堆積磨料制備技術(shù)及堆積磨料砂帶應(yīng)用現(xiàn)狀

劉鵬展，鄒文俊，彭 進(jìn)

(河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

堆積磨料制備技術(shù)及堆積磨料砂帶應(yīng)用現(xiàn)狀

劉鵬展，鄒文俊，彭 進(jìn)

(河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

從堆積磨料與堆積磨料砂帶的基本定義入手，從造粒原理、磨粒與砂帶結(jié)構(gòu)優(yōu)勢、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和主要應(yīng)用幾個方面解析了堆積磨料與堆積磨料砂帶。

堆積磨料；砂帶；造粒原理；結(jié)構(gòu)；優(yōu)勢；應(yīng)用

1 引言

堆積磨料即通過特殊的造粒方式，用高強(qiáng)度粘結(jié)劑把細(xì)顆粒磨料粘接起來，使其形成一個獨立的堆積組合體，這種組合體通常也具有磨具的三要素——磨料、結(jié)合劑和極細(xì)小氣孔，可將之稱為一種微型磨具。堆積磨料適用于制作多種涂附磨具如砂紙、砂帶等，也可制造固結(jié)磨具如刃磨砂輪等[1]。將堆積磨料使用有機(jī)高分子結(jié)合劑及相關(guān)材料粘結(jié)在布基基體上制成的砂布就是堆積磨料砂布，再將堆積磨料砂布轉(zhuǎn)換成砂帶就是堆積磨料砂帶[2]。

使用堆積磨料制成的堆積磨料砂帶是一種新型的柔性磨削工具，它磨削效率高、磨削性能穩(wěn)定，具有磨削精度好和使用壽命長等優(yōu)點，不僅能滿足不銹鋼、鈦合金等難磨金屬的磨削要求，而且對金屬表面的拉絲和拋光也有很大的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，用途十分廣泛，是新型涂附磨具的重要發(fā)展趨勢之一。

2 堆積磨料造粒原理與過程

堆積磨料的造粒原理與其他行業(yè)物質(zhì)造粒略有不同。磨料因其本身形貌與性質(zhì)決定，固體粒子間引力相對較小，顆粒與顆粒之間產(chǎn)生堆積主要來自于可自由流動液體產(chǎn)生的界面張力與毛細(xì)管力和不可流動液體產(chǎn)生的粘接力，在粒子之間形成固體橋。使用某些特殊的造粒方法，還可以使堆積磨料顆粒產(chǎn)生粒子間機(jī)械鑲嵌，這樣可以提高顆粒本身的機(jī)械強(qiáng)度，從而提升性能。細(xì)節(jié)如圖1所示[3]，(A)為造粒原料表面附著液層相連接；(B)為造粒原料通過固體橋連接；(C)為造粒原料之間的機(jī)械鑲嵌。

圖1 磨料原料之間的連接方式Fig.1 The connection mode between abrasive material

堆積磨料顆粒形成的過程大致可以分為以下幾個階段[3]。當(dāng)加入少量液體，物料內(nèi)空氣成為連續(xù)相、液體成為分散相，此時粉粒間產(chǎn)生來自于架橋液體的氣—液界面張力，液體在顆粒內(nèi)呈懸擺狀，這時顆粒松散形成制?！耙印?；適當(dāng)增加液體，這時空隙變小，空氣成為分散相、液體成為連續(xù)相，粉粒作用力是架橋液體的界面張力與毛細(xì)管力，顆粒內(nèi)液體呈索帶狀，這一步驟是造粒是否成功的關(guān)鍵；最后當(dāng)液體量增加到剛好充滿全部顆粒內(nèi)部空隙而顆粒表面沒有濕潤液體時，毛細(xì)管負(fù)壓和界面張力產(chǎn)生強(qiáng)大的粉粒間結(jié)合力，液體呈毛細(xì)管狀，顆粒略微發(fā)黏；最后繼續(xù)制粒，成液滴狀完整顆粒結(jié)構(gòu)。如圖2所示，(A)為造粒原料初始狀態(tài)；(a)為液體較少時呈懸擺狀；(b)為液體稍多時的毛細(xì)管狀結(jié)構(gòu)；(c)為液體量剛好充滿的索帶狀結(jié)構(gòu)；(d)為繼續(xù)制粒后的造粒成品液滴狀結(jié)構(gòu)。

