基体孔隙率对汽车腻子打磨用网格砂磨削性能的影响规律

翟建昌, 孟 霞, 傅桂华

(淄博理研泰山涂附磨具有限公司, 山东 淄博 255086)

目前，涂附磨具在木工[1]、汽修行业[2]应用广泛。汽修行业的打磨主要有水磨和干磨2种方式。传统水磨工艺，车间里到处是粉尘、污水，既影响质量，又污染环境，还会对打磨人员的健康造成伤害。KANERVA[3]等发现汽车修理用腻子中不饱和聚酯树脂会引起职业性过敏皮肤反应。因此，随着人们环保意识的增强、对职业健康要求的提高，无尘干磨越来越受到重视，这种磨削方式在汽车打磨中可有效减少空气中的腻子粉尘，减少对打磨人员身体的伤害。目前，无尘打磨在汽修行业的应用主要有2种产品形式：一种是背绒打孔砂盘；另一种是自带孔洞的网格砂[4]。打孔砂盘，主要是通过磨具冲压，在砂纸表面形成孔洞，利用吸尘装置将磨削过程中的磨削碎屑吸走，达到无尘的效果；网格砂通常采用改性纤维或合成纤维的长丝网格布为基体，以合成树脂为黏结剂，把磨料黏结在基体上制成的一种特殊磨具，其孔径分明，条杆整齐[5]。2种产品配合相应的吸尘托盘及装置达到磨削过程中的无尘效果。

在磨削过程中，网格能很好发挥吸尘与排屑功能，从而清除工件表面污物，减少打磨环境中粉尘的数量，改善工作环境[6]。目前，针对网格砂国内有其生产工艺上的研究报告[7]，但未见有关于其基体的研究报告。国外对网格基体的孔隙率与磨料粒度的对应关系研究较少。而国内外针对涂附磨具磨削性能及机理的研究较多：孙学东等[8]指出植砂密度的稳定与否，对砂布的磨削性能起到不容忽视的作用；NAGARAJAN等[9]建立有效力学模型，研究涂附磨具与抛光面直接接触面积对磨削性能的影响。这些研究说明有效的磨削面积对涂附磨具的磨削性能有较大影响。因此，网格砂的基体对磨削性能的影响也不容忽视：网格孔洞太多会减小磨具的有效磨削面积,影响其磨削性能，而基体孔洞太少又会影响防堵塞性能。所以，研究无尘网格砂基体的孔隙率对磨削性能的影响具有重要意义。

采用不同孔隙率的聚酯网格布作为网格砂的基体，基体经过预处理后，涂底胶、植砂、复胶，得到所需样品，探讨无尘网格砂孔隙率对磨削性能的影响。

1 试验部分

采用不同孔隙率的聚酯网格布为基体，制备不同孔隙率的网格砂样品，采用电动自吸式磨削机打磨汽车腻子，对比磨削量，观察磨削过程中样品的堵塞情况，并通过TM-1000扫描电镜表征，采用表面粗糙度仪测量磨削面的粗糙度。

1.1 网格砂样品的制备

1.1.1 试验原材料

网格基体采用市面上带有孔隙的100%聚酯网格原布，经过预处理以适合涂附磨具使用；网格基体预处理的黏结剂为进口50%丁苯胶乳；底胶、复胶的黏合剂采用与基体相应的太尔生产的固含量为65%的酚醛树脂；填料为400目碳酸钙粉末；磨料为普通棕刚玉。

1.1.2 网格砂样品的制备

图1 不同孔隙率基体示意图

网格砂样品制备的工艺流程为 ：网格基体→预处理→底胶→植砂→干燥→复胶→干燥。所用工艺条件：在图1所示的孔隙率(即孔隙的平面面积占布基的总面积的比值)分别为10%、20%、30%、40%的网格基体上分别植入P80、P180、P320磨料；预处理采用丁苯胶乳，浸润量为15 g/m2；底胶采用酚醛树脂∶碳酸钙∶水=10∶3∶2(质量比)；植砂采用棕刚玉磨料，干燥0.5 h；复胶采用酚醛树脂∶碳酸钙∶水=10∶3∶2(质量比)；复胶后在60～120 ℃干燥0.5 h，120 ℃固化2 h。其他具体工艺条件如表1所示。各个样品的底胶、复胶及干燥温度相同。将得到的4个不同孔隙率的不同磨料粒度的样品作为试验测试备用。

