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                                                                                               广州太巴克磨料有限公司  陈云

摘要：本技术报告以砂带新产品设计思路为出发点，以砂带磨削和磨粒应用的机理分析为基础，以磨料的硬度、使用温度、韧性、导热性为切入点，用几款砂带产品的磨削应用实效为例，重点阐述了磨料与砂带使用过程的散热问题、磨料与砂带性能的关联问题，并提出了评价磨料性能时应关注的主要因素，提出一种砂带试验机应用模型，为我们指出了砂带新产品设计的思路和方向。其目的是：充分了解应用；充分了解磨粒；设计模拟生产。

关键词：砂带新产品设计，磨料适用性，散热，模拟应用效果

今天我利用这个讲座，在此与大家探讨一个技术性的课题：一款砂带是怎样设计出来的？在市场经济的大环境下，设计任何产品，其考虑的第一出发点当然是市场，更具体一点讲就是市场上某一特定领域的应用，要求我们设计对应功能和对应成本的产品；再根据目标产品的技术指标与成本预算，选择适当的磨料及工艺。一句话，就是要求企业的总体着眼点，不要集中在我有什么什么好产品，我的产品比别人某某产品怎么样，等等，而是集中在发现和寻找市场或最终用户那里有什么磨削应用方面的难题或要求，为他们解决问题，同时也为我们自己创造机会。

我们今后不能也不应该老是停留在和进口产品的比较上面。我们整个砂带行业、涂附磨具行业的整体眼光都应该是：紧紧咬住国内先进生产力的那一部分，跟他们咬合、跟他们接轨、为他们服务。为什么呢？因为他们正在大踏步地前进，他们成长的速度比我们快多了。

今天我演讲的目的就是首先要求：我们要充分了解我们的用途、我们的客户对我们有什么要求，产品的磨削条件是什么样的，必然首先要弄清楚。只有弄清楚了，我们才可言怎样去选择解决问题的手段。磨料是最后解决问题的“中药材”，在开药方之前，我们当然要深入了解每项药材的药性。

十年前，我同黄秉麟老先生聊天，他说：我们现在砂带的布基不行，粘结剂不行，磨料也不行。我应该首先解决布基、粘结剂问题，然后才考虑磨料。今天，十年已经过去了。我们的布基、粘结剂有了很大的进步。与国外同行相比，其差距已经不大了。现在回过头来，还是感到磨料是最大的问题。因此，今天的演讲主要集中在磨料。

最理想的磨料

大家知道磨削的第一要素是“硬”。你要磨别人的东西，自己首先要硬。硬是最重要的，但不是唯一的。

图1是一张还没来得及翻译的硬度表（由太巴客公司制作）。自然界最硬的东西是金刚石，硬度在80-100之间，棕刚玉是21，碳化硅是25，对应的磨削对象的硬度则是：钢铁是4.8，硬质合金、硬质金属是13.4。在一般状态下，磨削与被磨削材料的硬度差距越大，磨削的效率就越高。从这一角度看，金刚石无疑是最理想的磨料。

什么是最理想的磨料？

在以砂带磨削的环境下，最理想的手段是：将金刚石的大部分包裹在砂带粘结剂里面，只露出一个头（如图2），在压力和振动情况下，不起层，不破裂，让磨削过程永远进行下去。

在座的同行中有一位叫安建民的先生，他曾大胆地把金刚石移植到砂带磨削上去。他是怎样做的呢？他把金刚石镶在剑形金属物中，再把这种金属物粘在布基上。如图3。从在硬度上来讲，他使用的是最硬的材料，关键是能不能裹得住。

12年前，太巴客在德国组成了一个博士小组来搞一个项目，就是把金刚石放在涂附磨具里面。当时碰到一个很大的问题：怎样散热？金刚石很硬，同时导热性最好，导热率很高。如果我们用手拿起一块天然金刚石（钻石），除了感觉它很硬以外，还很凉、透凉。金刚石在磨削过程中，尖的部分在压力下振动，产生很多热量，热量马上传遍全身。在金刚石旁边积聚。如果热量不能被马上导出或排出，这里的温度会立即升高，粘结剂熔化，金刚石在没有完全发挥作用就脱落了。当时我们采取了很多措施，使用不同的金属或金属氧化物，使黄色部分在受到很大压力下热量能导出去，但不太成功。（如图4）

