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郑州磨料磨具磨削研究所  王光祖

摘要：作者从超硬材料工作者的角度，针对国内超硬材料涂附磨具落后的状况，介绍了超硬材料涂附磨具的一般知识，包括特点、性能、制作的关键技术和标准等，期望我国超硬材料在涂附磨具的应用

有一个大的发展。这是作者为本刊介绍超硬材料涂附磨具的第一篇，以后将逐渐深入，为我们涂附磨具人展现一个崭新的天地。

1.    引言

超硬材料涂附磨具是指用粘结剂把超硬材料——人造金刚石或立方氮化硼磨粒粘附在柔性可挠曲基材上的磨具。

目前磨料固结磨具、涂附磨具和超硬材料磨具（包括固结磨具和涂附磨具）行业已发展为规模大、品种多、门类齐全的工业体系。随着国际市场上磨具销售额逐年增长，而涂附磨具的占有率在上升，许多产品替代了固结磨具。美国2002年的磨具产值是32亿美元，其中涂附磨具（包括超硬材料涂附磨具）相关产品为16亿美元，占50%份额。

随 着现代机械加工的不断发展及各种新材料的不断出现，对加工精度和表面粗糙度要求越来越高，其相应的磨削技术和磨具，尤其是涂附磨具向更高效率、高寿命和超 精密方向发展。因此，超硬材料涂附磨具的研制和使用悄然兴起，在涂附磨具中的占有逐年增加，在汽车工业、电子工业、玻璃加工、宝石加工、不锈钢及淬火钢等 难加工材料的特殊加工领域得到了应用。

值 得指出的是，近年来，我国的汽车工业和机械制造业蓬勃发展，按理需要使用大量的超硬材料涂附磨具，比如，汽车制造过程中的车身加工和曲轴、凸轮轴、万向轴 的抛光都需要用超硬材料磨具，如金刚石砂纸和聚酯薄膜圆片等。但是，国内所有汽车合资企业均采用进口涂附磨具，主要进口美国3M公司的涂附磨具产品。国内汽车市场的项激烈竞争，产品的利润急剧降低，一定会为国产超硬材料涂附磨具的应用和市场销售创造勃勃生机。应坚信，以其高性能、高寿命为卓越优势的金刚石砂带和立方氮化硼砂带将成为今后砂带磨床的重要工具。

2. 发展概况

涂附磨具制造中常涉及到的三大要素是基材、磨料和粘结剂。这三种要素的任一种的改进，都会使涂附磨具产品性能发生变化。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。

2.1 基材

基材是涂附磨具磨料和黏结剂的承载体，是提供磨削或抛光加工的基础材料。基材主要分为4种：纸基、布基、复合基和无纺布。

目前，我国国产纸的强度、均匀性、耐水性均达不到砂带生产的要求，砂带用纸基材多半进口，砂带纸基中耐水纸已从浸渍纸发展到乳胶纸。

布基产品各种性能优于纸基，而且随着涂附磨具朝高效、高速、重负载及专用精密方向发展，布基产品也经历了一个从普通棉布基到合成纤维的研制和使用过程，并逐步代替了传统的棉布。现在布基材料种类有棉、麻、人造纤维、合成纤维和聚酯纤维等。

近十年来，在大面积强力磨削方面大力发展了人造棉和聚酯纤维布，特别是后者，它具有更好的抗拉强度和较低的伸长率、耐热性、耐水性好，表面平整，经处理后径向强度高，因此，使用它作为砂布和其它涂附磨具基材是目前的一个趋势。

在精密磨削领域，轻型柔软基材和聚酯透明薄膜基材制成的砂带和超硬材料涂附磨具，可用于加工精度要求高的曲轴抛光、磁头精加工及光纤头的表面抛光，这类产品以美国3M公司的SMSD系列产品为代表。

2.2 磨料

磨料是涂附磨具上起磨削、研磨和抛光作用的一种粒状材料。磨料总的来说分为天然磨料和人造磨料。

人造磨料包括锆刚玉、棕刚玉、黑绿碳化硅，人造金刚石、立方氮化硼等。近年来，由于我国超硬材料产量的大幅提升和成本的下降，为在涂附磨具上的应用提供了极为有利的条件。金刚石砂带的高寿命是碳化硅砂带的5000倍以上，尤其适合加工硬脆的难加工材料或用于特殊用途的高精度、超高精度产品的加工，诸于硬质合金零件的抛磨加工、宝石、陶瓷的软磨轮异型抛光和牙科用的金刚石砂带等等。

