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        淺談靜電植砂及砂帶磨削

        一、靜電植砂簡介

        靜電植砂這個新的工藝方法,從誕生到今天大約有半個世紀,由于它對提高涂附磨具磨削效能特別是砂帶磨削有著特殊作用,國外從上世紀五六十年代起就被許多大型涂附磨具企業廣泛應用。在國內從上世紀七十年代開始,少數企業曾采用靜電植砂用于耐水砂紙的生產,但由于在當時在使用直流高壓上碰到了一系列工藝上難點,使用了短短一段時間后,由于技術和工藝方面沒有得到徹底解決,也就偃旗息鼓了。個別企業使用靜電——重力植砂混合法,勉強保留了靜電植砂這個新工藝。直到上世紀八十年代在國家改革開放和政府的引導下,引進了國外的先進的成套涂附磨具設備,在國外新技術特別是砂帶制造技術的引領下,國內靜電植砂工藝得到了蓬勃而健康的發展。如白鴿、淄博理研都在生產靜電植砂耐水紗布。 

        目前國外有很多廠家都在生產靜電植砂產品。主要有3M、赫美斯、萬特、Mipox、Kovax、Fujistar、日研、鹿牌等。猶以3M產品最為豐富、市場覆蓋率最廣。

        靜電植砂是借助于高壓靜電場力,將微細的磨粒植于高強度薄膜上(如圖1),令磨粒可以定向均勻分布,能提供更高的磨削效率與光亮細致的磨光效果。目前磨粒主要包括氧化鋁、碳化硅、金剛石等。

        靜電植砂的優點在于磨料顆粒定向排列,產品表面銳利,與常規涂覆產品相比,能夠提供更大的切削力。

        靜電植砂砂帶可用于拋光各種金屬輥、膠輥等;另外就是用于市場潛力巨大的汽車制造業,其中有兩大部分:一是車身加工,另一是曲軸、凸輪軸、萬向軸的最后拋光。

        圖1 靜電植砂原理

                   
        二、砂帶磨削簡介  
            砂帶磨削是利用砂帶,按照待加工工件的要求,在一定的機械裝置上,以相應的接觸方式,并在一定的壓力作用下,使高速運轉著的砂帶與工件表面接觸產生摩擦,將工件加工表面的余量逐漸磨除或拋磨光滑的新工藝。砂帶表面的磨粒從微觀來看,就象一種刀尖為圓弧,刃角為鈍角或鈍圓的切削刀具。其圓弧半徑由幾微米到幾十微米,大小與磨粒的材質和粒度有關。由于磨粒的這種幾何特性,在磨削時,切削深度小(切屑厚度薄),一般在0.005~0.05mm左右。所以絕大多數磨粒切削刃是在大負前角條件下對工件進行切削。磨粒在與工件表面的相對運動中,磨粒和工件表面間產生一定的干涉。按照干涉的程度,可區分為三個不同的過程。 
            (1)滑擦 實際上此時開始接觸工件,干涉很少,磨粒只摩擦工件表面,起“滑擦”作用,此時磨粒在工件上滑擦,實際上產生了切除材料的彈性和塑性變形。 
            (2)耕犁 隨著機床進給,切削厚度的增加,干涉增大了,這時磨粒在工件表面上犁出“刻線”,稱為“耕犁”。此時工件材料產生塑性流動,材料產生一個擠壓式的運動,而從磨粒下方向的前面在和兩側擠出,同時切除少量材料。 
        (3)切削 在一定壓力的作用下,當有足夠的干涉并伴隨一定的切削溫度時,開始真正的“切削”,此時在滑動磨粒的前方產生斷裂而形成切屑,有相當快的切除率。砂帶上的眾多磨粒,在與工件接觸的瞬間,一部分磨粒進行切削,另一部分犁出溝槽,還有一些只起滑擦作用,甚至同一顆磨粒的不同部位以及同一部位在不同的加工時間里所起的作用也不同。除此之外,砂帶的旋轉運動又起了擦凈切屑的作用,將前進著的磨粒前方的切屑清除干凈。
        加工材料不同,磨粒切削過程三個個階段在整個磨削過程中所占比例也不一樣。
                   
