摘  要：本文介紹了金剛石、立方氮化硼砂帶所具有的特性及國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況。因超硬材料砂帶具有高效、精密、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保的特點(diǎn)。加之我國(guó)既是超硬材料大國(guó)，又是機(jī)械制造大國(guó)，具有開(kāi)發(fā)和應(yīng)用超硬材料涂附磨具的優(yōu)勢(shì)，目前我國(guó)超硬材料砂帶已研制成功并量產(chǎn)，為開(kāi)展難加工材料和復(fù)雜型面的磨削試驗(yàn)和加工創(chuàng)造了條件，促進(jìn)我國(guó)高端裝備制造業(yè)的發(fā)展。

       關(guān)鍵詞：金剛石、CBN砂帶、砂帶磨削、高效、節(jié)能、環(huán)保。

1、引 言

       高效、精密、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的總趨勢(shì)。超硬材料（金剛石與立方氮化硼）工具，包括超硬材料砂帶，將在這個(gè)發(fā)展過(guò)程中扮演重要角色。將超硬材料應(yīng)用于涂附磨具，在我國(guó)還剛剛開(kāi)始，筆者有幸成為它的開(kāi)拓者之一，采用金剛石和立方氮化硼作磨料成功生產(chǎn)出砂帶、砂盤(pán)和砂套、頁(yè)輪、磨盤(pán)等，并開(kāi)始規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用。本文就大力發(fā)展超硬材料涂附磨具的重要性、必要性和可行性談點(diǎn)粗淺的看法。

       金剛石、立方氮化硼（CBN）是目前世界上已知的硬度最高的兩種材料（詳見(jiàn)表1. 各種物質(zhì)的莫氏硬度表）。由于其硬度高、耐磨性好、導(dǎo)熱率高等，是普通磨料（剛玉和碳化硅）無(wú)法比擬的。用超硬磨料加工硬脆和硬韌性難加工工件時(shí)，其消耗量極小，而且可以較長(zhǎng)時(shí)間保持其鋒利度和磨具外形，不僅可以保證工件的加工精度，而且大大提高了加工效率，同時(shí)解決了對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題，符合國(guó)家在制造業(yè)中所推行的節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保、低碳等發(fā)展戰(zhàn)略。

       西方發(fā)達(dá)國(guó)家從解決難加工材料的磨加工、提高磨削效率和對(duì)人體健康和環(huán)保的目的出發(fā)，已興起使用超硬材料制造涂附磨具。目前美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、瑞士等國(guó)家均有相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)與銷(xiāo)售，而且形成系列超硬材料涂附磨具產(chǎn)品。

２、超硬材料砂帶的現(xiàn)狀

       超硬材料涂附磨具是指用粘結(jié)劑把超硬材料（人造金剛石或立方氮化硼）磨粒粘附在柔性可撓曲基材上的磨具。

       隨著我國(guó)冶金工業(yè)和現(xiàn)代機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，各種新型材料的不斷出現(xiàn)，高端裝備制造對(duì)加工精度和表面光潔度要求越來(lái)越高，涂附磨具亦向高效率、長(zhǎng)壽命和超精密的方向發(fā)展。因此，超硬材料涂附磨具的研制和應(yīng)用悄然興起，在硬質(zhì)合金、電子、石材、工程陶瓷、玻璃、寶石、建材、不銹鋼、淬火鋼、高速工具鋼、高溫合金（鈦合金、鎳基和鈷基合金）和復(fù)合材料（碳纖維增強(qiáng)塑料、特種玻璃纖維增強(qiáng)塑料）等難加工材料的特殊加工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用（見(jiàn)表2.高速鋼中碳化物與幾種磨料的顯微硬度比較表）。尤其值得注意的是，在磨削難加工材料如硬質(zhì)合金、石材、陶瓷、鐵基合金等方面，超硬材料砂帶則顯示出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，從用作一般精度要求的工件磨削發(fā)展到高精密、超高精密零件的磨削。由于超硬材料砂帶的應(yīng)用，使砂帶工作壽命大幅度提高，砂帶磨削領(lǐng)域迅速擴(kuò)大，可用于濕磨、干磨、高速磨、重負(fù)荷磨削以及高精度精密零件磨削拋光，大大豐富了作為享有“萬(wàn)能磨削”美譽(yù)的涂附磨具的應(yīng)用范圍。

