摘要：作者從超硬材料工作者的角度，針對國內(nèi)超硬材料涂附磨具落后的狀況，介紹了超硬材料涂附磨具的一般知識，包括特點、性能、制作的關(guān)鍵技術(shù)和標準等，期望我國超硬材料在涂附磨具的應用

　　有一個大的發(fā)展。這是作者為本刊介紹超硬材料涂附磨具的第一篇，以后將逐漸深入，為我們涂附磨具人展現(xiàn)一個嶄新的天地。

　　1.    引言

　　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。

　　目前磨料固結(jié)磨具、涂附磨具和超硬材料磨具（包括固結(jié)磨具和涂附磨具）行業(yè)已發(fā)展為規(guī)模大、品種多、門類齊全的工業(yè)體系。隨著國際市場上磨具銷售額逐年增長，而涂附磨具的占有率在上升，許多產(chǎn)品替代了固結(jié)磨具。美國2002年的磨具產(chǎn)值是32億美元，其中涂附磨具（包括超硬材料涂附磨具）相關(guān)產(chǎn)品為16億美元，占50%份額。

　　隨著現(xiàn)代機械加工的不斷發(fā)展及各種新材料的不斷出現(xiàn)，對加工精度和表面粗糙度要求越來越高，其相應的磨削技術(shù)和磨具，尤其是涂附磨具向更高效率、高壽命和超 精密方向發(fā)展。因此，超硬材料涂附磨具的研制和使用悄然興起，在涂附磨具中的占有逐年增加，在汽車工業(yè)、電子工業(yè)、玻璃加工、寶石加工、不銹鋼及淬火鋼等 難加工材料的特殊加工領(lǐng)域得到了應用。

　　值得指出的是，近年來，我國的汽車工業(yè)和機械制造業(yè)蓬勃發(fā)展，按理需要使用大量的超硬材料涂附磨具，比如，汽車制造過程中的車身加工和曲軸、凸輪軸、萬向軸 的拋光都需要用超硬材料磨具，如金剛石砂紙和聚酯薄膜圓片等。但是，國內(nèi)所有汽車合資企業(yè)均采用進口涂附磨具，主要進口美國3M公司的涂附磨具產(chǎn)品。國內(nèi)汽車市場的項激烈競爭，產(chǎn)品的利潤急劇降低，一定會為國產(chǎn)超硬材料涂附磨具的應用和市場銷售創(chuàng)造勃勃生機。應堅信，以其高性能、高壽命為卓越優(yōu)勢的金剛石砂帶和立方氮化硼砂帶將成為今后砂帶磨床的重要工具。

　　2. 發(fā)展概況

　　涂附磨具制造中常涉及到的三大要素是基材、磨料和粘結(jié)劑。這三種要素的任一種的改進，都會使涂附磨具產(chǎn)品性能發(fā)生變化。當今涂附磨具正朝著專用、精密、強力高效的方向發(fā)展，而高效則以高速、強力、重負荷打磨為主。

　　2.1 基材

　　基材是涂附磨具磨料和黏結(jié)劑的承載體，是提供磨削或拋光加工的基礎(chǔ)材料?；闹饕譃?種：紙基、布基、復合基和無紡布。

　　目前，我國國產(chǎn)紙的強度、均勻性、耐水性均達不到砂帶生產(chǎn)的要求，砂帶用紙基材多半進口，砂帶紙基中耐水紙已從浸漬紙發(fā)展到乳膠紙。

　　布基產(chǎn)品各種性能優(yōu)于紙基，而且隨著涂附磨具朝高效、高速、重負載及專用精密方向發(fā)展，布基產(chǎn)品也經(jīng)歷了一個從普通棉布基到合成纖維的研制和使用過程，并逐步代替了傳統(tǒng)的棉布?，F(xiàn)在布基材料種類有棉、麻、人造纖維、合成纖維和聚酯纖維等。

