新的研磨知識點:國內(nèi)外砂帶磨削技術(shù)的發(fā)展及應用

      自20世紀60年代以來，歐、美、日等工業(yè)發(fā)達國家在砂帶磨床技術(shù)及砂帶制造技術(shù)方面有了新的突破，取得了巨大的成就，已進入向現(xiàn)代化發(fā)展的新階段。從日用湯勺到宇航器件，各行各業(yè)無不競相采用砂帶磨削技術(shù)，新型機大量涌現(xiàn)，砂帶磨床朝著小型化、強力、高效、大功率寬砂帶磨床方向發(fā)展，如美國生產(chǎn)的砂帶磨床最大寬度達5.0m，最大功率達200kW。砂帶磨削技術(shù)在國外已得到了廣泛應用，磨床擁有量不斷增加，據(jù)資料顯示：砂帶磨床與砂輪磨床產(chǎn)值比，美國為49∶51，德國為45∶55，日本為25∶75，英國、瑞士等國發(fā)展也很快。用涂附磨具進行磨削加工，已成為這些發(fā)達國家獲得高額經(jīng)濟效益的重要手段，砂帶磨削的功能已遠超出了除銹、粗磨、拋光等范圍，并與特種加工方法和現(xiàn)代化技術(shù)緊密結(jié)合。國際知名的砂帶品牌有美國3M、Norton，德國Hermes、VSM，韓國DEER和日本牛頭等，著名的砂帶磨床制造廠商有美國Cincinnati、EmersonElectric、Sundstand，德國Loser，瑞士ASEA等。砂帶是砂帶磨削技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵和重要標志，是衡量一個國家砂帶磨削技術(shù)發(fā)展水平高低的標準。世界上工業(yè)發(fā)達國家非常重視砂帶開發(fā)和制造，其生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大，各類國外砂帶品牌在我國的銷售量也在逐年增加。    1、國外砂帶的發(fā)展及應用        近年來，國外砂帶結(jié)構(gòu)和材料不斷發(fā)展和完善。砂帶結(jié)構(gòu)方面：出現(xiàn)了堆積磨料砂帶（金字塔型砂帶）、多層磨粒砂帶、超涂層砂帶、、空心球型砂帶、高彈性砂帶、防跑偏砂帶、不等厚砂帶、粒度復合砂帶等。砂帶組成材料及制造工藝等方面：在磨料方面，傳統(tǒng)上采用氧化鋁和碳化硅，強力砂帶主要采用鋯剛玉，美國3M公司研制了一種Cubicut砂帶，磨粒采用鋯鋁氧化物合成，這是目前砂帶磨料中最硬的品種，德國開發(fā)并獲多國專利的空心球復合磨粒，其砂帶的切削效率高、使用壽命長、成本低；在基體材料方面，日本正研制一種由軟鋼帶作基底的CBN或金剛石砂帶，對于特殊場合和高硬度材料的加工很有效，美國3M公司研制出一種塑料薄膜基底，制出的砂帶強度高、韌性好，可以加工出粗糙度Ra為0.05μm以下的工件表面。        (1)堆積磨料砂帶        堆積磨料砂帶從外觀看是由一系列粗大的磨粒構(gòu)成的，實際上每個大磨粒都包含了許多微細的氧化鋁和碳化硅顆粒。如2004年美國3M公司研制的金字塔堆積磨料砂帶TrizactTM953FA和法國SaintGobain（原美國Norton）的NORaX金字塔砂帶，前者由外形規(guī)則整齊排列的四棱錐磨粒組成，磨料除常規(guī)的氧化鋁和碳化硅以外，還有陶瓷剛玉磨料；后者由外觀相對粗糙，近似球狀的磨粒團構(gòu)成。但就本質(zhì)而言，它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是相似的，即每個大磨粒都由大量比錐形磨?；蚰チF更小的磨粒粘接而成。表層磨粒切除一定量的材料后會鈍化，磨鈍的小磨粒會從錐形磨?；蚰チF上破碎脫落，位于里層的新磨粒就會露出來參與磨削，因此，新型堆積磨料砂帶由于在磨削過程中不斷有鋒利的切削刃產(chǎn)生，所以具有較長的壽命和對材料均勻一致的切除率。圖1-2是相同粒度堆積磨料砂帶和普通砂帶切除率與磨削時間的關(guān)系曲線。從圖中不難看出，普通砂帶磨削前期材料切除率雖然比堆積磨料砂帶略高，但隨磨削時間的增加快速下降；相反，堆積磨料砂帶材料切除率下降速度比普通磨料砂帶要慢，而且隨磨削時間的遞增逐漸減小并趨于零，壽命約為普通砂帶的4倍以上。        堆積磨料砂帶在美國和德國推廣很快，如2004年美國的HeilAcme公司改用3M公司TrizactTM953FA砂帶實現(xiàn)了高精度電機轉(zhuǎn)子的高效精密磨削，加工表面粗糙度值可達Ra0.015μm，平均單件磨削成本降低近50%。