砂带磨削技术的发展现状及关键技术小地砖

砂带磨削技术的发展现状及关键技术

1．概述

砂带磨削几乎能加工所有的工程材料,从一般家庭生活到工业生产的各个领域无所不用。作为有着“万能磨削”和“冷态磨削”之称的新型涂附磨削工艺,砂带磨削技术已经被当作与砂轮磨削同等重要的不可缺少的加工方法。综观近几年来国内外各类机床及工具展览会情况，结合砂带磨削在国内外各行业的应用状况，可以看出砂带磨削技术在制造业中发挥着越来越重要的作用，更有着广泛的应用及发展前景。

2．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。在砂带制造技术方面，随着许多特殊的涂附磨料及涂附形式的出现，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。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3M、美国Norton、德国Hermes、德国VSM、德国Klingspor、韩国DEER、日本牛头等。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。

国内的砂带磨削技术是在20世纪70年代末才得以真正发展，随着国内的改革开放，砂带磨削技术日益引起了各行业、研究单位和企业的重视，加之砂带制造技术的提高及品种的增加，使得砂带磨削设备的研究和生产也得到了较大的发展。砂带磨削设备开发与生产的厂家有新乡机床厂、上海机床厂、北京二机等十来家企业；有包括郑州三磨所、湖南大学、东北大学、广东工业大学、广西大学、重庆大学等在内的多家科研院所和高校。

砂带磨削总的趋势正向着强力、高速、高效和精密方向发展。在磨床结构方面,从单一磨头向大型、组合（多磨头、多功能、多工位）形式发展。在加工工艺方面，与特种加工相结合的复合加工方法是砂带磨削很有前途的发展方向之一，如与超声振动结合可形成超声砂带精密磨削；与电化学加工结合可形成电解砂带磨削。另一方面自动化在砂带磨削中的应用，尤其是数控砂带磨床及自适应控制技术的应用，使得砂带磨削的加工效率和精度有了很大的提高，已经使得砂带磨削精度已经进入精密和超精密加工行列。

砂带本身在不断的发展和完善中。在砂带结构方面，近年出现了堆积磨料砂带、金字塔型砂带、空心球型砂带、复层砂带、高弹性砂带、防跑偏砂带、不等厚砂带、粒度复合砂带等等。砂带在我国的制造从国产到从磨料、半成品、成品的进口，再到与国外砂带企业的合资等多种形式，这些都极大地丰富了我国的砂带品种，为国内用户提供了更大的选择空间。

3．我国砂带磨削技术与国外的差距

高性能砂带磨削技术以其独特的工艺性、广泛的用途、较强的适应性能得到了较广泛地推广，但国内砂带磨削的发展与国外相比仍存在较大差距，主要体现在以下几个方面：

3.1砂带寿命短品种规格不齐全

目前，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、复合磨料等磨料的开发上基本处于空白,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。此外,国内砂带宽度明显低于国外的砂带宽度,国内最宽砂带在2m左右,而国外可达5m，且国内锆刚玉砂带也不普及。因此,开发新磨料、新基材、新粘结剂及表面涂层材料来改善磨粒的结构形态、砂带性能和质量,提高使用寿命是砂带磨削推广应用的一个关键问题。

3.2提高加工精度问题

近年来,国外将砂带磨削用于精密、超精密加工,精度已达微米级,地爬壁表面粗糙度已达到Ra(0.01～0.025)μm;而国产320#砂带的磨削精度只能达到20～10μm。原因有两方面,一方面是国内机床的切深微进给精度较低,普通机床最小微进给在10～20μm,某些数控机床的微进给可控制到5μm,这对利用现有机床进行砂带磨削、提高精度产生了一定影响；另一方面,砂带磨削为弹性加工,由于弹性变形使得砂带磨削精度降低，因此对磨削深度的微量控制问题的解决是提高砂带磨削精度的先决条件。

3.3砂带磨削机理的研究差距

砂带磨削技术已在国内许多学生包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.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的磨削过程,推动砂带磨削技术更广泛地应用。

3.3砂带磨削机理的研究差距

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.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的磨削过程,推动砂带磨削技术更广泛地应用。