立方氮化硼砂带更适合于砂带磨削机床对钢件的加工，从一般的砂带平面磨床、内外圆磨床到数控多工位自动砂带磨床在机械工业、汽车制造业的应用与日俱增。美国3M公司已经有许多成熟的产品，为什么未见引进到我国生产？我国虽已成为世界超硬材料磨具磨料的最大出口国，却几乎没有本国生产的超硬材料涂附磨具产品。

2.3 粘结剂

将超硬材料磨粒粘附在基材上的粘结剂是涂附磨具的重要组成部分。

黏结剂是起粘结磨料和基材的作用，使磨具具有一定的形状和強度。涂附磨具中的粘结剂一般由基材处理剂、底胶、复胶等构成。

影响涂附磨具粘结強度的主要因素是黏结剂的种类和数量。

发达国家制造涂附磨具所使用的粘结剂，专用性日趋细化，产品不同，使用的粘结剂也不相同。

我国目前生产的涂附磨具所使用的粘结剂品种单一，适应性比较差，使用起来很不方便。

2.4 砂带磨削技术的发展

砂带磨削具有以下特点：

1 由于砂带有较长的周长，散热快，使磨粒得到很好的冷却，不容易产生工件表面烧伤。

2 由于砂带自身有很好的挠性和柔性，与工件是柔性接触，具有很好的磨合和抛光作用，适应零件的各种形状。

3 砂带磨削生产效率高，在材料去除率方面，砂带磨床远远超过了砂轮磨床。

4 磨削质量好。

5 适用范围广，砂带磨削几乎可以加工所有的工程材料。

6 生产成本低，经济效益好，砂带磨削的磨削比可达到300:1至400:1，而砂轮磨削仅为30:1。

7 超硬材料涂附磨具最大优点是耐磨，工作寿命长。由于超硬材料砂带比目前大量使用的耐水砂纸和砂布有着超乎寻常的寿命，其在木材加工和家具业中的潜在市场前景不可估量。

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，应用范围正在扩大之中，从一般家庭生活和各种手工的磨削抛光，到各个工业生产加工领域无所不用。尤 其值得注意的是超硬材料砂带的成功应用，在磨削难加工材料诸如硬质合金、宝石、陶瓷、钛合金等方面，超硬材料砂带显示出独特的优势，从用作一般精度要求的 工件磨削发展到高精度、超高精度零件的磨削，如成功地应用于磨盘、磁头、录像机、复印机和光导纤头等精密零件的磨削抛光。

由于超硬材料砂带的应用，使砂带工作寿命大幅度提高，使得砂带磨削领域扩大，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，享有“万能磨削”的美誉。

超硬材料砂带不仅是高科技的涂附磨具产品，也是高附加值高效益产品，它的质量和水平往往标志一个国家涂附磨具生产加工水平。

3. 关键技术研究

3.1 高性能布基的研制

由于超硬材料具有非常高的硬度和耐磨性，因而对超硬材料砂带专用布基的强度、耐磨性提出了更高要求。目前，国内产品多以纯棉布为基材，这类基材配以超硬材料作为磨料，应用于高速、重负荷及精密磨削时其性能很难滿足要求。因此，必须展开超硬材料专用基材的研究。美国3M公司产品较多采用聚酯纤维布基，这种布基具有很好的抗拉强度，较低的延伸率(<1.5%)，表面平整性好，且耐热性、耐水性也较普通布基好，因此应用于超硬材料砂带是非常合适的。但是，目前聚酯纤维布较普通布基价格贵很多，因而找到能代替聚酯纤维布相对较低的新布基应用于超硬材料砂带生产实践使之达到高效超精密，是将来的研究方向之一。

3.2 粘结剂的研制

目前，使用较多的为酚醛树脂胶粘剂，因其粘 结强度高、耐水、抗酸、耐候性好，尤其是水溶性酚醛树脂的使用，使涂附工艺更加简单。由于这种胶粘剂存在着固化时间长，固化后脆性大易裂开、柔软性差及耐 磨性与超硬磨料不能配合等缺陷，因此，当前对超硬材料砂带粘结剂的研究主要集中在对上述粘结剂的改性。由于超硬材料砂带不同的使用领域对粘结剂性能要求不 同，对于具体使用领域专用超硬材料砂带粘结剂的研究也将是未来的研究方向之一。

3.3 标准的建立

超硬材料涂附磨具由于磨削机理上的差异，有它的特殊性，应建立专门的国家标准。

目前，国内各厂家生产超硬固结磨具使用的超硬材料，其品种和颗粒尺寸采用现行的国家标准。金属结合剂专用金刚石磨料为MBD4、MBD6、MBD8和MBD10品种。树脂和陶瓷结合剂磨具适用RVD品种。而超硬材料涂附磨具选用金刚石品种属于研磨类的可选MBD系列金刚石，抛光类的可选RVD品种。

