堆积磨料制备技术及堆积磨料砂带应用现状

刘鹏展，邹文俊，彭 进

(河南工业大学材料科学与工程学院，河南 郑州 450001)

堆积磨料制备技术及堆积磨料砂带应用现状

刘鹏展，邹文俊，彭 进

(河南工业大学材料科学与工程学院，河南 郑州 450001)

从堆积磨料与堆积磨料砂带的基本定义入手，从造粒原理、磨粒与砂带结构优势、国内外发展现状和主要应用几个方面解析了堆积磨料与堆积磨料砂带。

堆积磨料；砂带；造粒原理；结构；优势；应用

1 引言

堆积磨料即通过特殊的造粒方式，用高强度粘结剂把细颗粒磨料粘接起来，使其形成一个独立的堆积组合体，这种组合体通常也具有磨具的三要素——磨料、结合剂和极细小气孔，可将之称为一种微型磨具。堆积磨料适用于制作多种涂附磨具如砂纸、砂带等，也可制造固结磨具如刃磨砂轮等[1]。将堆积磨料使用有机高分子结合剂及相关材料粘结在布基基体上制成的砂布就是堆积磨料砂布，再将堆积磨料砂布转换成砂带就是堆积磨料砂带[2]。

使用堆积磨料制成的堆积磨料砂带是一种新型的柔性磨削工具，它磨削效率高、磨削性能稳定，具有磨削精度好和使用寿命长等优点，不仅能满足不锈钢、钛合金等难磨金属的磨削要求，而且对金属表面的拉丝和抛光也有很大的产业优势，用途十分广泛，是新型涂附磨具的重要发展趋势之一。

2 堆积磨料造粒原理与过程

堆积磨料的造粒原理与其他行业物质造粒略有不同。磨料因其本身形貌与性质决定，固体粒子间引力相对较小，颗粒与颗粒之间产生堆积主要来自于可自由流动液体产生的界面张力与毛细管力和不可流动液体产生的粘接力，在粒子之间形成固体桥。使用某些特殊的造粒方法，还可以使堆积磨料颗粒产生粒子间机械镶嵌，这样可以提高颗粒本身的机械强度，从而提升性能。细节如图1所示[3]，(A)为造粒原料表面附着液层相连接；(B)为造粒原料通过固体桥连接；(C)为造粒原料之间的机械镶嵌。

图1 磨料原料之间的连接方式Fig.1 The connection mode between abrasive material

堆积磨料颗粒形成的过程大致可以分为以下几个阶段[3]。当加入少量液体，物料内空气成为连续相、液体成为分散相，此时粉粒间产生来自于架桥液体的气—液界面张力，液体在颗粒内呈悬摆状，这时颗粒松散形成制粒“引子”；适当增加液体，这时空隙变小，空气成为分散相、液体成为连续相，粉粒作用力是架桥液体的界面张力与毛细管力，颗粒内液体呈索带状，这一步骤是造粒是否成功的关键；最后当液体量增加到刚好充满全部颗粒内部空隙而颗粒表面没有湿润液体时，毛细管负压和界面张力产生强大的粉粒间结合力，液体呈毛细管状，颗粒略微发黏；最后继续制粒，成液滴状完整颗粒结构。如图2所示，(A)为造粒原料初始状态；(a)为液体较少时呈悬摆状；(b)为液体稍多时的毛细管状结构；(c)为液体量刚好充满的索带状结构；(d)为继续制粒后的造粒成品液滴状结构。

图2 颗粒成型阶段示意图Fig.2 The schematic diagram of abrasive grains during the molding stage

3 堆积磨料及堆积磨料砂带的结构及优势

3.1 堆积磨料结构及优势

堆积磨料从外观上看是一个个粗大磨粒，而实际上每个大磨粒都包含了许多微细的磨料颗粒。堆积磨料主要区别于普通磨料，普通磨料切削工件后磨料钝化，失去磨削能力；而堆积磨料表层磨粒切除一定量的工件钝化后，磨钝的小磨粒会从堆积磨粒团上破碎脱落，同时位于里层的新磨粒就会露出来参与磨削。因此堆积磨料由于其堆积效果在磨削过程中不断有锋利的切削刃产生，所以具有较长的寿命和对材料均匀一致的切除率，并能得到较好的工件表面质量。图3为近球形堆积磨料结构示意图[4]。