表1 无尘网格砂工艺条件

1.2 磨削性能测试

1.2.1 磨削量测试

将基体孔隙率分别为10%、20%、30%、40%，磨料粒度分别为P80、P180、P320的网格 砂样品制成直径为150 cm的圆盘。根据市场调研，网格砂在汽修行业的应用较多。因此，采用手持电动自吸式磨削机，控制转速为3 000 r/min，磨削汽车腻子，每隔1 min称量一次腻子的去除量，用于表示基体孔隙率对磨削性能的影响，并在磨削过程中观察样品的堵塞情况。

1.2.2 磨削面粗糙度测试

一般来说，对于要求生产效率高，而对光洁度要求不高的磨削面，采用粒度较粗的磨具打磨；对于要求光洁度好，切削余量较小的采用细粒度磨料。因此，对于细粒度磨具，粗糙度是磨削性能的一个重要指标[4]。将基体孔隙率分别为10%、20%、30%、40%，磨料粒度分别为P180、P320的样品，制成直径为3 cm的磨削圆片，用手持气动砂光机研磨漆板6 s，采用TR手持式表面粗糙度仪，测量磨削表面的粗糙度，测量10次取平均值。Ravg表示磨削面的平均粗糙度，Rmax表示最大粗糙度，2个值越大，表示磨削面的光洁度越差[10]。

1.3 试验仪器

磨削性能测试采用芬兰MIRKA公司的电动自吸尘磨削机；磨削面的划痕测试采用北京时代光南科技有限公司的TR200手持式表面粗糙度仪进行测量；磨削面的观测采用日立高新技术公司的TM-1000扫描电镜进行观察。

2 结果与讨论

2.1 不同孔隙率基体网格砂的磨削力分析

如图2所示：将其分别粘在打磨工具的托盘上，打磨汽车腻子。图3为不同孔隙率P80样品磨削量随时间的变化。如图3所示，在磨削的前2 min内，10%、20%和30%孔隙率样品的磨削总量分别为35.22 g、35.02 g、34.85 g，相差不大。40%孔隙率样品的磨削总量为25.99 g。P80样品因磨料粒度较粗，磨削过程中产生的碎屑粒径较大，磨料间隙大，磨削过程中的堵塞现象不易量化，一般用肉眼观察[11]。

图3 P80样品的磨削数据

图4为不同孔隙率P80样品的堵塞状态。如图4所示：在磨削前期，磨削碎屑不会黏附在网格砂面的表面，其磨削面没有堵塞现象。随着磨削的深入，磨削碎屑的增加，孔隙率为10%和20%的样品由于吸尘效果差，环境中会有大量灰尘产生。孔隙率为40%的样品在磨削环境中未出现大量灰尘，但由于孔隙率较大，其植砂面积较小，实际单位面积的植砂量变小。一般来说，在粒度相同的情况下，植砂越密，单位时间内的磨削量越大；植砂越疏，单位时间内的磨削量越小[12]。综合考虑，P80样品优选孔隙率为30%的网格基体。

图5 P180样品的磨削数据

图5为不同孔隙率P180样品磨削量随时间的变化情况。如图5所示，对于P180样品，孔隙率30%的磨削量较其他孔隙率样品的磨削量更高。磨削第1 min，P180的4个样品均未出现堵塞。磨削第2 min，单位时间的磨削量为6.28 g，比孔隙率10%、20%样品的磨削量(5.20 g)高21%。孔隙率为40%P180样品的磨削量仍然最少，主要是因为孔隙率为10%、20%的样品在磨削过程中随着磨削碎屑的积累出现了堵塞情况，如图6所示，影响其磨削力[14]。P180样品在磨削过程中，孔隙率对磨削量的影响在磨削1 min后开始显现，而P80样品在磨削3 min后，孔隙率的影响才稍显出来，且表现为30%孔隙率的样品其磨削性能较20%孔隙率的样品的磨削性能稍好。这是因为随着磨料粒度变细，磨削碎屑越小，在磨削表面越易出现堵塞情况，网格砂基体的孔隙率随着磨料粒度变细，对磨削性能影响越明显。