因此，砂带设计需要考虑的第二个不能忽略的因素是：温度。就是怎样将磨削时产生的热能转移出去？

最理想的状态是：底下产生的热量像风扇一样很快地扩散出去。这就要求磨粒本身要有极好的热导性，不但如此，粘结剂、甚至布基也需要有很好的热导性。如图5。

白鸽从去年引进人才和技术，其中一个方向就是解决磨削过程中砂带的导热委托。这是他们的一款RC-871碳化硅砂带。如图6和7。

它是在原碳化硅砂带的基础上考虑了怎样增加粘结剂的散热通道。碳化硅是散热比较好的一种磨料，如果粘结剂部分再增加了散热通道，就如鱼得水了。在高温状态下增强了粘结剂对磨粒的把持能力，磨削效果自然就增加。这款产品在市场上已经用了两三个月，平均磨削性能增加了20-40%。但是，它仅仅是低压力下的表现。碳化硅不能承受高压力。

下面介绍一个在可变负荷下的磨削：磨中密度纤维板、高密度纤维板。图8是现场参观后根据磨削条件的数据模拟下来的一幅图：

在正常情况下，压强不高，但遇到结疤时，或者板厚不均匀时，瞬间压力突然增大。估计会高达7kg/cm2。在这种压力下，碳化硅可能会崩溃。因此，很多人造板加工厂家在第一道磨削时使用耐高压力的砂带，以保证密度板上结疤被首先处理掉。

在压力磨削过程中，部分机械能转变为热能，磨削会引起的密度板温度的升高，其极限温度是80℃，最好是40-60℃。磨削温度太高会造成起斑或引起板表面的收缩。

到此，我们归纳一下，好的磨料应该同时具备三方面的良好品质：硬， 韧，散热性能好。至于怎么硬、怎么韧、怎么散热，那是下一层面的问题。

在这里，我们注重讨论第三个品质——散热。

优良的磨料是指自己有部分导热性能的，自我散热功能的磨料本身就是好磨粒。如：天然金刚石、人工合成比较纯正的碳化硅、比较纯正的α-Al2O3。纯正的α-Al2O3在理论上可通过绝大部分的5微米以下红外线。这就是为什么白刚玉砂带那么适用于冷磨削的原因。但是，杂质会严重影响白刚玉的导热性（同时也影响它的脆性，脆性增加，反过来增加它的散热性能，但这不是一个概念，前者是自身的导热性，后者是通过脱落把热量带走）。太巴客白刚玉的质量为什么那么好，其中一个原因是纯正。

半脆刚玉导热系数也不错。九年前上海砂轮厂也试验过这种产品。在广东阳江市场磨小刀的刀把木柄和铝钉，用普通的砂带一磨就发黑，工人拿水壶或水龙头加水，从外部强行散热。后来我们用FRPL磨料做成砂带，就解决了问题。很可惜，后来的上海砂轮厂被吞并了。

今天，在湖北中研用FRPL生产的一款JSM系列纸砂带也是一款自我散热比较好的砂带。由于自身散热效好，其综合磨削性能比同类的产品高出20%，而且适用范围被大大拓宽。不但可以磨高档家具、复合材料，还可以磨热敏感金属、PCB板、汽车外壳等等。（图9）

图10是KREBS的磨汽车齿轮的砂轮，它没有用金刚石，也没有用CBN。它磨的齿轮钢是淬火后的特种钢，对温度的要求非常高，不能产生很多的热量，它不能重复淬火，去年10月，我与白鸽技术考察小组人员在意大利米兰自动化展会上看到这家企业。这家企业很有名。连老板在内只有12人，但是，它却占据了欧洲齿轮磨削包括汽车齿轮磨削砂轮市场的70%。

两年前我们曾经测试过这种砂轮的配比，蓝色砂轮是70%SG磨料+30%太巴客的SWSK；红色砂轮是100%太巴客的EDR，淡蓝色是20%SG磨料+80%太巴客的SWSK。可见，他们在产品设计上，非常重视散热性。为什么呢？因为他们磨的是汽车齿轮，而且是淬火后的齿轮。如果您在最后一道工序来一个加热，不就成了重新退火的吗？

