「经典」中外陶瓷磨具技术比较分析

摘要: 当前, 世界上磨削和磨床技术发展迅速, 对磨具产品性能和质量的要求大大提高, 国外的磨具生产技术发展很快, 我国为满足国内制造业发展的需求, 不得不依靠进口高档陶瓷磨具, 以满足汽车、航空航天、机床工具等行业高效、高精加工的需求。虽然我国的陶瓷磨具技术发展迅速, 取得了喜人的成绩, 超硬陶瓷磨具、特种陶瓷磨具也达到了新的技术水平, 但是应该看到, 与国外先进的技术水平还是有一定的差距。陶瓷磨具产品仍然面临着产品创新、改进生产工艺、提高产品质量、降低能耗和环境污染的重要任务。本文采用对比分析的比较方法, 从国际标准、国内标准、行业标准、国内外企业的生产水平, 陶瓷磨具的制造水平、陶瓷磨具的种类及应用等方面, 对国内外陶瓷磨具技术水平进行比较分析, 找出我国陶瓷磨具技术水平与国外先进水平的差距。

关键词：陶瓷磨具 技术水平 平衡度 回转强度 比较 分析

1 引言

改革开放以来, 特别是最近十几年, 我国整个磨料磨具行业得到了长足发展, 可称得上是突飞猛进,各主要产品产量均居世界前列。据统计, 普通磨料磨具产量已分别达到约100 万吨和200 万吨。陶瓷磨具技术发展迅速, 取得了喜人的成绩, 超硬陶瓷磨具、特种陶瓷磨具也达到了新的技术水平。但是应该看到, 与国外先进的技术水平相比还是有一定的差距。

国内磨具总量中, 陶瓷磨具的产量一直占大半部分。近10-15 年来, 陶瓷结合剂磨具的产量在欧洲国家增长了2-4 倍。陶瓷结合剂金刚石和立方氮化硼磨具需求在增加, 并被看作大规模生产中最具前景的磨加工工艺之一。就超硬材料磨具生产中确定的术语来说, 文献中常见的烧结结合剂、玻璃结合剂、玻璃陶瓷结合剂、微晶玻璃结合剂、硅酸盐结合剂等称谓也属于陶瓷结合剂。用陶瓷结合剂制作的磨具称为陶瓷结合剂磨具, 简称陶瓷磨具。目前国内这类磨具产品质量比国外同类产品有较大差距, 国内用户还主要依赖进口。高速陶瓷砂轮目前国内只能达到65m /s, 国外则已达到80-100m/s, 国内砂轮不能满足80-100m/s高速磨床使用要求。目前国内树脂结合剂磨具生产使用的树脂基本还是以酚醛和环氧树脂为主, 制造重负荷磨削砂轮在质量性能方面还与国外产品有一定差距, 需要开发应用新型高强度树脂结合剂, 提高此类砂轮质量性能。陶瓷结合剂磨钢球砂轮, 目前国内采用烧成收缩达到超硬级硬度, 产品质量不易控制, 废品率较高, 需要采用不收缩的生产工艺技术来提高质量。树脂磨钢球砂轮, 目前采用粉状树脂热压成型工艺生产, 产品质量与国外同类产品有较大差距, 而且生产效率低, 需要采用新型生产工艺技术, 达到国外产品水平。超硬材料陶瓷磨具, 低温陶瓷结合剂磨具等成为陶瓷磨具发展的主要趋势。陶瓷磨具的发展要适应高速、高效、高精加工的要求,发展适合数控磨床, 自动化生产线生产要求的高速砂轮、高精度磨具。

2. 陶瓷磨具的发展

1877 年, 美国用黏土做结合剂制成陶瓷砂轮,标志着陶瓷磨具的诞生, 1930 年, 陶瓷磨具开始了组织编号的选择, 1970 年陶瓷结合剂立方氮化硼砂轮出现, 20 世纪80 年代以后, 国外陶瓷磨具发展迅速, 技术水平高。而我国的陶瓷磨具从20 世纪50 年代开始发展起来, 但是陶瓷磨具产量比较大, 从过去到现在, 陶瓷磨具在磨具总的构成中一直占主要地位, 尽管随着结合剂材料种类的不断发展和磨具种类的扩大, 陶瓷磨具产量在磨具总产量中呈下降趋势,但仍占有较大比例。表(1)。

