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　　引言

　　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，对其加工精度和表面粗糙度要求越来越高，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、高寿命和超精密的方向发展。砂带磨削技术已进入现代化发展的新阶段。欧美工业发达国家十分重视砂带磨削技术的开发研究和应用，在砂带的工作寿命大幅度提高的同时，磨削加工领域也不断扩大，可用于湿磨、干磨、高速磨、大吃刀深度的重磨削以及高精度精密零件磨削抛光。总之，国外先进国家的砂带磨削技术发展迅速，应用日益广泛，而强力、高速、高效和精密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的涂附磨具生产加工水平，也能带来很高的经济效益。

　　砂带的现状

　　砂带磨削技术的国内外现状、发展趋势国外的砂带磨削发展非常迅速，自20世纪60年代以来，特别是静电植砂及涂附磨具技术的出现及发展，欧、美、日等工业发达国家在砂带制造技术和砂带磨床技术上都取得了巨大的成就。现在在砂带制造技术方面，随着许多特殊的涂附磨料（陶瓷磨料、复合磨料、堆积磨料等）及涂附形式（点式磨削）的出现，产生了如金刚石、立方氯化硼（CBN）、锆刚玉、陶瓷磨料、复合磨料、堆积磨料等各类砂带，使得砂带已经能用于干磨、高速，大吃刀量等的重磨削领域，及高精密零件的磨削加工领域。如3M公司生产的强烈磨砂带每分钟对铸铁的切削率在其砂带宽度方向上已达到870cm3/cm·s；日本已经开发出用软刚带作为基底的金刚石砂带，可有效加工一些特殊难加工的高硬度材料，如单晶硅片等。在国际上知名的砂带品牌有美国的3M、Norton、德国的Hermes、VSM、Klingspor、韩国的DEER、日本的牛头等。在砂带磨床方面，有大至磨削宽度5米以上的巨型平面磨床，小至牙医用的修齿机等结构形式各异种类，另外，随着自动化技术的发展，像六轴五联动数控砂带磨床、机器人砂带磨削中心、砂带磨削FMS、并联机构的数控砂带磨床都已经得到应用。

　　砂带磨削作为一种弹性磨削，是一种具有磨削、研磨、抛光多种作用的复合加工工艺。砂带上的磨粒比砂轮磨粒具有更强的切削能力，所以其磨削效率非常高。砂带磨削效率高，表现在它的切除率、磨削比（切除工件重量与磨料磨损重量之比）和机床功率利用率三个方面都很高。砂带磨削的强力高效加工问题国外已成功地将砂带磨削用于强力磨削，以实现大切除量和高金属去除率磨削，目前已知的砂带磨削对钢材的切除率已超过700 cm3/cm·s，在国外甚至超过了车削或铣削等。砂带的磨削比大大超过了砂轮，高达300:1，甚至400:1，而砂轮才30:1。砂带磨床的功率利用率，远在砂带磨削发展初期就已达到80%，领先于其它机床，而今则高达96%，相比之下，砂轮磨床只有52%，铣床57%，车床65%，所以砂带磨削还是一种很好的节能加工技术。砂带磨削技术现已成为这些发达国家获得高额经济效益的一种重要手段，且砂带磨削量已占磨削总加工量一半以上。

　　砂带磨削的应用范围

　　砂带磨削经过近三十年的发展，现已成为一项较完整且自成体系的新的加工技术。因其加工效率高、应用范围广、适应性强、使用成本低、操作安全方便等特点而深受用户亲睐。在国外，砂带磨削技术已有了很大的进步，其加工对象和应用领域日趋广泛，它几乎能加工所有的工程材料，研究砂带磨削目前正沿着强力、高速、高效和精密方向发展。高效强力砂带磨削在欧洲、美国和日本等一些工业发达国家发展很快，如德国的Aachen大学、Bremm大学、美国Connecticut大学等，据报道，目前砂带磨削在德国最高线速度接近100 m/s。美国Emerson Electric公司生产的砂带磨床1台可以完成5台铣床的工作量，以往用硬质合金端铣刀加工铸铁轴承体，每件加工时间为4.8min，采用强力砂带磨床，加工时间减少到0.8min，一年可节约加工费4.5万美元。故而有弹性的、高效冷切削的磨削砂带磨具磨削，广泛应用于：大型的平面厚、薄板材，包括金属带材的加工；大批量生产的各种金属、非金属工件的加工；复杂型面工件的成型磨削与抛光；各种直径的金属管、棒、辊材的外圆磨削、弯曲面磨削、内圆磨削等。利用盘状干磨片可以替代抛光轮的抛光，也可用于大型壳体、箱体、船体、桥梁等的磨焊缝、去毛刺、大面积除锈等方面，高效、方便、安全。

