摘  要：本文介紹了金剛石、立方氮化硼砂帶所具有的特性及國內外發展情況。因超硬材料砂帶具有高效、精密、節能、節材、環保的特點。加之我國既是超硬材料大國，又是機械制造大國，具有開發和應用超硬材料涂附磨具的優勢，目前我國超硬材料砂帶已研制成功并量產，為開展難加工材料和復雜型面的磨削試驗和加工創造了條件，促進我國高端裝備制造業的發展。

       關鍵詞：金剛石、CBN砂帶、砂帶磨削、高效、節能、環保。

1、引 言

       高效、精密、節能、節材、環保是現代制造業發展的總趨勢。超硬材料（金剛石與立方氮化硼）工具，包括超硬材料砂帶，將在這個發展過程中扮演重要角色。將超硬材料應用于涂附磨具，在我國還剛剛開始，筆者有幸成為它的開拓者之一，采用金剛石和立方氮化硼作磨料成功生產出砂帶、砂盤和砂套、頁輪、磨盤等，并開始規模生產及應用。本文就大力發展超硬材料涂附磨具的重要性、必要性和可行性談點粗淺的看法。

       金剛石、立方氮化硼（CBN）是目前世界上已知的硬度最高的兩種材料（詳見表1. 各種物質的莫氏硬度表）。由于其硬度高、耐磨性好、導熱率高等，是普通磨料（剛玉和碳化硅）無法比擬的。用超硬磨料加工硬脆和硬韌性難加工工件時，其消耗量極小，而且可以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，而且大大提高了加工效率，同時解決了對環境的污染問題，符合國家在制造業中所推行的節能、節材、環保、低碳等發展戰略。

       西方發達國家從解決難加工材料的磨加工、提高磨削效率和對人體健康和環保的目的出發，已興起使用超硬材料制造涂附磨具。目前美國、德國、英國、瑞士等國家均有相關產品的生產與銷售，而且形成系列超硬材料涂附磨具產品。

２、超硬材料砂帶的現狀

       超硬材料涂附磨具是指用粘結劑把超硬材料（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。

       隨著我國冶金工業和現代機械加工產業的快速發展，各種新型材料的不斷出現，高端裝備制造對加工精度和表面光潔度要求越來越高，涂附磨具亦向高效率、長壽命和超精密的方向發展。因此，超硬材料涂附磨具的研制和應用悄然興起，在硬質合金、電子、石材、工程陶瓷、玻璃、寶石、建材、不銹鋼、淬火鋼、高速工具鋼、高溫合金（鈦合金、鎳基和鈷基合金）和復合材料（碳纖維增強塑料、特種玻璃纖維增強塑料）等難加工材料的特殊加工領域得到了廣泛應用（見表2.高速鋼中碳化物與幾種磨料的顯微硬度比較表）。尤其值得注意的是，在磨削難加工材料如硬質合金、石材、陶瓷、鐵基合金等方面，超硬材料砂帶則顯示出其獨特的優勢，從用作一般精度要求的工件磨削發展到高精密、超高精密零件的磨削。由于超硬材料砂帶的應用，使砂帶工作壽命大幅度提高，砂帶磨削領域迅速擴大，可用于濕磨、干磨、高速磨、重負荷磨削以及高精度精密零件磨削拋光，大大豐富了作為享有“萬能磨削”美譽的涂附磨具的應用范圍。

3、超硬材料涂附磨具的結構

       超硬材料涂附磨具的四大要素：由基材、磨料、粘結劑以及磨料的排列形式所構成。

       3.1  基材：

       3.1.1基材是磨料與粘結劑的承載體，是使砂帶具有可撓性的主導因素。基材的主要性能指標有：徑向拉伸強度、緯向拉伸強度、徑向(緯向)伸長率、紡織布基的網孔致密度等。

       3.1.2復合基材：近十年來，在大面積強力磨削方面大力發展了片基帶（高速傳動帶），因其具有厚度的可調節性（從0.5—3.0mm），更好的抗拉強度和較低的伸長率(小于1.5%)，耐熱性、耐水性好，表面平整。因此用它作為砂帶和其它涂附磨具基材是目前的一個趨勢。

