国内外砂带磨削的研究

国内外砂带磨削的研究、发展和应用情况一、砂带磨削技术随着砂带制造水平,特别是磨料涂敷能力的提高,砂带磨削技术已经进入了全新的领域。近年来又发展研制了高磨料锆刚玉,因之出现了高效砂带磨削,显著地提高了砂带切削效率和砂带使用寿命,其材料切除率已经大于100㎜3/mms。并且每毫米宽砂带加工各种钢材,切除工件材料体积已经大大超过200mm3/mm,加工效率甚至超过了常规的车、铣、刨加工,因此,砂带磨削技术的发展,方兴未艾。在美国、日本、西欧等工业发达国家都非常重视砂带磨削技术的开发与应用,因此,砂带磨削机床与砂带生产与日俱增。到1977年美国砂带磨床的总数已突破4000台,包括砂带抛光机在内已达58000台上。目前,日本、美国砂带与砂轮的产量已接近1:1。我国砂带磨削是五十年代末期开始应用,由航空工业部门引进国外仿型窄砂带磨床加工发动机叶片开始的。近几年来,随着我国工业发展和国外新技术引进以及砂带磨削技术和砂带制造技术的不断发展,砂带磨削技术发展也加快了速度。如北京市胶合板厂、上海印刷机械厂、沈阳市大理石厂以及沈阳市陶瓷分厂等单位对非金属材料进行砂带磨削试验都取得了较好的效果,我国机械行业也有了设计研究砂带磨床的专业队伍。沈阳市机电设计院于1982年设计的带锯连续抛光机和橡胶板砂带平面磨床已分别在上海与沈阳成功地用于生产。沈阳磨床厂砂带磨床研究所研制的叶片砂带磨床和300x100mm砂带平面磨床、无锡机床厂生产的无心外圆砂带磨床、北京第二机床厂生产的凸轮轴和凸轮表面砂带抛光机以及天津、沈阳、郑州等地生产的各种砂带都为我国机械行业砂带磨削技术发展作出了有益的贡献。但是,我国砂带磨削技术,包括砂带磨床设计与、造砂带制造技术,与工业发达国家如美国、日本、西欧相比较,差距很大。在机械行业中,砂带专用机床还一比较少见;常见的是装在各种机床上的砂带磨头,从技术程度上来说,还是比较低档的。砂带磨削技术近加3年内在国内外取得长足进步与这项技术的固有特点有密切关系。1.极高的磨削效率据国外报导,每毫米宽砂带每秒钟可切除钢材体积大子10m气每毫米宽砂带可切除钢体积已显著超2000mm3/mm。美国埃克姆公司使用平面砂带磨削1200mm宽不锈钢板,每分钟送进100mm,切深可达3.lmm;另外,由于砂带磨削机械效率可达95%左右(车削加工机械效率约为65%左右),且准备时何少(换砂带只要一分钟左右,且不需平衡),因而,其生产效率是其他磨削方法无法比拟的。2.有较高的表面加工质量由于这种工艺方法高切除材料,已经导致相对的“冷’,磨削;这种方法有较为敞开的工作条件,砂带高速运动,加快环境空气对流,能使大部分磨削热瞬时扩散;且这种方法本身产生热量较少,即使干磨,也极少产生零件烧伤。据国内多家使用砂带磨削的报告,砂带磨削可容易地达到Ro3.2~Rol.6um,最高达到Ra1.6~Ra0.2um。一般形状误差亦可达到设计要求。3.通用范围广通用范围广是这种方法最为突出的特点。一个砂带磨头装在某种机床上就可发挥某种机床的磨床作用,例如,装在一台具有较高精度的大型龙门刨床上,即差不多相当于同规格的龙门导轨磨床;装在一台立车_,即差不多相当子同规格的立轴圆台平面磨床。这对于小批量多品种大型零件的加工所产生的经济效益是难以估量的。4.加工很多其他加工方法无法加工的零件可磨削复杂型面、超大型平面、大而薄壁的套筒、重型轴类、轧辊、钢带、盘圆钢材,各种具有不规则外形的五金工具等;另外,还可磨削其它方法很难加工的材料,如金属材料电工纯铁、不锈钢、耐热钢以及硬度HR07O以上的淬硬钢,非金属材料皮革、木板、毡类、橡胶、陶瓷、玻璃以至红兰宝石等这种方法的缺点就是干磨粉尘大,用成型接触轮磨削噪声大等。二、砂带制造砂带最佳设计一般应符合下列条件:磨削量大、加工表面质量好、砂带寿命长,这也是强力磨削砂带的几个一般要求。磨料是砂带的重要构成要素。除了传统的氧化铝和碳化硅之外,在国外,强力磨削砂带几乎都使用锆刚玉。