　　砂带磨削技术

　　1、砂带磨削的主要特点

　　①能解决其它磨具无法解决的磨削，如大面积和复杂型面的磨削等。砂带磨削几乎能磨削一切工程材料。除了砂轮磨削能加工的材料外，其还可以加工诸如铜、铝等有色金属和木材、皮革、塑料等非金属软材料。特别是砂带磨削的“冷态”磨削效应使之在加工耐热难磨削材料时更显出独特的优势。

　　②磨削效率高，热积累小，散热快，不宜烧伤工件；砂带磨削工件表面质量高主要表现在表面粗糙度值小，残余应力状态好，以及表面无微观裂纹或金相组织变化等现象。

　　③加工表面质量好；从表面粗糙度来看，砂带磨削目前已可达Ra0.01mm，达到了镜面磨削的效果，而对于粗糙度值在Ra0.1mm以上的情况,则非常容易达到。

　　④设备简单，操作方便，使用安全；砂带磨削非常安全，噪音和粉尘小，且易于控制，环境效益好。由于砂带本身质量轻，其磨削工艺结构系统的平衡状态易于控制，所有的回转部件(如接触轮、驱动轮、张紧轮等)磨损极小，不会出现象砂轮那样的动不平衡因素。此外，砂带的弹性磨削效应能够大大减轻或吸收磨削时产生的震动和冲击。

　　⑤功率消耗少，节能、环保。砂带磨削比大，机床功率利用率高，切削效率高。砂带磨削设备简单。与砂轮磨床相比，砂带磨床简单得多，这主要是因为砂带质量轻，磨削力小，磨削过程中震动小，对机床的刚性及强度要求都远低于砂轮磨床。砂带磨削不象砂轮那样脱砂严重，特别是干磨时，磨屑构成主要是被加工工件的材料，很容易回收和控制粉尘。由于采用橡胶接触轮，砂带磨削不会象砂轮那样形成对工件的刚性冲击，故加工噪音很小，通常<70dB。由此可见，从环保角度来看砂带磨削也是十分值得推广的。

　　2、砂带磨削机理的主要特点

　　砂带磨削技术已在国内许多单位得到了推广和应用，并取得了一定的成绩，解决了许多生产中存在的问题。但对砂带磨削过程的全面基础理论研究、砂带及砂带磨削热和磨削力的研究、砂带磨削表面的形貌研究还远远落后于国外研究水平。砂带磨削基础研究砂带磨削具有复合加工的特点，其机理较复杂，蕴含了较多科学基础问题，尽管多年来各国学者对砂带磨削机理做了很多的研究，但是到目前为止，各类砂带磨削的材料去除基本机理，尽管国内外学者做了较多研究，但目前为止，完整的砂带磨削的材料去除基本理论还没有建立起来。因为加工材质差异、表面完整性、亚表面层损伤、零件几何形状以及磨削和抛光加工生产能力等输出参数受很多因素的影响，数学模型不好建立，对某一企业，有可能对研磨抛光加工工艺运用或者控制得很好，但在加工前却几乎无法预测其加工行为。因此，有必要深入展开砂带磨削加工机理及相关工艺的研究。只有通过对磨削机理和磨削工艺的研究，揭示各种磨削过程,磨削现象的本质,找出其变化规律，才能确定最佳的磨削范围的组成，获取最佳的磨削参数。因此，今后研究的方向应在现有基础上，从理论上分析研究砂带磨粒以及磨粒集团的磨削过程，推动砂带磨削技术更广泛地应用。这也是这个行业领域一个长期基础研究的基本任务。