                    未使用的磨粒                      半自銳的磨粒
                   
                   磨損的磨粒                      砂帶磨削的表面形成原理 
        磨削過程是磨粒切削刃切削金屬的過程,它同機床刀具切削一樣,被磨削金屬也經歷了彈性變形、塑性變形、切削形成等過程,并有大量的磨削力和磨削熱產生。磨削過程中由于磨粒形狀及分布狀態不一,砂帶表面的磨粒存在實際參加磨削的有效磨粒少于其磨粒總數的情況。因而同一時間內磨粒對金屬的滑擦、耕犁和切削作用的大小不同,所得到的效果亦不同。甚至同一顆磨粒的不同部位以及同一部位在不同的加工時間里所起的作用也不同。可見砂帶的磨削是十分復雜的。特別是磨粒切刃的負前角切削過程,切削條件很差,各階段的劇烈擠壓使磨削表面產生嚴重的塑性變形,而且大量塑性變形的金屬不是成為切屑流出,而是仍保留在已加工表面,所以加工表面的硬化現象嚴重,殘余應力較大。由于磨粒的高速運動,加之磨粒切刃較鈍,在磨削區造成較大的摩擦和彈性、塑性變形,磨削過程中會有較大的熱量產生,導致磨削區工件表面溫度上升,將引起工件表面層發生變化。特別是在砂帶磨粒磨損嚴重時,磨削摩擦加劇,產生大量的磨削熱,使工件表層溫度急劇上升,導致表層金屬發生組織變化(如燒傷、裂紋、熱應力等)。這也正是為什么使用砂帶磨削有時仍會燒傷工件表面的一個原因。
            那么在磨削過程中如何延長砂帶的使用壽命,使其能夠持久的研磨力呢?我們將在下一章節繼續探討。
        三、 如何延長砂帶的使用壽命
          砂帶生產工藝對于砂帶基材、磨料、粘結劑及植砂密度等的要求是極為嚴格的,砂帶壽命的過早結束,常常是因使用不當而造成的,下面我們就幾個典型問題進行分析。
        1. 粘蓋
          當一層金屬材料復蓋在磨粒切刃上,即發生粘蓋,此時砂帶表面變得亮晶晶,手摸有滑溜的感覺。粘蓋主要發生在強度較高的金屬材料,尤其以硬而韌的材料更為嚴重。
        ——磨削壓力不足是造成粘蓋的主要原因。對于硬度高的材料,壓力不足使磨粒難以切入工件,并難以使磨粒破碎自銳。
        ——較軟的接觸輪或壓板,即使加上足夠高磨削壓力,那只會使其坍塌嚴重,磨粒難以壓入工件。
        ——較高的砂帶速度,使磨粒在磨削區域的時間不足,切入工件深度變薄,并發熱嚴重。
        粘蓋的發生原因是綜合性的,其解決方法也是綜合性的,也就是說合適的接觸輪或壓板,足夠高的磨削壓力,較低的砂帶速度是解決問題的根本。當然,選擇自銳性好的磨料也是必要的。
        2. 磨鈍
           在磨削過程中,雖然磨粒還全部存在,但鋒利度已經很差了。這是由于磨粒切刃因磨耗而變鈍,這種現象稱做為磨鈍。正常的磨鈍是砂帶壽命的結束,顯然我們這里所指的“磨鈍”是在磨粒尚未消耗完時,主要是砂帶選擇或使用不當而造成的情況。
        ——較軟的接觸輪或壓板難以使磨粒切入工件,從而造成刃部磨平。
        ——磨削壓力的不足同樣易使砂帶磨鈍,而且磨料難以自銳。
        ——當工件較硬時,選擇砂帶的不合適,或者砂帶速度較高,也難以切入工件而磨鈍。
        砂帶的不正常磨損,嚴重影響著砂帶的使用壽命,大大增加加工成本,因而不可忽視。
        3. 堵塞
           堵塞是在磨粒切刃還沒有完全磨鈍之前磨粒間隙就很快被切屑復蓋和塞滿,從而使砂帶喪失其切削能力。
        造成堵塞的原因很多,多因使用、被加工材料和砂帶選擇等的不當而造成的:
        ——接觸輪或壓板太軟,造成磨粒難以切入工件之中,砂帶以磨削狀態為主,加工區溫度因摩擦而發熱,使切屑”焊”到砂帶上,造成堵塞。解決方法應采用硬的接觸輪和壓板,或者采用峰齒背的接觸輪和壓板,還可以采用小直徑接觸輪等等。
        ——砂帶速度過高也難以使磨粒有效地切入工件,同樣會出現堵塞及工件燒傷,此時應降低砂帶速度。
        ——被加工材料太軟(如鋁、銅等有色金屬)極易造成砂帶表面堵塞,解決方法應為:采用疏植砂帶;在滿足粗糙度要求條件下采用粗粒度砂帶。采用脆性較大的碳化硅磨料砂帶;采用加磨削助劑的方法,如使用潤滑劑等。
        ——易堵塞材料的加工面光滑,對這類材料不能采用潤滑脂和粗粒度等易造成劃傷的砂帶,應采用超涂層砂帶,該產品有良好的排屑和防堵塞性能。
            當然對于砂帶研磨壽命的影響因素是多方面的,不能顧此失彼、以偏概全,應全方位、多角度綜合考慮才能真正認識原因所在。這只有在實踐中不斷學習進步了。
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