3、超硬材料涂附磨具的結(jié)構(gòu)

       超硬材料涂附磨具的四大要素：由基材、磨料、粘結(jié)劑以及磨料的排列形式所構(gòu)成。

       3.1  基材：

       3.1.1基材是磨料與粘結(jié)劑的承載體，是使砂帶具有可撓性的主導(dǎo)因素?；牡闹饕阅苤笜?biāo)有：徑向拉伸強(qiáng)度、緯向拉伸強(qiáng)度、徑向(緯向)伸長(zhǎng)率、紡織布基的網(wǎng)孔致密度等。

       3.1.2復(fù)合基材：近十年來(lái)，在大面積強(qiáng)力磨削方面大力發(fā)展了片基帶（高速傳動(dòng)帶），因其具有厚度的可調(diào)節(jié)性（從0.5—3.0mm），更好的抗拉強(qiáng)度和較低的伸長(zhǎng)率(小于1.5%)，耐熱性、耐水性好，表面平整。因此用它作為砂帶和其它涂附磨具基材是目前的一個(gè)趨勢(shì)。

       3.2  磨料：金剛石、立方氮化硼（CBN）。我國(guó)超硬材料涂附磨具是近幾年發(fā)展起來(lái)的高新產(chǎn)品，目前尚未有一個(gè)系統(tǒng)完整的產(chǎn)品分類(lèi)。按磨粒材質(zhì)不同可分為金剛石涂附磨具和立方氮化硼涂附磨具兩大類(lèi)。

       3.3  粘結(jié)劑：有樹(shù)脂粘結(jié)劑和金屬粘結(jié)劑兩種。

       3.3.1樹(shù)脂超硬材料砂帶與普通磨料砂帶在結(jié)構(gòu)上基本相同，是采用粘結(jié)劑與磨料混合通過(guò)點(diǎn)膠或事先制好圖形的模板刮制而成（見(jiàn)圖1. 3M公司樹(shù)脂型金剛石砂帶產(chǎn)品）。

       3.3.2金屬結(jié)合劑砂帶則采用電鍍工藝或其他特殊工藝制造而成。

       3.4  磨料的排列形式：這是不同于普通磨料涂附磨具的一個(gè)主要特點(diǎn)。形式（圖案）有圓點(diǎn)型、X型、箭頭型、V型等（見(jiàn)圖2、3、4、5）。之所以將植砂排列的形式（圖案）列為超硬材料砂帶的一大要素是因?yàn)槠湓谀ハ鬟^(guò)程中有非常重要的作用：?jiǎn)晤w磨粒除本身作為磨削單元外，若干磨粒在植砂圖案中共同組成磨削小單元，磨削小單元均勻分布于砂布表面，在工作過(guò)程中形成眾多鋒刃，磨削鋒利，同時(shí)磨削小單元之間的均勻縫隙形成較大的容屑空間，不但磨屑隨砂帶轉(zhuǎn)動(dòng)即時(shí)被帶走，排屑性良好，避免了磨屑?xì)埩粼斐啥氯?，而且可降低磨削溫度，保持磨具的鋒利和磨削力持久。

       超硬材料砂帶的磨削效率髙，不僅因?yàn)槌材チ媳旧?，還因?yàn)槟チ戏植挤绞降奶厥庑浴?duì)于有磨除量要求的磨削工藝，可采用粒度在40#~240#的砂帶，砂面磨粒分布圖型為箭頭形分布（見(jiàn)圖6. 鄭州瑞特公司開(kāi)發(fā)的呈箭頭形分布的環(huán)形砂帶），基材采用X—WT、Y—WT和PU，具有磨削鋒利、效率高、排屑性好、噪聲小、粉塵少的特性；

       用于精細(xì)磨拋工藝，可選用320#~2000#細(xì)粒度的砂帶，砂面磨料分布圖型則采用圓點(diǎn)狀分布（見(jiàn)圖7. 鄭州瑞特公司生產(chǎn)的呈圓點(diǎn)形分布的環(huán)形砂帶），基材采用J—WT，其砂帶產(chǎn)品具有柔軟，排屑性好、磨削溫度低、噪聲小、粉塵少、加工精度和光潔度高等諸多特點(diǎn)。

