金剛石砂帶的工程應用

王光祖，崔仲鳴，馮常財

(1.鄭州磨料磨具磨削研究所，河南 鄭州 450001； 2.河南工業大學機電學院，河南 鄭州 450001)

1 引言

砂帶磨削是一種幾乎能加工所有工程材料的磨削方法。砂帶具有柔性和磨刃鋒利的特性，砂帶磨削具有冷態、高效、彈性等優特點，所以被稱之為“萬能磨削”。砂帶磨削與砂輪磨削相比表現出質量好、生產成本低、經濟效益好等效果，已經成為與砂輪磨削同等重要和不可缺少的加工方法[1]。隨著近年來數控砂帶磨削技術及設備出現，使砂帶磨削技術達到了高效和精密完美結合的一個高峰，進而形成一個較為完整和獨立的加工技術領域。

超硬磨料具有優異的磨削性能，上世紀從70年代開始超硬磨料砂輪得到工業應用，引起了磨削技術的飛躍式發展，近年來隨著制造技術的進步，金剛石磨料砂帶制造技術日趨成熟，應用也越來越廣泛。金剛石磨料砂帶主要應用于普通磨料難以加工的難磨合金、復合材料和硬脆材料等加工領域。

金剛石砂帶類別一般以其結合劑種類劃分，目前常用的有電鍍、金屬、樹脂結合劑三種砂帶。其中電鍍金剛石砂帶是以電沉積方法并采用鎳金屬固結磨粒的，磨粒把持力最強、磨料工作鍍層最為均勻，適合用于精密磨削和大負荷磨削。樹脂結合劑強度最低，但具有制造簡單和柔性好的特點，常用于拋光加工。

2 用于空間曲面的高精度磨削

對于變曲率空間復雜型面，采用砂輪磨削非常困難，而砂帶磨削適應性強、工藝靈活性好，現在已經逐漸成為空間復雜曲面精密磨削及拋光的有效加工手段[2]。

如船用螺旋槳、航空鈦合金葉片等，都是屬于具有復雜空間曲面的典型零件,其設計和制造水平影響了整機的工作性能、效率以及噪聲等。這些表面由復雜空間曲面組成的工件，其型面屬于復雜面，設計與制造難度較高,對其加工方法及裝備的研究一直是制造業中有待攻克的難題[3]。

隨著機床制造水平提高和數控計算機技術的發展，目前國內外許多企業開始采用各式各樣的多軸(三軸以上)數控加工機床并通過動力學仿真系統規劃刀具路徑和軌跡仿真，實現空間自由曲面的高效率高質量加工[4]。如在航空航天用的鈦合金曲面零件的磨削中，采用多軸數控砂帶磨削(圖1)。普通磨料砂帶磨削時表現出磨削效率低壽命短、而且要頻繁更換砂帶等缺點，重慶大學梁巧云等[5]研究采用電鍍金剛石磨料砂帶磨削，通過優化磨削條件參數，磨削情況得到改善，砂帶使用壽命成倍提高，葉片磨削精度±0.05mm，表面粗糙度均在Ra0.4μm以下，實現了金剛石類的新型超硬磨料砂帶在航空航天領域精密磨削加工中的應用。電鍍金剛石砂帶(圖2)，作為一種新型的柔性磨削工具，克服了傳統砂帶壽命短、耐磨性差、抗拉強度小等缺點，具有一系列傳統磨削工具無法比擬的優良性能，被廣泛應用在玻璃、陶瓷、單晶硅、多晶硅、合成材料、硬質合金以及鋁合金等多種硬脆材料復雜型面的磨削加工領域中[6-10]。

圖1 重慶大學多軸數控砂帶磨床

圖2 電鍍金剛石磨料砂帶

3 用于鋼化玻璃磨邊

鋼化玻璃通常是由普通玻璃通過物理或化學的方法使玻璃表層產生壓應力而制成的，與普通玻璃相比，鋼化玻璃玻璃表面呈預壓應力狀態，以此阻止玻璃表面的微裂紋擴展，可以達到玻璃增強的目的[11]。這種琉璃機械性能大幅提高，并具有熱穩定好的優點，廣泛用在汽車制造、建筑以及電子、航空航天等高科技領域行業。但鋼化玻璃屬于脆性材料，采用傳統的機械加工方法容易引起玻璃崩邊甚至爆裂。目前的加工方法多是采用金剛石磨料工具，以磨削的方式進行切割、鉆孔和磨邊等，用金剛石砂輪磨除是以脆性崩裂伴隨輕微的黏性變性來實現的[12]，由于固結磨料砂輪磨削力不容易控制，當玻璃承受的載荷稍微超過彈性極限時，就會發生斷裂性破壞，造成玻璃爆邊現象發生，從而影響玻璃產品質量。

