1 前言

　　超硬材料涂附磨具是指用粘結劑把超硬材料磨粒粘附在柔性可撓曲基材上的磨具。

　　磨削加工是所有加工方式中磨料消耗最大的部分。金剛石和CBN產量的增加，為加快工具的發展提供有力的材料支撐，國家十二五規劃綱要中再次明確指出要“要建設資源節約型、環境友好型社會”，迫切要求工業生產改變傳統的粗放型加工方式，轉變為環境友好、資源節約的集約型加工方式。

　　由于生產設備、原材料價格、制造水平等諸多因素的影響，超硬材料涂附磨具在我國的應用是少之又少。可是，在工業發達國家，由于對環境保護的重視，以及有生產技術基礎，且產品品種齊全，在很多領域得到了應用，有的企業生產已具規模。

　　世界著名的磨料磨具公司，如美國3M、NORTON公司的產品目錄中有大量超硬材料磨具產品，從汽車車身的拋光到發動機曲軸、凸輪軸的加工都是用高檔超硬材料砂紙和聚酯薄膜砂帶和圓片進行的。圖1是3M公司超硬材料涂附磨具。

　　“21世紀是金剛石的世紀”【1】，超硬材料的應用必將擴大，超硬材料涂附磨具是目前最有潛力和發展前景的發展方向之一。采用金剛石或CBN制作的砂帶、柔性磨輪、磨片等柔性超硬材料工具必將逐步替代目前市場上大量使用的剛玉、碳化硅工具。
 
　　2涂附磨具的分類

　　按磨粒材料可分為金剛石和立方氮化硼涂附磨具。

　　按加工方法可分為電鍍和樹脂超硬材料涂附磨具。

　　樹脂超硬材料涂附磨具又分為涂布型和點膠型。

　　按用途可分為砂帶、砂帶圈、柔性磨輪、研磨圓片、拋光片和軟銼刀等等。

　　金剛石涂附磨具用于加工非鐵金屬、玻璃、陶瓷、寶石等硬質材料。

　　立方氮化硼涂附磨具主要用于鋼件，主要是各種砂帶磨床用立方氮化硼砂帶。

　　3 三大要素

　　涂附磨具制造中常涉及到的三大要素是基體、磨料和粘結劑。這三種要素中任一要素的改進，都會使涂附磨具產品性能發生變化。

　　基材是涂附磨具磨料和粘結劑的承載體，是提供磨削或拋光加工的基礎材料。基材主要分4種：紙基、布基、復合基和無紡布。

　　現在布基材料的種類有棉、麻、人造纖維、合成纖維和聚酯纖維等。近十多年來，在大面積強力磨削方面大力發展了人造棉和聚酯纖維布，特別是后者，使用它作為砂帶和其它涂附磨具基材是一趨勢。

　　無紡布是將天然纖維、合成纖維分別或混合制成一種纖維網，通過加熱、加壓或粘合的方法形成的寬幅大卷。它必須粘在布基或紙基上才能制成砂帶或無紡布輪。

　　值得注意的是國外使用聚酯薄膜基材制造超硬材料砂帶、研磨片、拋光片在磨削難加工材料具有明顯優勢。可以認為，有了聚酯薄膜為基材，超硬材料涂附磨具才將其應用范圍擴大和延伸到精密和超精密研磨拋光領域【2】。

　　無紡布是將天然纖維、合成纖維分別或混合制成一種纖維網，通過加熱、加壓或粘合的方法形成的寬幅大卷。它必須粘在布基或紙基上才能制成砂帶或無紡布輪。

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

　　天然磨料有石榴石、天然剛玉、天然金剛石等。

　　人造磨料有剛玉、碳化硅、人造金剛石和立方氮化硼等。

　　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，拋光類的可選用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∕270、270∕325、325∕400；屬于拋光類的可選微粉級的超硬磨料：W40、W20、W14、W10、W7、W5、W3.5、W2.5、W1.5、W1.0、W0.5。

　　粘結劑是起粘結磨料和基材的作用，使磨具具有一定的形狀和強度。涂附磨具中的粘結劑一般由基材處理劑、底膠、復膠等構成。涂附磨具所使用的粘結劑主要有動物膠和合成樹脂等。酚醛樹脂粘結強度高、耐水、抗酸、耐候性好，尤其是水溶性酚醛樹脂的使用，使之成為涂附磨具產品的最主要的粘結劑之一。納米SiO2∕酚醛樹脂粘結劑可成為生產涂附磨具的第二大主要材料。發達國家制造涂附磨具所使用的粘結劑，專用性日趨細化，產品不同，使用的粘結劑也不同。

