砂带专利技术综述

李玉

摘  要：砂带是使用粘结剂将磨料粘结在纸、布等可挠性材料上制成的可以进行磨削和抛光的一种带状工具，其切削作用主要由基底上具有刃角的专用磨粒来完成。砂带不仅是磨具三大系列——涂附磨具、固结磨具、超硬磨具中的一个重要组成部分，而且是涂附磨具中技术含量最高的产品，甚至已成为衡量一个国家砂带磨削技术水平高低的标准。文章针对砂带技术相关专利进行了分析。

关键词：砂带;专利;技术

中图分类号：T-18         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）23-0025-03

Abstract： Abrasive belt is a belt-shaped tool that can grind and polish by using adhesive to bond abrasive materials to flexible materials such as paper and cloth. The cutting action of the abrasive belt is mainly completed by special abrasive grains with cutting edges on the substrate. Abrasive belts are not only an important part of the three major series of abrasive tools-coated abrasive tools， consolidated abrasive tools， and super-hard abrasive tools， but also the most technical products in coated abrasive tools. Abrasive belts have evenbecome a standard to measure the level of abrasive belt grinding technology of a country. In this paper， the patent of abrasive belt is analyzed.

Keywords： abrasive belt; patent; technology

引言

砂带是特殊形态的多刀、多刃切削工具，其切削功能主要由黏附在基底上的磨粒来完成。作为单颗磨粒的切削行为，可以把它比喻为一般切削加工刀具的微型体的切削行为[1]。砂带磨削技术从其产生到现在，每一个发展阶段均以砂带的发展为标志。后来欧洲和日本也相继开展了砂带磨削技术的研究和应用，砂带磨削技术随之逐渐发展成为一个门类齐全、技术体系较为完整的独立的加工技术领域。近年来，常规砂带在全球涂附磨具消耗中虽然仍占有很大比例，但随着大量新材料的涌入和特定场合的需求，高质量砂带的使用也逐年增加[4]。

1 国内外砂带的专利现状分析

通过对国内外关于砂带技术的专利文献检索、标引以及梳理，对涉及砂带研磨层结构的样本进行分析，本文主要是对于研磨颗粒粒度及其分布方式方面进行的。砂带研磨层结构从研磨颗粒粒度可分为单一粒度磨料和复合粒度磨料，从磨料分布方式可分为单层磨料、多层磨料和堆积磨料三种类型。随着砂带结构的不断丰富，通过对基体和粘结层结构的改进以提高砂带的强度和柔性，通过对磨粒团结构的改进以提高研磨质量和砂带寿命成为砂带结构专利申请的焦点。

1.1 国内外砂带的专利申请量分析

砂带在全球和国内申请量年度分布如图1所示。在全球范围内，砂带的专利申请量整体呈上升趋势，其发展大致分为三个阶段。1962年-1984年为技术萌芽期，一直到1984年左右专利申请量都较少，处于技术起步阶段;1985年-1999年为技术成熟期，随着制造业水平的不断提高、高强度磨粒的出现及机械化精密、超精密加工的不断发展，砂带进入一个新的发展阶段，欧、美、日等工业发达国家和地区推动了全球砂带技术的发展;2000年至今为稳定发展期，中国国内的申请量呈逐年稳定上升趋势。由于国内相关研究的起步较晚，核心技术基本被国外企业和科研机构掌握。需要指出的是，由于2019以后的专利申请有部分尚未公开，使得图1中2019年后的数据有所下降，并不说明砂带相关专利申请量的下降，也不能认定该领域进入衰退期。

1.2 国内外砂带的专利申请地域分布分析

专利申请的地域分布能够在一定程度上反映出企业的产品市场重心。在对相关的砂带专利申请的所在国家和地区产权组织分布进行统计分析后发现，日本、美国、中国和德国排名靠前，其占据了所有专利申请的89%，同时也是砂带最主要的技术市场。上述分析结果与砂带主要生产企业的分布国基本一致，美国拥有3M创新有限公司、Carborundom、原诺顿（Norton），法国拥有圣戈班（Saint-Gobain），日本拥有野牛NCA、Riken Corundum和韩国高丽研磨等。对于中国而言，虽然申请量占比16%，排名第三，但结合申请人分析可知，由于我国对砂带的研究起步较晚，企业及研发机构的技术继承性较差，没能形成系统的技术脉络，且实用新型的申请量较大，若想占有一定的市场份额，还需加紧自身的研发步伐。

