摘 要

       研究定组态砂带(PSA)的寿命极限,能够完善砂带寿命评价系统,为推动木质材料用砂带的研发和实际生产提供指导。制备了一种碳化硅PSA,对中密度纤维板(MDF)进行精磨试验,分析材料质量、粗糙度、表面形貌、磨粒高度等数据,得到材料去除量、磨削表面质量以及砂带磨损趋势,通过灰色模型预测变化趋势,探究了砂带的寿命极限和评判方法。研究表明:以材料去除量为砂带寿命评判标准时,通过建立GM(1,1)灰色模型预测PSA寿命,其理论磨削长度为37 875 m,是普通传统砂带的1.63倍,是棕刚玉PSA的1.26倍; 以磨削表面粗糙度(Sa)为评判标准时,通过分析MDF的Sa变化趋势,得出其理论磨削长度为26 625 m,是普通传统砂带的1.44倍; 当量磨粒高度下降超过52.58%和40.72%时,砂带达到材料去除量和磨削表面粗糙度的寿命极限。加工目的不同,砂带寿命极限的判定标准也不同:加工目标为定厚砂光时,根据材料去除量的下降率判定砂带寿命,此时灰色预测模型精度较高,具有优势; 以表面精磨为加工目的时,当MDF表面粗糙度下降到稳定值后突然增加或数据变分散时,砂带寿命达到极限。砂带磨粒高度随磨削不断降低,降低到一定程度时,砂带因磨粒不稳定和表面黏结、堵塞胶黏剂等物质,无法继续有效磨削,最终达到寿命极限而失效。

       中密度纤维板(MDF)因具有稳定的机械加工性能,应用范围不断扩大。在MDF加工中,磨削是一种较为常用的方法,可以对材料进行定厚磨削,也可以进行表面精光。砂带磨削有“万能磨削”之称,生产效率高、加工质量好,因此砂带在MDF制品的生产加工中极其重要。

       在实际生产中,砂带的使用时间有限。其寿命是指磨砂工件时从最初使用到完全失效的持续时间或累积长度,砂带使用寿命对资源环境和经济效益都有影响。

       工厂加工时常因难以准确控制砂带寿命而导致废材和耗能的增加,因此对于砂带寿命的研究及掌控至关重要。

       目前市场上基于MDF性能制造的砂带很少,大多数砂带都是针对磨削金属等均质、较硬、较脆材料制作的,一定程度上影响着MDF的加工效益。在MDF的实际生产中,使用普通传统砂带时会出现定厚不准、砂光表面缺陷等问题,另外,砂带的选用和更换大多依赖于工人经验,以致生产效率低、能耗大、砂带寿命短等。

       多数研究都是关于传统棕刚玉砂带在木质材料领域的磨削特性。大量研究进行了传统棕刚玉砂带磨削MDF和实木的试验,表明磨粒间隙过小会导致木屑粉尘难以去除,易附着在磨粒上,使磨粒变钝。

       普通传统砂带因磨粒形态不一、分布不均,存在不参与磨削的无效磨粒,且随着磨削的进行出现磨粒聚集现象,磨削后期时磨粒钝化、排屑通道堵钝严重,砂带达到寿命极限。这是因为MDF内部的胶黏剂使磨屑更易粘在砂带上造成堵钝,导致砂带失效,因此可以通过砂带改良来提高MDF磨削时砂带使用寿命。

       PSA

       PSA是一种可以根据不同砂光表面质量和切削去除要求来调整磨粒形状和排列的堆积磨料砂带,可实现高效、高质量磨削。

       ·Du等制备了棕刚玉PSA并进行性能研究,证明了PSA具有更高的材料去除性能及更长的砂带寿命。

       杨冲等制备了棕刚玉PSA并对其寿命进行了初步研究,发现PSA寿命比普通传统砂带更长。

       目前关于PSA寿命的研究屈指可数且不够深入,本研究制备了一种PSA并通过MDF磨削试验来详细探究砂带寿命极限与判定方法,以完善砂带寿命评价系统,从而为MDF磨削用砂带的制造及应用提供理论支撑,为生产加工中砂带的寿命把控提供实际指导及参考。

       1 材料与方法

       1.1 试验材料与设备

       本研究的试验材料如图1所示,包括MDF试件,尺寸为45 mm(L)×45 mm(W)×30 mm(T),初始质量约为44 g,表面平整无缺陷,初始表面粗糙度约为2.55 μm,含水率为10%,密度为0.74 g/cm3。在磨料选择时,因MDF中有较难磨的树脂,在细砂时应采用比棕刚玉更锋利、自锐性更好、更适于非金属材料磨削的碳化硅磨料。因此,针对MDF精磨本研究选用碳化硅磨料,并制作了碳化硅定组态砂带(PSA),初始质量为26.994 g,有效磨削区面积为45 mm×75 mm。

