青岛盛福精磨科技有限公司总经理王庭晖
磨削加工在制造业中的应用日益广泛，以砂布、含磨料不织布、含磨料耐温尼龙丝等涂附磨材为原料制成的涂附磨具，在磨削工艺中已得到了普遍应用。
木质板材作为家具、工艺品、家装、包装等行业的主要材料，在生产制造过程中与磨削加工已形成了不解之缘。在木材加工行业，磨削加工习惯的被称为“砂光”。
木质板材的种类较多，砂光要求也不相同，砂光的工艺、设备和使用的涂附磨具也具有多样性。下面我们从四个方面来讲述木质板材及其砂光。
木质板材的分类
木质板材主要包括以自然生长结构为主的实木类和结构重组再造的人造板类，木质板材的密度对板材的物理性能影响最大，在此，我们主要以结构和密度的区别对木质板材加以分类。
实木类中，整体实木板是完全天然结构，一般以圆木段通过纵向锯抛获得，圆木锯抛的下锯法主要包括径向和弦向，同一材料的径向板和弦向板虽然物理性能有一定的差异，但砂光性能基本没有区别。集成材实木板，通俗讲就是小板拼成大板，将同树种的小板料经过纵向指接胶拼接和横向对缝胶拼成大幅面板材，集成材板的物理性能和砂光性能与同树种的纯实木板基本一致，与同幅面同树种的纯实木板比较，集成材实木板不易变形和开裂。
实木类的板材因具有木材生长的天然纤维纹理，所以力学性能呈各向异性，沿纤维纹理和垂直干纤维纹理的两个方向差异最大。这种各向异性，也直接会体现在砂光性能上。集成材板与同树种的纯实木板在砂光性能方面的差异是，集成材板因使用冷拼胶胶结，砂光时拼缝处被砂下来的磨屑中含有这种冷拼胶，冷拼胶会因砂光产生的磨削热而融化粘结砂带。
人造木质板材中，刨花板和中高密度纤维板都是将采伐、制材及木制品生产过程中剩余的下脚料为原料制作的。刨花板是将木质原料破碎成所需形态的刨花再经过干燥、施胶、铺装成坯后压合而成。中高密度纤维板是将木质原料热磨成木纤维，再将木纤维干燥、施胶、铺装成坯后压合而成。
刨花板，中、高密度纤维板，都是结构重组再造的木质板材，结构和力学性能都是各向同性的。以哪个方向进料走板都不会影响砂带性能。
胶合板是以机械旋切木单板为原料的层积材，层与层之间的单板纹理方向垂直，这样胶合起来的整板虽然力学性能接近各向同性，但作为表层可供砂光的单板层仍然是实木特征。细木工板的表层也是木单板，所以胶合板和细木工板的砂光特点与实木板基本相同。
木质板材砂光的目的、要求和砂光工艺
不同种类的木质板材和相同种类而用途不同的木质板材，砂光的目的和要求是不相同的，但在砂光工艺上可以归结为定厚砂光和定量砂光两大类。
实木板材的粗坯是锯抛板，精坯是刨光材。定厚砂光的目的是为保证后续加工如开槽铣榫的定位精确和安装的正确结合，也为了保证表面油漆机械的滚涂涂装的漆膜等厚均匀一致，定量砂光的目的是使板面均匀一致粗糙度低，可满足油漆涂等需要。
实木集成材坯板表面既有拼接胶的胶痕胶瘤，也有拼接过程中出现的接头轻微错位，同时原材料的小板也存在厚度差，所以定厚砂光的去除量较大，砂带表面易被粘结。集成材板的定厚和定量砂光要求与实木板是一致的。
刨花板和中、高密度板的砂光是以定厚为主的，目的是去除坯板热压过程中产生的预固化（胶黏剂老化）层，同时砂出所需的厚度精度热压过程中产生的预固化（胶黏剂老化）层，同时砂出所需的厚度精度。国产胶合板的单板是以小径圆木为原料经无卡轴旋切机切出来的，厚度偏差和变形量较大，所以多层叠加后压出的胶合板厚度偏差较大。
细木工板的板芯是普通锯抛小板拼接成的，厚度误差和变形量更大些，因此胶合板和细木工板芯板成型后都要先定厚砂光一次，二次胶合成型后再第二次定厚砂光。胶合板细木工板的定量砂光要求与实木板的定量砂光要求基本一致。
定厚砂光和定量砂光相对工艺的区别主要体现在五个方面：
1、定厚砂光时，磨削去除量相对大时，使用砂带目数相对粗，定量砂光时磨削去除量相对小，砂带目数相对细。
2、定厚砂光的磨头与工件在磨削区的磨削接触面积相对小，定量砂光的磨头与工件在磨削区的磨削接触面积相对大。