近年来, 磨料行业企业, 例如河南洛阳、湖北丹江口等地, 通过搬迁、改造和产品升级改造, 积极提高产品档次, 确实取得明显成绩。截至目前, 完成搬迁改造, 淘汰落后设备、提高工艺装备水平的中型以上的磨具生产企业为数不少, 技术水平有了很大的提高。但是总体来看与国外先进技术还存在相当大的差距。在这里,主要就陶瓷磨具的制造和应用与国外相近水平做一些分析和比较, 以找出存在的差距。

3.国内外陶瓷磨具技术水平比较分析

为了了解国内外陶瓷磨具技术水平方面的差距,我们采用分析比较的方法, 从国际标准、国内标准、行业标准、国内、外企业的生产水平, 陶瓷磨具的制造水平、陶瓷磨具的种类及应用等方面, 对国内、外陶瓷磨具技术水平进行比较分析。我们选择了国内外一些大公司的陶瓷磨具与我国的相应的有代表性的陶瓷磨具进行比较分析。而为了能进行比较分析, 必须有一个共同的基准, 这个基准就是陶瓷磨具的利用率。对于不同的国家和不同的陶瓷磨具产品, 这个基准是不同的。所以在比较陶瓷磨具技术水平时, 应当考虑到应用强度的差别。

3.1 国内、外主要陶瓷磨具生产企业及产品

国外具有代表性的磨具生产厂商有美国的诺顿(NORTON)、奥地利的泰利莱(TAROLIT)、德国的温特(WINTER)、英国的尤尼康(UNICON)、意大利的文森特(VINCENT)、美国的贝斯登(BAYSTATE)、瑞士的温特苏尔(WINTERTHUR) 等, 总部设在法国的圣戈班集团在全世界拥有1000 多个子公司, 在45 个国家有生产企业, 雇员总数达17.1 万名。圣戈班磨料磨具(上海) 有限公司是法国圣戈班集团在中国的独资企业, 生产和销售精密陶瓷砂轮。圣戈班磨料磨具产品有固结磨具、砂轮、油石和磨头涂附磨具, 用于打磨和抛光的砂带、砂盘、砂碟、砂卷和砂纸。超硬材料磨具, 金刚石和CBN砂轮, 金刚石锯片和金刚石修整笔, 以及专门为切割、磨削和抛光碳化硅、混凝土、砖石、金属和其他超硬材料设计的切削和钻孔工具。

圣戈班磨料磨具分支拥有NORTON、FLEXOVIT、CORA、WINTER、UNICON 等全球知名磨料磨具品牌。该公司针对轿车工业加工的需求, 开发了系列普通陶瓷结合剂磨具和超硬材料(CBN、金刚石) 磨具及其它工具。圣戈班磨料磨具(上海) 有限公司, 开发并拥有专利的超微晶烧结刚玉磨料,采用引晶凝胶烧结工艺生产, 具有比普通白刚玉小几千倍的晶粒尺寸, 磨粒强度高, 有微破碎性能。在磨削难磨材料和要求高磨削效率及高精度的场合,具有优异的特性, 同时可以大大减少砂轮的修整量,延长砂轮的使用寿命。由于SG 磨料价格较贵, 使用时根据不同要求按比例与刚玉磨料混合, 形成不同牌号。为充分发挥其性能, 开发了专用的陶瓷结合剂砂轮,一种是高效低温结合剂, 还有一种是大气孔高效低温剂的陶瓷CBN 砂轮, 使用速度125m /s。公司还根据不同工件和不同磨削要求, 推荐用于粗磨、精磨的各种价位的砂轮, 给出了它们磨削效果的比较, 以利于用户选用。用于轿车发动机、变速箱零件磨削的普通磨料砂轮使用速度通常为45～63m/s。

