超硬材料涂附磨具的特点及应用

超硬材料涂附磨具的特点及应用

2022-02-10 10:40:25 0

摘  要

本文介绍了金刚石、立方氮化硼砂带所具有的特性及国内外发展情况。因超硬材料砂带具有高效、精密、节能、节材、环保的特点。加之我国既是超硬材料大国,又是机械制造大国,具有开发和应用超硬材料涂附磨具的优势,目前我国超硬材料砂带已研制成功并大规模量产,为开展难加工材料和复杂型面的磨削试验和加工创造了条件,促进我国高端装备制造业的发展。

作者:安建民、王光祖、刘金昌

来源:中国超硬材料网

摘  要

关键词:金刚石砂带、CBN砂带、砂带磨削、高效、节能、环保


1、引 言

高效、精密、节能、节材、环保是现代制造业发展的总趋势。超硬材料(金刚石与立方氮化硼)工具,包括超硬材料砂带,在这个发展过程中扮演重要角色。本文就大力发展超硬材料涂附磨具的重要性、必要性和可行性谈点粗浅的看法。


金刚石、立方氮化硼(CBN)是目前世界上已知的硬度最高的两种材料(详见表1. 各种物质的莫氏硬度表)。由于其硬度高、耐磨性好、导热率高等,是普通磨料(刚玉和碳化硅)无法比拟的。


用超硬磨料加工硬脆和硬韧性难加工工件时,其消耗量极小,而且可以较长时间保持其锋利度和磨具外形,不仅可以保证工件的加工精度,而且大大提高了加工效率,同时解决了对环境的污染问题,符合国家在制造业中所推行的节能、节材、环保、低碳等发展战略。

西方发达国家从解决难加工材料的磨加工、提高磨削效率和对人体健康和环保的目的出发,早已兴起使用超硬材料制造涂附磨具。目前美国、德国、英国、瑞士等国家均有相关产品的生产与销售,而且形成系列超硬材料涂附磨具产品。


2、超硬材料砂带的现状

超硬材料涂附磨具是指用粘结剂把超硬材料(人造金刚石或立方氮化硼)磨粒粘附在柔性可挠曲基材上的磨具。

随着我国冶金工业和现代机械加工产业的快速发展,各种新型材料的不断出现,高端装备制造对加工精度和表面光洁度要求越来越高,涂附磨具亦向高效率、长寿命和超精密的方向发展。


因此,超硬材料涂附磨具的研制和应用悄然兴起,在硬质合金、电子、石材、工程陶瓷、玻璃、宝石、建材、不锈钢、淬火钢、高速工具钢、高温合金(钛合金、镍基和钴基合金)和复合材料(碳纤维增强塑料、特种玻璃纤维增强塑料)等难加工材料的特殊加工领域得到了广泛应用(见表2.高速钢中碳化物与几种磨料的显微硬度比较表)。


尤其值得注意的是,在磨削难加工材料如硬质合金、石材、陶瓷、铁基合金等方面,超硬材料砂带则显示出其独特的优势,从用作一般精度要求的工件磨削发展到高精密、超高精密零件的磨削。

由于超硬材料砂带的应用,使砂带工作寿命大幅度提高,砂带磨削领域迅速扩大,可用于湿磨、干磨、高速磨、重负荷磨削以及高精度精密零件磨削抛光,大大丰富了作为享有“万能磨削”美誉的涂附磨具的应用范围。

3、超硬材料涂附磨具的结构

超硬材料涂附磨具的四大要素:由基材、磨料、粘结剂以及磨料的排列形式所构成。


3.1  基材:

3.1.1基材是磨料与粘结剂的承载体,是使砂带具有可挠性的主导因素。基材的主要性能指标有:径向拉伸强度、纬向拉伸强度、径向(纬向)伸长率、纺织布基的网孔致密度等。