圖2 顆粒成型階段示意圖Fig.2 The schematic diagram of abrasive grains during the molding stage

3 堆積磨料及堆積磨料砂帶的結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢

3.1 堆積磨料結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢

堆積磨料從外觀上看是一個個粗大磨粒，而實際上每個大磨粒都包含了許多微細(xì)的磨料顆粒。堆積磨料主要區(qū)別于普通磨料，普通磨料切削工件后磨料鈍化，失去磨削能力；而堆積磨料表層磨粒切除一定量的工件鈍化后，磨鈍的小磨粒會從堆積磨粒團(tuán)上破碎脫落，同時位于里層的新磨粒就會露出來參與磨削。因此堆積磨料由于其堆積效果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，并能得到較好的工件表面質(zhì)量。圖3為近球形堆積磨料結(jié)構(gòu)示意圖[4]。

3.2 堆積磨料砂帶結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢

以堆積磨料作為磨削材料而制成的涂附磨具叫做堆積磨料砂布，加工后轉(zhuǎn)換成為堆積磨料砂帶。傳統(tǒng)普通砂帶為單層植砂，在磨削過程中，會有一些先天客觀的缺陷，如：磨粒變鈍、工件切削掉的物質(zhì)堵塞砂帶表面、散熱性差、壽命有限、磨削前后工件表面切削效果不一致等，磨削狀態(tài)漸漸由切削變?yōu)榛粒ハ鲄^(qū)域溫度上升燒傷工件。但堆積磨料的原理是將數(shù)倍的普通磨料顆粒堆積成一個大的磨粒團(tuán)，在磨削過程中，磨粒團(tuán)可以均勻地分離脫落，露出新的剖面，保持完美平整、鋒利，可以將磨削壽命增長5～10倍，由于層層脫落，可以起很好的散熱、防堵塞效果，最關(guān)鍵的是，由于不斷地出現(xiàn)新鋒利剖面，可以實現(xiàn)工件表面磨削效果的前后始終如一。圖4是同等粒度號普通磨料砂帶和堆積磨料砂帶隨磨削時間增加物料切除率的變化曲線圖[5]。由圖中二者的變化我們可以得出結(jié)論，由于普通磨料砂帶不經(jīng)過結(jié)合劑堆積磨料刃角暴露，相比堆積磨料砂帶磨削前期材料切除率較高，但隨著時間的增加，由于刃角磨損，切除率反而快速下降；與之對應(yīng)的堆積磨料砂帶，材料切除率下降速度較慢，而且隨磨削時間的增加逐漸趨于一個穩(wěn)定的水平，壽命約為普通砂帶的4倍以上，且從磨削實際效果上看磨削產(chǎn)品表面質(zhì)量穩(wěn)定。

圖3 近球形堆積磨料結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The structure diagram of subsphaeroidal bulk abrasive

對比現(xiàn)階段市場成熟產(chǎn)品，堆積磨料涂附磨具將只有固結(jié)磨具才有的自銳性這一特點與其自身優(yōu)勢完美地結(jié)合了起來。不僅節(jié)約了砂帶的換帶時間、制帶基體生產(chǎn)成本、工件生產(chǎn)人工成本，而且提高了加工精度與穩(wěn)定性，具有無可比擬的優(yōu)勢。圖5為近球形堆積磨料砂帶結(jié)構(gòu)示意圖[4]。

圖4 同等粒度普通磨料砂帶與堆積磨料砂帶隨磨削時間增加物料切除率變化曲線圖Fig.4 The material removal rate graph of the conventional abrasive belt of the same size and bulk abrasive belt for different span of grinding time

圖5 近球形堆積磨料砂帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 The structure diagram of subsphaeroidal bulk abrasive belt

