超硬材料涂附磨具

安建民、  王光祖、刘金昌

摘要：本文介绍了金刚石、立方氮化硼砂带所具有的特性及国内外发展情况。因超硬材料砂带具有高效、精密、节能、节材、环保的特点。加之我国既是超硬材料大国，又是机械制造大国，具有开发和应用超硬材料涂附磨具的优势，目前我国已研制成功超硬材料砂带，为开展超硬材料砂带磨削试验创造了条件，促进我国制造业的发展。

关键词：金刚石砂带、砂带磨削、高效、节能、环保。

1、引言

高效、精密、节能、节材、环保是现代制造业发展的总趋势。超硬材料（金刚石与立方氮化硼）工具，包括超硬材料砂带，将在这个发展过程中扮演重要的角色。超硬材料应用于涂附磨具在我国还刚刚开始，笔者有幸成为它的开拓者之一，采用金刚石和立方氮化硼作磨料，已经成功生产出砂带、砂盘和砂套、页轮、磨盘等，并开始规模生产及使用。本文将就大力发展超硬材料涂附磨具的重要性、必要性和可行性谈点粗浅的看法。

金刚石、立方氮化硼是目前已知的世界上硬度最高的两种材料，由于其硬度高、耐磨性好、导热率高等，是普通磨料（刚玉和碳化硅）无法比拟的。用超硬磨料加工硬脆和硬韧性难加工工件时，其消耗量极小，而且可以较长时间保持其锋利度和磨具外形，不仅可以保证工件的加工精度，而且大大提高了加工效率，同时解决了对环境的污染问题，符合囯家在制造业中所推行的节能、节材、环保、低碳等发展战略。西方发达国家从对人体健康和环保的目的出发，已兴起使用超硬材料制作砂纸、砂布等涂附磨具。目前美国、德国、英国、瑞士等囯家均有相关产品的生产与销售，而且形成系列超硬材料涂附磨具产品。

２、超硬材料砂带的现状

超硬材料涂附磨具是指用粘结剂把超硬材料（人造金刚石或立方氮化硼）磨粒粘附在柔性可挠曲基材上的磨具。

随着现代机械加工的不断发展及各种新型材料的不断出现，对加工精度和表面粗糙度要求越来越高，涂附磨具亦向高效率、高寿命和超精密的方向发展。因此，超硬材料涂附磨具的研制和应用悄然兴起，在汽车、电子、石材、建材、玻璃、宝石、不锈钢及淬火钢等难加工材料的特殊加工领域得到了广泛应用。尤其值得注意的是，在磨削难加工材料如硬质合金、石材、陶瓷、铁基合金等方面，超硬材料砂带则显示出其独特的优势，从用作一般精度要求的工件磨削发展到高精密、超高精密零件的磨削。由于超硬材料砂带的应用，使砂带工作寿命大幅度提高，使砂带磨削领域扩大，可用于湿磨、干磨、高速磨、重负荷磨削以及高精度精密零件磨削抛光，大大丰富了作为享有“万能磨削”美誉的涂附磨具的应用范围。

３、超硬材料涂附磨具的结构

超硬材料涂附磨具的四大要素：由基材、磨料、粘结剂以及磨料的排列形式所构成。

3.1基材；

3.1.1涂附基材：是磨料沉积的载体。国内以往应用的基材较硬，往复折弯疲劳少于100次，易于产生龟裂，严重影响使用寿命并且只能生产600#以粗的产品，而我们经过多次试验成功解决了柔软性这个难题，产品粒度可生产范围为40#---5000#。

3.1.2复合基材：其与涂附基材粘接复合制成砂布产品。有X—WT、Y—WT、J—WT和PU等材料之分。

3.2磨料：金刚石、CBN。我国超硬材料涂附磨具是最近发展起来的新产品，尚未有一个系统完整的产品分类。如按磨粒材料不同分为金刚石涂附磨具和立方氮化硼涂附磨具两大类。

3.3粘结剂：分树脂粘结剂和金属结合剂两种。

3.3.1树脂超硬材料砂带与普通磨料砂带在结构上基本相同，是采用粘结剂与磨料混合通过点胶机或事先制好图形的模板刮制而成。

3.3.2金属结合剂砂带则采用电镀工艺或其他特殊工艺制造而成。

3.4磨料的排列形式：这是不同于普通磨料涂附磨具的一个主要特点。形式（图案）有圆点型、X型、Y型、V型等。之所以将植砂排列的形式（图案）列为超硬材料砂带的一大要素是因为其在磨削过程中有非常重要的作用：单颗磨粒除本身作为磨削单元外，若干磨粒在植砂图案中共同组成磨削小单元，磨削小单元均匀分布于砂     图1  呈箭头状（Y型）分布的砂带

布表面在工作过程中形成众多锋刃磨削锋利，同时磨削小单元之间的均匀缝隙形成较大的容屑空间，磨屑随砂带转动即时被带走，并在砂带的自然震动中抖落，避免了磨屑残留造成堵塞，影响磨削效果的情况出现。

超硬材料砂带的磨削效率髙，不仅因为超硬磨料本身，还因为磨粒分布方式的特殊性，对于有磨削量要求的40^#~240^#砂带，砂面磨粒分布图型为箭头状分布（见图1），基材采用X—WT、Y—WT和PU，磨削锋利、效率高、排屑性好、粉尘少；对于精细磨削选用320^#~2000^#粒度的砂带，且砂面磨粒分布图型则采用圆点状分布（见        图2  呈圆点状分布的砂带