　　近十年來，在大面積強力磨削方面大力發(fā)展了人造棉和聚酯纖維布，特別是后者，它具有更好的抗拉強度和較低的伸長率、耐熱性、耐水性好，表面平整，經(jīng)處理后徑向強度高，因此，使用它作為砂布和其它涂附磨具基材是目前的一個趨勢。

　　在精密磨削領(lǐng)域，輕型柔軟基材和聚酯透明薄膜基材制成的砂帶和超硬材料涂附磨具，可用于加工精度要求高的曲軸拋光、磁頭精加工及光纖頭的表面拋光，這類產(chǎn)品以美國3M公司的SMSD系列產(chǎn)品為代表。

　　2.2 磨料

　　磨料是涂附磨具上起磨削、研磨和拋光作用的一種粒狀材料。磨料總的來說分為天然磨料和人造磨料。

　　人造磨料包括鋯剛玉、棕剛玉、黑綠碳化硅，人造金剛石、立方氮化硼等。近年來，由于我國超硬材料產(chǎn)量的大幅提升和成本的下降，為在涂附磨具上的應用提供了極為有利的條件。金剛石砂帶的高壽命是碳化硅砂帶的5000倍以上，尤其適合加工硬脆的難加工材料或用于特殊用途的高精度、超高精度產(chǎn)品的加工，諸于硬質(zhì)合金零件的拋磨加工、寶石、陶瓷的軟磨輪異型拋光和牙科用的金剛石砂帶等等。

　　立方氮化硼砂帶更適合于砂帶磨削機床對鋼件的加工，從一般的砂帶平面磨床、內(nèi)外圓磨床到數(shù)控多工位自動砂帶磨床在機械工業(yè)、汽車制造業(yè)的應用與日俱增。美國3M公司已經(jīng)有許多成熟的產(chǎn)品，為什么未見引進到我國生產(chǎn)？我國雖已成為世界超硬材料磨具磨料的最大出口國，卻幾乎沒有本國生產(chǎn)的超硬材料涂附磨具產(chǎn)品。

　　2.3 粘結(jié)劑

　　將超硬材料磨粒粘附在基材上的粘結(jié)劑是涂附磨具的重要組成部分。

　　黏結(jié)劑是起粘結(jié)磨料和基材的作用，使磨具具有一定的形狀和強度。涂附磨具中的粘結(jié)劑一般由基材處理劑、底膠、復膠等構(gòu)成。

　　影響涂附磨具粘結(jié)強度的主要因素是黏結(jié)劑的種類和數(shù)量。

　　發(fā)達國家制造涂附磨具所使用的粘結(jié)劑，專用性日趨細化，產(chǎn)品不同，使用的粘結(jié)劑也不相同。

　　我國目前生產(chǎn)的涂附磨具所使用的粘結(jié)劑品種單一，適應性比較差，使用起來很不方便。

　　2.4 砂帶磨削技術(shù)的發(fā)展

　　砂帶磨削具有以下特點：

　　1 由于砂帶有較長的周長，散熱快，使磨粒得到很好的冷卻，不容易產(chǎn)生工件表面燒傷。

　　2 由于砂帶自身有很好的撓性和柔性，與工件是柔性接觸，具有很好的磨合和拋光作用，適應零件的各種形狀。

　　3 砂帶磨削生產(chǎn)效率高，在材料去除率方面，砂帶磨床遠遠超過了砂輪磨床。

　　4 磨削質(zhì)量好。

　　5 適用范圍廣，砂帶磨削幾乎可以加工所有的工程材料。

　　6 生產(chǎn)成本低，經(jīng)濟效益好，砂帶磨削的磨削比可達到300:1至400:1，而砂輪磨削僅為30:1。

　　7 超硬材料涂附磨具最大優(yōu)點是耐磨，工作壽命長。由于超硬材料砂帶比目前大量使用的耐水砂紙和砂布有著超乎尋常的壽命，其在木材加工和家具業(yè)中的潛在市場前景不可估量。