奥地利的泰利莱(TYROLIT) 公司于1919 年建厂, 1952 年开创了第一批使用玻璃纤维加筋的切割片和精整砂轮, 1974 年生产出第一批陶瓷结合剂CBN砂轮, 进入二十世纪九十年代以来, 与美国的DIAMOND PRODUCTS 公司和瑞士的HYDROSTRESS公司合伙, 相继接管了意大利的VINCENT、美国的BAYSTATE 等一批国际著名磨具生产企业, 成为当前国际上颇具实力和影响的磨具生产供应商, 18 个分厂分布于世界各地, 销售网络覆盖60 多个国家和地区。

瑞士的温特苏尔(W INTHERTHUR) 公司是生产精密磨削砂轮的著名企业, 主要生产陶瓷结合剂大气孔缓进给砂轮、微晶烧结陶瓷磨料砂轮和陶瓷结合剂CBN 砂轮。其陶瓷结合剂大气孔缓进给磨削砂轮用于涡轮叶片的磨削, 用滚磨法、部分滚磨法及成型磨削方法加工精密齿轮, 据称是少数几家能够生产这种砂轮的厂家。其陶瓷结合剂单线或复线螺纹成型磨砂轮, 可以用切入式或切向进给式磨削方法, 磨削精密滚珠丝杠、螺纹及蜗杆。这个公司拥有成型加工砂轮复杂形面的CNC 机床, 可供应型面的预成型砂轮, 保证各种砂轮形面的几何尺寸精度,减少用户现场安装修整时间和修整工具消耗。国内磨具生产厂商有白鸽集团、上海砂轮厂、苏州砂轮厂、第六砂轮厂、苏北砂轮厂、山东鲁信高新技术产业股份有限公司、郑州磨料磨具磨削研究所等。

这些国内企业积极提高磨具的制造水平, 重视技术创新和新产品的开发。山东鲁信05 年投资上亿元在新园区内建设耐磨砂、高档磨具系列生产厂,认真研究和采用新工艺、新设备、新技术和新材料,而且这方面处于国内同行前列, 泰山牌砂轮静平衡性能优于国内同类产品30% 以上。

白鸽集团采用独特工艺制造的普通磨料、带槽、夹层、多种形式组合磨曲轴和凸轮轴的陶瓷轮,最高使用速度可达60m /s; 磨螺纹陶瓷平型和双斜边砂轮最大直径500mm, 最高使用速度可达60m /s;最新研制的铁路钢轨修磨砂轮, 使用速度达50m /s,成组安装在修磨机车上, 在铁路线上进行钢轨型面修磨, 每次磨除量不低于0.16mm。

郑州磨料磨具磨削研究所展出的使用速度120m/s陶瓷结合剂CBN 砂轮, 已在进口的德国绍特(SCHAUDT MIKROSA) 公司制造的数控磨床上, 成功地应用于轿车凸轮轴凸轮的磨削生产中, 磨削效率和磨削效果均达到国外同类产品水平。

从以上的比较可以看出, 近年来, 虽然为适应我国加入WTO 和扩大内需所带来的机遇和挑战, 我国陶瓷磨具的生产企业加快了重组、改制、改革、改造和产品结构调整步伐, 外资和民营企业也逐步崛起壮大, 使我国陶瓷磨具企业的整体水平有了很大的提高, 但是和国外先进企业相比还是有明显差距的。

3.2 国内外陶瓷磨具烧结窑炉技术水平比较

目前, 我国的大中型陶瓷磨具生产骨干企业,以采用第一层次的窑炉为主, 或正逐步改造第一层次的窑炉, 这些企业包括原来的国有大中型骨干企业, 由此改制的股份制企业, 外资企业及合资企业,及今年发展起来的一些民营企业, 企业数量十余家。主要位于沿海、江浙和国内大中城市。其年生产能力一般在1000-3000 吨以上, 其产品品种具有一定的特色, 能生产高中档产品, 某些产品质量达到国外同类优质产品水平。这类企业是我国陶瓷磨具生产的主流企业。其余中小型企业, 多采用第三层次的窑炉, 其中一部分企业有或正逐步改造为第二层次的窑炉。其中以采用小型引射式直燃抽屉窑为多。这些企业数量较多, 分布在全国各地。

