超硬材料网

　　1 前言

　　超硬材料涂附磨具是指用粘结剂把超硬材料磨粒粘附在柔性可挠曲基材上的磨具。

　　磨削加工是所有加工方式中磨料消耗最大的部分。金刚石和CBN产量的增加，为加快工具的发展提供有力的材料支撑，国家十二五规划纲要中再次明确指出要“要建设资源节约型、环境友好型社会”，迫切要求工业生产改变传统的粗放型加工方式，转变为环境友好、资源节约的集约型加工方式。

　　由于生产设备、原材料价格、制造水平等诸多因素的影响，超硬材料涂附磨具在我国的应用是少之又少。可是，在工业发达国家，由于对环境保护的重视，以及有生产技术基础，且产品品种齐全，在很多领域得到了应用，有的企业生产已具规模。

　　世界著名的磨料磨具公司，如美国3M、NORTON公司的产品目录中有大量超硬材料磨具产品，从汽车车身的抛光到发动机曲轴、凸轮轴的加工都是用高档超硬材料砂纸和聚酯薄膜砂带和圆片进行的。图1是3M公司超硬材料涂附磨具。

　　“21世纪是金刚石的世纪”【1】，超硬材料的应用必将扩大，超硬材料涂附磨具是目前最有潜力和发展前景的发展方向之一。采用金刚石或CBN制作的砂带、柔性磨轮、磨片等柔性超硬材料工具必将逐步替代目前市场上大量使用的刚玉、碳化硅工具。
 
　　2涂附磨具的分类

　　按磨粒材料可分为金刚石和立方氮化硼涂附磨具。

　　按加工方法可分为电镀和树脂超硬材料涂附磨具。

　　树脂超硬材料涂附磨具又分为涂布型和点胶型。

　　按用途可分为砂带、砂带圈、柔性磨轮、研磨圆片、抛光片和软锉刀等等。

　　金刚石涂附磨具用于加工非铁金属、玻璃、陶瓷、宝石等硬质材料。

　　立方氮化硼涂附磨具主要用于钢件，主要是各种砂带磨床用立方氮化硼砂带。

　　3 三大要素

　　涂附磨具制造中常涉及到的三大要素是基体、磨料和粘结剂。这三种要素中任一要素的改进，都会使涂附磨具产品性能发生变化。

　　基材是涂附磨具磨料和粘结剂的承载体，是提供磨削或抛光加工的基础材料。基材主要分4种：纸基、布基、复合基和无纺布。

　　现在布基材料的种类有棉、麻、人造纤维、合成纤维和聚酯纤维等。近十多年来，在大面积强力磨削方面大力发展了人造棉和聚酯纤维布，特别是后者，使用它作为砂带和其它涂附磨具基材是一趋势。

　　无纺布是将天然纤维、合成纤维分别或混合制成一种纤维网，通过加热、加压或粘合的方法形成的宽幅大卷。它必须粘在布基或纸基上才能制成砂带或无纺布轮。

　　值得注意的是国外使用聚酯薄膜基材制造超硬材料砂带、研磨片、抛光片在磨削难加工材料具有明显优势。可以认为，有了聚酯薄膜为基材，超硬材料涂附磨具才将其应用范围扩大和延伸到精密和超精密研磨抛光领域【2】。

　　无纺布是将天然纤维、合成纤维分别或混合制成一种纤维网，通过加热、加压或粘合的方法形成的宽幅大卷。它必须粘在布基或纸基上才能制成砂带或无纺布轮。

　　磨料是涂附磨具上起磨削、研磨和抛光作用的一种粒状物质。磨料总的来说分为天然磨料和人造磨料。

　　天然磨料有石榴石、天然刚玉、天然金刚石等。

　　人造磨料有刚玉、碳化硅、人造金刚石和立方氮化硼等。

　　超硬材料涂附磨具选用金刚石品种，属于研磨类的可选MBD系列金刚石，抛光类的可选用RVD品种。颗粒尺寸属于精磨、研磨类的可选粒度号：50∕60、60∕70、80∕100、100∕120、120∕140、140∕170、170∕200、200∕230∕270、270∕325、325∕400；属于抛光类的可选微粉级的超硬磨料：W40、W20、W14、W10、W7、W5、W3.5、W2.5、W1.5、W1.0、W0.5。

　　粘结剂是起粘结磨料和基材的作用，使磨具具有一定的形状和强度。涂附磨具中的粘结剂一般由基材处理剂、底胶、复胶等构成。涂附磨具所使用的粘结剂主要有动物胶和合成树脂等。酚醛树脂粘结强度高、耐水、抗酸、耐候性好，尤其是水溶性酚醛树脂的使用，使之成为涂附磨具产品的最主要的粘结剂之一。纳米SiO2∕酚醛树脂粘结剂可成为生产涂附磨具的第二大主要材料。发达国家制造涂附磨具所使用的粘结剂，专用性日趋细化，产品不同，使用的粘结剂也不同。