3.4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.如国外3M公司生产的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，EmeersonElectric公司的砂带磨床一次切深铸铁件可达5～10mm,其加工效率比铣削加工提高了5～10倍。而国内目前最高切深的砂带磨削是由重庆三磨海达磨床有限公司研制的2M56150-4JB型砂带磨床达到了对40Mn2高强度结构钢的4.5mm/单次的强力磨削。因此,今后应加强研究和推广砂带的强力高效磨削技术,发挥砂带潜在的加工能力,提高切削效率,解决一些难加工材料和高脆硬度材料粗加工的问题。

3.5运用现代化技术开发新型砂带磨床的差距

目前,国外砂带磨床已有较大发展,全球工业发达国家有数百家砂带磨床专业制造公司,每年向市场提供40多万台砂带磨床,这些砂带磨床（含磨头装置）已从初期的作为机床的附件水平发展到与砂轮磨床相匹敌的水平,并和CAX、NC、CNC等现代化技术紧密结合，出现了六轴数控砂带磨床、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等先进技术和装备，而国内砂带磨床发展较缓慢,在研究、试验和开发手段上比起国外都有不小的差距，我国目前砂带磨床与砂轮磨床产量比大约为1：10左右，据统计,我国各类行业每年对砂带磨床的需求总量约4～5万台，但由于受国外砂带磨床的冲击，国内目前砂带磨床专业制造公司只剩下重庆三磨海达磨床有限公司、北京二机等为数不多的企业还在进行砂带磨床生产，因此，我国砂带磨床行业既有机遇，也存在挑战，并有待奋起直追

4．砂带磨削关键技术

根据国内外砂带磨削技术的现状和发展趋势的分析，结合我国在砂带磨削技术上与国外的差距，作者认为砂带磨削的关键技术主要体现在以下五个主要方面。

4.1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深的研究，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，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,获取最佳的磨削参数。这是我们行业领域一个长期基础研本田配件究的基本任务。

4.2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，结合近年来像高分子新材料、新技术、新工艺在涂附磨具中的广泛应用，我国的广大砂带生产企业及相关研究机构应该在如下五个方面加大研究和开发力度，争取获得有自主知识产权的高品质砂带：

①新型基体的应用和开发

国外纸基砂带的基体用纸通过在纸浆中加入添加剂，并通过浸渍和表明涂附处理，使纸张到达了砂带的要求；布基砂带中的棉纤维随着化工技术的发展逐渐被聚酯纤维和尼龙纤维所代替，特别是聚酯纤维由于它的断裂强度高、耐热耐水性好、耐磨性优良已经成为重负荷砂带的优良基体，国外最新出现的聚酯超强化薄膜基金刚石砂带、电镀金刚石或CBN的金属基砂带、铜与纤维复合基金刚石砂带等产品，在加工非金属材料（陶瓷和硅晶体等）方面呈现了优异的磨削性能。由于我国国产纸强度、均匀性、耐水性等方面达不到砂带生产要求，因此我们进一步开展在这方面的研究是很有意义的。

②合成浆料的应用和开发

随着高分子材料工业的发展，利用人工合成的浆料如丙烯酸乳液与水溶性酚醛树脂浆料、丁苯胶乳液与水溶性酚醛树脂浆料、PVA溶液和聚醋酸乙烯乳液浆料、抗静电浆料等等都被国外较好地应用到了砂带生产的人工合成浆料当中，我国尽管有一些应用，但在工艺上与国外比起来差距也不小。

③粘结剂的应用与开发

高分子粘结剂的应用和发展促进了砂带磨削的发展和进步，特别是强力磨削在干、湿磨条件的性能与砂带所使用的粘结剂密切相关，国产砂带使用寿命短的很大一个因素就是粘结剂问题，因此有必要对砂带使用的粘结剂如水溶性酚醛树脂、水溶性脲醛树脂、水溶性醇醛树脂、水溶性白乳胶、油溶性醇醛酸清漆及环氧树脂等进行在耐水性、耐油性、耐热性等的改性研究和试验，彻底地提高我国的砂带品质。④磨料的应用与开发

随着砂带磨削的加工对象不断扩展，传统的磨料已经不能满足要求了，近年来随着工艺的改进,锆刚玉磨料和SG(微晶结构烧结陶瓷磨料)等已经成为在砂带磨料里面的重要发展方向。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和SG磨料的砂带，而国内这方面还出处于试制和起步阶段。我们应该在这方面引起重视并发展具有自主知识产权并与此相关的复合磨料、堆积磨料砂带。

