涂附磨具网

陕西德谦科技有限责任公司  黄曦

引言

涂附磨具制造中常涉及的三大要素是基体、磨料和粘接剂，三种要素中任一种的改进，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，高效则以高速、强力、重负荷打磨为主。而强力、高速、高效和精密磨具不仅是高科技的涂附磨具产品，也是高附加值高效益的产品，它的质量和水平往往标志一个国家的涂附磨具生产加工水平，也能带来很高的经济效益。本文结合目前研究无机高分子结合剂系列的工作，简单地论述了无机高分子结合剂性能及其特点、理化性能，在涂附磨具的陶瓷磨料、复合磨料、堆积磨料等以及新型涂附磨具应用的简介。目前还没有以无机高分子结合剂在涂附磨具制品基础性研究论文和综述的发表。我们提出的无机高分子结合剂在新型涂附磨具方面应用是把涂附、固结、超硬磨具以新的理念、工艺、方法来融为一体的一个较理想的对策。因此可使新型涂附磨具性能的改进同时具备各项优点，这就要求从根本上改变磨料、植砂、上胶等在内的涂附磨具产品基本结构。为我国涂附磨具制品的质量提高、应用领域、快速推广，提供一种节能、高效、洁净与经济性的应用方向与前沿方法。

涂附磨具发展的新趋势

涂附磨具是指用粘接剂把磨粒粘附在柔性，可挠曲基材上的磨具。涂附磨具传统的生产方式是把磨粒均匀地分布在基材表面的（图1），基本上是单层分布。涂附磨具所用的专用磨料，其基本粒含量要求较高，颗粒大小均匀，使涂附磨具表面的磨粒有了很好的等高排列。特别是近代化的涂附磨具生产采用静电植砂工艺，保证了磨粒的尖角朝外，磨料定向排列。涂附磨具表面磨粒的定向排列和等高性，传统认为这样是涂附磨具保持磨削的高效率和冷态磨削的重要因素。与砂轮磨削的典型区别在于磨具磨削是通过提高带面垂直负荷（磨削压力），一般不是通过提高磨具速度发展起来的。磨具的线速度一般在15-35 m/s范围内，很少超过50m/s。磨具磨削工件表面残余应力多呈压应力状态，其值一般在-60~-5Kg/mm²，而砂轮磨削则多呈张应力，所以磨具磨削非常有利于强化工件表面，提高工件疲劳强度。

 图1                                 图2

当今新型涂附磨具正朝着专用、精密、强力高效的方向发展，而高效涂附磨具则以高速、强力、重负荷打磨为主，目前强力、高速、高效和精密磨具磨削的理论基础是快速点磨削(Quick - point Grinding)，由德国Junker公司Erwin Junker先生于1994年开发并取得专利的一种先进的高速磨削技术（图2）。它集成了超高速磨削（＞90m/s），CBN超硬磨料及CNC柔性加工三大先进技术，具有优良的加工性能，是超高速磨削技术在高效率、高柔性和大批量磨削高质量稳定性方面的又一新发展。德国目前在这项新技术的研究开发上处于领先地位。已在国外汽车、轮船工业、工具制造业中得到应用。由于国内目前没有开展系统的工艺理论和应用研究，没有掌握其核心技术及理论，不能掌握工艺参数设计，不能配套生产磨具及相关附件，只能就单一零件由国外垄断定制，全部工艺和设备大都均依赖于进口。而国外由于技术垄断，对快速点磨削机理、规律、磨削质量控制及点磨削工艺等深入系统的理论与实验研究及相关技术信息也未见更多报道。因此，跟踪国际先进技术，深人开展快速点磨削技术的理论与应用研究，对于在我国推广和发展该项先进技术、提高制造工艺技术和装备制造水平具有重要意义。