       3.2  磨料：金剛石、立方氮化硼（CBN）。我國超硬材料涂附磨具是近幾年發展起來的高新產品，目前尚未有一個系統完整的產品分類。按磨粒材質不同可分為金剛石涂附磨具和立方氮化硼涂附磨具兩大類。

       3.3  粘結劑：有樹脂粘結劑和金屬粘結劑兩種。

       3.3.1樹脂超硬材料砂帶與普通磨料砂帶在結構上基本相同，是采用粘結劑與磨料混合通過點膠或事先制好圖形的模板刮制而成（見圖1. 3M公司樹脂型金剛石砂帶產品）。

       3.3.2金屬結合劑砂帶則采用電鍍工藝或其他特殊工藝制造而成。

       3.4  磨料的排列形式：這是不同于普通磨料涂附磨具的一個主要特點。形式（圖案）有圓點型、X型、箭頭型、V型等（見圖2、3、4、5）。之所以將植砂排列的形式（圖案）列為超硬材料砂帶的一大要素是因為其在磨削過程中有非常重要的作用：單顆磨粒除本身作為磨削單元外，若干磨粒在植砂圖案中共同組成磨削小單元，磨削小單元均勻分布于砂布表面，在工作過程中形成眾多鋒刃，磨削鋒利，同時磨削小單元之間的均勻縫隙形成較大的容屑空間，不但磨屑隨砂帶轉動即時被帶走，排屑性良好，避免了磨屑殘留造成堵塞，而且可降低磨削溫度，保持磨具的鋒利和磨削力持久。

       超硬材料砂帶的磨削效率髙，不僅因為超硬磨料本身，還因為磨料分布方式的特殊性。對于有磨除量要求的磨削工藝，可采用粒度在40#~240#的砂帶，砂面磨粒分布圖型為箭頭形分布（見圖6. 鄭州瑞特公司開發的呈箭頭形分布的環形砂帶），基材采用X—WT、Y—WT和PU，具有磨削鋒利、效率高、排屑性好、噪聲小、粉塵少的特性；

       用于精細磨拋工藝，可選用320#~2000#細粒度的砂帶，砂面磨料分布圖型則采用圓點狀分布（見圖7. 鄭州瑞特公司生產的呈圓點形分布的環形砂帶），基材采用J—WT，其砂帶產品具有柔軟，排屑性好、磨削溫度低、噪聲小、粉塵少、加工精度和光潔度高等諸多特點。

       超硬材料砂帶所用磨料的粒度，必須針對加工條件，加工要求和最佳粒度范圍綜合加以考慮，一般考慮加工表面粗糙度，加工效率和砂帶壽命三個因素。

       3.5 磨料粒度的選擇因素與方法（見表3）

       3.6 磨料粒度標準(見表4)

4、超硬材料涂附磨具的應用

       砂帶磨削是一種柔性磨削技術，具有磨削、研磨、拋光多種作用的復合加工技術。具有“冷態”效應，磨削精度最高已可達到0.1μm。

       金剛石砂帶特別適用于硬脆非金屬材料和非鐵金屬的加工，因此廣泛用石材、建材、玻璃、特種陶瓷、單晶硅、多晶硅、寶玉石及硅鋁合金、硬質合金等硬脆材料制品復雜形面的磨拋加工。

       CBN的硬度僅次于金剛石，加之砂帶磨削時磨削力小、磨削溫度低、磨削比高、化學穩定性好等優勢。特別適合對又硬又韌的鐵基合金的加工，如釩鈦合金鋼等特種高速鋼刀具的刃磨粗磨加工；耐熱鋼（鈦合金、鎳基合金、鈷基合金）、不銹鋼和高硬度的合金結構鋼制成的精密零件的精磨和終磨；因其有磨削力小、磨削溫度低的特點，是鈦合金磨加工的理想磨具，因不引起機床導軌的變形，更適用于機床導軌、儀表和微型軸承零件的精磨和終磨；復雜型面工件（插齒刀，高精度齒輪，葉片等）的加工；其他淬火工具鋼的精磨及對局部熱應力和熱沖擊敏感的各種材料零件的磨削。

