30μm則必須采用400#金剛石砂帶進(jìn)精磨，使用的研磨設(shè)備在國外被稱之為“金剛石薄膜超精密磨床”。

　　4.3 硅鑄塊表面研磨和倒角

　　為了提高研磨效率，減少研磨時(shí)硅鑄塊表面損傷，采用金剛石砂帶無疑是最好的選擇。采用金剛石砂帶只需要一種粒度號(hào)即能完成所有工序，并具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：減少工序數(shù)量，處理時(shí)間短；改善表面粗糙度，提高成品率；削減人工費(fèi)；易于維修。金剛石砂帶除了用于硅鑄塊表面研磨，還能用于硅鑄塊倒角。

　　5 CBN砂帶的應(yīng)用

　　采用CBN砂帶具有優(yōu)越的使用性能和性價(jià)比優(yōu)勢(shì)：

　　5.1 精密軸承的研磨

　　精密軸承成形后表面研磨拋光，往往需要采用砂帶。然而由于成品的形狀精度和表面光潔度要求很高，采用普通磨料砂帶，表面保形性差，磨料易于飩化，飩化后容易積屑發(fā)熱，損害表面質(zhì)量，且砂帶使用壽命低，需要經(jīng)常更換，加工效率低。而采用CBN砂帶，磨料保形性好，砂帶使用壽命長(zhǎng)，減少了停機(jī)換帶時(shí)間，大大地提高了生產(chǎn)率，具有更佳的綜合性能【4】。

　　5.2 CNC砂帶磨床

　　一直以來，數(shù)控砂帶磨床都在采用普通磨料砂帶作為磨削工具，就算采用鋯剛玉、陶瓷磨料等高硬度磨料砂帶，使用壽命仍然很低，砂帶需要經(jīng)常更換，大大減弱了數(shù)控磨床的使用效能。隨著CBN砂帶技術(shù)的逐漸成熟，CBN砂帶應(yīng)用于數(shù)控磨床，將會(huì)以其超常的使用壽命，良好的加工效率以及加工質(zhì)量，逐漸取代普通磨料砂帶。

　　6 其它超硬材料涂附磨具

　　其它超硬材料涂附磨具主要包括金剛石研磨片、金剛石手磨塊、金剛石研磨刷等。

　　7 結(jié)論與展望

　　7.1 隨著現(xiàn)代機(jī)械加工的不斷發(fā)展及各種新型材料的不斷出現(xiàn)，對(duì)加工精度和表面粗糙度的要求越來越高，其相應(yīng)的先進(jìn)的磨削技術(shù)和磨具，尤其是涂附磨具向更高效率、更高壽命和超精密的方向發(fā)展。

　　7.2 涂附磨具在大規(guī)格、異形表面、脆性易碎等工件的表面成形研磨、拋光中具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

　　7.3 普通磨料涂附磨具加工效率、加工表面質(zhì)量不及超硬材料涂附磨具，使得超硬材料涂附磨具在高精密、高壽命以及自動(dòng)生產(chǎn)線上等特殊場(chǎng)合具有了用武之地?？梢灶A(yù)示超硬材料磨具必將有個(gè)巨大的發(fā)展空間，前景多美好呀！

　　7.4 我國是世界超硬材料生產(chǎn)的超級(jí)大國，原料充足、品種齊全、價(jià)值低廉等是我們的優(yōu)勢(shì)【5】。

　　7.5 長(zhǎng)期以來，大家都存在一個(gè)誤區(qū)，認(rèn)為普通磨料涂附磨具的價(jià)格便宜，加工成本低，而超硬材料涂附磨具價(jià)格昂貴，使用成本高，實(shí)際上，在許多場(chǎng)合，由于超硬材料涂附磨具使用壽命長(zhǎng)，加工效率比普通涂附磨具高很多，而且節(jié)省了工具更換時(shí)間，使得綜合加工效率大大提升，且降低了綜合加工成本，材料加工質(zhì)量也得到了大幅提高，因而超硬材料涂附磨具具有更佳的綜合加工性能和性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。盡快走出誤區(qū)，多少事，從來急，一萬年太久，只爭(zhēng)朝夕！

　　7.6 砂帶磨削技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入向現(xiàn)代化發(fā)展的新階段。尤其值得注意的是超硬材料砂帶的成功應(yīng)用，在磨削難加工材料方面，超硬材料顯示出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，從用作一般精度要求的工件磨削發(fā)展到高精密、超高精密零件的磨削，如磁盤、磁頭、錄像機(jī)、復(fù)印機(jī)和光導(dǎo)纖頭等精密零件的磨削拋光。

　　7.7 近年來，我國的汽車工業(yè)和機(jī)械制造業(yè)蓬勃發(fā)展，按理需要使用大量的超硬材料涂附磨具，有很大很大的內(nèi)需空間。但是，國內(nèi)所有汽車企業(yè)，如德國大眾、法國雪鐵龍、美國通用、別克，日本的豐田、本田等均用進(jìn)口涂附磨具，主要進(jìn)口美國3M公司的涂附磨具產(chǎn)品，這樣的局面何時(shí)休！【6】

　　7.8 目前美國3M公司、法國圣戈班（Saint Gobain）/ Norton、德國金世博（Klingspor）等國際知名公司的超硬材料涂附磨具產(chǎn)品種類繁多，性能優(yōu)異，代表了當(dāng)今世界超硬材料涂附磨具研究和制造的最高水平。中國何時(shí)能夠趕上應(yīng)該有一個(gè)時(shí)間表。

　　7.9 根據(jù)超硬材料砂帶規(guī)格比較小、尺寸精度比較高的特點(diǎn)，設(shè)備應(yīng)小型化、自動(dòng)化。包括上膠機(jī)、靜電植砂機(jī)、復(fù)膠機(jī)、柔曲機(jī)、分切機(jī)和點(diǎn)膠機(jī)等。

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