       PSA砂带制作工艺流程如图2所示。通过图2a所示的混合磨料(微磨粒粒径为83 μm)、辊压成形等工艺流程,制备出具有定向排布的棱台形(高度为0.5 mm,侧面与底面夹角为75°,底面长度l约为3.8 mm,宽度w约为1 mm)大磨粒团(当量磨粒)的PSA。设计棱台形当量磨粒的前刀面夹角θ为30°,该角度能达到较高的材料去除率和较好的砂光表面质量。通过力学分析得到棱台形的磨粒能够提供稳定的磨削力,如图2b所示。磨削设备提供稳定的压力F,随着磨削的进行,磨粒不断磨矮。在棱台形磨粒的不同高度截面上,角α(75°)不变,作用在MDF上的分力F1、F2也稳定不变; 在磨粒的横截面上,因形状固定,侧前刀面上不同作用点的角β(15°)大小一致,切削力依旧稳定。磨粒的排列设计如图2c所示,该结构具有0.2 mm的连续且通畅的排屑通道。

       砂带磨削试验机的设计如图3所示。MDF试件放置在固定装置上。驱动系统提供固定轨迹的直线往复运动(0.2 m/s),在固定装置与MDF试件间设置5 mm的横向余量,使木块在磨削时会产生横向移动(最大5 mm),一定程度上模拟和弥补砂光机磨削时砂带的横向窜动。张紧轮将砂带固定在压缩装置上,在砂带和压缩装置中间放置橡胶垫,保证砂带贴合完全。气缸提供恒定的磨削压力(0.494 MPa),使压缩装置在垂直滑轨上进行直线运动(MDF试样进行单向磨削,返回时气缸向上抬起,单次行程为75 mm),气缸会随着MDF试件厚度的减小而不断下移,以保证下压时砂带与试样的持续接触。使用光电计数器来记录打磨次数,往复1次,计数加1。

       1.2 试验方法

       1.2.1MDF与PSA质量的表征

       采用精密分析天平(JA5103, Lichen,中国)测量质量,为避免MDF厚度方向密度梯度的影响,每磨削5 000次取下MDF试件测量质量并更换,PSA每磨削2.5万次测量1次。为保证测量精度,每次测量前,用高压气枪清除砂带和样品表面的磨屑和粉尘。砂带共磨削40万次。

       1.2.2 表面粗糙度与表面形貌的表征

       每次质量测量后,使用3D表面轮廓仪(VR 5000, KEYENCE, Osaka,日本)对MDF磨砂表面和砂带磨削面的中心位置进行扫描,获得表面形貌。使用VR 5000分析软件获取三维表面形貌和表面粗糙度并进行分析和测量。

根据MDF的表面特性,选择表面粗糙度参数Sa来表示相关情况。Sa为算术平均高度,值越小表示表面越平坦。根据GB/T 33523.2—2017《产品几何技术规范(GPS)表面结构 区域法 第2部分:术语、定义及表面结构参数》,Sa的计算公式如下:

       式中:A为测量区域; x、y为测量区域边界; z(x,y)为加工面高度。

       1.2.3 灰色预测模型

灰色预测是对具有不确定因素的系统进行预测的一种方法。灰色系统建模主要是通过识别因素之间动态发展的差异情况进行相关性分析,再对原始数据进行处理,生成规律性较强的数据序列并建立微分方程GM(1,1)模型,使因素间的动态关系得到协调,进而对因素的发展变化进行预测。本研究采用构建灰色预测模型的方式对砂带的砂光情况进行预测。

       2 结果与分析

       2.1 材料去除量与砂带寿命

       砂带的材料去除量直接反映其磨削效率,随着使用次数的增加,砂带的磨削效率会有所变化,这与材料去除量的变化趋势和大小有关。在对工件进行定厚砂光时对材料去除的要求较高,因此选取材料去除量为主要评判指标来判定砂带寿命。PSA的材料去除量情况如图4所示,材料去除量整体呈下降趋势,磨削次数在1万～15万时,材料去除量下降较快且较为分散,为砂带磨削的前期; 在15.5万～34万次时,材料去除量数值非常集中,变化较为平缓,为砂带磨削的中期; 在34万次之后材料去除量又呈明显的下降趋势,为砂带磨削的末期。