强力、高速、高效和精密砂带于传统涂附磨具的磨削区别

　　涂附磨具传统的是磨粒均匀地分布在基材表面的（图2），基本上是单层分布。涂附磨具所用的专用磨料，其基本粒含量要求较高，颗粒大小均匀，使涂附磨具表面的磨粒有了很好的等高排列。特别是近代化的涂附磨具生产采用静电植砂工艺，保证了磨粒的尖角朝外，磨料定向排列。涂附磨具表面磨粒的定向排列和等高性，是涂附磨具保持磨削的高效率和冷态磨削的重要因素。与砂轮磨削的典型区别在于砂带磨削是通过提高带面垂直负荷（磨削压力），一般不是通过提高砂带速度发展起来的。砂带的线速度一般在15-35 m/s范围内，很少超过50m/s。砂带磨削工件表面残余应力多呈压应力状态，其值一般在-60~-5Kg/mm²，而砂轮磨削则多是张应力，所以砂带磨削非常有利于强化工件表面，提高工件疲劳强度。

图1

图2

　　当今涂附磨具正朝着专用，精密，强力高效的方向发展，而高效则以高速，强力，重负荷打磨为主，目前强力、高速、高效和精密砂带磨削的理论基础是快速点磨削(Quick - point Grinding)，是由德国Junker公司Erwin Junker先生于1994年开发并取得专利的一种先进的高速磨削技术（图2）。它集成了超高速磨削（＞90m/s），CBN超硬磨料及CNC柔性加工三大先进技术，具有优良的加工性能，是超高速磨削技术在高效率、高柔性和大批量生产高质量稳定性方面的又一新发展。德国目前在这项新技术的研究开发上处于领先地位。已在国外汽车、轮船工业、工具制造业中得到应用。由于国内目前没有开展系统的工艺理论和应用研究，没有掌握其核心技术及理论，不能掌握工艺参数设计，不能配套生产磨具及相关附件，只能就单一零件由国外垄断定制，全部工艺和设备大都均依赖于进口。而国外由于技术垄断，对快速点磨削机理、规律、磨削质量控制及点磨削工艺等深入系统的理论与实验研究及相关技术信息也未见更多报道。因此，跟踪国际先进技术，深人开展快速点磨削技术的理论与应用研究，对于在我国推广和发展该项先进技术、提高制造工艺技术和装备制造水平具有重要意义。

　　无机高分子结合剂在砂带应用中可以解决的问题

　　砂带磨料及制品工艺技术改进和开发砂带是砂带磨削技术发展的关键和重要标志，能否制造高品质的砂带已经作为衡量一个国家砂带磨削技术高低的标准。作为构成砂带三要素的基体、磨料、粘结剂以及由此导致影响磨削性能的十种要素，徳谦公司结合近年来无机高分子新材料、新技术、新工艺在涂附磨具中的尝试应用，特别是在强力、精密磨削的性能取得质的飞跃，解决了我国的国产砂带使用寿命短问题，必将促进了砂带磨削的发展和进步。

　　国产砂带寿命一般在2～4h左右，往往使用1h就不能继续使用，而国外砂带的寿命可达到8～12h；从磨料品种来看，国内使用最多的两类磨料是SiC和Al2O3，而在金刚石磨料、陶瓷氧化铝、复合磨料、堆积磨料等的开发上基本处于空白，这样强力磨砂带的开发就不可能实现（大家试想一下，强力砂磨削带对钢材的切除率已超过700 cm3/cm·s，单层磨粒的涂附磨具能实现吗？）；微粉级磨料的砂带还没有，因而限制了砂带在精密和超精密加工中的应用。因此，陕西徳谦公司以无机高分子结合剂为基础，以新工艺制造陶瓷磨料、复合磨料、堆积磨料等、以无机高分子结合剂来改善磨粒的结构形态，在砂带结构方面，实现堆积磨料砂带（也有叫金字塔型砂带、复层砂带、不等厚砂带、粒度复合砂带、有序排列砂带等等）、空心球型砂带、高弹性砂带等。砂带性能、质量和使用寿命几十倍的提高，真正有自主知识产权的，能解决国内砂带磨削推广应用的一个关键性问题。