4 堆積磨料及堆積磨料砂帶國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

堆積磨料根據(jù)結(jié)合劑種類的不同分為兩種，分別是陶瓷結(jié)合劑堆積磨料與有機(jī)結(jié)合劑堆積磨料。國外相比國內(nèi)研究起步較早，技術(shù)方面更加成熟。早在1935年，美國人Jackson G.H.就為了解決涂附磨具在磨削過程磨屑的堵塞問題，將一些細(xì)磨粒通過結(jié)合劑團(tuán)聚起來制成了團(tuán)聚顆粒并申請了專利，即當(dāng)下堆積磨料的原型[6]。當(dāng)下市場上的最新產(chǎn)品如美國3M公司開發(fā)研制的金字塔型堆積磨料砂帶(如圖6所示)，由外形規(guī)則整齊排列的四棱錐磨粒團(tuán)組成，砂帶表面均勻分布著三維立體結(jié)構(gòu)的金字塔型堆積磨料顆粒，一旦金字塔頂端磨耗掉，下層新而銳利的砂粒便取而代之，繼續(xù)維持其切削和粗糙度，這不但大大降低了磨削效果隨時間變化的差異，而且使砂帶使用壽命較傳統(tǒng)砂帶增加了2～5倍；德國VSM公司的實心磨粒團(tuán)堆積磨料砂帶(如圖7所示)，每個磨料團(tuán)都是粘結(jié)形成的獨立單元，其中包含許多原始磨粒，在磨削時擁有良好的自銳性和散熱性，磨削效率高，磨削性能穩(wěn)定，磨削精度好和使用壽命長。德國Metabo Polisvs公司是一家世界知名的專業(yè)為渦輪葉片制造砂帶磨床的制造企業(yè)，他們將VSM公司的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，而且磨削壽命大大增加，節(jié)約了生產(chǎn)成本[7]。德國赫美斯公司空心球磨料RB535X型砂帶，其內(nèi)部與表面結(jié)構(gòu)如圖8所示，特點與優(yōu)勢與上面兩種類似，在這里不過多論述。國內(nèi)近些年也有部分廠商和高校開始研究堆積磨料，如湖北玉立，嵩山特材，白鴿磨料，湖南大學(xué)，河南工業(yè)大學(xué)等，并取得了顯著成效。但在國內(nèi)和國際市場上，我國自主產(chǎn)品市場占有率仍然很低，大部分還是以美國3M、德國VSM、德國赫美斯、日本牛頭、韓國鹿牌等同類產(chǎn)品為主。

圖6 美國3M公司金字塔型堆積磨料砂帶Fig.6 The pyramid-shape bulk abrasive belt by American 3M company

圖7 德國VSM公司實心磨粒團(tuán)堆積磨料砂帶Fig.7 The bulk abrasive belt with solid abrasive grains by German VSM company

圖8 德國赫美斯公司空心球磨料砂帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 The structure of hollow sphere abrasive belt by the German Hermes company

復(fù)合堆積磨料是最近市場上新興的一種堆積磨料，通過顆粒學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其成為一種有結(jié)構(gòu)，多用途，配方可控的磨料制品。如空心球復(fù)合磨料，它集合了空心球磨料與SG磨料的優(yōu)點，是目前最有效的磨料之一。

5 堆積磨料砂帶的應(yīng)用

堆積磨料砂帶的主要用途，歸根結(jié)底還是由其自身的結(jié)構(gòu)特點和磨削優(yōu)勢所決定的。根據(jù)不同的磨削對象選擇不同造粒材質(zhì)與粒度組成的堆積磨料制品，已成為新型柔性磨削的一種發(fā)展方向。

5.1 金屬材料特別是難磨金屬材料的表面磨削、打磨和拋光

金屬材料種類豐富，其中難磨金屬材料指的是又硬又黏的金屬，如鈦合金、鋁合金、高硬度金屬、高溫合金、不銹鋼等。金屬材料的磨削處理根據(jù)材料作用和目的的不同，主要分為表面磨削，即加工材料使其達(dá)到規(guī)定的尺寸和表面質(zhì)量；表面打磨，即清除材料表面雜質(zhì)使其光滑平整并達(dá)到一定的表面粗糙度；表面拋光，即對材料表面修飾精加工使之達(dá)到光滑表面或鏡面光澤。

這類材料廣泛應(yīng)用于國民生產(chǎn)的各個行業(yè)，如電力行業(yè)的汽輪機(jī)、水輪機(jī)葉片、高壓容器、管道；航空行業(yè)的發(fā)動機(jī)葉片，飛機(jī)框架；能源行業(yè)輸油、輸氣管道；日常生活中用到的刀具，運(yùn)動器材等。這些產(chǎn)品不僅材料特殊，型面復(fù)雜難于加工和磨削，而且對表面質(zhì)量或精度還有很高的要求，使用傳統(tǒng)磨削工具，難以滿足加工工藝要求，而堆積磨料砂帶能很好的解決這一難題。堆積磨料砂帶不僅具有涂附磨具的柔軟性，高效冷切削，加工表面質(zhì)量高等磨削特點，同時還具有固結(jié)磨具的自銳性和長壽性，從而結(jié)束了固結(jié)磨具加工低效率，低精度的問題，改變了傳統(tǒng)磨料砂帶使用壽命短的缺點，使葉片加工從傳統(tǒng)的手工打磨轉(zhuǎn)向了全自動化、高效率、高精度、低勞動強(qiáng)度的數(shù)控磨削。