近来用沉淀而后烘千制出了一种刚玉磨料,其韧性较错刚玉有了进一步改善,硬度也稍有增加。这种磨料比传统磨料更纯,是一种无裂缝结晶体。除了磨料本身之外,砂带不像砂轮,它在使用中不可能修整作业面,因此,砂粒形状及其在作业面上的分布状态就成了直接影响砂带磨削特性的重要因素。显然,具有图3(b)分布形态的砂带要比图3(a)的切削性能锋利得多。为了获得如图3(b)的这种分布形态,国外研制了磨料静电涂敷方法.这种方法施加高电压,借助电磁力场嵌入磨料。由于静电涂敷方法可使绝大部分磨料尖顶朝上｛图3(b)〕。电光分析及其自动记录检验表明,磨料尖顶分布是不均匀的(图4)。因此,在新砂带使用初期,那些高的砂粒顶端,由于承受过载而很快脱落或爆裂,`使得磨料涂层厚度降低肋界以上,不可避免地使被磨零件尺寸与现状产生误差。国外砂带制造厂商采用一种称为校平法解决这个问题。将新砂带在试件上进行跑合,直到将高的磨料顶尖异平。国内大多数用户是用新砂带进行粗磨,使用过的砂带进行精磨,这是一种很有效益的方法。磨料颗粒的涂敷形态对砂带使用性能和砂带寿命有重大关系。通过涂敷制作涂层(make-coast)和粒度涂层(size-coat)将磨料按一定密度固定在砂带衬底上,有单层涂致和多层涂敷分别如图5(a)和(b)所示。单层砂粒磨损脱落，砂带即告报废,寿命短;而多层砂毅秘带却可弥补这个缺箔,上层砂粒磨钝后爆裂或脱落,形成新的可用约磨料层,因而寿命较长。当然,由于是多层磨料砂带厚度增加,尤其是粗粒度砂带,与单层砂带相比,就会失掉砂带柔软性这一主要优点,如果砂带变得过厚,几乎难以使用。为了克服上述缺点,日本又研制出另外两种新型磨料涂敷砂带如图6(a)和（b）所示。图6(a)是复合磨料,用有机粘结剂将数十顺磨粒固化为球形磨料,再固定在衬底上。这种有机粘结剂强度较弱,球形复合磨粒间有足够间隙。因此在使用中,球形复合磨料上的砂毯一经磨钝即自行脱落,会产生自锐作用。这种砂带,既保持了单层砂带的柔软性,又保持了多层砂带寿命长的优点。图6（b）是将磨料砂粒木量涂敷在软木颗粒上,然后再将软木颗粒粘结在衬底上。这利`软木砂带具有很高的弹性,是其它几种砂带无法比拟的。用来作金属、非金属材料的抛光,研磨去飞边毛刺,用途越来越广。与单层砂带相断寿命大约提高功倍,加工光洁度也明显提高,砂带对磨削量的影响如图7所示。单层涂敷砂带在使用初期,有较高的磨削能力。砂粒磨钝,磨削能力急剧降低,、零件光洁度也急剧恶化。复合磨料可较长时间保持较高磨削能力,因而光洁度也可较长时间保持施定。砂带寿命较之单层砂带长3~4倍,多层砂带寿命则介于两者之间。其它影响砂带寿命的因素还有:衬底、粘结剂和砂带拼接形式。衬底,尤其是高效砂带衬底材料丰要是用聚醋织物,其纵向抗拉强度大,可以毫无困准地容许传递工100kw或更大动力;磨削过程要求粘结剂有相当高的热机械稳定性和完美的防水性能,多用树脂粘结剂。砂带接头有直边接头拼接和正弦波形接头拼接。都有缺点:一是高级磨削时容易拉断,二是拼接不当,容易引起机械—工具—工件系统振动。最好是应用无接头砂带,目前正在推广普及。三、磨削工艺`工艺除了工件打光或倒角等无严格公差要求场合外,大都使用有接触元件(导向板、接触瓦和接触轮)的砂带磨削。接尼、布;:又有使用钢或铝制接触轮的所谓刚性磨削和使用包有橡胶接触轮的所谓柔性磨削。前者主要用于大材料切除率的粗磨,而后者则主要用于高表面质量的精磨。接触轮直径越小,金属切除率越高。内为直径小,接触面积小,接触压力大,能使砂带磨料更好地切除金属。橡胶接触轮硬度也是影响金属切除率和表面加工质量的主要因素,一般来说,其硬度越硬,金属切除率越大,减振效果越差,因而加工表面质量亦越低,加工表面残余应力亦越大,因此只适于粗磨。一般推荐邵氏硬度50度以下的软橡胶接触轮作精磨用,65度以上作粗磨用。接触轮的几何形状及其运动精度是对砂带磨削好坏的重要影响因素,关系到被磨件的表面质量及砂带运动平稳性,最好对其进行动平衡,至少要静平衡。