无机高分子结合剂简述

无机高分子结合剂的化学成份为类聚合铝硅酸盐，其聚合物缩聚成高分子,聚合度较高；是由Si、Al、O、P、N为主链，引入CH₃-、C-C₆H₆-、NH₂-、CH₂=CH-元素或基团等链节通过共价键或离子键构成的，故而粘结强度高。且无机高分子本身是个氧化物网络结构体系，化学性质稳定，在800℃～1900℃（系列产品的耐温不一样）之间不氧化、不分解。故而使用无机高分子结合剂可以提高磨具的使用寿命。另外，无机高分子结合剂系列产品，根据不同性能的磨具产品和这些产品的不同使用范围，无机高分子结合剂系列共分三大类十几个品种。主要是：1、含有无机活性基团：包括氯原子、烷氧基以及其它基团。这些基团具有良好的反应性能并且可以和玻璃、金属以及矿物质等无机物很好的粘连。 2、含有有机非活性基团：包括烷基、苯基以及三氟丙基。这些基团可以使材料具有良好的防潮性、有机兼容性以及耐化学腐蚀性。 3、含有有机活性基团：包括环氧基团、甲基丙烯酸基团、氨基、乙烯基、硫代物以及其它基团。这些基团可以使材料与有机树脂有着良好的反应活性，因而作为有基层和无机基底物之间的粘结。

无机高分子结合剂在涂附磨具中的应用

1、无机高分子结合剂在涂附磨料中的应用

涂附磨料及制品技术工艺改进和开发是涂附磨削技术发展的关键和重要标志，能否制造高品质的磨料已经作为衡量一个国家涂附磨削技术高低的标准。作为构成磨具三要素的基体、磨料、粘结剂以及由此导致影响磨削性能的重要因素，陕西徳谦公司结合近年来无机高分子材料以新技术、新理念、新工艺在涂附磨具中的尝试应用，特别是在强力、精密磨削的性能取得质的飞跃，能解决我国涂附磨具专用不配套、精密和磨削效率不高、强力磨削使用寿命短等问题，它的出现必将促进了我国涂附磨具的发展和进步。

以国产砂带磨具为例，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，而在超硬磨料、陶瓷氧化铝、复合磨料、堆积磨料等的开发上基本处于空白，这样强力磨砂带的开发就不可能实现（大家试想一下，强力磨砂带磨削带对钢材的切除率已超过700 cm³/cm·s，普通或单层磨粒的涂附磨具能实现吗？）；微粉级磨料的磨具还没有，因而限制了磨具在精密和超精密加工中的应用。因此，陕西徳谦公司以无机高分子结合剂为基础，以新理念、新工艺制造陶瓷磨料、复合磨料、堆积磨料等，以无机高分子结合剂来改善磨粒的结构形态；在涂附磨具结构方面，实现堆积磨料涂附磨具（也有叫金字塔型磨料涂附磨具、复层磨料涂附磨具、不等厚磨料涂附磨具、复合磨料涂附磨具、有序排列磨料涂附磨具等等）、空心球型磨料涂附磨具、高弹性涂附磨具等。其中的理论应用基础是把这些陶瓷磨料、复合磨料、堆积磨料等看成一个个小的固结磨具，使固结磨具的理论体系和涂附磨具的理论体系甚至包括超硬磨具的理论体系都综合在一个新体系下来分析解决磨削问题。在这样理论体系下生产的涂附磨具产品的性能、质量和使用寿命能几十倍的提高，能真正解决国内高档涂附磨料磨具磨削研发、推广应用的一个关键性问题。

由于涂附磨具加工领域不断扩展，现已涉及钢件，铸铁件，铝铜件，不锈钢，合金钢，高中密度纤维板，胶合板，刨花板，玻璃，皮革等，所以传统的磨料已不能满足要求，需改进磨粒性能以适应各类材料加工的需要。传统的刚玉、碳化硅磨料已经不能满足要求，近年来随着工艺的改进，锆刚玉磨料、超硬材料、堆积磨料、复合磨料和SG磨料【微晶结构烧结陶瓷磨料，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。世界各大磨具生产厂商都有自己的锆刚玉磨料、SG磨料、堆积磨料和复合磨料的磨具】等已经成为在磨具磨料里面的重要发展方向。

