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【摘要】 砂带是最具代表性的涂附磨具之一。 以其柔韧性好、冷态好、效率高等特点，被广泛应用于各种工程材料的加工。 被誉为先进制造领域的“万能磨”。 目前，随着人工智能、机器人、多能场复​​合加工等新兴技术的快速发展，对砂带磨削技术认识的不断深入，以及砂带性能的提高，砂带磨削技术已经突破通过它的发明。 最初只能用于研磨和抛光。 各种高效、重载、高精度、自动化乃至全数控智能化的砂带磨削技术和装备已广泛应用于航空、航天、船舶、交通、冶金、化工、能源等行业。 本文简要分析比较了国内外具有代表性的砂带产品，阐述了砂带磨削过程中材料去除的机理，最后总结了近年来砂带磨削技术在这些高端领域的典型应用，并指出，当前航空发动机叶片等高精密部件对砂带磨削技术提出了挑战。

关键词: 砂带磨削, 砂带, 磨床, 研磨机构

一、国内外砂带性能回顾

砂带磨削采用条形涂附磨具，即砂带作为磨具。 砂带放置在主动接触轮和张紧轮的外表面上，砂带被张紧并高速运行。 根据工件的形状和外形加工要求对工件进行高速磨削或抛光，具有相应的接触面和适当的磨削参数。 作为单层磨具，砂带是磨削的主体。 它由三个要素组成：磨料、结合剂和基体材料（图 1）。 在表面上，长直径的垂直磨粒均匀排列，由结合剂和基体材料保持柔韧性和弹性，形成砂带磨削不同于砂轮磨削和其他涂附磨具磨削的许多特点。 特征。

从产生到现在，砂带磨削技术的每一个发展阶段都以砂带的发展为标志。 1760年，世界上出现第一张砂纸，但仅限于手工操作； 1900年至1910年进入砂纸、砂布的机械使用时代，并以环形带的形式首先应用于木材工业。 带状砂布的机械磨削法是砂带磨削的雏形。 1930年后砂带磨削逐渐发展为金属加工。 二战中，美国率先将砂带磨削用于武器制造，取得了显着的效果。 1950年初，静电植砂法的研制成功高精度低温水槽，将砂带磨削推向了一个新的阶段，砂带磨削的应用越来越普遍。 后来，欧洲和日本等几个工业国家也相继开展了砂带磨削技术的研究和应用，砂带磨削技术逐渐发展成为一个比较完整、自成体系的加工技术领域。 图3展示了砂带技术对磨削技术发展影响的历史。

目前，国内外砂带种类繁多，为砂带磨削向更高端领域的推广应用提供了基础条件。 以3M、VSM、KGS为代表的国外砂带近年来在国内市场非常活跃。 电镀金刚石砂带、覆膜砂带、金字塔砂带是3M新开发的三款具有代表性的高性能砂带。 其中，电镀金刚石在硬质合金、硅铝合金、石材、玻璃、特种陶瓷、复合材料、单晶硅、玉石等有色金属的磨削加工中获得，具有良好的耐磨性和高硬度。耐温性。 它被广泛使用； 该覆膜砂带具有平整度好、抗拉强度高、柔韧性好等特点。 陶瓷磨具具有高强度、高硬度、自锐性等特点，还具有规则、精密、锋利的等边三角形形状。 作业效率更高，寿命更长，磨削后工件表面质量更高，可有效避免工件烧伤、热裂纹等损伤现象。

砂带与砂轮最大的区别之一是它的单层涂附磨具不具有自锐性，这层磨料磨损后往往需要更换砂带，而自锐性- VSM 开发的锐化累积磨料适用于大切口。 研磨工具有效地弥补了这一缺点。 如图4所示，用结合剂将多个磨粒结合成一小团磨料堆，然后在砂带上涂敷许多磨料堆。 在磨削过程中，磨料堆中的磨粒会因磨损而不断磨损。 砂轮的脱落或折断，使新的内部磨粒暴露出来，继续参与磨削，在一定程度上实现了砂轮的自锐特性。 凭借此功能，组合砂带的使用寿命更长，可实现一致的切削量和一致的光洁度。 但与普通砂带相比，堆积砂带的磨削力更大，磨粒之间的夹持力也比较高，堆积的磨料更容易从砂带背衬上脱落，这就决定了它的性能. 重要的。