1.3 砂带领域的重要申请人分析

图3列出了砂带领域的重要申请人与申请量的对应关系，包括申請量前10的申请人。

根据申请量以及前期统计结果，将砂带领域较为重要的申请人总结如下：

（1）3M创新有限公司（Minnesota Mining & Manufacturing）：明尼苏达矿务及制造业公司，创建于1902年，是世界著名的产品多元化跨国企业。3M公司在创始之初专门从事砂纸产品的制造，从上世纪60年代至今，3M公司一直没有停止对砂带的研究和专利申请，其研发涉及各种结构的砂带及制造砂带的材料与方法。3M公司的金字塔堆积砂带运用独创的微晶复制技术所开发出来的革新性研磨材料，独特金字塔结构，氧化铝/碳化硅矿砂，树脂胶，表面加有助磨剂，使用寿命得到了2-5倍的提高，有效地提高产品质量和切削效率，降低产品的不良率，研磨表面线路细致均匀，研磨时产生的热量也明显减少，减少加工工序。比如公开号为US5078753A的专利申请，该专利申请提出了一种初级磨粒与微磨粒堆积砂带，提高了磨料的利用率，同时复合粗磨料与细磨料能够保证工件较高的几何精度和较低的表面粗糙度。此后，又提出了几种不同的堆积磨料团的堆积砂带（US5378251A，US5489235A，US6056794A），成为其公司后期的金字塔堆积砂带的雏形。

（2）圣戈班-诺顿（Saint Gobain-Norton）：圣戈班集团于1990年收购了美国诺顿公司，进一步提升了其中砂轮砂带领域的研发制造水平。其专利申请覆盖欧洲、美国、日本、韩国和中国等国家。对于砂带的研究也涉及各种结构的砂带及制造砂带的材料与方法。比如其在1997年申请的专利US6537140B1，在磨料层设置网格排屑槽，使磨屑能够在磨削时及时排出，提高磨削质量;进一步发展，其在2009年申请的专利US2010/0227531A，在粘接剂层加入颜色稳定剂，防止砂带老化后颜色变深，在打磨工件时造成工件颜色变化，对砂带打磨效果做出了更高的要求。

（3）湖北玉立砂带集团股份有限公司：该集团创建于1997年，是目前亚洲生产规模最大、产品产量最多、产品品种最全的磨料磨具专业公司，也是集科研、生产、经营和原辅材料生产加工于一体的长产业链企业。该集团专利主要涉及砂带、砂盘、砂纸等，以实用新型为主。

2 核心专利分析

综合考虑被引证频次与同族申请数量，砂带结构领域的核心专利集中在美国、欧洲和日本。图4显示了核心专利的技术内容，从图4中可以看出，核心专利主要集中在单一粒度磨料单层砂带和堆积砂带的研究上。单一粒度磨料单层砂带其主要研究方向除了磨粒材料的发展外，还在于通过对基体和粘结层结构的改进以提高砂带的强度、柔软，以免在磨料层还未钝化前砂带出现断裂等破损，保持磨削过程中的柔性;从上世纪80年代开始堆积砂带逐渐出现，并得到巨大的发展，堆积磨粒团有磨粒或磨粒团更小的磨粒粘接而成，表层磨粒切除一定量的材料后会钝化，磨钝的小磨粒会从锥形磨粒或磨粒团上破碎脱落，位于里层的新磨粒就会露出来参与磨削，由于在磨削过程中不断有锋利的切削刃产生，所以具有较长的寿命和对材料均匀一致的切除率。同时，由于基体和粘结层的断裂与僵硬是砂带磨削均会遇到的问题，在针对单一粒度磨料单层砂带的基体和粘结层结构的研究，同样也适用于各种类型的砂带。

3 技术发展演进路线

砂带技术专利申请的发展大致经历了以下三个发展阶段：

第一阶段（1962年-1984年）为砂带的发展起步阶段。砂带属于涂附磨具（俗称砂纸、砂布）的一种形式，早在1760年，世界上就出现了第一张砂纸，但当时仅局限于手工操作。直到1900至1910年才进入机械使用砂纸和砂布的时代，1930年后砂带磨削逐步向金属加工方面发展，1960年初静电植砂方法的出现把砂带磨削推向了一个新的阶段[3-4]，砂带磨削应用逐渐普遍。在砂带起步阶段主要是以单一粒度磨料单层砂带为重点研究对象，并在其基础上进行改进。瑞典的Eric L.Mark■■等在砂带原有结构的基础上设置防静电涂层（US3942959A），以防砂带产生静电对磨屑的吸附，避免了磨削过程中的堵塞，延长了砂带的使用寿命，从此采用在砂带原有结构上涂附超涂层以改进砂带的性能也成为该领域的研究热点。除了采用防静电涂层防止磨屑吸附外，德国Selbeck & Co通过改进磨料层结构设置排屑通道（DE2514853A），并通过排屑通道外的无磨料层区域平衡基体材质的褶皱，以保证磨削质量。由于砂带原先的砂纸改进为环装带形结构，并以机械方式磨削，改进砂带的基体强度，避免砂带断裂也成为研究重点之一，美国Terpay J.M.提出了一种有机纤维与玻璃纤维编织基体的砂带（US4282011A），在保證磨削柔性的同时提高了基体强度，延长了砂带使用寿命。在提高了砂带基体寿命的同时，提高磨料层使用寿命保证磨削对材料一致的切除率，德国Norddeut Schleifmittel Ind.提出了空心球堆积磨料砂带（DE295107A1），开启了对堆积砂带的研究。