图2），基材采用J—WT，其产品具是砂带柔软，排屑性好、噪声小、粉尘少、加工精度和光洁度高等诸多特点。

超硬材料砂带所用磨料的粒度，必须针对加工条件，加工要求和最佳粒度范围综合加以考虑，一般考虑加工表面粗糙度，加工效率和砂带寿命三个因素。

3.5 磨料粒度的选择因素与方法：

4、超硬材料涂附磨具的应用

砂带磨削是一种柔性磨削技术，具有磨削、研磨、抛光多种作用的复合加工技术。具有“冷态”效应，磨削精度最高已可达到0.1μm。

金刚石砂带特别适用于硬脆非金属材料和非铁金属的加工，因此广泛用石材、建材、玻璃、特种陶瓷、单晶硅、多晶硅、宝玉石及硅铝合金、硬质合金等硬脆材料制品复杂形面的磨抛加工。

由于CBN的硬度仅次于金刚石，加之砂带磨削时磨削力小、磨削温度低、磨削比高、化学稳定性好等优势，特别适合对又硬又韧的铁基合金的加工，如含钒合金钢、钴合金钢等特种高速钢刀具的刃磨粗磨加工；耐热钢、不锈钢和高硬度的合金结构钢制成的精密零件的精磨和终磨；因其有磨削力小、磨削温度低的特点，是钛合金磨加工的理想磨具，因不引起机床导轨的变形，更适用于机床导轨、仪表和微型轴承零件的精磨和终磨；复杂型面工件（插齿刀，高精度齿轮，靠磨，叶片等）的加工；其他刚淬火工具的精磨及对局部热应力和热冲击敏感的各种材料零件的磨削。

超硬材料砂带制品有环形砂带、砂圈、磨片、手擦磨块、磨盘、研磨页轮等(见图3、图4、图5、图6)，能加工表面质量及精度要求高的各种形状的工件。不但使用寿命较长,而且磨削效率高。例如、我公司100^#电镀金刚石涂附磨具软磨片，加工石材的使用寿命是树脂金刚石软磨片的8-10倍；我公司生产的CBN砂带经重庆三磨海达用六轴联动砂带磨床加工耐热不锈钢汽轮机叶片，一条CBN砂带可连续加工18-20小时，并且工件表面质量好，而采用德国VSM产718普通堆积磨料砂带，一条仅可连续加工2个小时。上海宝钢使用我公司生产的金刚石砂带及其制品抛磨表面喷涂碳化物材料的轧辊等工件，抛磨效率高，工件表面粗糙度均一。

自上至下：

图3 超硬材料环形砂带

图4 超硬材料砂圈

图5 超硬材料背绒软磨片

图6 超硬材料手擦块

5、超硬材料砂带的发展趋势

5.1.专用粘结剂的开发。由于超硬材料砂带不同的使用领域对粘结剂性能要求不同，因此针对具体使用领域专用粘结剂的开发,将是必要的；

5.2.微粉级超硬磨料植砂的研发。必须有效的控制磨料的分布均匀性、定向性。美国3M公司采用点胶机制造树脂点胶型砂带，能较好解决磨粒分布均匀性、砂带柔软性等问题，并能节省超硬磨料的用量，降低成本。

5.3.高精密与超精密超硬磨料砂带的研制。目前，精密磨削通常是指加工精度为3～0.3μm和表面粗糙度为Ra0.3～0.03μm的加工技术，超精密磨削则要求加工精度达到0.3～0.03μm，粗糙度达到0.03～0.05μm。由于超硬材料砂带的基本特性，将其应用于精密与超精密磨削是未来的主要方向之一。

6、结论

6.1.超硬材料砂带具有超硬材料“硬”和涂附磨具“柔”的双重特性，是“刚”和“柔”的最佳组合。符合现代高速、高效、精密、节材、节能、环保加工技术发展的战略要求，把涂附磨具推向顶峰，具有重要的技术经济价值。

6.2. 超硬材料砂带不仅是高科技的涂附磨具产品，也是高附加值高效益的产品，它的质量和水平往往标志一个国家涂附磨具生产加工水平，努力发展超硬材料涂附磨具是可行的，也是必要的。

6.3.具有庞大的石材、陶瓷、玻璃、IT、光伏、汽车工业和机械工业，内需的空间巨大，因此，大力发展超硬材料砂带制品是十分必要的。

6.4.我国是世界超硬材料生产超级大国，品种齐全、价格低廉，货源充足，为大力发展超硬材料砂带制品奠定了可靠的物质基础与保障。

6.5.超硬材料比普通磨料要贵得多，但从高性能、高寿命、高性价比考虑，使用超硬材料砂带才是高效率、高效益和高性价比的工具。超硬材料的所谓价格贵，不应成为大力发展超硬材料砂带产品的障碍，而是应该充分利用其它国家无法比拟的，价格低廉的超硬材料资源优势。将超硬材料应用于涂附磨具是我国涂附磨具行业的发展方向之一，它必将有一个美好的未来！

参考文献：

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2、吕智、郑超等著，超硬材料工具设计与制造[M]冶金工业出版社，2010；

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5、康士臣，砂轮磨削与砂带磨削的比较[J]机械工程师，1999，9：48

6、郑超、吕智，超硬材料涂附磨具现状[C]第五届郑州国际超硬材料及制品研讨会论文集，2008，9：202~208

作者简介：

安建民，郑州磨料磨具工业职工大学毕业，郑州瑞特金刚石砂带有限公司总经理。主要从事砂带异型制品开发及营销管理。于1996年开发的页片式磨盘项目获河南省优秀新产品新技术一等奖及郑州市优秀新产品一等奖。近期开发成功超硬材料砂带及制品。