　　4金刚石砂带的应用

　　金刚石砂带按照结合剂不同，分为金属结合剂和树脂结合剂金刚石砂带。西方工业发达国家已有几家公司产品具有较齐全的种类，包括不同规格尺寸、不同粒度，并配以不同工作层颜色以区分粒度，表1为瑞士某公司不同表面形状的金刚石砂带产品【3】。

　　4.1 汽车玻璃磨边用金刚石砂带

　　玻璃磨边主要采用砂带磨边和砂轮磨边两种方式。砂带磨边具有设备要求相对较低，玻璃损伤小，且能用于异形玻璃加工，特别是用于汽车玻璃加工具有无可比拟的优势，但是砂带使用寿命相对较低。

　　由于金刚石砂带在玻璃磨边加工中具有不可替代的优势，国外大多数厂家都采用金刚石砂带作为汽车玻璃磨边工具。然而，国内由于金刚石砂带及设备技术不成熟，而进口金刚石砂带和设备价格昂贵，导致很多厂家仍然采用碳化硅砂带进行磨边。

　　碳化硅砂带用于玻璃磨边，由于使用寿命短，需要频繁更换，且加工效率低、表面质量差，在玻璃加工连续生产线生产中是极为不利的。而采用金刚石砂带，每副砂带更换次数从少于30min/次提高到72小时/次，从而大大提高了整体生产线的工作效率。表2为金刚石砂带和碳化硅砂带的使用成本对比。

　　表2 使用不同类型磨边砂带生产55万m2汽车玻璃相关成本对比

砂带类型	单位售价 （元∕条）	用时（天）	工具数量（条）	工具 成本 （万元）	人工水电消耗（万元）*	相关成本合计（万元）	相关单位成本（元∕m2）	磨边质量
碳化硅砂带	10	979	94000	94	2575	2669	48.5	差
金刚石砂带	2500	365	230	57	960	1017	18.5	好

　　*注：按照每条生产线运营人工数量为400人，人工工资及水电消耗按照每月每人2000元计。

　　由表2可见，虽然金刚石砂带制作成本高，单位售价远远高于碳化硅砂带，然而由于碳化硅砂带使用寿命短，更换频率高，实际消耗工具成本以及单位成本消耗成本都远远高于金刚石砂带。因此，金刚石砂带在汽车玻璃磨边生产中具有不可比拟的性价比优点，是新一代节能、环保的高效能产品。

　　2010年我国汽车玻璃消耗量突破8000万m2，且近年来每年都以20%以上的比率增长，表3为估测的国内汽车玻璃磨边金刚石砂带需求量。

　　表3 国内汽车玻璃磨边金刚石砂带需求计算表

全年汽车玻璃 加工量（万m2）	玻璃磨边 总线长（亿m）	每副砂带磨削 线长（万m）	每年砂带 消耗量（条）	每年砂带需求 总值（万元）
8000	3.4	2	34000	8500

　　4.2 轧辊耐磨涂层加工

　　瓦楞辊是瓦楞纸板生产线上的关键部件，它的楞型合理性和制造精度、耐磨性能、使用寿命和运行速度是衡量其品质和经济性的主要技术指标，直接关系企业的产品质量和经济效益。

　　为提高瓦楞辊的耐磨性和表面硬度，满足瓦楞纸板生产线向高速化方向发展的需要，往往需要采用先进热喷涂技术在瓦楞辊表面喷涂一层WC-Co金属陶瓷涂层。

　　一般涂层厚度为250μm，喷涂后涂层表面粗糙度Ra为8μm，Rt（最大轮廓不平度）为70μm，因此，一般要除去100μm左右的表层，使表面达到所需要的精度和光滑度。先用200#金刚石砂带去除70～75μm，不过由于金刚石砂带价格昂贵，为了降低加工成本，目前此工序也有使用砂轮研磨的；剩余25～30μm则必须采用400#金刚石砂带进精磨，使用的研磨设备在国外被称之为“金刚石薄膜超精密磨床”。

　　4.3 硅铸块表面研磨和倒角

　　为了提高研磨效率，减少研磨时硅铸块表面损伤，采用金刚石砂带无疑是最好的选择。采用金刚石砂带只需要一种粒度号即能完成所有工序，并具有以下显著优点：减少工序数量，处理时间短；改善表面粗糙度，提高成品率；削减人工费；易于维修。金刚石砂带除了用于硅铸块表面研磨，还能用于硅铸块倒角。