　　歐 美工業(yè)發(fā)達國家十分重視砂帶磨削技術(shù)的開發(fā)研究和應用，應用范圍正在擴大之中，從一般家庭生活和各種手工的磨削拋光，到各個工業(yè)生產(chǎn)加工領(lǐng)域無所不用。尤 其值得注意的是超硬材料砂帶的成功應用，在磨削難加工材料諸如硬質(zhì)合金、寶石、陶瓷、鈦合金等方面，超硬材料砂帶顯示出獨特的優(yōu)勢，從用作一般精度要求的 工件磨削發(fā)展到高精度、超高精度零件的磨削，如成功地應用于磨盤、磁頭、錄像機、復印機和光導纖頭等精密零件的磨削拋光。

　　由于超硬材料砂帶的應用，使砂帶工作壽命大幅度提高，使得砂帶磨削領(lǐng)域擴大，可用于濕磨、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拋光，享有“萬能磨削”的美譽。

　　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產(chǎn)品，它的質(zhì)量和水平往往標志一個國家涂附磨具生產(chǎn)加工水平。

　　3. 關(guān)鍵技術(shù)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，因而對超硬材料砂帶專用布基的強度、耐磨性提出了更高要求。目前，國內(nèi)產(chǎn)品多以純棉布為基材，這類基材配以超硬材料作為磨料，應用于高速、重負荷及精密磨削時其性能很難滿足要求。因此，必須展開超硬材料專用基材的研究。美國3M公司產(chǎn)品較多采用聚酯纖維布基，這種布基具有很好的抗拉強度，較低的延伸率(<1.5%)，表面平整性好，且耐熱性、耐水性也較普通布基好，因此應用于超硬材料砂帶是非常合適的。但是，目前聚酯纖維布較普通布基價格貴很多，因而找到能代替聚酯纖維布相對較低的新布基應用于超硬材料砂帶生產(chǎn)實踐使之達到高效超精密，是將來的研究方向之一。

　　3.2 粘結(jié)劑的研制

　　目前，使用較多的為酚醛樹脂膠粘劑，因其粘 結(jié)強度高、耐水、抗酸、耐候性好，尤其是水溶性酚醛樹脂的使用，使涂附工藝更加簡單。由于這種膠粘劑存在著固化時間長，固化后脆性大易裂開、柔軟性差及耐 磨性與超硬磨料不能配合等缺陷，因此，當前對超硬材料砂帶粘結(jié)劑的研究主要集中在對上述粘結(jié)劑的改性。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，對于具體使用領(lǐng)域?qū)Ｓ贸膊牧仙皫д辰Y(jié)劑的研究也將是未來的研究方向之一。

　　3.3 標準的建立

　　超硬材料涂附磨具由于磨削機理上的差異，有它的特殊性，應建立專門的國家標準。

　　目前，國內(nèi)各廠家生產(chǎn)超硬固結(jié)磨具使用的超硬材料，其品種和顆粒尺寸采用現(xiàn)行的國家標準。金屬結(jié)合劑專用金剛石磨料為MBD4、MBD6、MBD8和MBD10品種。樹脂和陶瓷結(jié)合劑磨具適用RVD品種。而超硬材料涂附磨具選用金剛石品種屬于研磨類的可選MBD系列金剛石，拋光類的可選RVD品種。

　　顆粒尺寸屬于精磨、研磨類的可選粒度號：50/60、60/70、80/100、100/120、120/140、140/170、170/200、200/230、230/270、270/325、325/400；屬于拋光類的可選微粉級的超硬磨料。

　　3.4 微粉級超硬磨料植砂問題

　　由于目前靜電植砂只能用于200mesh以粗的超硬磨粒，而對于微粉級超硬磨料砂帶，國內(nèi)只能采用手工操作，這種方法使磨料的分布均勻性、磨料定向性不能得到有效保證。

　　美國3M公司采用點膠機制造樹脂點膠型砂帶，能較好解決磨粒分布均勻性、砂帶柔軟性等問題，并能節(jié)省超硬磨粒的用量，減少砂帶成本。圖1是美國3M公司超硬材料涂附磨具產(chǎn)品。上圖為在金屬基材上電鍍的金剛石涂附磨具；下圖為點膠機進行的樹脂膠粘金剛石拋光用涂附磨具。