　　4金剛石砂帶的應用

　　金剛石砂帶按照結合劑不同，分為金屬結合劑和樹脂結合劑金剛石砂帶。西方工業發達國家已有幾家公司產品具有較齊全的種類，包括不同規格尺寸、不同粒度，并配以不同工作層顏色以區分粒度，表1為瑞士某公司不同表面形狀的金剛石砂帶產品【3】。

　　4.1 汽車玻璃磨邊用金剛石砂帶

　　玻璃磨邊主要采用砂帶磨邊和砂輪磨邊兩種方式。砂帶磨邊具有設備要求相對較低，玻璃損傷小，且能用于異形玻璃加工，特別是用于汽車玻璃加工具有無可比擬的優勢，但是砂帶使用壽命相對較低。

　　由于金剛石砂帶在玻璃磨邊加工中具有不可替代的優勢，國外大多數廠家都采用金剛石砂帶作為汽車玻璃磨邊工具。然而，國內由于金剛石砂帶及設備技術不成熟，而進口金剛石砂帶和設備價格昂貴，導致很多廠家仍然采用碳化硅砂帶進行磨邊。

　　碳化硅砂帶用于玻璃磨邊，由于使用壽命短，需要頻繁更換，且加工效率低、表面質量差，在玻璃加工連續生產線生產中是極為不利的。而采用金剛石砂帶，每副砂帶更換次數從少于30min/次提高到72小時/次，從而大大提高了整體生產線的工作效率。表2為金剛石砂帶和碳化硅砂帶的使用成本對比。

　　表2 使用不同類型磨邊砂帶生產55萬m2汽車玻璃相關成本對比

砂帶類型	單位售價 （元∕條）	用時（天）	工具數量（條）	工具 成本 （萬元）	人工水電消耗（萬元）*	相關成本合計（萬元）	相關單位成本（元∕m2）	磨邊質量
碳化硅砂帶	10	979	94000	94	2575	2669	48.5	差
金剛石砂帶	2500	365	230	57	960	1017	18.5	好

　　*注：按照每條生產線運營人工數量為400人，人工工資及水電消耗按照每月每人2000元計。

　　由表2可見，雖然金剛石砂帶制作成本高，單位售價遠遠高于碳化硅砂帶，然而由于碳化硅砂帶使用壽命短，更換頻率高，實際消耗工具成本以及單位成本消耗成本都遠遠高于金剛石砂帶。因此，金剛石砂帶在汽車玻璃磨邊生產中具有不可比擬的性價比優點，是新一代節能、環保的高效能產品。

　　2010年我國汽車玻璃消耗量突破8000萬m2，且近年來每年都以20%以上的比率增長，表3為估測的國內汽車玻璃磨邊金剛石砂帶需求量。

　　表3 國內汽車玻璃磨邊金剛石砂帶需求計算表

全年汽車玻璃 加工量（萬m2）	玻璃磨邊 總線長（億m）	每副砂帶磨削 線長（萬m）	每年砂帶 消耗量（條）	每年砂帶需求 總值（萬元）
8000	3.4	2	34000	8500

　　4.2 軋輥耐磨涂層加工

　　瓦楞輥是瓦楞紙板生產線上的關鍵部件，它的楞型合理性和制造精度、耐磨性能、使用壽命和運行速度是衡量其品質和經濟性的主要技術指標，直接關系企業的產品質量和經濟效益。

　　為提高瓦楞輥的耐磨性和表面硬度，滿足瓦楞紙板生產線向高速化方向發展的需要，往往需要采用先進熱噴涂技術在瓦楞輥表面噴涂一層WC-Co金屬陶瓷涂層。

　　一般涂層厚度為250μm，噴涂后涂層表面粗糙度Ra為8μm，Rt（最大輪廓不平度）為70μm，因此，一般要除去100μm左右的表層，使表面達到所需要的精度和光滑度。先用200#金剛石砂帶去除70～75μm，不過由于金剛石砂帶價格昂貴，為了降低加工成本，目前此工序也有使用砂輪研磨的；剩余25～30μm則必須采用400#金剛石砂帶進精磨，使用的研磨設備在國外被稱之為“金剛石薄膜超精密磨床”。

　　4.3 硅鑄塊表面研磨和倒角

　　為了提高研磨效率，減少研磨時硅鑄塊表面損傷，采用金剛石砂帶無疑是最好的選擇。采用金剛石砂帶只需要一種粒度號即能完成所有工序，并具有以下顯著優點：減少工序數量，處理時間短；改善表面粗糙度，提高成品率；削減人工費；易于維修。金剛石砂帶除了用于硅鑄塊表面研磨，還能用于硅鑄塊倒角。