       超硬材料砂帶所用磨料的粒度，必須針對(duì)加工條件，加工要求和最佳粒度范圍綜合加以考慮，一般考慮加工表面粗糙度，加工效率和砂帶壽命三個(gè)因素。

       3.5 磨料粒度的選擇因素與方法（見(jiàn)表3）

       3.6 磨料粒度標(biāo)準(zhǔn)(見(jiàn)表4)

4、超硬材料涂附磨具的應(yīng)用

       砂帶磨削是一種柔性磨削技術(shù)，具有磨削、研磨、拋光多種作用的復(fù)合加工技術(shù)。具有“冷態(tài)”效應(yīng)，磨削精度最高已可達(dá)到0.1μm。

       金剛石砂帶特別適用于硬脆非金屬材料和非鐵金屬的加工，因此廣泛用石材、建材、玻璃、特種陶瓷、單晶硅、多晶硅、寶玉石及硅鋁合金、硬質(zhì)合金等硬脆材料制品復(fù)雜形面的磨拋加工。

       CBN的硬度僅次于金剛石，加之砂帶磨削時(shí)磨削力小、磨削溫度低、磨削比高、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。特別適合對(duì)又硬又韌的鐵基合金的加工，如釩鈦合金鋼等特種高速鋼刀具的刃磨粗磨加工；耐熱鋼（鈦合金、鎳基合金、鈷基合金）、不銹鋼和高硬度的合金結(jié)構(gòu)鋼制成的精密零件的精磨和終磨；因其有磨削力小、磨削溫度低的特點(diǎn)，是鈦合金磨加工的理想磨具，因不引起機(jī)床導(dǎo)軌的變形，更適用于機(jī)床導(dǎo)軌、儀表和微型軸承零件的精磨和終磨；復(fù)雜型面工件（插齒刀，高精度齒輪，葉片等）的加工；其他淬火工具鋼的精磨及對(duì)局部熱應(yīng)力和熱沖擊敏感的各種材料零件的磨削。

       超硬材料砂帶制品有環(huán)形砂帶、砂圈、磨片、手擦磨塊、磨盤(pán)、研磨頁(yè)輪等(見(jiàn)圖8、圖9、圖10、圖11)，能加工表面質(zhì)量及精度要求高的各種形狀的工件。不但使用壽命較長(zhǎng),而且磨削效率高。例如我公司開(kāi)發(fā)的100#電鍍金剛石涂附磨具軟磨片，加工石材的使用壽命是樹(shù)脂金剛石軟磨片的8-10倍； 我公司生產(chǎn)的CBN砂帶經(jīng)重慶三磨海達(dá)用六軸聯(lián)動(dòng)砂帶磨床加工耐熱不銹鋼汽輪機(jī)葉片，一條CBN砂帶可連續(xù)加工18-20小時(shí)，并且工件表面質(zhì)量好。而采用德國(guó)VSM產(chǎn)718普通堆積磨料砂帶，一條僅可連續(xù)加工2個(gè)小時(shí)；上海寶鋼使用我公司生產(chǎn)的金剛石砂帶及其制品拋磨表面噴涂碳化鎢材料的軋輥等工件，拋磨效率高，工件表面粗糙度均勻一致。

5． 超硬材料砂帶的發(fā)展趨勢(shì)

       5.1.專(zhuān)用粘結(jié)劑的開(kāi)發(fā)。由于超硬材料砂帶不同的使用領(lǐng)域?qū)φ辰Y(jié)劑性能要求不同，因此針對(duì)具體使用領(lǐng)域?qū)Ｓ谜辰Y(jié)劑的開(kāi)發(fā),將是必要的；

       5.2.微粉級(jí)超硬磨料植砂的研發(fā)。必須有效的控制磨料的分布均勻性、定向性。美國(guó)3M公司采用點(diǎn)膠機(jī)制造樹(shù)脂點(diǎn)膠型砂帶，能較好解決磨粒分布均勻性、砂帶柔軟性等問(wèn)題，并能節(jié)省超硬磨料的用量，降低成本。