颗粒尺寸属于精磨、研磨类的可选粒度号：50/60、60/70、80/100、100/120、120/140、140/170、170/200、200/230、230/270、270/325、325/400；属于抛光类的可选微粉级的超硬磨料。

3.4 微粉级超硬磨料植砂问题

由于目前静电植砂只能用于200mesh以粗的超硬磨粒，而对于微粉级超硬磨料砂带，国内只能采用手工操作，这种方法使磨料的分布均匀性、磨料定向性不能得到有效保证。

美国3M公司采用点胶机制造树脂点胶型砂带，能较好解决磨粒分布均匀性、砂带柔软性等问题，并能节省超硬磨粒的用量，减少砂带成本。图1是美国3M公司超硬材料涂附磨具产品。上图为在金属基材上电镀的金刚石涂附磨具；下图为点胶机进行的树脂胶粘金刚石抛光用涂附磨具。

图1  美国3M公司超硬材料涂附磨具产品

3.5 高精密与超精密超硬材料砂带的研制

现代材料加工总体朝着高精度、高效率和专用的方向发展。目前，精密磨削通常是指加工精度为3~0.3μm和表面粗糙度为Ra0.3~0.03μm的加工技术，超精密磨削则要求加工精度达到0.3~0.03μm，粗糙度达到Ra0.03~0.005μm。由于超硬材料砂带的基本特性，将其应用于精密与超精密磨削是未来的主要方向之一。

3.6制造设备和生产工艺

目前，囯内树脂全面涂布型超硬材料砂带、树脂点胶型砂带都无专用设备，电镀型砂带制造设备也不能满足使用要求。我们应根据超硬材料砂带用量少，生产规模小的实际，研制超硬材料砂带专用小型制造设备，如无接头砂带小型原布处理机、涂布机、静电植砂机和专用柔曲机等。

4. 结语

4.1超硬材料砂带以其高效率、高寿命以及高表面质量和环保特性，特别是随着超硬材料价格的降低，将促使其应用领域的不断扩大是无容置疑的。

4.2 西方发达国家从对人体健康和环境的目的出发，已逐渐兴起使用超硬材料砂纸、砂布等涂附磨具取代刚玉、碳化硅等普通磨料涂附磨具。这是现代加工技术发展的必然且不可挡的趋势与方向。

4.3 超硬材料由于其硬度高、耐磨性好，用其作磨料来加工硬、脆性等难加工工件时，消耗量极小，而且可以在较长时间保持其锋利度和磨具外形，不仅可以保证工件的加工精度，而且提高了加工时效，同时也解决了又对环境的污染问题，这与大家热议的低碳时代话题是何等一致哦！

4.4 中国拥有庞大的宝石加工业、陶瓷加工业、木材加工业、汽车工业、机械加工业等，且是世界最大的木材和家具加工基地，这么多的加工领域就是超硬材料涂附磨具大有用武之地。用武之地有了，还犹豫什么呀！据说是超硬材料的价格昂贵。

4.5如 何看待超硬材料价格“昂贵”的问题？与普通磨料相比，超硬磨料的价格的确比刚玉、碳化硅“贵”，但不应成为难以开发与应用超硬材料涂附磨具的的理由或障 碍！要知道，中国不仅是世界上超硬材料生产的超级大国，而且还个出口的大国，其价格是最便宜的，这么优越的物质条件哪里去找呀！

4.6再 加上从高性能、高寿命、高性价比，以及使用超硬材料涂附磨具才是高效率、高效益的工具考虑，在中国不加快超硬材料涂附磨具的研发、生产与应用步伐的确有点 让人不可思议！相信，会有有识之士加入到开发、生产与应用超硬材料涂附磨具的行列中来的。因为它显示着现代加工技术的发展趋势和方向。

作者简介：王光祖，男，教授级高级工程师，江西波阳人，1956年毕业于武汉大学化学系。我国著名超硬材料专家，中国第一颗人造金刚石研制者之一，中国六面顶合成压机合成工艺（人造金刚石中间试验课题）的主要负责人。1978年获全国科学大会奖和河南省科学大会奖；1988年获机械电子工业部科技进步一等奖；1989年获国家科技进步二等奖。主要著作有《超硬材料制造工艺学》、《超硬材料》、《立方氮化硼合成与应用》、《金刚石合成系统工程问与答》、《人造金刚石探秘—王光祖论文集》、《纳米金刚石》等。主编《超硬材料译文集》共11集，近百万字。