3.1.2复合基材:近十年来,在大面积强力磨削方面大力发展了片基带(高速传动带),因其具有厚度的可调节性(从0.5—3.0mm),更好的抗拉强度和较低的伸长率(小于1.5%),耐热性、耐水性好,表面平整。因此用它作为砂带和其它涂附磨具基材是目前的一个趋势。


3.2  磨料:金刚石、立方氮化硼(CBN)。我国超硬材料涂附磨具是近些年发展起来的高新产品,目前尚未有一个系统较完整的产品分类。按磨粒材质不同可分为金刚石涂附磨具和立方氮化硼涂附磨具两大类。


3.3  粘结剂:有树脂粘结剂和金属粘结剂两种。

3.3.1树脂超硬材料砂带与普通磨料砂带在结构上基本相同,是采用粘结剂与磨料混合通过点胶或事先制好图形的模板刮制而成。

3.3.2金属结合剂砂带则采用电镀工艺或其他特殊工艺制造而成。


3.4  磨料的排列形式:这是不同于普通磨料涂附磨具的一个主要特点。形式(图案)有圆点型、X型、箭头型、V型等(见图2、3、4、5)。

之所以将植砂排列的形式(图案)列为超硬材料砂带的一大要素是因为其在磨削过程中有非常重要的作用:

单颗磨粒除本身作为磨削单元外,若干磨粒在植砂图案中共同组成磨削小单元,磨削小单元均匀分布于砂布表面,在工作过程中形成众多锋刃,磨削锋利,同时磨削小单元之间的均匀缝隙形成较大的容屑空间,不但磨屑随砂带转动即时被带走,排屑性良好,避免了磨屑残留造成堵塞,而且可降低磨削温度,保持磨具的锋利和磨削力持久。

超硬材料砂带的磨削效率髙,不仅因为超硬磨料本身,还因为磨料分布方式的特殊性

对于有磨除量要求的磨削工艺,可采用粒度在40#~240#的砂带,砂面磨粒分布图型为箭头形分布基材采用X—WT、Y—WT和PU,具有磨削锋利、效率高、排屑性好、噪声小、粉尘少的特性;

用于精细磨抛工艺,可选用320#~2000#细粒度的砂带,砂面磨料分布图型则采用圆点状分布,基材采用J—WT,其砂带产品具有柔软,排屑性好、磨削温度低、噪声小、粉尘少、加工精度和光洁度高等诸多特点。

超硬材料砂带所用磨料的粒度,必须针对加工条件,加工要求和最佳粒度范围综合加以考虑,一般考虑加工表面粗糙度,加工效率和砂带寿命三个因素。


3.5 磨料粒度的选择因素与方法(见表3)


3.6 磨料粒度标准(见表4)

4、超硬材料涂附磨具的应用

砂带磨削是一种柔性磨削技术,具有磨削、研磨、抛光多种作用的复合加工技术。具有“冷态”效应,磨削精度最高已可达到0.1μm。

金刚石砂带特别适用于硬脆非金属材料和非铁金属的加工,因此广泛用石材、建材、玻璃、特种陶瓷、单晶硅、多晶硅、宝玉石及硅铝合金、硬质合金等硬脆材料制品复杂形面的磨抛加工。


CBN的硬度仅次于金刚石,加之砂带磨削时磨削力小、磨削温度低、磨削比高、化学稳定性好等优势。特别适合对又硬又韧的铁基合金的加工,如钒钛合金钢等特种高速钢刀具的刃磨粗磨加工;耐热钢(钛合金、镍基合金、钴基合金)、不锈钢和高硬度的合金结构钢制成的精密零件的精磨和终磨;因其有磨削力小、磨削温度低的特点,是钛合金磨加工的理想磨具,因不引起机床导轨的变形,更适用于机床导轨、仪表和微型轴承零件的精磨和终磨;复杂型面工件(插齿刀,高精度齿轮,叶片等)的加工;其他淬火工具钢的精磨及对局部热应力和热冲击敏感的各种材料零件的磨削。