图7为不同孔隙率P320样品磨削量随时间的变化情况。由图7可知：对于磨料粒度P320，基体孔隙率为20%与30%的样品在开始磨削前3 min的磨削力明显较10%、40%的孔隙率的好，主要是因为孔隙率为10%的样品在磨削过程中出现了堵塞情况，如图8所示，造成其磨削力下降。

图7 P320样品的磨削数据

2种样品的堵塞情况如图9所示。孔隙率20%的P320样品磨削后基本不堵塞，磨料清晰可见；孔隙率10%的P320样品，磨削碎屑黏附在整个磨削面上。其中，磨削5 min时，20%的样品的总磨削量为12.42 g，比30%孔隙率样品的高5.7%，主要是因为20%孔隙率的样品其磨削面积大，植砂密度高。细粒度磨削较粗粒度磨削产生的碎屑少，因此孔隙率不需要太大就可以排除磨削碎屑；但孔隙率太小，磨削碎屑易黏附在磨削面上。综合考虑，P320的网格砂优选孔隙率为20%的基体。

对于粗粒度样品，例如P80样品，基体孔隙率对产品的堵塞性能影响不明显，但是会影响打磨环境周围的灰尘量；对于细粒度样品，虽然环境中的灰尘很少，但由于磨料粒度细，磨屑更加细小，磨屑容易将整个磨削表面堵塞，磨削量也相应减少，孔隙率对磨削过程中网格砂的堵塞情况影响明显。

2.2 不同孔隙率网格砂研磨表面粗糙度对比

一般磨料粒度越粗，研磨表面越粗糙。实际应用中，相同磨料粒度下，在保证磨削量的前提下，粗糙度越小越好[13]。粗粒度磨削，例如P80，在实际应用中其对研磨面的粗糙度要求不高。因此，本研究主要讨论P180、P320样品磨削后的表面粗糙度。由表2、表3可以看出，P180样品孔隙率分别为10%、20%、30%、40%的网格砂打磨后的磨削面，其Ravg分别为2.997、3.001、3.002、3.341 μm；对于P320样品，其Ravg分别为1.215、1.251、1.260、1.452 μm。一般砂布P180、P320的Ravg为3.238、1.355 μm[12]。同一磨料粒度下，网格砂研磨面的粗糙度，随着基体孔隙率的增大而增大，但当孔隙率不大于30%时，增加趋势较平缓。

表2 不同孔隙率P180样品磨削后表面粗糙度对比

表3 不同孔隙率P320样品磨削后表面粗糙度对比

由表2和表3可知：孔隙率为40%的样品磨削后表面的粗糙度较其他孔隙率样品的高。孔隙率40%的P180样品磨削后表面的平均划痕Ravg为3.341 μm，比10%孔隙率的高11.5%；比20%孔隙率的高11.3%；比30%孔隙率的高11.3%。P320孔隙率40%的样品磨削后表面的平均划痕Ravg为1.452 μm，比10%孔隙率的高19.5%；比20%孔隙率的高16.1%；比30%孔隙率的高15.2%。这是因为孔隙率太高时，磨料排列比较松散，磨削工件时，磨料切入磨削表面的部分较大，从而造成划痕较深，磨削后表面较粗糙。

3 结论与展望

通过对比分析不同孔隙率的网格基体对网格砂磨削力、研磨表面的堵塞情况、研磨面粗糙度的影响，结论如下：

(1)对于粗粒度网格砂，网格基体孔隙率的增大有利于磨削碎屑的排出，减少环境中的灰尘，综合考虑，对于粗粒度样品P80、P180，优选孔隙率为30%的基体；

(2)对于细粒度的网格砂，基体孔隙率会影响磨削后表面的堵塞情况，从而影响研磨产品的磨削性能，其磨削后表面的粗糙度随着孔隙率的增大而增大，综合考虑，对于细粒度样品P320，优选孔隙率为20%的基体。