傳統磨料砂帶磨削效率比較低，隨著金剛石砂帶的出現使對玻璃的柔性磨削應運而生，王生[13]等采用電鍍金剛石砂帶對鋼化玻璃進行磨邊試驗，研究磨削工藝因素對磨削質量和磨削效率的影響，試驗采用KGS電鍍金剛石砂帶，金剛石磨粒(SMD40)、鍍層金屬鎳(99. 99%)，磨削對象是采用淬火制成的鋼化玻璃。鋼化玻璃力學性能見表1。研究結果表明，影響磨削效率的因素是砂帶粒度和壓力，采用比較細的砂帶和較輕的壓力可以獲得好的磨削表面粗糙度，過大的線速度會使砂帶磨損嚴重。

表1 鋼化玻璃力學性能參數

4 用于磨削氧化鋁陶瓷

氧化鋁陶瓷性能優異、應用廣泛，具有穩定的化學成分和堅固的結構，性能表現為機械強度高、硬度高、抗壓強度高、斷裂韌性低、化學性能穩定和高耐磨性等特點[14]，可以用來作為軸承、刀具、模具以及作為生物陶瓷、光學陶瓷用于高技術領域，是一種在工程領域極具潛力的新型材料。但是由于高的硬脆性和耐磨性，使其難以加工，其加工困難程度嚴重地阻礙了其應用領域的拓展[15]。陶瓷的加工主要是采用金剛石工具車削和磨削來進行，但由于刀具和磨具缺少柔性，加工過程中不可避免產生機械力的沖擊和熱應力，會造成加工表面產生凹坑和裂紋等缺陷[16]。由于砂帶具有柔性的特性，磨削過程中砂帶的柔性降低了磨粒的切入深度和切入時的沖擊性，大大降低了陶瓷磨削時的裂紋和爆裂情況的發生，可以獲得較好的表面質量，同時也不必過高要求加工設備的精密程度，因此金剛石砂帶的磨削可以被視為“柔性接觸磨削”。由于電鍍金剛石砂帶對磨粒的把持強度高，且制造精度高，人們開始將電鍍金剛石砂帶用于對陶瓷材料的精密磨削之中。

高超等對采用電鍍金剛石砂帶磨削加工氧化鋁陶瓷開展了實驗研究[17]，磨削的試件為高純度氧化鋁工程陶瓷，采用正交實驗方法研究了磨削工藝參數對磨削效率的影響以及電鍍金剛石砂帶結構參數對磨削表面粗糙度的影響。結果表明，隨著砂帶線速度增加，材料去除率增加，最高的磨除率達到60g/s以上，但砂帶線速度過大，會出現磨粒脫落磨削效率下降的情況；砂帶的材料去除率隨著磨削壓力的增大而提高，最高達到60g/s以上，但同樣當磨削壓力過大又會造成金剛石磨粒的破碎和脫落，反而使磨削去除率明顯下降；砂帶粒度對粗糙度影響最為顯著，粒度越細磨削得到的表面越光滑。

5 用于磨削瑪瑙、玉石、石英等

在瑪瑙、玉石、石英等表面邊緣，高壓控制器陶瓷元件，天然石材面等材料拋磨，單晶硅、多晶硅切片表面研磨以及倒角磁帶機核心部件磁頭加工等方面，金剛石砂帶也被廣泛應用。用磨盤或磨輪等剛性加工工具加工時難免產生剛性碰撞，從而產生肉眼無法觀察到的細微裂紋。普通砂帶頻繁換帶也很難對這些硬脆制品進行完整的磨削。日本的ALTA金剛石砂帶在單晶硅的磨削和倒角方面可以達到Ra0.07μm，可消除表面有害裂紋，將生產效率提高三倍。在加工水晶和高檔裝飾材料時，應用金剛石砂帶，磨削精度高且切除均勻，細粒度如2000#以細的樹脂結合劑金剛石砂帶可以在半導體硅晶片和天文光學玻璃等各類異面進行超精密加工與拋光。

6 結語

(1)機床智能化水平的提高以及對高精度磨削的要求，為金剛石砂帶的發展提供了廣闊的市場前景。

(2)電鍍金剛石砂帶具“柔性接觸磨削”特性，磨削硬脆材料和非鐵基材料時表現出高效、精密、高質的優點，在難加工材料的加工和精密加工等領域得到成功應用。

(3)金剛石砂帶在磨削硬脆材料時，相比普通磨料砂帶磨削效率大幅提高。隨著新材料的發展，金剛石砂帶應用的市場前景十分廣闊。