5.2 金屬表面拉絲

金屬表面拉絲即在工件表面磨削形成線紋，起到裝飾效果的一種表面處理手段。堆積磨料砂帶因磨削一致性高，所以特別適合于金屬拉絲行業(yè)。傳統(tǒng)砂帶磨料在剛開始拉絲時，磨粒尖銳鋒利、拉絲線紋深，但拉絲不多久，磨料便開始不斷變鈍，拉出的線紋就開始變淺，隨著時間推移，線紋會越來越淺。這樣就產(chǎn)生一個問題，就是同一條砂帶拉出的工件，前面的產(chǎn)品與后面的產(chǎn)品，拉絲線紋會有明顯的差別，影響工件表面的一致性。目前，堆積磨料砂帶在表面拉絲加工中有著非常廣泛的應(yīng)用，尤其是在IT電子行業(yè)，例如手機(jī)外殼、相機(jī)外殼，筆記本電腦外殼等產(chǎn)品的表面拉絲處理。另外，金屬家具，家電外殼，水暖器具等的表面拉絲，也都需要使用堆積磨料砂帶。

6 結(jié) 語

堆積磨料及其砂帶制品是近些年新興的涂附磨具制品，因其自身結(jié)構(gòu)特點與優(yōu)異的磨削特性，相比傳統(tǒng)砂帶具有無可比擬的優(yōu)勢。當(dāng)然堆積磨料不僅可用于涂附磨具行業(yè)，也可以用于制造有機(jī)磨具與陶瓷磨具。相信隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，堆積磨料將發(fā)揮越來越重要的作用，并在諸多制造加工行業(yè)當(dāng)中得到廣泛應(yīng)用。

[1] 張洪濤,徐雄甫，等. 堆積組合體磨料的制備[J]. 中國研磨, 2014 (52): 122-125.

[2] 牛文龍. 堆積磨料砂帶介紹[J]. 中國涂附磨具, 2014 (94): 121-124.

[3] 劉廣文. 造粒工藝與設(shè)備[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011:19.

[4] 牛文龍,孔德夫，等.一種有機(jī)結(jié)合劑堆積磨料及采用堆積磨料制造砂布的方法:中國,102729158[P].2012-10-17.

[5] 陳延君,黃云，等.國內(nèi)外砂帶技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2007(7):86-91.

[6] JacksonG.H., Falls N.,Production ofAbrasive Materials: America, 2194472[P].1940-3-26.

[7] VSM Abrasives Corporation.Quality coated abrasives for turbine manufacture and maintaining.VS&Metabo Seminar”Turbine Manufacture and Maintaining”,China:Shanghai,2005.

Bulk Abrasive Preparation Technology and the Application Status of Bulk Abrasive Belt

LIU Peng-zhan, ZOU Wen-jun, PENG Jing

(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,HenanUniversityofTechnology,Zhengzhou,Henan450001，China)

Bulk abrasive and bulk abrasive belt are analyzed in terms of granulating principle, structural advantages of abrasive grain and abrasive belt, domestic and foreign development status and the main application fields, starting with the basic definitions of bulk abrasive and bulk abrasive belt.

bulk abrasive; abrasive belt; granulating principle; structure; advantage; application

2017-03-15

劉鵬展(1991-)，男，河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為樹脂結(jié)合劑堆積磨料與樹脂結(jié)合劑超硬磨料砂帶;鄒文俊(1961-)，男，博士，教授。從事有機(jī)磨具、涂附磨具、涂附磨具膠黏劑的合成、超硬材料及制品的應(yīng)用研究。

劉鵬展，鄒文俊，彭 進(jìn).堆積磨料制備技術(shù)及堆積磨料砂帶應(yīng)用現(xiàn)狀[J].超硬材料工程，2017，29(3)：40-44.

TQ164

A

1673-1433(2017)03-0040-05