⑤砂带表面涂层的应用与开发

近年国外出现了一种经表面涂层处理过的超涂层砂带，其构成除了基材、磨料、底胶和复胶外，还再涂了一层具有特殊功能的涂层，它使得砂带具有特殊的使用性能，如阻止磨屑与工件的再焊或磨粒的粘结，降低磨削界面剪切力、减少磨料磨损、消除静电吸附、防止砂带填塞、增加磨削表面散热、提高砂带切除率等等。这对磨削不锈钢、钛合金等难磨材料有特殊的优越性。但我国在这类特殊砂带的开发上还基本处于空白，此类砂带国内使用上完全依赖进口。因此，我们应该在这方面引起重视。

另外面对激烈的国内砂带市场竞争，作为国内的砂带生产企业在不断自身加大研发产品力度、提高产品质量及积极开拓市场的同时，还应该积极加强与国内各砂带制造企业以及国外知名砂带制造厂商的交流合作，主要体现在技术能力的研究与合作，新产品开发中技术的获取与运用，技术在价值链中的运用和技术营销等几个方面。

4.4砂带磨削的高效与精密加工技术研究

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100m/s。美国EmersonElectric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。我国对高效强力砂带磨削的研究已有多年的历史,如重庆大学在90年代初中期便进行了50—60m/s的高速砂带磨削工艺实验，但这些高速高效强力砂带磨削技术大多只是实验而已,技术还不够成熟。在实际应用中,砂带线速度Vs一般还是15～40m/s。不过近年国内在高效砂带磨削方面已经获得较大突破，重庆大学对汽车和船用柴油机发动机连杆端面、西气东输石油管道焊缝、核电高压容器、高合金热轧钢管等方面的强力砂带磨削研究，研制了多种高效砂带磨削的成套装备，解决了多个涉及国民经济发展相关的工程技术难题。

目前,国外将砂带磨削用于精密、超精密加工,精度已达微米级,表面粗糙度已达到Ra(0.01～0.025)μm，如日本在90年代初就利用电泳吸附现象研制成功超微磨粒砂带，加工如精密陶瓷、石英、硅片等脆性材料的精度可达十几个纳米，并能实现塑性方式磨削。国内砂带磨削正朝着超精密方向发展,如超声砂带磨削技术,这是一项由清华大学开创的具有世界领先水平的新型精密砂带复合加工方法，该法是将超声振动与开式砂带磨削复合的新工艺，应用这种技术对计算机硬盘进行研抛加工，表面粗糙度可达Ra0.01μm，所用砂带是日本的W3氧化铝磨料的聚酯砂带。在石材表面精密加工方面，广东工业大学采用聚酯膜金刚石微粉涂层砂带对石材加工实现了110光度的表面精密加工精度。

4．5砂带磨床国家标准的制定

砂带磨削技术优异性的发挥，很大程度依赖于砂带磨床本身。因而磨床设计及制造是一项非常关键的工作。目前我国在这方面并没有相关的行业技术标准，而国外发达工业国家如德国、美国、日本等均在砂带磨床方面制定了在相关技术和产品标准，这也是他们的砂带磨削设备在其国内得到广泛支持和推广的重要原因之一。在砂带磨床的设计中，磨头是最关键的，其结构方案、参数选择及主要零部件的制造精度和刚度等指标将对工件表面质量、加工精度等产生很大影响。因此，我们迫切需要根据我国行业的实际情况建立我们国家自己的有关砂带磨床技术、产品及评价标准，从而更好地推动砂带磨削这一先进的高效磨削技术在我国的产业化发展，值得鼓舞的是2007年12月国家标准化委员会正式批准重庆三磨海达磨床有限公司承担全国金属切削机床标准化技术委员会磨床分技术委员会砂带磨削机床工作组的筹建工作（国标委综合[2007]104号文件），该工作组将联合国内相关行业专家学者起草和制订我们国家砂带磨床的相关标准，以填补国内空白。

5．结论及展望

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，我国在砂带磨削机理上的研究还不够深入，砂带及砂带磨床的品种及质量有待完善及改进，砂带磨床的数量还远远比不上砂轮磨床。因此，面对21世纪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，中国砂带磨削加工及其关键技术急需加强研究和完善，我国的砂带磨削的产业化进程相信一定会取得更大的成功。