德國著名渦輪葉片砂帶磨床制造企業(yè)metaboPolisys公司也將VSM公司KK712X砂帶用于葉片型面的精密磨削，加工后的葉片具有一致的表面。        (2)多層磨粒砂帶        多層磨粒結(jié)構(gòu)可以有效地提高砂帶使用壽命。法國SaintGobain磨料磨具公司的細粒度多層磨粒砂帶也是精細砂帶一大特色產(chǎn)品，砂帶表層呈起伏狀，在一定程度上提高了多層砂帶的柔曲性能。多層磨粒砂帶具有一定的磨粒層，當上層磨粒鈍化破裂脫落后，就會露出新的切削層，所以多層磨粒砂帶具有較長的使用壽命和一定的自銳性。但磨粒層數(shù)有限，因為層數(shù)過多會導致砂帶僵硬，從而無法有效地進行磨削。        (3)空心球磨料砂帶        空心球磨料被公認為世界上最有效的磨料，不僅可用于工件的研磨和拋光，而且其重負荷磨削效果顯著。如德國Hermes公司HermesitSystem空心球磨料砂帶是通過粘結(jié)劑將許多表層粘有細小磨粒的空心球殼固定在基體上形成的一種復合磨粒砂帶，球殼薄而脆，由熱塑性樹脂或玻璃等脆硬材料制成。其中單個球殼上的磨粒數(shù)量高達200多個，磨料種類通常是鋯剛玉或陶瓷剛玉。類似于堆積磨料砂帶，磨鈍后高度相對較低的新磨粒將突出來參與切削，所以具有很長的使用壽命。砂帶使用一段時間后，磨粒開始破碎、開孔，但仍然具有很高的機械強度和長時間保持持續(xù)。        (4)第三涂層和特殊涂層砂帶     第三涂層砂帶是一種用于難加工材料的特殊砂帶，又稱超涂層砂帶。它在底膠和覆膠的基礎(chǔ)上增涂了第三層具有特殊用途的薄層物質(zhì)，其化學成分通常是由鹵族元素或硫元素形成的金屬鹽，這種砂帶的特點是能夠降低磨削溫度、減小粘附和增加材料切除率。據(jù)報道，該涂層能在磨削點附近吸收大量熱量來降低磨削溫度，隨之產(chǎn)生相變由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，并在磨粒表層形成薄薄的潤滑膜，離開磨削區(qū)后液態(tài)金屬鹽又轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)。這種有自潤滑效果的第三涂層具有如下功能：磨削溫度低，防止工件燒傷；潤滑膜降低磨料磨損，提高材料切除率。在難加工材料領(lǐng)域，德國VSM公司的SK840X第三涂層強力砂帶磨削航空發(fā)動機TiAl4V合金渦輪風扇葉片，既有效地避免了工件燒傷，又實現(xiàn)了難加工鈦合金葉片的高效強力磨削。       (5)無紡布砂帶     無紡布砂帶發(fā)明的目的是為了提高涂附磨具的磨削性能和加工質(zhì)量。由于采用了不編織纖維基體，使磨粒能均勻地粘結(jié)在空間柔軟的彈性纖維上，具有加工零件表面一致性好、無暗紋以及砂帶重量輕和抗撕裂性強等突出特點。德國VSM公司最新研制的KV707砂帶特有的柔韌性使其表面能很好地與工件型面貼合，尤其適用于不銹鋼罐體和管材表面的精密磨削和拋光。           (6)金剛石與CBN磨料砂帶     金剛石和CBN磨料砂帶作為涂附磨具中的特殊成員，因其高硬度和優(yōu)良的耐磨性在工程陶瓷、半導體玻璃等脆硬材料的精密和超精密加工中已取得初步應用。早期的金剛石、CNB砂帶幾乎都通過鎳或鉻電鍍在金屬帶基上制成。近年來，聚酯超強化薄膜的出現(xiàn)為基體來源開辟了一條全新的道路。如美國AbrasiveTechnologyN.A公司開發(fā)的DuragritTM和PolyrezTM金剛石砂帶，前者為金屬基體，在加工玻璃、水晶和高檔裝飾材料時，磨削精度高且切除均勻；后者是基體柔軟的樹脂粘結(jié)劑類，最小可達3500#粒度，適合各類異型面的超精密磨削與拋光，如半導體硅晶片和天文用光學玻璃等。英國一家研究機構(gòu)也通過多層沉積工藝制造出加工光學系統(tǒng)、磁頭、半導體元件的電鍍環(huán)狀CBN砂帶。雖然金剛石和CBN砂帶成本昂貴，但它們是砂帶向脆硬材料高精度高速發(fā)展的一個重要方向，今后有望從降低制造成本等方面來加快應用。          2、國內(nèi)砂帶的發(fā)展及應用     我國的砂帶磨削技術(shù)盡管起步比較晚，但近年來發(fā)展速度非?？?。砂帶磨削技術(shù)的研究及應用已引起我國機械、制造等行業(yè)的廣泛關(guān)注和有關(guān)部門、研究單位和企業(yè)的高度重視。