3.2 堆积磨料砂带结构及优势

以堆积磨料作为磨削材料而制成的涂附磨具叫做堆积磨料砂布，加工后转换成为堆积磨料砂带。传统普通砂带为单层植砂，在磨削过程中，会有一些先天客观的缺陷，如：磨粒变钝、工件切削掉的物质堵塞砂带表面、散热性差、寿命有限、磨削前后工件表面切削效果不一致等，磨削状态渐渐由切削变为滑擦，磨削区域温度上升烧伤工件。但堆积磨料的原理是将数倍的普通磨料颗粒堆积成一个大的磨粒团，在磨削过程中，磨粒团可以均匀地分离脱落，露出新的剖面，保持完美平整、锋利，可以将磨削寿命增长5～10倍，由于层层脱落，可以起很好的散热、防堵塞效果，最关键的是，由于不断地出现新锋利剖面，可以实现工件表面磨削效果的前后始终如一。图4是同等粒度号普通磨料砂带和堆积磨料砂带随磨削时间增加物料切除率的变化曲线图[5]。由图中二者的变化我们可以得出结论，由于普通磨料砂带不经过结合剂堆积磨料刃角暴露，相比堆积磨料砂带磨削前期材料切除率较高，但随着时间的增加，由于刃角磨损，切除率反而快速下降；与之对应的堆积磨料砂带，材料切除率下降速度较慢，而且随磨削时间的增加逐渐趋于一个稳定的水平，寿命约为普通砂带的4倍以上，且从磨削实际效果上看磨削产品表面质量稳定。

图3 近球形堆积磨料结构示意图Fig.3 The structure diagram of subsphaeroidal bulk abrasive

对比现阶段市场成熟产品，堆积磨料涂附磨具将只有固结磨具才有的自锐性这一特点与其自身优势完美地结合了起来。不仅节约了砂带的换带时间、制带基体生产成本、工件生产人工成本，而且提高了加工精度与稳定性，具有无可比拟的优势。图5为近球形堆积磨料砂带结构示意图[4]。

图4 同等粒度普通磨料砂带与堆积磨料砂带随磨削时间增加物料切除率变化曲线图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

图5 近球形堆积磨料砂带结构示意图Fig.5 The structure diagram of subsphaeroidal bulk abrasive belt

4 堆积磨料及堆积磨料砂带国内外研究现状

堆积磨料根据结合剂种类的不同分为两种，分别是陶瓷结合剂堆积磨料与有机结合剂堆积磨料。国外相比国内研究起步较早，技术方面更加成熟。早在1935年，美国人Jackson G.H.就为了解决涂附磨具在磨削过程磨屑的堵塞问题，将一些细磨粒通过结合剂团聚起来制成了团聚颗粒并申请了专利，即当下堆积磨料的原型[6]。当下市场上的最新产品如美国3M公司开发研制的金字塔型堆积磨料砂带(如图6所示)，由外形规则整齐排列的四棱锥磨粒团组成，砂带表面均匀分布着三维立体结构的金字塔型堆积磨料颗粒，一旦金字塔顶端磨耗掉，下层新而锐利的砂粒便取而代之，继续维持其切削和粗糙度，这不但大大降低了磨削效果随时间变化的差异，而且使砂带使用寿命较传统砂带增加了2～5倍；德国VSM公司的实心磨粒团堆积磨料砂带(如图7所示)，每个磨料团都是粘结形成的独立单元，其中包含许多原始磨粒，在磨削时拥有良好的自锐性和散热性，磨削效率高，磨削性能稳定，磨削精度好和使用寿命长。德国Metabo Polisvs公司是一家世界知名的专业为涡轮叶片制造砂带磨床的制造企业，他们将VSM公司的KK712X砂带用于叶片型面的精密磨削，加工后的叶片具有一致的表面，而且磨削寿命大大增加，节约了生产成本[7]。德国赫美斯公司空心球磨料RB535X型砂带，其内部与表面结构如图8所示，特点与优势与上面两种类似，在这里不过多论述。国内近些年也有部分厂商和高校开始研究堆积磨料，如湖北玉立，嵩山特材，白鸽磨料，湖南大学，河南工业大学等，并取得了显著成效。但在国内和国际市场上，我国自主产品市场占有率仍然很低，大部分还是以美国3M、德国VSM、德国赫美斯、日本牛头、韩国鹿牌等同类产品为主。

图6 美国3M公司金字塔型堆积磨料砂带Fig.6 The pyramid-shape bulk abrasive belt by American 3M company

图7 德国VSM公司实心磨粒团堆积磨料砂带Fig.7 The bulk abrasive belt with solid abrasive grains by German VSM company

图8 德国赫美斯公司空心球磨料砂带结构示意图Fig.8 The structure of hollow sphere abrasive belt by the German Hermes company