　　5 CBN砂带的应用

　　采用CBN砂带具有优越的使用性能和性价比优势：

　　5.1 精密轴承的研磨

　　精密轴承成形后表面研磨抛光，往往需要采用砂带。然而由于成品的形状精度和表面光洁度要求很高，采用普通磨料砂带，表面保形性差，磨料易于饨化，饨化后容易积屑发热，损害表面质量，且砂带使用寿命低，需要经常更换，加工效率低。而采用CBN砂带，磨料保形性好，砂带使用寿命长，减少了停机换带时间，大大地提高了生产率，具有更佳的综合性能【4】。

　　5.2 CNC砂带磨床

　　一直以来，数控砂带磨床都在采用普通磨料砂带作为磨削工具，就算采用锆刚玉、陶瓷磨料等高硬度磨料砂带，使用寿命仍然很低，砂带需要经常更换，大大减弱了数控磨床的使用效能。随着CBN砂带技术的逐渐成熟，CBN砂带应用于数控磨床，将会以其超常的使用寿命，良好的加工效率以及加工质量，逐渐取代普通磨料砂带。

　　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刚石研磨片、金刚石手磨块、金刚石研磨刷等。

　　7 结论与展望

　　7.1 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的要求越来越高，其相应的先进的磨削技术和磨具，尤其是涂附磨具向更高效率、更高寿命和超精密的方向发展。

　　7.2 涂附磨具在大规格、异形表面、脆性易碎等工件的表面成形研磨、抛光中具有不可替代的优势。

　　7.3 普通磨料涂附磨具加工效率、加工表面质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、高寿命以及自动生产线上等特殊场合具有了用武之地。可以预示超硬材料磨具必将有个巨大的发展空间，前景多美好呀！

　　7.4 我国是世界超硬材料生产的超级大国，原料充足、品种齐全、价值低廉等是我们的优势【5】。

　　7.5 长期以来，大家都存在一个误区，认为普通磨料涂附磨具的价格便宜，加工成本低，而超硬材料涂附磨具价格昂贵，使用成本高，实际上，在许多场合，由于超硬材料涂附磨具使用寿命长，加工效率比普通涂附磨具高很多，而且节省了工具更换时间，使得综合加工效率大大提升，且降低了综合加工成本，材料加工质量也得到了大幅提高，因而超硬材料涂附磨具具有更佳的综合加工性能和性价比优势。尽快走出误区，多少事，从来急，一万年太久，只争朝夕！

　　7.6 砂带磨削技术经过几十年的发展，已经进入向现代化发展的新阶段。尤其值得注意的是超硬材料砂带的成功应用，在磨削难加工材料方面，超硬材料显示出独特优势，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，如磁盘、磁头、录像机、复印机和光导纤头等精密零件的磨削抛光。

　　7.7 近年来，我国的汽车工业和机械制造业蓬勃发展，按理需要使用大量的超硬材料涂附磨具，有很大很大的內需空间。但是，国内所有汽车企业，如德国大众、法国雪铁龙、美国通用、别克，日本的丰田、本田等均用进口涂附磨具，主要进口美国3M公司的涂附磨具产品，这样的局面何时休！【6】

　　7.8 目前美国3M公司、法国圣戈班（Saint Gobain）/ Norton、德国金世博（Klingspor）等国际知名公司的超硬材料涂附磨具产品种类繁多，性能优异，代表了当今世界超硬材料涂附磨具研究和制造的最高水平。中国何时能够赶上应该有一个时间表。

　　7.9 根据超硬材料砂带规格比较小、尺寸精度比较高的特点，设备应小型化、自动化。包括上胶机、静电植砂机、复胶机、柔曲机、分切机和点胶机等。

　　参考文献
　　1王光祖，王芸，浅谈21世纪是中国金刚石世纪【J】超硬材料工程，2010.1
　　2郑超 吕智，超硬材料涂附磨具发展现状【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.
　　3谢志刚，刘志环等，超硬材料涂附磨具的应用前景和研究现状(上)[J]超硬材料工程，2011.2：42～46.
　　4谢志刚，刘志环等，超硬材料涂附磨具的应用前景和研究现状(下)[J]超硬材料工程，2011.3：37～41.
　　5安建民，王光祖，共铸超硬材料砂带“刚”“柔”组合的辉煌【C】海峡两岸超硬材料技术发展论坛论文集，2010.10：275～278.
　　6吕智 郑超等，超硬材料工具设计与制造【M】冶金工业出版社，2010，204～222.