砂帶磨削技術及其應用

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發表于 2008-1-31 12:54:38 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

砂帶磨削是一種高效、經濟、用途廣泛，并有“萬能磨削”之稱的新型磨削工藝。在現代工業中，砂帶磨削技術已被當作是與砂輪磨削同等重要的一種不可缺少的加工方法。在工業發達國家，砂帶磨削應用已十分普遍，各種高精度、高效率、自動化程度很高的砂帶磨床被廣泛應用于航天、航空、艦船、汽車、冶金、化工及能源設備等制造行業，并成為國際上名牌機床公司競爭的一個領域。下面具體介紹一下砂帶磨削的基本原理和實際應用情況：
一、砂帶磨削原理
1.砂帶磨削方法
砂帶磨削是砂帶這一特殊形式的涂附磨具，借助于張緊機構使之張緊，和驅動輪使之高速運動，并在一定壓力作用下，使砂帶與工件表面接觸以實現磨削加工的整個過程。

圖1 砂帶磨削示意                圖2 砂帶磨粒加工表面成型原理
廣義地講,砂帶磨削與砂輪磨削同樣都是高速運動的“微刃切削刀具”――磨粒的微量切削而形成的累積效應，因而其磨削機理大致上也是相同的。但由于砂帶本身的構成特點和使用方式不同，使砂帶磨削不論是在磨削加工機理方面，還是其綜合磨削性能方面都有別于砂輪磨削，這主要表現在：
1)砂輪磨削是剛性接觸磨削，而砂帶磨削則是彈性接觸磨削，而且即使是在使用無彈性的鋼制接觸輪的情況時也是如此，因為組成砂帶的基材、粘結劑都具有一定的彈性，更何況大多數情況下都采用有彈性的橡膠作接觸輪。
正因為如此，砂帶磨削除了具有砂輪同樣的滑擦、耕犁和切削作用外，還有磨粒對工件表面的擠壓作用，并使之產生塑性變形、冷硬層變化和表層撕裂，以及由于摩擦使接觸點溫度升高，而引起的熱塑性流動等綜合作用。所以，從這點來看，砂帶磨削同時具有磨削、研磨和拋光的多重作用。而這也正是砂帶磨削表面質量好的原因。
另一方面，由于砂帶的這種彈性磨削特點，還使砂帶在磨削區域內與工件接觸的長度比砂輪大，同時參加磨削的磨粒數目多，單顆磨粒所受載荷小，且均勻，磨粒破損小。而使整個砂帶的磨耗比(磨削材料去除量與砂帶磨粒消耗量之比稱為磨削比，而磨削比的倒數就稱為磨耗比)比砂輪要小得多。
2)砂輪的磨粒在磨削表面上的分布是雜亂無章的，很不規則，實際磨削時，磨粒都是以較大的負前角、小后角甚至負后角的刃口進行切削，切削條件很惡劣。砂帶則不同，砂帶的磨料是專門制造的，磨粒的幾何形狀常呈長三角體，并多采用靜電植砂等一系列先進工藝制作，磨粒的大小和分布均勻，等高性好，并且是尖刃朝外的形式植于砂帶基材表面上，露出復膠層的部分較多。因而，砂帶的磨粒比砂輪的磨粒鋒利，切削條件較好，磨削時材料變形小，切除率高，磨削力和隨之產生的磨削熱小，磨削溫度低。
3)砂輪磨粒間充滿了結合劑，容屑空間很小。而砂帶磨粒間容屑空間一般至少比砂輪大10倍，加之磨粒等高性好，因而砂帶磨粒的有效切削面積大，切削能力比砂輪強，并且磨屑可隨時直接帶走，很少殘留在砂帶表面造成堵塞，而不會由此增加摩擦發熱，磨削區域溫度低。
4）砂帶的周長從設計角度來看，可以遠遠超過砂輪的周長，這就使得砂帶在磨削時既有良好的散熱區域，又可以通過砂帶的懸空部分〈即不與接觸輪、張緊輪、壓磨板等接觸的部分〉在運行時的振蕩，將粘在砂帶上的磨屑自然抖掉，進一步減少磨粒被填塞的現象，從而減少摩擦發熱，這也是砂帶磨削溫度低的一個原因。
由此可見,砂帶磨削的加工機理是同于砂輪磨削又有別于砂輪磨削的一種更為復雜的形式，這是分析和了解砂帶磨削機理的理論基礎和根本出發點。
二、砂帶磨削技術的應用
隨著砂帶磨削技術的飛速發展，它在制造加工領域正扮演著越來越重要的角色。目前砂帶磨削技術在世界先進工業國已經得到了廣泛的應用，就擁有量來說，已逐步接近砂輪磨床，其產值比：美國49：51，德國45：55，日本25：75，英國、瑞士等國的發展也很快。同時砂帶磨削技術在國內許多單位也得到了較廣泛的推廣應用，解決了很多生產實際問題。
砂帶優越的磨削性能和靈活的工藝特性決定了它具有極其廣泛的應用范圍，從日常生活到工業生產的各行各業，砂帶磨削幾乎遍及所有領域。其應用形式之多樣，范圍之廣泛是其它任何一種加工方法所不能比擬的。
具體表現在：
1、砂帶磨削幾乎能磨削一切工程材料。除了砂輪磨削能加工的材料外，其還可以加工諸如銅、鋁等有色金屬和木材、皮革、塑料等非金屬軟材料。特別是砂帶磨削的"冷態" 磨削效應使之在加工耐熱難磨削材料時更顯出獨特的優勢，因此也被國外工業界稱為“萬能磨削”的一種高效精密加工方法。