       超硬材料砂帶制品有環形砂帶、砂圈、磨片、手擦磨塊、磨盤、研磨頁輪等(見圖8、圖9、圖10、圖11)，能加工表面質量及精度要求高的各種形狀的工件。不但使用壽命較長,而且磨削效率高。例如我公司開發的100#電鍍金剛石涂附磨具軟磨片，加工石材的使用壽命是樹脂金剛石軟磨片的8-10倍； 我公司生產的CBN砂帶經重慶三磨海達用六軸聯動砂帶磨床加工耐熱不銹鋼汽輪機葉片，一條CBN砂帶可連續加工18-20小時，并且工件表面質量好。而采用德國VSM產718普通堆積磨料砂帶，一條僅可連續加工2個小時；上海寶鋼使用我公司生產的金剛石砂帶及其制品拋磨表面噴涂碳化鎢材料的軋輥等工件，拋磨效率高，工件表面粗糙度均勻一致。

5． 超硬材料砂帶的發展趨勢

       5.1.專用粘結劑的開發。由于超硬材料砂帶不同的使用領域對粘結劑性能要求不同，因此針對具體使用領域專用粘結劑的開發,將是必要的；

       5.2.微粉級超硬磨料植砂的研發。必須有效的控制磨料的分布均勻性、定向性。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，并能節省超硬磨料的用量，降低成本。

       5.3.高精密與超精密超硬磨料砂帶的研制。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，超精密磨削則要求加工精度達到0.3～0.03μm，粗糙度達到0.03～0.05μm。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。

6、結論

       6.1.超硬材料砂帶具有超硬材料“硬”和涂附磨具“柔”的雙重特性，是“剛”和“柔”的最佳組合。符合現代高速、高效、精密、節材、節能、環保加工技術發展的戰略要求，把涂附磨具推向頂峰，具有重要的技術經濟價值。

       6.2.超硬材料砂帶不僅是高科技的涂附磨具產品，也是高附加值高效益的產品，它的質量和水平往往標志一個國家涂附磨具生產加工水平，大力發展超硬材料涂附磨具是可行的，也是必要的。

       6.3.我國是世界超硬材料生產大國，2010年人造金剛石產量92億克拉、CBN年產量2.6億克拉，品種齊全、價格低廉，貨源充足，為大力發展超硬材料砂帶制品奠定了可靠的物質基礎與保障。

       6.4 我國具有龐大的石材開采加工、光學玻璃、寶石加工業、工程陶瓷加工、光伏產業、航空航天、核電風電、高端裝備制造等。相信我國超硬材料涂附磨具的研發成功和量產，一定會促進我國上述產業的快速發展。

       6.5.超硬材料比普通磨料要貴得多，但從高性能、高壽命、高性價比考慮，使用超硬材料砂帶才是高效率、高效益和高性價比的工具。超硬材料的所謂價格貴，不應成為大力發展超硬材料砂帶產品的障礙，而是應該充分利用其它國家無法比擬的，價格低廉的超硬材料資源優勢。將超硬材料應用于涂附磨具是我國涂附磨具行業的發展方向之一，它必將有一個美好的未來！

參考文獻：

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       2、呂智、鄭超等著，超硬材料工具設計與制造[M]冶金工業出版社，2010；

       3、劉志環、王進保等，超硬材料砂帶的研究現狀和發展趨勢[C]中國超硬材料發展論壇論文集，2008，6：86~89

       4、陳富田、呂智等，兩種磨料柔性磨輪加工性能對比分析[C] 中國超硬材料發展論壇論文集，2008，6：157~169

       5、康士臣，砂輪磨削與砂帶磨削的比較[J]機械工程師，1999，9：48

       6、鄭超、呂智，超硬材料涂附磨具現狀[C]第五屆鄭州國際超硬材料及制品研討會論文集，2008，9：202~208

鄭州瑞特金剛石砂帶有限公司    安建民

鄭州磨料磨具磨削研究所           王光祖

   中國超硬材料網                         劉金昌

2011年7月13日

第一作者簡介：安建民

       安建民，鄭州磨料磨具工業職工大學畢業，鄭州瑞特金剛石砂帶有限公司總經理。主要從事砂帶異型制品開發及營銷管理。于1996年開發的頁片式磨盤項目獲河南省優秀新產品新技術一等獎及鄭州市優秀新產品一等獎。近期開發成功的超硬材料砂帶及制品項目，榮獲2010年中國機床工具工業協會涂附磨具分會涂附磨具技術進步一等獎。