复合堆积磨料是最近市场上新兴的一种堆积磨料，通过颗粒学结构设计，使其成为一种有结构，多用途，配方可控的磨料制品。如空心球复合磨料，它集合了空心球磨料与SG磨料的优点，是目前最有效的磨料之一。

5 堆积磨料砂带的应用

堆积磨料砂带的主要用途，归根结底还是由其自身的结构特点和磨削优势所决定的。根据不同的磨削对象选择不同造粒材质与粒度组成的堆积磨料制品，已成为新型柔性磨削的一种发展方向。

5.1 金属材料特别是难磨金属材料的表面磨削、打磨和抛光

金属材料种类丰富，其中难磨金属材料指的是又硬又黏的金属，如钛合金、铝合金、高硬度金属、高温合金、不锈钢等。金属材料的磨削处理根据材料作用和目的的不同，主要分为表面磨削，即加工材料使其达到规定的尺寸和表面质量；表面打磨，即清除材料表面杂质使其光滑平整并达到一定的表面粗糙度；表面抛光，即对材料表面修饰精加工使之达到光滑表面或镜面光泽。

这类材料广泛应用于国民生产的各个行业，如电力行业的汽轮机、水轮机叶片、高压容器、管道；航空行业的发动机叶片，飞机框架；能源行业输油、输气管道；日常生活中用到的刀具，运动器材等。这些产品不仅材料特殊，型面复杂难于加工和磨削，而且对表面质量或精度还有很高的要求，使用传统磨削工具，难以满足加工工艺要求，而堆积磨料砂带能很好的解决这一难题。堆积磨料砂带不仅具有涂附磨具的柔软性，高效冷切削，加工表面质量高等磨削特点，同时还具有固结磨具的自锐性和长寿性，从而结束了固结磨具加工低效率，低精度的问题，改变了传统磨料砂带使用寿命短的缺点，使叶片加工从传统的手工打磨转向了全自动化、高效率、高精度、低劳动强度的数控磨削。

5.2 金属表面拉丝

金属表面拉丝即在工件表面磨削形成线纹，起到装饰效果的一种表面处理手段。堆积磨料砂带因磨削一致性高，所以特别适合于金属拉丝行业。传统砂带磨料在刚开始拉丝时，磨粒尖锐锋利、拉丝线纹深，但拉丝不多久，磨料便开始不断变钝，拉出的线纹就开始变浅，随着时间推移，线纹会越来越浅。这样就产生一个问题，就是同一条砂带拉出的工件，前面的产品与后面的产品，拉丝线纹会有明显的差别，影响工件表面的一致性。目前，堆积磨料砂带在表面拉丝加工中有着非常广泛的应用，尤其是在IT电子行业，例如手机外壳、相机外壳，笔记本电脑外壳等产品的表面拉丝处理。另外，金属家具，家电外壳，水暖器具等的表面拉丝，也都需要使用堆积磨料砂带。

6 结 语

堆积磨料及其砂带制品是近些年新兴的涂附磨具制品，因其自身结构特点与优异的磨削特性，相比传统砂带具有无可比拟的优势。当然堆积磨料不仅可用于涂附磨具行业，也可以用于制造有机磨具与陶瓷磨具。相信随着工业技术的发展，堆积磨料将发挥越来越重要的作用，并在诸多制造加工行业当中得到广泛应用。

[1] 张洪涛,徐雄甫，等. 堆积组合体磨料的制备[J]. 中国研磨, 2014 (52): 122-125.

[2] 牛文龙. 堆积磨料砂带介绍[J]. 中国涂附磨具, 2014 (94): 121-124.

[3] 刘广文. 造粒工艺与设备[M]. 北京:化学工业出版社,2011:19.

[4] 牛文龙,孔德夫，等.一种有机结合剂堆积磨料及采用堆积磨料制造砂布的方法:中国,102729158[P].2012-10-17.

[5] 陈延君,黄云，等.国内外砂带技术的发展及应用[J].航空制造技术,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

刘鹏展(1991-)，男，河南工业大学材料科学与工程学院硕士研究生，研究方向为树脂结合剂堆积磨料与树脂结合剂超硬磨料砂带;邹文俊(1961-)，男，博士，教授。从事有机磨具、涂附磨具、涂附磨具胶黏剂的合成、超硬材料及制品的应用研究。

刘鹏展，邹文俊，彭 进.堆积磨料制备技术及堆积磨料砂带应用现状[J].超硬材料工程，2017，29(3)：40-44.

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1673-1433(2017)03-0040-05