_磨削方式可分为恒力磨削和恒进给磨削两种。前者是为了获得稳定加工质量通常使用不变的法向压力,后者在按个磨削过程中,单位时间的材料切除率不变,因而表面加工质量和切削力则是变化的。磨削参数的选择对工件表面光洁度和加工效率以及工件的几何形状误差和尺寸精度有更为重要的影响。为了获得较高的表面光洁度和尺寸精度,往往提高砂带线速度。这样,在单位时间内进入磨削区的砂粒增多,有叔子提高表面光洁度,又可缩短砂粒与土件的接触时间，减少了磨削热,这一点,对干磨尤为重要。但是,砂带线速度太高,对其承受拉力及运动平稳性也会产生不利影响。如果在场地允许的情况下,可尽量选用周长较长的砂带,这样可使同一砂粒在单位时间内减少磨削次数,也有利于延长砂带寿命和扩散发热量。目前国产砂带缘速度不超过30m/s。一般来说,断定砂带寿命终了的主要标志是工件表面出现局部退火;但当金属切除率降足到一个预定值该也常用来表示更换砂带的时间已到。在粗磨时,以提一高生产率为主要着眼点,可适当提高工件线速度和进给量。但太高,由于工件单位面积上工作磨粒减少而使粗磨表面高低不平,磨痕粗糙,加工表面色调不匀,增加粗磨工作量;而精磨则以获得理想表面质量(表面光洁度和几何精度)为主要着眼点,则应选择适当的工件线速度和进给量。要想获得理想的砂带磨削质量,需要控制表面预加工状况,尤其是不得有啃刀现象,放磨量根据表面预加工状祝、面积大小和精加工要求,单边留0.1~0.3mm。预加工质量越差,精磨的磨削时间越长。接触压力根据机床刚性、砂带衬底抗拉强度、工件材料及热处理状况、精度尺寸及表面光洁度要求而定,在30~250N范围内选择。由于国内专用砂带磨床还较为少见,一般都未配备专用测力装置,因此,接触压力以及吃刀量均根据磨削米花鉴别,粗磨时,火花粗耸明亮,大概有效磨削深0.05~0.08mm精磨时,火花细短较暗,有效磨削深约0.02~0.03mm;最后还可附加1~2次行程无火花或略显光花的磨削,有效磨深在.01mm以内。四．砂带磨削技术的应用随着砂带磨削技术的飞速发展，它在制造加工领域正扮演着越来越重要的角色。目前砂带磨削技术在世界先进工业国已经得到了广泛的应用，就拥有量来说，已逐步接近砂轮磨床，其产值比美国49:51德国45:55日本25:75英国,瑞士等国的发展也很快。同时砂带磨削技术在国内许多单位也得到了较广泛的推广应用$解决了很多生产与工程实际问题。砂带优越的磨削性能和灵活的工艺特性决定了它具有极其广泛的应用范围，从日常生活到工业生产的各行各业，砂带磨削几乎遍及所有领域。其应用形式之多样，范围之广泛是其他任何一种加工方法所不能比拟的。具体表现在：（1）砂带磨削几乎能磨削一切工程材料。除了砂轮磨削能加工的材料外，还可以加工诸如铜.铝等有色金属和木材.皮革.塑料等非金属软材料。特别是砂带磨削的“冷态”磨削效应使之在加工耐热难磨削材料时更显出独特的优势，因此，也被国外工业界称为“万能磨削”的一种高效精密加工方法。（2）砂带磨削能够加工表面质量及精度要求高的各种形状的工件。砂带磨削不但可以加工常见的平面.内外圆表面的工件.还能以极高的效率加工表面质量及精度要求都较高的大型或异形件：如大面积板材的抛磨加工其加工宽度为50-2000加工厚度0.4-150mm生产率高达1000m2/h;金属带材或线材的连续抛磨加工;长径比很大的工件内.外圆抛磨;复杂异形工件的抛磨等.(3)砂带磨削设备形式多样,品种繁多.其可在各种通用型砂带磨削设备上进行.如手提式砂带机,万能砂带机,台式砂带机,外圆砂带磨床.平面砂带磨床.无心砂带磨床.内圆砂带磨床和专用的砂带磨床等等。.参考文献[1]W.Kong，H.K.Tongshoff,J,Fromlowitz,P.Dennis”BeltGrinding”《CTRPAnnalsManufacturingTechnology》Volume35/2/1996[2]杨桦“大型刨床用砂带磨削头”《机床》No.5，1986