KGS公司结合电镀金刚石和层叠磨具的优点，制备了独特的金属结合剂砂带，以镍为结合剂，KGS复合材料为带背，可分别制备单层和多层砂带。 此类砂带由于结合强度好，磨削性能优异，效果更均匀。 多层研磨砂带具有自锐功能，使砂带更上一层楼。

以百格、湖北玉力为代表的国产砂带也广泛应用于高密板、陶瓷、玻璃、焊缝、铸铁等各个领域，砂带产品特点明显，针对性强，形成了较大的影响力和国内外特色鲜明，设计水平基本达到美国、德国水平。 例如，百格生产的重载金属砂带，基材稳定，延展性强，在高磨削压力下磨削金属时散热好，不易烧伤工件。 可同时用于干磨和湿磨工况，磨后工件表面质量高。 湖北宇力的异形砂带、覆膜砂带、硬质布基砂带、网格砂带也具有非常鲜明的特点和良好的磨削性能。 尽管如此，国内砂带在产品更新换代方面仍与国外有差距，新型砂带的开发还存在不足。 此外，国外砂带厂商在产品推广方面明显做得更好。 他们新开发的砂带一经问世就在业界享有盛誉。 新产品只有通过不断的应用尝试，才能取得相对稳定的良好性能。 也是我国砂带向高端领域发展必须面对的问题。

2、砂带磨削的机理及特点

砂带是一种用结合剂将磨料粘结在软基体上的特殊磨具。 磨粒有明显的棱角，即磨料微刀片具有正前角和小的负前角，因此微刀片更锋利。 ，切削效率高，静电植砂后，磨料通常呈定向排列，单层均匀分布在基材表面。 砂带的周长和宽度一般都比结合剂砂轮大很多，因此单位时间内磨料与工件的接触次数较少，散热性能较好。 在砂带磨削过程中，磨粒就像一把锋利的工具，每个磨粒与工件的接触角和接触深度各不相同。 在这种情况下，磨粒不仅具有切削作用，而且对工件具有划痕和滑动作用。 前一磨粒在工件表面留下的切痕，不仅通过划痕产生塑性变形，而且被后续的磨粒切割、划痕、摩擦，实现了砂带对工件的连续磨削。 由于砂带的固有特性，在砂带与工件的接触区同时参与切削的磨粒多且锋利，因此磨削效率高，产生的热量少，工件不易燃烧。 此外，由于砂带较软，接触轮多为橡胶材质，因此砂带在高速磨削时对振动不敏感，可实现稳定的磨削。 此外，砂带磨削在磨削机理和综合磨削性能方面都不同于砂轮磨削。 其主要特点如下：

(1)砂带磨削属于柔性磨削。 构成砂带系统的基材、粘合剂、橡胶接触轮都是有弹性的。 砂带的弹性磨削特性，使磨削区与工件接触的长度更长，更多的磨粒参与切削，因此单个磨粒所受载荷小且均匀。 磨粒磨损的主要形式是磨耗，破碎磨损较少，砂带的磨削比小于砂轮的磨削比。

(2)砂带磨削性能好。 组成砂带的磨粒几何形状常为三棱锥或四棱锥。 采用静电植砂工艺制作砂带时，磨粒大小和分布均匀，轮廓好，切削状态优于砂轮磨粒。 此外，更锋利的磨粒会导致更低的切削温度。

(3)砂带磨粒间的持屑能力较大，砂带周长远大于砂轮周长，砂带磨粒切削能力强于砂轮的那个。 因此，砂带具有良好的散热条件。 在砂带转动过程中，粘附在砂带上的磨屑因振动而自然抖落，进一步减少了砂带堵塞和摩擦生热的可能性。 正因为如此，砂带磨削被称为“冷磨”。