我国陶瓷磨具烧成窑炉近十年来, 尤其是近三到五年发展较快, 这主要得力于企业整体素质的提升, 市场竞争的日益加剧, 国家环保力度加强。我国的现代陶瓷磨具烧成窑炉与国外先进水平比较,在抽屉窑方面, 我国自行设计建造的现代大中型高速调温烧嘴新型节能环保型计算机全自动控制抽屉窑, 采用了与国际领先水平同步发展的国内外陷阱计算机系统、控制阀门、控制元器件、耐火材料等,加之具时代气息的优化设计,窑炉营建整体水平已达到国外先进水平, 某些主要性能优于国外新近水平。如机械工业第六设计研究院在国内设计建造了十余座大中型高速调温烧嘴新型节能环保型抽屉窑,其运行指标多优于从国外进口的同类窑炉, 其中现场总线技术控制抽屉窑和计算机集散控制系统抽屉窑还获得国家机械部的科技进步奖和优秀工程设计奖。在隧道窑方面, 我国与国外水平差距近三十年,目前除一家外资企业采用先进隧道窑外, 我国的陶瓷磨具烧成隧道窑基本上是二十世纪六十到八十年代的技术, 在窑炉技术、窑炉材料、窑炉结构及对陶瓷磨具的针对性和适应性方面, 与现代陶瓷磨具烧成隧道窑差别及差距甚大。虽然, 机械工业第六设计研究院在1994 年就完成了原机械部的新型陶瓷磨具烧成隧道窑的科研课题, 但各企业为适应陶瓷磨具市场多品种、小批量、快节奏的需求, 多采用灵活性和适应性较强的抽屉窑, 加之各企业产量也不够大, 故新型陶瓷磨具烧成隧道窑一直未能在企业中实施。

另外, 在优化产品烧成工艺制度、装烧制度方面, 我国与国外先进技术水平还有一定差距。总体上讲就是,我国的烧成工艺制度较粗, 在对不同种类、规格、粒度、硬度、使用范围磨具的优化烧成制度方面, 做的工作还尚需深化。

3.3 国内外陶瓷磨具产品技术水平比较

以世界生产特殊砂轮著名的德国Krebs & Riedel公司为例, 其超硬磨料-CBN /金刚石陶瓷砂轮近年来, 每年以20% 的速度、特别是2005年以40%速度增长, 足以说明, 磨料磨具的发展趋势是向超硬磨料-CBN /金刚石陶瓷砂轮的方向发展。其原因CBN磨料的热稳定性、不亲铁性好、硬度高和耐磨性好,用它来生产的砂轮, 磨削效率高, 加工表面质量好,特别是加工较硬的工件, 将会有更广泛的应用。

国内超硬磨料磨具企业引进国外先进的生产技术, 产品性能和质量也有了迅速提升, 陶瓷结合剂金刚石和CBN 砂轮生产技术得到很大提高。CBN的陶瓷结合剂的砂轮, 将会比树脂砂轮更广泛的应用。陶瓷CBN 砂轮可按需要进行修正, 同时, 工作时不易发热, 这是大批量、高精度生产必不可少的条件, 也可按加工工件的要求, 生产硬度不同的砂轮, 来适应加工的需要。

对结合剂和填充剂的研究和正确选择, 生产大气孔的砂轮, 同时要有较好的耐磨性。对深磨削和强力磨削来说过程, 多孔以及大气孔是必不可少的,它携走切屑, 输送切削液到接触区, 避免烧伤工件。特别对成形磨削和精密磨削以及保证砂轮的成形性意义更大。