超硬材料砂带制品有环形砂带、砂圈、磨片、手擦磨块、磨盘、研磨页轮等(见图8、图9、图10、图11),能加工表面质量及精度要求高的各种形状的工件。不但使用寿命较长,而且磨削效率高。

例如100#电镀金刚石涂附磨具软磨片,加工石材的使用寿命是树脂金刚石软磨片的8-10倍;

CBN砂带用六轴联动砂带磨床加工耐热不锈钢汽轮机叶片,一条CBN砂带可连续加工18-20小时,并且工件表面质量好。

而采用VSM产718普通堆积磨料砂带,一条仅可连续加工2个小时;

金刚石砂带及其制品抛磨表面喷涂碳化钨材料的轧辊等工件,抛磨效率高,工件表面粗糙度均匀一致。

5. 超硬材料砂带的发展趋势

5.1.专用粘结剂的开发。由于超硬材料砂带不同的使用领域对粘结剂性能要求不同,因此针对具体使用领域专用粘结剂的开发,将是必要的;


5.2.微粉级超硬磨料植砂的研发。必须有效的控制磨料的分布均匀性、定向性。美国公司采用点胶机制造树脂点胶型砂带,能较好解决磨粒分布均匀性、砂带柔软性等问题,并能节省超硬磨料的用量,降低成本。


5.3.高精密与超精密超硬磨料砂带的研制。目前,精密磨削通常是指加工精度为3~0.3μm和表面粗糙度为Ra0.3~0.03μm的加工技术,超精密磨削则要求加工精度达到0.3~0.03μm,粗糙度达到0.03~0.05μm。由于超硬材料砂带的基本特性,将其应用于精密与超精密磨削是未来的主要方向之一。


6、结论

6.1.超硬材料砂带具有超硬材料“硬”和涂附磨具“柔”的双重特性,是“刚”和“柔”的最佳组合。符合现代高速、高效、精密、节材、节能、环保加工技术发展的战略要求,把涂附磨具推向顶峰,具有重要的技术经济价值。


6.2.超硬材料砂带不仅是高科技的涂附磨具产品,也是高附加值高效益的产品,它的质量和水平往往标志一个国家涂附磨具生产加工水平,大力发展超硬材料涂附磨具是可行的,也是必要的。


6.3.我国是世界超硬材料生产大国,2010年人造金刚石产量92亿克拉、CBN年产量2.6亿克拉,品种齐全、价格低廉,货源充足,为大力发展超硬材料砂带制品奠定了可靠的物质基础与保障。


6.4 我国具有庞大的石材开采加工、光学玻璃、宝石加工业、工程陶瓷加工、光伏产业、航空航天、核电风电、高端装备制造等。相信我国超硬材料涂附磨具的研发成功和量产,一定会促进我国上述产业的快速发展。


6.5.超硬材料比普通磨料要贵得多,但从高性能、高寿命、高性价比考虑,使用超硬材料砂带才是高效率、高效益和高性价比的工具。超硬材料的所谓价格贵,不应成为大力发展超硬材料砂带产品的障碍,而是应该充分利用其它国家无法比拟的,价格低廉的超硬材料资源优势。将超硬材料应用于涂附磨具是我国涂附磨具行业的发展方向之一,它必将有一个美好的未来!

 

参考文献:

1、黄云、黄智编著,现代砂带磨削技术及工程应用[M]。重庆大学出版社,2009;

2、吕智、郑超等著,超硬材料工具设计与制造[M]冶金工业出版社,2010;

3、刘志环、王进保等,超硬材料砂带的研究现状和发展趋势[C]中国超硬材料发展论坛论文集,2008,6:86~89

4、陈富田、吕智等,两种磨料柔性磨轮加工性能对比分析[C] 中国超硬材料发展论坛论文集,2008,6:157~169

5、康士臣,砂轮磨削与砂带磨削的比较[J]机械工程师,1999,9:48

6、郑超、吕智,超硬材料涂附磨具现状[C]第五届郑州国际超硬材料及制品研讨会论文集,2008,9:202~208

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