影响砂带磨削效率的因素包括：工件材料、磨料、工艺参数、磨削条件、接触条件，如图7所示。不同的工件材料，如钛合金、高温合金、复合材料、高- 强度结构钢等具有不同的内在性能，其力学性能、热性能、化学性能有很大差异； 砂带常用的磨料种类有金刚石、立方氮化硼、刚玉、碳化硅、陶瓷等。此外，基体、结合剂等都对磨削工艺有很大的影响。 应根据不同类型的工件材料合理选用磨料，避免在磨削过程中发生磨擦化学摩擦。 粘附发生在反应中； 常用的磨削条件有：超声振动、微量润滑、低温冷却等； 接触轮的物理特性，如半径、硬度、形状等，都会影响砂带与工件的接触状态。

在砂带磨削加工过程中，工件局部材料受到较高的机械应力和热应力，导致工件材料的表面织构和表面状态发生较大变化。 当磨削工艺设置不当时，可能会发生金相转变和多种化学变化，降低工件的疲劳强度和抗应力腐蚀能力。 因此，有必要对磨削后的工件表面质量进行系统评价。 工件表面质量的评价指标通常包括：表面粗糙度、表面硬度、残余应力、表面烧伤、金相转变、塑性变形等，如图8所示。

3、砂带磨削在高端领域的应用

3.1 强力重载磨削应用

(1)油气螺旋管焊缝强力砂带磨削 油气螺旋管焊缝强力砂带磨削以砂带为磨具，结构采用全程跟踪恒压(气动)磨削技术针对大型管道的特点，实现管道焊缝表面的均匀打磨抛光，解决了以往焊缝补强（3~5mm）依靠人工打磨的难题，满足了国内油气输送的需要项目。 打磨后的焊缝补强与母材误差≤0.55mm。

(2) 核电高压容器焊缝、坡口、堆焊层高效砂带磨削 根据核电高压容器高效砂带磨削技术及工程应用 侧摆活动十字滑台结构可4自由度调整强力砂带磨头位置，实现重型容器的根部清理和强化磨削。 该技术可改变传统手工打磨的落后方式，大大缩短产品制造周期，提高核电高压容器等重型容器的质量和可靠性，实现单次打磨余量≤100×5mm，打磨堆焊层余量≥0.5mm/次，打磨效率10~20m2/h高精度低温水槽，表面粗糙度Ra≤0.8~6.3μm。

(3)汽车发动机连杆端部大余量砂带磨削用于磨削汽车发动机连杆端部大余量砂带的机床是第一台机床国际上采用砂带磨削工艺实现等厚加工 4.5mm余量/连杆端面一次加工的高效机床。 采用多磨头加工方式，结合大余量强力砂带磨削和砂轮磨削技术，采用复合转盘平面砂带磨削技术，实现连杆的高精度、高效率加工.

3.2 复杂平面磨削应用

（一）航发叶片精密砂带磨削 重庆三磨海达磨床有限公司的航发叶片七轴六联动高效精密砂带磨削机采用全球首台七轴六联动砂带磨削控制方法。 气道边缘难加工区域适应叶片自身变形的磨削性能达到国际领先水平，加工表面粗糙度可达Ra0.4μm。

(2)船用螺旋桨型材精密砂带磨削，采用双轴平移双轴回转、带扭力C轴的砂带磨削结构，实现整体螺旋桨或单叶可调螺旋桨型材的高效磨削，改变了长期存在的手工铲磨方式，提高了螺旋桨的表面质量和推进效率，降低了噪音。 CNC精密砂带磨床技术直接将铸坯桨叶磨削成型，磨削后形状值误差≤0.075mm，加工形状表面粗糙度Ra≤0.2~0.4μm。

(3)高端异型水箱包边加工，采用先进的数控技术结合砂带磨削技术，克服了以往砂轮、布轮磨削抛光的种种缺陷，解决了以下技术难题：高端异型水箱自动包边； 切磨机自动化技术的发展填补了国内相关技术领域的空白。