无机高分子结合剂在解决堆积磨料、陶瓷磨料、复合磨料的关键是无机高分子结合剂是由尺度为纳米级的粒子堆积聚合固化而成，它在较低温度下固结就能达到致密化，在生产堆积磨料、陶瓷磨料、复合磨料时，它的小尺寸效应、表面和界面效应和量子遂道效应，使得它具有独特的性能，因为颗粒大小决定了材料的微观结构和宏观性能。如材料颗粒分布堆积均匀，则固结时收缩一致且晶粒均匀长大，低温固结首先导致材料在结构上的变化，晶粒细小均匀呈等轴晶状，同时由于晶界液相的引入和独特的界面结构导致界面结合强化，材料的断裂也变为完全的沿晶断裂模式，使得材料的强度和韧性显著提高；所制备的堆积磨料、陶瓷磨料、复合磨料缺陷小、强度高；同时固结温度低，不改变堆积磨粒、陶瓷磨粒、复合磨粒的性能，锋利度高。另外，将磨粒粘附在基材上的粘接剂是涂附磨具的重要组成部分。磨具磨削加工中所消耗的能量大部分转化为热量，这些热量在磨削弧区内以热传导、热交换的形式传入到工件、磨具磨料、磨屑之中。尽管磨具磨素有“冷态”磨之称，但当磨粒磨损后或磨削产生的的热量超过一定温度值时，解决了树脂生产的堆积磨料就会出现“热衰”现象而磨粒脱落，从而影响磨具的使用寿命。关于无机高分子结合剂这些不同功用磨料的生产方法及理论工艺这里不做介绍。

2、无机高分子结合剂在新型涂附磨具产品生产中的应用

无机高分子结合剂在新型涂附磨具产品中的应用主要包括两个方面：

一是关于使用无机高分子结合剂生产的磨料系列体系。在涂附磨具生产中的应用工艺方法即可采用静电植砂工艺，也可采用重力植砂工艺。它们即可使用传统树脂结合剂，也可使用无机高分子结合剂；即可改进传统涂附磨具，也可生产高效、高速、强力、重负荷涂附磨具或点式堆积磨料涂附磨具。但应当注意，生产涂附磨具的植砂工艺不同，对应的磨料生产工艺要求也不相同，并且这两种生产方法生产的产品功用也有区别。关于其中详细的应用包括重力植砂设备和工艺，我们将在以后的专项中再做详细介绍。

二是全部直接使用无机高分子结合剂生产新型涂附磨具产品体系。这个体系可生产高效、高速、强力、重负荷涂附磨具、点式磨削的堆积磨料涂附磨具、超硬材料涂附磨具或替代电镀的超硬涂附磨具。国外在这方面的生产设备主要是喷涂式点胶机，但使用喷涂式点胶机生产的堆积磨料的磨粒颗粒只能在80～1200目，而磨粒在36～80目则很难生产；我们这个无机高分子结合剂体系的生产设备是根据印涂原理制作的，这种方法不但工艺简单，有利于工业化；而且高效快速，适用面广，目前国内外还没有这方面研就究。我们目前提供的是手工工艺，其特点是设备投入小，见效快，便于企业切入式发展。其具体的工艺是：首先做模具，根据客户需求，需要什么形状自己做；再是布基和磨料的处理；三是结合剂与磨料混合成糊状，其中磨料可以是刚玉、碳化硅以及超硬材料，使用无机高分子结合剂可以替代电镀、树脂和陶瓷树脂，刮涂在固定在布基的模具上；四是成型、防串胶及定模、固结的细节处理。以上方法便是生产涂附磨具或软磨片的手工实用工艺（与现在通过模压法生产软磨片的效率至少提高40～80倍），也能够实现工业化生产。

                                  结语

总之，经过多年的发展，我国的涂附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，我国不仅是在涂附磨削机理上的研究，而且在磨料和结合剂上的研究都不够深入，涂附磨具的品种体系及质量有待完善及改进的空间极大。同时，面对中国制造业的迅猛发展和涂附磨具磨削的良好的应用市场前景，陕西徳谦公司希望无机高分子结合剂的介入，能够对中国涂附磨具磨削加工及其关键技术的提升有所裨益，为我国的涂附磨具磨削的产业化升级进程有所帮助。