圖8 鈦合金管材       圖9 皮革表面拋磨       圖10 木材砂光
2、砂帶磨削能夠加工表面質量及精度要求高的各種形狀的工件。砂帶磨削不但可以加工常見的平面、內外圓表面的工件，還能以極高的效率加工表面質量及精度要求都較高的大型或異型件：
（1）大面積板材的拋磨加工。砂輪的寬度最大僅1000mm，而砂帶可以做到2500mm以上。實際使用中砂帶磨削常見的加工寬度為50~2000mm，加工厚度0.4~150mm。其生產率高達1000m2/h。這種寬砂帶磨削可廣泛用于鋼板、不銹鋼板、硅鋼片、鋁板、銅板、刨花板、膠合板、中密度纖維板、皮革、絕緣板、陶瓷板以及宇航器具、艦船和核物理研究裝置上使用的各種高精度低粗糙度的大型板材等的表面加工。發動機變速箱體斷面等斷續平面的精密加工也可以用寬砂帶磨削一次成形，并能保證比傳統銑、刨加工的表面有更好的密封性。
圖11薄板材拋磨                      圖12 大型復合板材拋磨
（2）金屬帶材或線材的連續拋磨加工。由于寬砂帶磨削的發展，使薄型帶材在整個寬度上都有相同的磨削條件，不至于發生局部受力過大，產生應力變形，故冷扎鋼帶、銅、鋁帶及其它合金帶材等的表面都適合于用砂帶連續拋磨。其加工寬度為600~2100mm，加工厚度0.1~2.2mm，表面粗糙度值Ra3.2~0.1mm，帶材運行速度為3~80m/min。行星式砂帶磨削為不銹鋼或其它材料的成卷線材的拋磨提供了一種十分有效和經濟的加工方法。已知的線材拋磨直徑在0.8~20mm。連續運行速度6~150m/min。
圖13 帶材拋磨                         圖14 絲線材拋磨
（3）長徑比很大的工件內、外圓拋磨。現代工業中的各種大型的、長徑比很大的軸類工件的外圓和管類工件的內圓表面的加工利用砂帶磨削十分方便。一般可在大型標準設備上增加一個砂帶磨削裝置便可實現。批量大的則可采用專用的砂帶磨床。如大型發電機轉子、軋輥、造紙烘缸等工件的外圓和汽缸、石油管道、壓力容器等工件的內圓表面加工。
圖15鋼管（荒）磨削    圖16螺旋鋼管焊縫修整       圖17罐體容器拋磨
（4）復雜異型工件的拋磨。曲面工件的成型磨削，難度較大。然而利用砂帶的柔性可方便地加工各種復雜曲面，曲率半徑僅為3mm的內圓角，砂帶亦可對其進行拋磨。如飛機發動機葉片、汽輪機葉片、聚光鏡燈碗、反射鏡、餐具水槽、手柄、水暖器具、五金件等等都可用砂帶進行高效率高質量的拋磨加工。
圖18 汽輪機葉片    圖19葉片數控拋磨圖20  高檔水槽    圖21 五金件
3、砂帶磨削設備形式多樣，品種繁多。其可在各種通用型砂帶磨削設備上進行。通用型砂帶磨削設備小的有手提式砂帶機、萬能砂帶機、臺式砂帶機；大的有外圓砂帶磨床、平面砂帶磨床、無心砂帶磨床和內圓砂帶磨床等等。專用的砂帶磨床有凸輪軸砂帶仿形磨床、工業罐體砂帶拋磨機、汽車輪轂端面砂帶拋磨機、葉片數控砂帶拋機等。總之，無論是通用型還是專用型的砂帶磨削沒備、形式多樣、品種繁多。

圖22 無心外圓砂帶磨床    圖23工業罐體砂帶磨床       圖24 數控砂帶拋磨機
三、結論與展望
砂帶磨削因其加工效率高、應用范圍廣、適應性強、使用成本低、操作安全方便的特點而廣受青睞。在國外，砂帶磨削技術已經取得了很大進展，其應用比例已經接近砂輪磨削。目前，砂帶磨削技術正朝著強力、高效、精密、數控及復合加工等方向發展：在強力高效加工方面，砂帶磨削主要體現在重載大余量強力磨削方面發展，特別是在熱軋鋼坯高合金管的重負荷磨削方面的研究與應用；在精密加工方面，砂帶磨削主要研究熱點方向在與電解、超聲波、電泳吸附作用等進行復合精密加工，力圖達到納米級的超精密加工，日本在該領域具有較大領先研究基礎，并已取得突破；在數控及其自動化方面，六軸聯動的數控砂帶磨床在發達國家廣泛用于汽輪機葉片加工，砂帶磨削機器人、自動化砂帶磨削生產線(FMS)更是層出不窮。
盡管我國近年來在基礎研究、應用推廣方面也已初具規模，并在以上發展方向都有新的進展。但與國外相比扔然存在很大距離，如砂帶磨削機理研究不夠深入，砂帶及砂帶磨床產品品種還十分有限，應用范圍仍不夠寬，尤其是在金屬加工行業中。此外，相當多的工程技術人員尚未認識到砂帶磨削的先進性和實用性，仍然還停留在砂紙打磨的陳舊觀念中，對國內最新砂帶磨削技術發展現狀不甚了解。為此，大力宣傳砂帶磨削，加深對砂帶磨削基本原理和磨削性能的認識，掌握其常見用法，熟悉各種砂帶磨床和各種砂帶的使用性能與適用范周，對于推廣砂帶磨削技術，加強砂帶磨削基礎理論研究和應用研究，促進砂帶及砂帶磨床制造業的發展乃至提高整個國內制造工藝水平和產品質量都有十分重要的意義。