对CBN 砂轮而言其工作速度大于100m /s在欧洲已用得较多了, 特别是一些专用磨床, 如Junker的曲轴和凸轮轴磨床用Krebs & Riedel的砂轮, 其工作速度达到125m /s, 其特点是单位时间参加的磨粒多、效率高、表面的质量好, 延长了砂轮的寿命。在新型陶瓷磨具生产方面, 一些企业引进国外先进技术、积极研发新技术, 产品的性能和质量也有了快速提升。例如, 苏州工业园区赛力科技有限公司在2004 年与美国金刚石工具有限公司合资组建了福州保税区美大蒙超硬材料有限公司, 应用美国公司的全套技术和设备生产金刚石和CBN 砂轮, 使赛力公司的磨具制造技术迈上新台阶, 其磨削凸轮轴砂轮的速度达到80m /s以上, 达到国外同类产品先进水平。但总体上, 我国的陶瓷砂轮与国外先进水平还是有一定的差距的。

4 国内外陶瓷磨具性能的比较

磨具产品的性能是检测磨具质量的重要指标,磨具产品的质量标准可分为国际标准、国家标准、行业标准和企业标准四个层次。磨具质量标准的内容包括基础标准和技术标准两部分。基础标准包括术语、符号、代号等。技术标准包括尺寸公差、形位公差、外观缺陷、磨具的静平衡、强度、硬度等方面的技术规定和检查方法, 以及磨具安全规则,磨具的标志和包装、磨具的验收和保管等。

4.1 陶瓷磨具硬度

磨具硬度是磨具的主要性能之一, 磨具硬度测量方法有手锥检测法和硬度计检测法。硬度计有喷沙硬度计、洛氏硬度计、机械锥、声频硬度计等。我国国家标准GB /T2490-1984 和GB /T2491-1984 规定, 对于粒度F36-F150 的陶瓷结合剂磨具, 硬度用喷沙硬度计测定; 对于粒度F180-F1200 的陶瓷结合剂磨具, 硬度用洛氏硬度计测定。对于F30 以下的磨具和小砂轮、小磨头以及其它不能用喷沙硬度计或洛氏硬度计测量的磨具, 常用手锥法或其它方法测定, 但必须与标准砂轮模块对比。

4.2 砂轮的平衡度

国际标准化组织(ISO) 对砂轮静态不平衡的定义为: 砂轮的旋转轴线与其惯性轴线不重合, 且仅有平衡偏离状态。我国国家标准GB /T2492-1984 规定外径为150mm 及更大的陶瓷结合剂普通砂轮, 均需经过静不平衡检查。砂轮检验质量范围为0.2-300千克。国际标准则规定为外径100mm 以上者, 均需静不平衡检查。但对于筒形、筒形带槽、磨针、磨砖、杯形、碗形、切矿石、空槽、螺丝紧固及无心导轮等砂轮均不进行平衡性检查。

4.3 砂轮的回转强度

国家( GB /T2493 -1995) 规定, 凡直径为150mm 及更大的陶瓷结合剂砂轮, 除筒形、筒形带槽、磨针、磨砖、孔槽、螺栓紧固、切矿石砂轮及无心磨导轮不进行强度检查外, 其余均按砂轮的最高工作线速度进行检查。

回转强度检查设备为回转试验机。目前国内外回转试验机一般均采用无级调速、数字显示装置。

结论

近年来, 国外陶瓷磨具技术又有了新的进展,我国陶瓷磨具行业发展迅速, 国内企业注重研究开发新的技术,也取得了很大的成就, 有些技术达到国际先进水平。陶瓷结合剂超硬磨料砂轮发展也很快, 增长势头强劲,在汽车凸轮轴、曲轴加工中陶瓷结合剂CBN 砂轮已经普遍使用, 目前PCD 和PVD等超硬材料刀具和硅片的加工都已经采用陶瓷结合剂金刚石砂轮, 有些异型刀具需要进行成型磨削,在数控机床上用陶瓷结合剂金刚石砂轮进行这种成型磨削。

但是从整个陶瓷行业来看, 与国外先进技术水平相比, 确实有一定的差距, 这有待我们共同奋斗,努力实现陶瓷磨具技术的跨越式发展, 通过进一步的技术引进、消化吸收, 加快我国的陶瓷磨具产品发展的步伐, 以满足国内市场的需求并在国际陶瓷磨具市场上占有一席之地。

来源：Alwaysonline91