第二阶段（1985年-1999年）为砂带的高速发展期，也是技术成熟期。随着制造业水平的不断提高，高强度磨粒的出现及机械化精密、超精密加工的不断发展，砂带进入一个新的发展阶段，欧、美、日等工业发达国家和地区推动了全球砂带技术的发展。美国Carborundum Abrasive Co.公司为提高砂带研磨柔性，提出了一种粘结层具有微球体孔结构的砂带（US4543106A）。此后单一粒度磨粒单层砂带的研究更多的偏向于对磨粒、粘结层、基体和超涂层或第三涂层材料的方向。而不断提高砂带磨料层的使用寿命、提高磨削质量成为砂带领域各大公司新的追求方向。日本的东京磁气印刷株式会社提出了一种多层砂带（JP昭60-146680A），简单的通过增加磨料层数，上层磨料钝化或脱落后形成新的磨料层，具有一定程度的自锐性，可明显延长砂带的磨料层使用寿命，但同时磨料层数不能太多，否则会使砂带失去柔性。日本的日立制作株式会社提出了一种氧化铝、碳化硅和金刚石复合磨料砂带（JP昭62-130168A），这种复合磨料砂带能够充分发挥各个磨料自身的优点，提高砂带的磨削效率。日本的光阳株式会社提出了一种复合磨料的多层砂带（JP昭61-65780A），结合了复合磨料砂带和多层砂带的优点。同时，由于堆积砂带显著的磨削优势，各大公司针对堆积砂带做出了许多研究，比如3M公司。

第三阶段（2000年至今）为砂带的稳定发展期。相比第二阶段的蓬勃发展态势，由于砂带的结构已基本确定，其他国家在第三阶段的申请量有所下降，而中国的申请量在这一阶段呈快速增长的趋势，但中国申请人主要集中在中小企业，且由于起步较晚，没有系统的发展脉络，同时缺乏核心技术。美国的3M创新有限公司通过改进磨料以提高砂带磨削质量（WO2012061033A2）。台湾的江宪宗改进砂带磨料层结构将粗磨、细磨和精细磨集中于同一条砂带上（TWM293812U），通过同一条砂带实现对工件的完整磨削。中国的嵩山特材集团有限公司采用冷堆积磨料（CN102729158A），提高了涂附磨具的磨削效率和使用寿命，提高工件的表面质量。

4 结束语

全球范围内在砂带技术中，关于砂带结构的技术仍是各大公司、机构技术改进的热点，其申请量也在逐年稳步增长。从整体上看，该领域的相关申请仍集中在欧洲、美国和日本，我国相关企业逐渐开始增加研发投入，近些年的专利申请量稳步上升。从核心专利分布情况来看，欧洲、美国和日本掌握了该领域绝对数量的核心技术，且其产品处于世界领先水平，从相应的市场品牌上来看，在砂带领域处于世界领先地位的也是美国、欧洲等国家，如3M创新有限公司、圣戈班（原诺顿）等，这些公司具有良好的技术积累，形成了系统性的技术脉络，并凭借自身核心技术不断改进发展，向更多具有较大市场潜力的国家申请专利保护，以占领其他国家市场。我国虽然申请量逐渐上升，但起步较晚且研发方向分散，专利技术转化为实际产品难度较大。

随着精加工质量需求进一步的提升，其必然对砂带的加工质量与使用寿命提出更高的要求，中国企业与科研机构应进一步加大科研投入，向高精度、高质量、长寿命等方向发展。

参考文献：

[1]黄云，等.现代砂带磨削技术及工程应用[M].重庆：重庆大学出版社，2009.

[2]刘展鹏.砂带磨削技术研究进展与发展方向[J].山东工业技术，2016（18）：9-26.

[3]陈延君.燃气轮机叶片材料砂带磨削性能研究[D].重庆大学，2006.

[4]陈延君.国内外砂带技术的发展及应用[J].航空制造技术，2007（7）：86-91.