目前，國內(nèi)已有不少砂帶磨削設備制造廠、高校和科研單位開展了砂帶制備磨削技術(shù)的研究與開發(fā)工作，       縱觀砂帶磨削技術(shù)的研究和應用狀況，我國與國外發(fā)達國家仍存在一定差距，主要表現(xiàn)在以下5個方面：       (1)磨削機理及工藝的研究尚不全面和深入。磨削過程中砂帶磨粒與工件材料交互作用理論、磨削熱、磨削力、磨削溫度等的研究，工件材料表面形貌的分析以及磨削參數(shù)對磨削效果和砂帶磨損情況的研究等方面的工作也剛起步不久。在實際的生產(chǎn)中，砂帶磨削已用于鋁合金，但相關(guān)文獻甚少，在鎂合金磨削方面幾乎是空白。          (2)砂帶品種規(guī)格不齊、壽命短，質(zhì)量有待提高。國內(nèi)使用最多的是SiC和Al2O3磨粒，陶瓷氧化鋁和金剛石磨料很少，磨粒粒度號較小，限制了砂帶在精密和超精密加工中的應用；國外砂帶壽命可達8～12h，而國內(nèi)的僅為2～4h。         (3)加工精度有待進一步提高。近年來，國外將砂帶磨削已用于精密、超精密加工，精度已達到微米級，表面粗糙度Ra可達0.01～0.25μm，而國產(chǎn)320#砂帶其磨削精度僅為10～20μm，國內(nèi)砂帶磨床的切深進給精度較低也嚴重影響了磨削精度。          (4)新型砂帶磨床有待進一步開發(fā)。國外砂帶磨床已與NC、CNC等現(xiàn)代化技術(shù)緊密結(jié)合，有了較大發(fā)展，檔次也逐漸上升，具有全自動和自適應控制的能力，而我國砂帶磨床發(fā)展較為緩慢，很多尚處于機床的改裝階段，有待迅速轉(zhuǎn)化為自主創(chuàng)新。          (5)工程化應用有待進一步擴展。盡管砂帶磨削技術(shù)已應用到我國的多個各行業(yè)中，如鋼管螺旋焊縫拋磨機應用到西氣東輸，并取得了一定的效益，但離大規(guī)模的工程化應用還有一段距離，有待加速產(chǎn)業(yè)化的進程，把產(chǎn)、學、研、管有機地結(jié)合起來。        3、砂帶磨削的主要發(fā)展趨勢       (1)磨削的自動化、數(shù)控化和智能化     近年來，國外數(shù)控磨床、磨削加工中心發(fā)展很快，已把CNC等現(xiàn)代化技術(shù)與砂帶磨削相結(jié)合。隨著人工智能和傳感技術(shù)的發(fā)展，智能磨削已成為重要發(fā)展方向。磨削的實驗研究需要耗費大量的人力物力，利用計算機進行磨削過程的仿真也是一個重要方向，目前，國際上把分子動力學理論引入磨削機理的研究并進行仿真，不失為一種研究磨削機理的新方法。         (2)磨削的精密和超精密化     工有更高的精度、表面完整性和嚴格的制造一致性，磨削始終是一種有效的加工方法，如陶瓷、微晶玻璃等難加工材料目前只能采用磨削加工。選用粒徑僅為幾個納米的研磨微粉進行超精密研磨，能獲得極好的表面質(zhì)量，超精密磨削Ra在0.012～0.025μm，鏡面磨削Ra可達0.012μm以下；超精密復合加工發(fā)展也很快，如流體拋光加工、超聲振動磨削等。          (3)磨削的高效和強力化     高效深磨可以看成是緩進給磨削與超高速磨削的結(jié)合，但磨削的工藝及機理尚不明確，為了形成完整的理論體系，對磨削成屑機理和高應變速率下材料變形機制、磨削力、磨削溫度、磨削殘余應力等還要進行充分研究。國外已成功地將砂帶磨削用于強力磨削，實現(xiàn)了大切除量和高金屬去除率磨削，對鑄鐵的切削率已達3×105mm3/s，砂帶磨削一次切深可達3～4mm，其加工效率比銑削加工提高了5～10倍。          (4)磨粒磨具材料的高性能化     現(xiàn)代機械加工的不斷發(fā)展對材料的加工要求越來越高，促使不斷研制和使用新型的、超硬的磨料磨具進行精密、超精密高效磨削。新型和超硬磨料磨具有：陶瓷剛玉磨料，經(jīng)過化學陶瓷化處理，再經(jīng)過晶體瓷膠儀后破碎成顆粒，最后燒結(jié)成磨料，其韌性好、自銳性好、壽命長；人造金剛石，用于磨削超高硬度的脆性材料、硬度合金、花崗巖、寶石、光學玻璃和陶瓷等，由磨料層、過渡層和基體3部分組成；立方氮化硼，其磨粒韌性、硬度、耐用度是剛玉類磨具的100倍，適用于高速或超高速及難加工材料，如高速鋼、耐熱鋼等。

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