圖1  美國3M公司超硬材料涂附磨具產(chǎn)品

　　3.5 高精密與超精密超硬材料砂帶的研制

　　現(xiàn)代材料加工總體朝著高精度、高效率和專用的方向發(fā)展。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到0.3~0.03μm，粗糙度達到Ra0.03~0.005μm。由于超硬材料砂帶的基本特性，將其應用于精密與超精密磨削是未來的主要方向之一。

　　3.6制造設備和生產(chǎn)工藝

　　目前，囯內(nèi)樹脂全面涂布型超硬材料砂帶、樹脂點膠型砂帶都無專用設備，電鍍型砂帶制造設備也不能滿足使用要求。我們應根據(jù)超硬材料砂帶用量少，生產(chǎn)規(guī)模小的實際，研制超硬材料砂帶專用小型制造設備，如無接頭砂帶小型原布處理機、涂布機、靜電植砂機和專用柔曲機等。

　　4. 結(jié)語

　　4.1超硬材料砂帶以其高效率、高壽命以及高表面質(zhì)量和環(huán)保特性，特別是隨著超硬材料價格的降低，將促使其應用領(lǐng)域的不斷擴大是無容置疑的。

　　4.2 西方發(fā)達國家從對人體健康和環(huán)境的目的出發(fā)，已逐漸興起使用超硬材料砂紙、砂布等涂附磨具取代剛玉、碳化硅等普通磨料涂附磨具。這是現(xiàn)代加工技術(shù)發(fā)展的必然且不可擋的趨勢與方向。

　　4.3 超硬材料由于其硬度高、耐磨性好，用其作磨料來加工硬、脆性等難加工工件時，消耗量極小，而且可以在較長時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，而且提高了加工時效，同時也解決了又對環(huán)境的污染問題，這與大家熱議的低碳時代話題是何等一致哦！

　　4.4 中國擁有龐大的寶石加工業(yè)、陶瓷加工業(yè)、木材加工業(yè)、汽車工業(yè)、機械加工業(yè)等，且是世界最大的木材和家具加工基地，這么多的加工領(lǐng)域就是超硬材料涂附磨具大有用武之地。用武之地有了，還猶豫什么呀！據(jù)說是超硬材料的價格昂貴。

　　4.5如 何看待超硬材料價格“昂貴”的問題？與普通磨料相比，超硬磨料的價格的確比剛玉、碳化硅“貴”，但不應成為難以開發(fā)與應用超硬材料涂附磨具的的理由或障 礙！要知道，中國不僅是世界上超硬材料生產(chǎn)的超級大國，而且還個出口的大國，其價格是最便宜的，這么優(yōu)越的物質(zhì)條件哪里去找呀！

　　4.6再 加上從高性能、高壽命、高性價比，以及使用超硬材料涂附磨具才是高效率、高效益的工具考慮，在中國不加快超硬材料涂附磨具的研發(fā)、生產(chǎn)與應用步伐的確有點 讓人不可思議！相信，會有有識之士加入到開發(fā)、生產(chǎn)與應用超硬材料涂附磨具的行列中來的。因為它顯示著現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展趨勢和方向。

　　作者簡介：王光祖，男，教授級高級工程師，江西波陽人，1956年畢業(yè)于武漢大學化學系。我國著名超硬材料專家，中國第一顆人造金剛石研制者之一，中國六面頂合成壓機合成工藝（人造金剛石中間試驗課題）的主要負責人。1978年獲全國科學大會獎和河南省科學大會獎；1988年獲機械電子工業(yè)部科技進步一等獎；1989年獲國家科技進步二等獎。主要著作有《超硬材料制造工藝學》、《超硬材料》、《立方氮化硼合成與應用》、《金剛石合成系統(tǒng)工程問與答》、《人造金剛石探秘—王光祖論文集》、《納米金剛石》等。主編《超硬材料譯文集》共11集，近百萬字。