到此，我们再来总结一下。好磨料要求硬度要好，越硬越好，最好是和金刚石的硬度一样；但硬度也不是唯一的。除了硬度，我们还要看它的热能是怎么转移的。一个是外部散热，一个是内部散热。外部转移，强行散热，最直接的方法就是加水。水的导热系数很好，是空气的6倍。第二就是内部散热功能。有的材料内部散热不好，就要强行外部降热；有的材料内部散热太好了，外部包裹材料的散热跟不上，比如金刚石，金刚石的散热功能太好了，外部包裹材料的散热  图10  KREBS的磨汽车齿轮的砂轮跟不上，高温高压下会脱落。第三我们还要注意散热的通道。散热通道可以做成垂直的，也可以做成水平的，也可以做成混合的。堆积磨料、空心球磨料等是外部散热。3M的金字塔磨料砂带，现在不多见了，其原因很可能是他没有解决好散热通道问题。高分子材料的散热通道是最复杂的。像蛇脱皮一样，一层一层地脱落，不是整层脱落，整层脱落，那个蛇就完蛋了。我个人认为，最理想的散热是磨料的逐点逐点地脱落，就像SG磨料一样，与此同时，粘结剂也像SG一样，逐点逐点地脱落，像蛇脱皮一样。

表1列出了一些导热性能良好的磨料牌号。

除此之外，我们还要考虑外部压力、振动、振动频率等，特别是速度很高时。今天早晨，我同安建民先生讨论，他的金刚石砂带，如果转速再增加一倍，比如转速达到一万转或多少，线速度达到150米/秒，像切割片一样，它的效果可能更好。为什么，因为散热可能会更好，但剪切力增大了，单位时间产生的热量也可能增大。

表2总结了磨削对磨料的要求，除了硬度以外，热能转移的手段是非常重要的。

中国发展太快了，机床工业每年20%的增长。现在世界最先进的工艺不是在欧美，很多是在中国，好多在欧美没有定型的工艺，拿到中国来定型。我估计在我们这个行业，五年内很多人要脱离摆地摊的概念，要达到今后最终的目的，跟先进生产力的磨床、工具行业紧紧咬合在一起，所以我们要考虑在高压力、高效能、高速度磨加工情况下我们该怎么做。

 　　   磨削的发生

我们再说说磨削是怎样发生的！

图11是一个太巴客锆刚玉ZK40典型图。磨料与金属磨擦产生热量，在晶格里面积存热量到一定程度后，脱落，脱落产生两个波峰，在压力下又开始下一个磨削周期。氧化物因为有杂质，杂质在很多边界上形成像蛇皮一样的东西。图12显示某个晶包脱落后形成的边界。这个边界很有意思，这个不是锆刚玉，是一种不明氧化物，是某本书上的图片。如果是40%锆刚玉（氧化锆），白色边界会很厚。氧化锆也是一种比较硬的东西，但氧化锆导热性很不好。如果你拿到一个锆球，感觉温温的，不透热。在磨削过程中，底下产生的热量不会容易从一个晶包传到另一个晶包，它的热量在边界堵塞，单晶包发热，由于氧化锆与氧化铝的热膨胀收缴曲线不一样，发生脱落。在一定温度一定压力下脱落是40锆的特性。NZ40的脱落温度是650℃。到了 650℃，这个边界就会脱落。650℃这个温度很有意思，再上一点，钢就发红了。

SG磨料是最典型的自我脱落型磨料，自我脱落的目的，一是带走热量，二是保持磨料的锋利，三是在其他条件不变的情况下，单位体积内“自我脱落”的周期越多，寿命越长，这也是第五代SG磨料与第一代的差别。SG颗粒很小，周期很长，如果锆刚玉脱落10次，SG就脱落100次，应该是10倍。但是不是10倍呢，不一定，磨料的硬度只是一个方面，如果别的条件不一样，就不一定是10倍。SG材料最大的问题是形成的时间很快，硬度跟不上。但是如果它的硬度跟上了，脱落又很小，结晶又很细，那就很厉害了。（图12）

最理想的磨料，包括：高硬度、晶包越小越好、结合力越大越好、温度不高不低。但是，这几个因素是相互矛盾的，我们的工作就是在矛盾中寻找最能解决问题的矛盾。

图13是几年前的金字塔磨料一个图，这是其中一款，金字塔磨粒是三种不同的磨料打碎混在一起，做成微粉，黑色部分是高分子材料，高分子材料变成晶格的一项。几年前金字塔磨料解决得不理想，重负荷磨削还不行，它的散热和稳定性很难掌握。