       在砂化过程中,磨削效率下降到初始水平的50%以下时砂带达到半衰期,大部分磨粒失去磨砂性能,砂带失效。因此,当材料去除量持续低于初始阶段的50%时,砂带不再满足磨削要求。PSA磨削前期的平均材料去除量为3.936 g(0.194 g/cm2),达到50%时为1.968 g(0.097 g/cm2),根据她4可以看出,虽然末期磨削至38万～39.5万次时材料去除量下降至1.968 g以下,但40万次时又回升至1.968 g以上,材料去除量的回升表明着砂带仍能够恢复有效打磨状态,说明以材料去除量为评判标准时,PSA磨削MDF至40万次时并未达到寿命极限。

       因此,本研究通过材料去除量与磨削次数的关系建立灰色预测模型,预测材料去除量的趋势,采用基于一阶微分的GM(1,1)模型建立灰色模型。在建立模型之前,首先进行水平检验。如果比值在(e[-2/(n+1)],e[2/(n+1)])的范围内,则表明数据适合模型,如果不适合,则对序列进行“平移变换”,以确保新序列满足水平比值检验。根据计算,材料去除量的平移序列各阶比值均在(0.976,1.025)范围内,表明平移序列适合构建GM(1,1)模型。灰色模型构建如下:

       式中:X11为去除量的序列; t为磨削周期(1个周期5 000 次)序号1,2,…,n-1,n的连续变量; a和b为计算材料去除量的预测向量的发展灰数和灰作用。模型构建结果如表1所示。

       C是残差方差与方差的比值,值越小表示精度越好,C

       2.2 磨削表面粗糙度与砂带寿命

       当对工件表面进行精磨时,对表面砂光质量(磨削表面粗糙度)的要求较高,以表面粗糙度为主要的砂带寿命考察指标。这体现在MDF的Sa数值上,需要通过分析Sa的变化趋势和分散程度来确定砂带的寿命。

       经PSA磨削后MDF的Sa随磨削次数的变化情况如图6所示,从3个磨削阶段分别选取前后两个MDF表面形貌(1和2),情况如图7所示。可以看出,Sa随着磨削的进行基本呈下降趋势。磨削前期,MDF的Sa下降趋势较大,MDF由清晰可见的磨痕表面变为等高性较好的表面,磨削表面质量有所提高。磨削中期,Sa先下降,之后大概稳定在4.2～5.4 μm,MDF表面等高性较好。磨削末期,Sa存在急剧上升后急剧下降的情况,表面质量不太稳定,MDF表面会有较深的划痕或小的突起,等高性也不稳定,此阶段PSA无法提供良好且稳定的表面质量。

 

       砂带的寿命极限可以认为是在MDF的Sa下降到稳定值后突然增加或分散程度增加时达到的,因为此时无法获得稳定的表面情况。在这种情况下,灰色预测模型不再适用。

       通过分析图6中Sa的变化情况,当磨削至35.5万次时,Sa超出了稳定区,之后的变化趋势很不稳定且较为分散,说明以MDF的Sa为评判标准,使用PSA砂带磨削MDF至末期时,砂带已经达到寿命极限。这发生在35.5万次时,通过计算可得到PSA砂带的理论磨削长度为26 625 m,约为普通传统砂带寿命18 375 m的1.44倍。

       2.3 砂带质量损失和表面形貌与砂带寿命

       砂带寿命的研究离不开对砂带本身情况的分析,砂带的磨损在众多研究中都有所描述,影响着砂带的实际使用质量。本研究通过砂带质量损失和表面形貌的变化来分析砂带磨损形式和规律进而研究砂带的寿命。

       砂带质量损失情况如图8所示,同样从3个磨削阶段分别选取前后两个砂带表面(1和2),形貌如图9所示。可以看出,砂 带质量几乎呈线性损失,比较稳定,说明砂带发生着稳定的磨损和自锐,几乎没有堵顿的情况发生。砂带表面的当量磨粒逐渐磨矮,磨粒等高性逐渐变好。

       结合当量磨粒实际轮廓变化情况(图10)可以看出,初始阶段当量磨粒较为尖锐,在磨削前期,未黏结牢固的磨粒发生脱落、断裂,当量磨粒表面凹凸不平,形成了新的切削刃参与磨削。磨削中期,磨粒的情况较为稳定,能够提供较优的磨削性能。磨削至25万次时,砂带质量损失变得较为缓和,此时砂带发生磨粒脱落的情况较少,主要为磨粒的磨损,磨粒被逐渐修平并不断钝化,磨粒的等高性较优,前期形成的凹坑因磨粒磨损而逐渐显现,但并没有影响砂带的磨削性能,这归功于PSA当量磨粒有序的排布,后排的有效当量磨粒能够修正前排磨粒的磨削缺陷。磨削末期,砂带上磨钝的磨粒因松动而成团脱落,砂带的表面产生了一些大的凹坑,但砂带的质量损失非常小,这是由于MDF内部的胶黏剂和磨屑黏结在砂带上,填补了砂带表面的沟壑和空隙。最终,因磨粒不稳定的状态(易脱落、钝化严重、等高性差)和砂带表面黏结、填补较多的胶黏剂等物质,局部无法发挥磨削作用(材料去除或表面砂光),导致磨削变得不稳定,很大程度影响到砂带的性能,致使砂带达到寿命极限而失效。