3、定厚砂光时磨头与工件呈刚性接触，定量砂光时磨头与工件呈柔性接触。
4、定厚砂光时，砂出的板件表面与模拟加工基准面平行一致，是对模拟基准面平面度的复制。定量砂光时，砂出的板件表面与板面未砂前的平面度基本一致，是对板件表面原貌的仿形加工。
5、定厚砂光时，磨头相对基准的最小间距为定值，磨头与工件表面的接触压力随板件原始厚度差而改变。定量砂光时，磨头相对基准的最小间距随板件表面厚度差而改变，磨头与工件表面在各点的接触压力基本为恒定值。
定厚砂光和定量砂光虽然有以上这些明显区别，但两种砂光工艺在应用上却没有严格的界限，也就是说所谓的“定厚”和“定量”是具有相对性的。原因有四个方面：
1、应用于木业加工的涂附磨具的基材本身都是相对柔性的，板材定厚砂光普遍使用的磨具是砂带，砂带不论是布基还是纸基，都具有一定的压缩弹性。因为带基相对薄，定厚磨削时，各接触磨削点的正压力差可导致带基的压缩变形差值小，对定厚精度影响有限。与国标规定的砂光机定厚工作精度相比较基本可以忽略不计。带基越厚越软，对定厚磨削精度的影响越大，也就出现了向定量磨削的转化趋势，例如表面黏附3M不织研磨布的尼龙砂带，即使安装在定厚砂光的磨头上，实现的也是定量砂光。
2、磨头自身的材料与被磨工件材料相对硬度差的影响，我们不考虑磨头和工作台在定厚砂光时的结构挠变，把磨头和工作台基本视为具有结构纯刚性。磨头与工件的硬度差越大，在相同磨削正压力的作用下，磨头在磨削区的弹性变形量就越小，对定厚加工精度影响也越小。砂光机的定厚接触辊中，钢辊较胶辊的定厚精度好，硬度高的胶面辊较硬度低的胶面辊定厚精度好。原始板面厚度误差越大，板的密度越高，定厚精度的差异越明显。接触辊的胶面硬度低于一定值时，与板件的接触磨削就会变成定量磨削了。
3、板件自身材料的弹性模量及磨削性能同样会影响到定厚砂光和定量砂光的效果。木材的弹性模量相对比较小，木材自身的韧性也相对强，磨削性能不如脆性材料好。定厚砂光时，板件表面偏厚的部位受到的磨削正压力大，也就是压应力大，此处的应变量相对也大，由于木材的弹性较大，砂过处的应变量相对也大，由于木材的弹性较大，砂过的板面离开磨削区后，应变大的部位较应变小的部位产生的回弹量也大，这就导致被砂板面出现了定厚误差复映的现象，使定厚砂光少部分转变为定量砂光效果了。
4、木质板材的密度较低时，板面硬度就会相对低，这样，如果软质板材表面使用常规通用定量磨削加工的磨头进行定量精砂时，板面上厚度正误差较大的部位也会产生过砂现象，出现定厚砂光趋势。比如薄木贴面板和油漆板面精砂光时出现的局部砂穿现象正是这种原因。
定厚砂光和定量砂光这种无界性，成就了磨削加工从粗磨到精磨的完整过渡。
多道砂光时，磨削工艺的合理布置是从粗砂定厚到精定厚再到定量精砂直至抛光。粗砂定厚是保证单道砂光有足够的磨削去除量，来提高厚度误差较大板件的砂光效率，精定厚时，磨削去除量已经变得相对很小，使用磨料较细的砂带，一可使砂过的表面砂痕变小，便于后面定量砂光时使用更细的砂带也能全部去除。二来精定厚时磨削正压力变小，磨头和板面在磨削接触区的应变也都变小，误差复映现象自然也就减轻了，定厚精度也较粗砂时提高了。板件的等厚精度高，表面砂痕小，定量砂光的质量也就容易保证了，一是板面砂痕可以被定量砂光时更细砂带的砂痕全覆盖；二是板面厚度误差小，定量砂光的磨头与板件表面可形成良好的等压力接触，局部过砂的现象也就不会产生了。
磨削机理、砂光机和涂附磨具
砂带能对工件表面产生磨削，需要具备两个要素，一是砂带相对工件表面要有运行速度，二是砂带要对被砂表面产生压力。砂带上的磨料颗粒是在压力的作用下，借助于速度的冲击，切入工件表面材料中的。正压力决定着磨料颗粒切入工件表面的深度，磨料颗粒的切入深度决定了磨料颗粒可以从工件表面切除材料的体量，也就是磨削原理中所说的成屑能力，对木质板材而言，磨料颗粒的切入深度与可切除材料的量并非成正比。磨料颗粒切入板面，切下的材料是从磨料颗粒运动的正前方被推出形成磨屑的。磨痕两侧受挤的材料是基本没有被切除成屑的，这部分受挤的材料纤维组织已被破坏，变的疏松而隆起，可被后续经过的磨料颗粒较顺利的切除。