我们再看看空心球磨料和堆积磨料，这个很热门，空心球磨料和堆积磨料在砂带里面，不是内部散热，而是侧重于外部散热。它可以选择内部散热好的材料作为堆积磨料的原料，但还是侧重于外部散热。外部散热要有特殊粘结剂，金属介质散热，加油加水。我们谈磨削，别忘记磨削是有温度的，磨料的锋利程度是在不同温度下体现的锋利程度，它是随温度变化而变化的，寿命也是。磨削的效率不能只从理论上常温下考虑，要检测探索某种材料不同温度下的力学性能。C-C材料很奇怪，在温度高到一定程度时，反而力学性能越好，但是现在碳化硅、棕刚玉、白刚玉都达不到。总体规律是，温度越高，力学性能下降。

锆刚玉、SG磨料、碳化硅材料、空心球磨料和人工堆积磨料，都是不同程度的人工合成。图14展示的是去年太巴客新出的材料“铅笔芯”——Rod92人工合成磨料。目前在我国的钢铁工业中，到处见到它的身影。

这个材料是最新的人工合成材料，它不是单纯的化学结合，也不是高分子结合，是介于陶瓷结合和高分子结合之间。它可以做到限定它多少压力、多少线速度，多少温度、保持多少硬度、分解时怎样脱落、脱落的周期是多少，以及保持多少生产成本。这是第一代，抗压强度已经超过5kg/mm2。就在前几个月，他们已经发展到第二代了，而且是多种形状的。最新的可以直接用于P砂。科学技术一旦采得突破，其发展速度是惊人的。

最近几个月，白鸽公司，技术人员选用一种散热性能较好的BFRPL磨料制成RS-875砂带，应用到自行车行业。

过去我们以为：氧化锆砂带是最好的，磨什么都行。然而，采用RS-875(BFRPL)砂带后发现：在磨自行车配件方面，BFRPL砂带的表现比锆刚玉还要好，磨得要多，效率还高。为什么呢？现在自行车讲究轻，钢管、钢片要做得很薄，但要够力。因此，他们纷纷走淬火钢这条路。对于这种又硬又脆的框架，用锆刚玉去磨肯定比普通棕刚玉好，但不是最好的。锆刚玉硬度没有BFRPL高，所以磨硬钢时锆刚玉的表现不一定比BFRPL好！在某种情况下，BFRPL的效率比锆刚玉高。在通常情况下，BFRPL砂带的价格仅为锆刚玉砂带的一半。

　　在此，我们又可以总结出：不是一种磨粒磨什么都行，不是越贵的就越好，要看磨什么对象、什么温度、什么要求，等。

截止2011年5月份，白鸽RS-875(BFRPL)砂带已经应用的方面包括：汽车离合器、D2，H12，M2等合金钢部件、食品级不锈钢（60#~180#）、大平面压坯板（HRC40–64）、有温度要求的合金结构钢（45号。。。）以及淬火后的钢质制品等。最使我感兴趣的是，磨汽车的离合器的离合片，又硬又韧，冷磨削，这种钢种不能够有退火，RS-875(BFRPL)表现得非常突出。李道育那里有一个大块头的压板，冷作模具钢，整块轧板，7米长，2.4米宽，两种入选的砂带，一种是SG砂带，另一种是BFRPL砂带。

我推荐RS-875(BFRPL)砂带的应用对象应该包括：铬镍钼钨钴合金或合金钢；304不锈钢板大面积砂光，去氧化层；高压力状态下磨中高密度板（防堵粘结等）等。四川绵阳江油长城钢厂，1993年我去过它的第三分厂参观，这个分厂专门做钴镍钼铬钨合金钢，为东方汽轮机厂配套的。今后大家碰到钴镍钼铬钨合金的磨削，首先不是要考虑锆刚玉，第一想到的是SG磨料砂带，第二想到的应该是用BFRPL砂带，如果再加上外部散热工艺，那效果将会更好。

我们再看看304不锈钢板拉丝的情况。

图15是一条不锈钢拉丝生产线，意大利进口，从右到左，前三道是粗号，后六道是细号。其中第一道主要目的是去304氧化层，然后再磨砂。去氧化层现在是用碳化硅砂带，一条碳化硅砂带往往在这个过程中很快地磨损掉，中国的不锈钢有荷叶边、毛刺去得也不干净，碳化硅砂带两条边都变成白色的，变成白色的就报废，2元钱处理掉，这条砂带最少100多元一条。欧洲304不锈钢磨削，不管冷磨削或是水磨削，第一道工序一般不用碳化硅砂带，是用BFRPL砂带。这条生产线，我同他们老板谈论过，把这条生产线改造，加装两条小砂带，专门对付边缘，把荷叶边和毛刺首先去掉，后面就好办了。这是他整条生产线的运行数据。