       5.3.高精密與超精密超硬磨料砂帶的研制。目前，精密磨削通常是指加工精度為3～0.3μm和表面粗糙度為Ra0.3～0.03μm的加工技術(shù)，超精密磨削則要求加工精度達(dá)到0.3～0.03μm，粗糙度達(dá)到0.03～0.05μm。由于超硬材料砂帶的基本特性，將其應(yīng)用于精密與超精密磨削是未來(lái)的主要方向之一。

6、結(jié)論

       6.1.超硬材料砂帶具有超硬材料“硬”和涂附磨具“柔”的雙重特性，是“剛”和“柔”的最佳組合。符合現(xiàn)代高速、高效、精密、節(jié)材、節(jié)能、環(huán)保加工技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略要求，把涂附磨具推向頂峰，具有重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

       6.2.超硬材料砂帶不僅是高科技的涂附磨具產(chǎn)品，也是高附加值高效益的產(chǎn)品，它的質(zhì)量和水平往往標(biāo)志一個(gè)國(guó)家涂附磨具生產(chǎn)加工水平，大力發(fā)展超硬材料涂附磨具是可行的，也是必要的。

       6.3.我國(guó)是世界超硬材料生產(chǎn)大國(guó)，2010年人造金剛石產(chǎn)量92億克拉、CBN年產(chǎn)量2.6億克拉，品種齊全、價(jià)格低廉，貨源充足，為大力發(fā)展超硬材料砂帶制品奠定了可靠的物質(zhì)基礎(chǔ)與保障。

       6.4 我國(guó)具有龐大的石材開(kāi)采加工、光學(xué)玻璃、寶石加工業(yè)、工程陶瓷加工、光伏產(chǎn)業(yè)、航空航天、核電風(fēng)電、高端裝備制造等。相信我國(guó)超硬材料涂附磨具的研發(fā)成功和量產(chǎn)，一定會(huì)促進(jìn)我國(guó)上述產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

       6.5.超硬材料比普通磨料要貴得多，但從高性能、高壽命、高性?xún)r(jià)比考慮，使用超硬材料砂帶才是高效率、高效益和高性?xún)r(jià)比的工具。超硬材料的所謂價(jià)格貴，不應(yīng)成為大力發(fā)展超硬材料砂帶產(chǎn)品的障礙，而是應(yīng)該充分利用其它國(guó)家無(wú)法比擬的，價(jià)格低廉的超硬材料資源優(yōu)勢(shì)。將超硬材料應(yīng)用于涂附磨具是我國(guó)涂附磨具行業(yè)的發(fā)展方向之一，它必將有一個(gè)美好的未來(lái)！

參考文獻(xiàn)：

       1、黃云、黃智編著，現(xiàn)代砂帶磨削技術(shù)及工程應(yīng)用[M]。重慶大學(xué)出版社，2009；

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       6、鄭超、呂智，超硬材料涂附磨具現(xiàn)狀[C]第五屆鄭州國(guó)際超硬材料及制品研討會(huì)論文集，2008，9：202~208

鄭州瑞特金剛石砂帶有限公司    安建民

鄭州磨料磨具磨削研究所           王光祖

   中國(guó)超硬材料網(wǎng)                         劉金昌

2011年7月13日

第一作者簡(jiǎn)介：安建民

       安建民，鄭州磨料磨具工業(yè)職工大學(xué)畢業(yè)，鄭州瑞特金剛石砂帶有限公司總經(jīng)理。主要從事砂帶異型制品開(kāi)發(fā)及營(yíng)銷(xiāo)管理。于1996年開(kāi)發(fā)的頁(yè)片式磨盤(pán)項(xiàng)目獲河南省優(yōu)秀新產(chǎn)品新技術(shù)一等獎(jiǎng)及鄭州市優(yōu)秀新產(chǎn)品一等獎(jiǎng)。近期開(kāi)發(fā)成功的超硬材料砂帶及制品項(xiàng)目，榮獲2010年中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)涂附磨具分會(huì)涂附磨具技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)。