　　由于涂附磨具加工领域不断扩展，现已涉及钢件，铸铁件，铝铜件，不锈钢，合金钢，高中密度纤维板，胶合板，刨花板，玻璃，皮革等，所以传统的磨料已不能满足要求，需改进磨粒性能以适应各类材料加工的需要。传统的刚玉、碳化硅磨料已经不能满足要求，近年来随着工艺的改进，锆刚玉磨料、超硬材料、堆积磨料、复合磨料和SG磨料(微晶结构烧结陶瓷磨料，原美国Norton公司(现已属于法国圣哥班集团)最近又推出了SG磨料的第二代产品（TG磨料），它保留了SG的特点，在磨料形状上作了新突破，它有很细的棒状晶态结构，适用于缓进给磨削及加工镍铬铁和钛合金等难加工材料。据报道，TG磨料的材料去除率为锆刚玉的4倍以上，寿命为刚玉的10倍以上。世界各大砂带生产厂商都有自己的锆刚玉磨料、SG磨料、堆积磨料和复合磨料的砂带)等已经成为在砂带磨料里面的重要发展方向。

　　无机高分子结合剂在解决堆积磨料、陶瓷磨料、复合磨料的关键是无机高分子结合剂是由尺度为纳米级的粒子堆积聚合固化而成，它在较低温度下固结就能达到致密化，在生产堆积磨料、陶瓷磨料、复合磨料时，它的小尺寸效应、表面和界面效应和量子遂道效应，使得它具有独特的性能，因为颗粒大小决定了材料的微观结构和宏观性能。如材料颗粒分布堆积均匀，则固结时收缩一致且晶粒均匀长大，低温固结首先导致材料在结构上的变化，晶粒细小均匀呈等轴晶状，同时由于晶界液相的引入和独特的界面结构导致界面结合强化，材料的断裂也变为完全的沿晶断裂模式，使得材料的强度和韧性显著提高；所制备的堆积磨料、陶瓷磨料、复合磨料缺陷小、强度高；同时固结温度低，不改变堆积磨粒、陶瓷磨粒、复合磨粒的性能，锋利度高。

　　将磨粒粘附在基材上的粘接剂是涂附磨具的重要组成部分。砂带磨削加工中所消耗的能量大部分转化为热量，这些热量在磨削弧区内以热传导、热交换的形式传入到工件、砂带、磨屑之中。尽管砂带磨素有“冷态”磨之称，但当砂带磨损后或磨削产生的的热量超过一定温度值时，传统的结合剂就会出现“热衰”现象而磨粒脱落，从而影响砂带的实用寿命。

　　对此，无机高分子结合剂的化学成份为类聚合铝硅酸盐，其聚合物缩聚成高分子,聚合度较高；是由Si、Al、O、P、N为主链，引入CH3-、C-C6H6-、NH2-、CH2=CH-元素或基团等链节通过共价键或离子键构成的。且无机高分子本身是个氧化物网络结构体系，化学性质稳定，在800℃～1900℃（系列产品的耐温不一样）之间不氧化、不分解。故而使用无机高分子结合剂可以提高砂带的使用寿命。另外，无机高分子结合剂系列产品，根据不同性能的磨具产品和这些产品的不同使用范围，无机高分子结合剂系列共分三大类十几个品种。主要是：1、含有无机活性基团：包括氯原子、烷氧基以及其它基团。这些基团具有良好的反应性能并且可以和玻璃、金属以及矿物质等无机物很好的粘连。 2、含有有机非活性基团：包括烷基、苯基以及三氟丙基。这些基团可以使材料具有良好的防潮性、有机兼容性以及耐化学腐蚀性。 3、含有有机活性基团：包括环氧基团、甲基丙烯酸基团、氨基、乙烯基、硫代物以及其它基团。这些基团可以使材料与有机树脂有着良好的反应活性，因而作为有基层和无机基底物之间的粘结。故而，无机高分子结合剂可满足不同性能砂带的生产要求。

　　总结

　　总之，经过多年的发展，我国的砂带磨削技术在基础研究、应用推广方面已初具规模，并在强力、高效、精密、数控及复合加工等方面都有新的进展。但与发达工业国家相比，我国不仅是在砂带磨削机理上的研究，还是在磨料和结合剂上的研究都不够深入，砂带的品种体系及质量有待完善及改进的空间极大。同时，面对中国制造业的迅猛发展和砂带磨削的良好的应用市场前景，徳谦公司希望无机高分子结合剂能够对中国砂带磨削加工及其关键技术的提升有所裨益，为我国的砂带磨削的产业化进程有所帮助。