       通过砂带质量损失和表面形貌的分析,能够看出,砂带表面磨粒高度随磨削次数的增加几乎是逐渐降低的,降低到一定程度时,因磨粒不稳定状态和砂带黏结、堵塞胶黏剂等物质,无法发挥磨削作用,达到寿命极限而失效。通过分析软件获得了砂带表面当量磨粒的高度数据,建立GM(1,1)灰色模型,通过水平检验,其平移序列各阶比值均在(e[-2/(n+1)],e[2/(n+1)])范围内,适合构建该模型,具体构建如下:

       式中:H11为当量磨粒高度的序列; T为磨削周期(1个周期2.5万次)序号1,2,…,n-1,n的连续变量。

       模型构建的C值为0.059,精度基本合格,可用于后续操作。模型拟合预测结果如图11所示。以材料去除量为评判标准时,磨削至50.5万次时,砂带达到寿命极限,因磨削周期为2.5万次,无法直接获得50.5万次时的数据,因此对50万次和52.5万次的数据进行线性拟合,得到拟合线a,拟合公式为式(4),计算得到磨削至50.5万次时当量磨粒的高度为0.184 mm,下降率为52.58%。以磨削表面粗糙度为评判标准时,磨削至35.5万次时,砂带寿命达到极限,同样对35万次和37.5万次的数据进行线性拟合,得到拟合线b,拟合公式为式(5),计算得到磨削至35.5万次时,当量磨粒的高度为0.230 mm,下降率为40.72%。

       综上所述,当量磨粒的高度下降率超过 52.58% 时,可判断砂带达到MDF材料去除量的寿命极限。当量磨粒的高度下降率超过40.72%时,可判断砂带达到MDF磨削表面粗糙度寿命极限。

       结论

       本研究制备了碳化硅定组态砂带PSA并对MDF进行磨削试验,通过对材料去除量、MDF的Sa、砂带质量损失及表面形貌变化情况进行分析,探究了该砂带的寿命极限及失效原因和PSA寿命的计算及评判方法,得出结论如下:

       1)以材料去除量为砂带寿命评判指标时,PSA磨削至40万次时尚未达到寿命极限,可以通过去除量与磨削次数的关系建立GM(1,1)灰色模型来预测其寿命,模型精度较高。通过计算得到PSA磨削至50.5万次时达到寿命极限,理论磨削长度为37 875 m,是普通传统砂带的1.63倍,是棕刚玉PSA的1.26倍。

       2)以磨削表面的Sa为砂带寿命评判指标时,砂带的寿命极限认为是在MDF的Sa下降到稳定值后突然增加或分散程度增加时达到的。经PSA磨削的MDF的Sa基本呈下降趋势,磨削中期存在稳定区间,磨削末期出现急剧上升后急剧下降的情况,很不稳定,磨削至35.5万次时砂带达到寿命极限,理论磨削长度为26 625 m,是普通传统砂带的1.44倍。

       3)砂带表面磨粒高度随磨削不断降低,降低到一定程度时,砂带因磨粒不稳定状态和表面黏结、堵塞胶黏剂等物质,无法发挥磨削作用,致使砂带达到寿命极限而失效。当量磨粒高度下降率超过52.58%时,可判断PSA达到材料去除量的寿命极限。当量磨粒高度下降率超过40.72%时,可判断其达到磨削表面粗糙度的寿命极限。

       除此之外,“横向窜动”机构的设置能够保证砂削均匀性和砂削质量,在进一步研究中需增设此机构并深入探究砂带的整体性能。总的来说,根据目前的研究结果,本研究中的碳化硅PSA使用寿命长,能为MDF的生产提供长效磨削,适用于MDF精磨,为后续进一步加工提供更易处理的表面,为MDF的实际生产加工提供了砂带制造工艺思路,并为砂带的使用及更换提供理论评判基础。

       责任编辑：田亚玲 孙仪

       该文发表于《林业工程学报》2025年第5期。

       引文格式：

       李春瑜,杜瑶,杨冲,等.碳化硅定组态砂带精磨中密度纤维板的寿命分析[J].林业工程学报,2025,10(5):47-54.

       LI C Y,DU Y,YANG C,et al.Lifespan study of SiC precision-shaped abrasive belt for medium density fiberboard accurate sanding[J].Journal of Forestry Engineering,2025,10(5):47-54.