3.3 机器人砂带磨削应用

(1)机器人自动砂带打磨抛光系统机器人自动砂带打磨抛光系统包括Aicon蓝光检测仪、自适应末端执行器、多功能砂带打磨头、智能编程软件及系统集成等，自动上料、自动研磨抛光、自动检测、自动切割收料、自动除尘等功能，还具有系统程序存储、故障检测、报警处理、生产报表生成等功能，可实现精密研磨和各种复杂零件的抛光。

(2)机器人叶片砂带研磨抛光包括各种精密铸造叶片、单晶叶片及其他类型叶片的机器人研磨抛光。 相关技术和设备已在430所、621所、370所、120所单位得到应用。 从机器人叶片砂带的打磨抛光可知，叶片表面和排气边处的余量可以去除，不会过度抛光； Ra在0.4μm以内； 经打磨抛光后，横截面翼型轮廓与进排气边缘的边缘轮廓在±0.03mm以内，进排气边缘形状保持一定的圆度。

(3) 叶轮、整体叶盘、叶环的机械手修磨 叶轮、整体叶盘、叶环用砂带修磨，可实现叶轮、机壳叶环、整体叶盘易干涉的焊缝。轮廓和流路表面。 机器人打磨抛光及相关技术和设备已在航天七院、430所等得到应用，一次装夹即可完成整个型材的打磨抛光，减少了重复装夹的误差，避免了叶型与流道面的加工干涉。 研磨抛光后的表面粗糙度Ra达到0.4μm。

四、展望

传统砂带磨削作为一种基本加工方法，主要以多轴联动数控机床或普通机床为载体，对各种零件进行强力重载磨削或微精密磨削。 随着“中国制造2025”、“十三五”等重大战略布局对高端工业机器人的重视，以及当前先进的工业机器人技术装备具有优良的经济性、高柔性、易用性强等优势，机器人砂带打磨技术已逐步应用于汽车、船舶、航空航天等众多领域。 将机器人技术应用到砂带磨削系统中，正是利用了其良好的灵活性和易扩展性。 而且随着机器人技术的发展，机器人本身的重复定位精度高，可以保证加工的精度和一致性； 结合先进的测量技术，机器人柔性打磨系统可成为对各种复杂零部件（如叶片零件）有效的精密打磨手段，从而提高其柔性、高精度加工能力，推动国家制造业和装备升级行业。 具体发展方向可列举如下：

(1) 高性能表面机器人砂带磨削技术及轨迹规划研究。 建立了面向结构特征的砂带匹配方法和机器人磨削工艺体系，分析了机器人磨削表面完整性的形成机理，提出了面向高性能表面完整性的机器人磨削动态特性优化方法。

(2) 基于知识学习的刀片机器人砂带磨削智能系统及平台开发。 知识学习是人工智能研究的重要组成部分，包括大数据、工人经验等知识，通过深度学习建立决策方案和模型，进行机器人智能砂带磨削包括检测、磨具库、工件库。 提高叶片等零件的加工精度和效率的系统开发。

(3)在模拟应用环境中建立集工艺数据库-工艺参数决策-服务性能仿真于一体的机器人砂带磨削分析系统。 采用神经网络和深度学习方法实现复杂磨削环境条件下工艺参数的决策； 同时，结合有限元模拟、流体分析等方法，实现了基于磨削表面质量的工件使用性能研究。 为工艺参数的制定提供指导。

(4)机器人砂带磨削在机械加工中的推广应用研究。 随着各个领域的发展，对工件的设计提出了更高、更极端的要求。 新材料、新设计方法和新制备技术广泛应用于零件的设计和制造。 研究具有更高灵活性和通用性的机器人智能砂带磨削系统及装备，是实现复杂难加工材料精密磨削的关键，从而进一步推动机器人砂带磨削技术在各行业的应用。

(5)提高砂带的精密磨削和强力磨削性能。 砂带是完成磨削过程的直接工具。 随着当前精密磨削和强力磨削技术的发展要求，砂带相应的性能提升是关键。