　　5 CBN砂帶的應用

　　采用CBN砂帶具有優越的使用性能和性價比優勢：

　　5.1 精密軸承的研磨

　　精密軸承成形后表面研磨拋光，往往需要采用砂帶。然而由于成品的形狀精度和表面光潔度要求很高，采用普通磨料砂帶，表面保形性差，磨料易于飩化，飩化后容易積屑發熱，損害表面質量，且砂帶使用壽命低，需要經常更換，加工效率低。而采用CBN砂帶，磨料保形性好，砂帶使用壽命長，減少了停機換帶時間，大大地提高了生產率，具有更佳的綜合性能【4】。

　　5.2 CNC砂帶磨床

　　一直以來，數控砂帶磨床都在采用普通磨料砂帶作為磨削工具，就算采用鋯剛玉、陶瓷磨料等高硬度磨料砂帶，使用壽命仍然很低，砂帶需要經常更換，大大減弱了數控磨床的使用效能。隨著CBN砂帶技術的逐漸成熟，CBN砂帶應用于數控磨床，將會以其超常的使用壽命，良好的加工效率以及加工質量，逐漸取代普通磨料砂帶。

　　6 其它超硬材料涂附磨具

　　其它超硬材料涂附磨具主要包括金剛石研磨片、金剛石手磨塊、金剛石研磨刷等。

　　7 結論與展望

　　7.1 隨著現代機械加工的不斷發展及各種新型材料的不斷出現，對加工精度和表面粗糙度的要求越來越高，其相應的先進的磨削技術和磨具，尤其是涂附磨具向更高效率、更高壽命和超精密的方向發展。

　　7.2 涂附磨具在大規格、異形表面、脆性易碎等工件的表面成形研磨、拋光中具有不可替代的優勢。

　　7.3 普通磨料涂附磨具加工效率、加工表面質量不及超硬材料涂附磨具，使得超硬材料涂附磨具在高精密、高壽命以及自動生產線上等特殊場合具有了用武之地。可以預示超硬材料磨具必將有個巨大的發展空間，前景多美好呀！

　　7.4 我國是世界超硬材料生產的超級大國，原料充足、品種齊全、價值低廉等是我們的優勢【5】。

　　7.5 長期以來，大家都存在一個誤區，認為普通磨料涂附磨具的價格便宜，加工成本低，而超硬材料涂附磨具價格昂貴，使用成本高，實際上，在許多場合，由于超硬材料涂附磨具使用壽命長，加工效率比普通涂附磨具高很多，而且節省了工具更換時間，使得綜合加工效率大大提升，且降低了綜合加工成本，材料加工質量也得到了大幅提高，因而超硬材料涂附磨具具有更佳的綜合加工性能和性價比優勢。盡快走出誤區，多少事，從來急，一萬年太久，只爭朝夕！

　　7.6 砂帶磨削技術經過幾十年的發展，已經進入向現代化發展的新階段。尤其值得注意的是超硬材料砂帶的成功應用，在磨削難加工材料方面，超硬材料顯示出獨特優勢，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，如磁盤、磁頭、錄像機、復印機和光導纖頭等精密零件的磨削拋光。

　　7.7 近年來，我國的汽車工業和機械制造業蓬勃發展，按理需要使用大量的超硬材料涂附磨具，有很大很大的內需空間。但是，國內所有汽車企業，如德國大眾、法國雪鐵龍、美國通用、別克，日本的豐田、本田等均用進口涂附磨具，主要進口美國3M公司的涂附磨具產品，這樣的局面何時休！【6】

　　7.8 目前美國3M公司、法國圣戈班（Saint Gobain）/ Norton、德國金世博（Klingspor）等國際知名公司的超硬材料涂附磨具產品種類繁多，性能優異，代表了當今世界超硬材料涂附磨具研究和制造的最高水平。中國何時能夠趕上應該有一個時間表。

　　7.9 根據超硬材料砂帶規格比較小、尺寸精度比較高的特點，設備應小型化、自動化。包括上膠機、靜電植砂機、復膠機、柔曲機、分切機和點膠機等。

　　參考文獻
　　1王光祖，王蕓，淺談21世紀是中國金剛石世紀【J】超硬材料工程，2010.1
　　2鄭超 呂智，超硬材料涂附磨具發展現狀【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.
　　3謝志剛，劉志環等，超硬材料涂附磨具的應用前景和研究現狀(上)[J]超硬材料工程，2011.2：42～46.
　　4謝志剛，劉志環等，超硬材料涂附磨具的應用前景和研究現狀(下)[J]超硬材料工程，2011.3：37～41.
　　5安建民，王光祖，共鑄超硬材料砂帶“剛”“柔”組合的輝煌【C】海峽兩岸超硬材料技術發展論壇論文集，2010.10：275～278.
　　6呂智 鄭超等，超硬材料工具設計與制造【M】冶金工業出版社，2010，204～222.