下面我们具体讨论晶体里面的微裂纹。

硬的东西凡经机械破碎都有可能出现微裂纹。微裂纹的好处就是自锐性好，不好处就是脆性大，很难控制。

图16是碳化硅的微裂纹，像下雨一样，很规范，很均匀，这就是解释了碳化硅不能承受重负荷的原因。碳化硅一旦破碎后，它是磷片状，像小刀一样，这样的断裂方面可能与其分子结构有关。在颗粒状态下，不管你开始整形有多好，一破碎后就微裂纹。一般欧洲不能用的，因为它微裂纹一旦破碎后能进入人的肺，粘在人的肺细胞上不轻易挪动。但这个材料的确很好，很硬，很轻，很容易合成。

图17是氧化物的微裂纹，它像树叉一样，裂开以后还保持一定的形状，六角形、多边形。对付微裂纹的办法就是高温煅烧。二十年前，欧洲就采用了高温煅烧、中温煅烧来对付微裂纹，高温煅烧后可以部分把微裂纹弥合，使磨粒强度提高，负荷增加。我们的编号加“B”,就是蓝火处理的意思。太巴客棕刚玉磨料的煅烧（BEPL ，磨料）、半脆刚玉的煅烧 （BFRPL磨料）两者各有不同长处，第一种强调寿命，第二种强调散热，这两种搭配起来用非常好。

　　前段时间白鸽采用RM—863（BEPL）砂带在高压力下磨汽车轮毂（铝镁合金）表现非常优秀。七、八年前，我们在三菱研磨的第一批试产品时，也验证了这一点。铝镁合金汽车轮毂，不是用锆刚玉去磨，而是用BFPL去磨。我们很高兴看到，汽车行业我们至少有3种涂附磨具产品渗入到中国的汽车工业里去了。（磨汽车外壳、金属/腻子结合部的FRPL干磨砂布/纸；磨汽车离合片的BFRPL砂带；磨铝合金轮毂的BEPL 砂带）。 再过一两年，我们希望有更好的消息。

模拟试验

下面我再讲讲理论数据、实际表现、模拟试验

表3是一组理论数据，很多书里都有。但是，我们在实践中发现：磨料的实际表现有非常大的波动。

表4是理论拉伸强度数据与实际检测的拉伸强度，差别很大，说明陶瓷材料还有很多不确定性，很难检测。

为了弥补这方面不足，我们设想在砂带设计的时候，就做模拟实验，尽可能地模拟出实际的模拟环境和要求，并将产品数据化。要实现这一理想，我们在半年前，设计了一款砂带模拟试验机。

图18是一台全部数据化模拟试验机。它可以实时记录砂带的磨削“里程”，压力及压力变化，各点的温度变化情况，转速与功率的变化情况，磨削比，间隔时间与次数，强行散热及变化情况等，最后用数据表达出来。有了它，我们可以根据最终用户的要求，设计出最适当的砂带。有了它，我们甚至可以告诉最终的用户，若用我这款砂带，您们可以提高多少多少的效率，可以节省多少多少的劳动力，多少多少的电力，等等。模拟试验，是我们砂带行业与国内先进生产力实现数字接轨的第一步，下一步要把磨料也拉进来，实现“全程”数字接轨。

我们看到欧洲的涂附磨具转换厂都很干净，戴白手套操作，而我们国内的转换厂的地板都是黑黑的，漫天灰尘。今年四月份，我们在广东顺德一个工厂，搞了一个清洁化工作，效果不错。欧洲厂房明亮，东西摆放整齐，我们说砂带不是地摊货，砂带是高科技产品。我们这个行业今后在后道工序中还要多做工作，一句话，我们这个行业今后的定位应该是我们做的是同先进生产力接轨的产品，我们是管用的工业牙齿！从砂带设计到转换的整个过程都应是如此的！

注：本文是陈云先生2011年6月在涂附磨具分会成都会议上的技术报告，由河南省王牌砂布制造有限公司副总经理汪宜娟根据录音整理，并经陈云先生审定。