磨料颗粒在板面无磨痕区域压入深度浅时，对板面的作用基本上就是形成划痕，而在划痕边缘经过的磨料颗粒才有机会切除这部分组织结构受伤的材料。这也正是细砂带定量砂光的磨削机理。其特点就是磨削去除量小，切削效率低，成屑能力差，但在工件表面累积的磨痕小而密度大，使工件表面的比表面积增大，同时无肉眼清晰可视的砂痕，这也正是油漆涂装和表面覆贴所需要的效果。
磨料颗粒大，在板面上压入的深度也大时，在速度的冲击下，磨料对其正前方工件表面材料形成的推挤压力，足以使这部分材料与本体迅速分离，从磨料的前端流出形成切屑。这种有效切削的不断累积，工件表面就会形成显著的去除量。这就是定厚砂光的机理。
砂光机的结构就是根据砂带磨削机理而设计的，定厚砂光的机器，机架结构重型承载刚度大，磨头对板面施加大的磨削压力时，机身和工作台可以保持足够满足定厚精度所需的几何精度。磨头与工件的接触面积小、结构刚度大、表面硬度高，在磨削接触区可对被砂板面形成很高的压强，从而保证有效的切削。强大的电机功率足以克服大磨削量带来的磨削阻力，使砂带保持高速运行，使磨料颗粒可以发挥出强大的切削能力。定量砂光的机器由于磨头使用砂带目数大，与工件表面接触压力小，整个机身和工作台的承载也较小，所以结构相对轻型，工作时也足以保证其几何精度的稳定，为保证磨头与工件表面有良好的适应性接触,即可以克服工件较小的厚度差与工件表面实现各点等压力接触，磨头通常采用弹性垫、气垫或智能型分段压垫，并且使磨削接触区的接触面积加大，一可分散磨削接触区的压力，使压强减小，二是在相同砂带线速度的前提下，可以几倍甚至十几倍的增加砂带磨料颗粒与工件表面的接触砂光几率。
接触辊磨头工作时与工件表面接触面积相对小，是定厚砂光机普遍采用的磨头结构，在保证结构刚性和砂带线速度的前提下，接触辊直径越小工作时形成有效切削的能力越强，磨削效率越高。较小直径的钢接触辊，是大去除量粗磨定厚砂光机的最佳磨头接触辊。从粗磨定厚到精度定厚接触辊的直径递加，表面硬度递减。大直径的软胶面接触辊与工件表面的接触就与压垫磨头基本一致了，所以软胶面接触辊也常用作定量砂光。
我们常用的砂光机有单双面之分，这主要是为了提高砂光工件效率和适应工件特点。
砂光机的砂架磨头结构常见的有三种，如图1-3，在实际工作使用中，单一粗磨定厚或单一定量精磨的需求是很少的。除了特殊需求，如砂底漆面或中间工艺补偿外。
单砂架砂光机以组合头砂架的机型常见，作为一机多用，可适合定厚砂光和定量精砂工作量相对小但对功能要求全的场合使用。
一机多砂架可适合从定厚到精砂一次进料完成砂光，根据需求不同常见的有双砂架和叁砂架机型。高效大批量的木质板件砂光，多选用几台不同砂光功能的机器联线组成砂光工段，实现从粗砂定厚、精定厚到精砂定量一次进料完成加工。
常见的砂光机机型如下：
砂带是常用的涂附磨具，用于宽带砂光机的砂带普遍采用环接结构。用于木质板材砂光的砂带常用的磨料是棕刚玉和碳化硅，带基以合成纤维布基为主。木质板材砂光时，常用的砂带目数是：粗砂定厚砂光为36#、40#、60#；精定厚砂光为80#、#、#、#、#；定量砂光为#、#、#。
目前国产普通砂带的性能和质量有些方面已经接近国外几个大品牌的产品。
有如下常见的几个问题是普遍存在的，对砂光质量有严重的影响：
1、砂带接头与带体比较厚度误差为正值的较多，接头硬度普遍大于带体本身的硬度。是目前砂光表面产生“波纹”影响砂光质量的主要因素。特别是细砂带的带基相对都薄，同时精砂时对板面的要求更高，不允许产生“波纹”。
2、同一条砂带不同部位的周长误差较大，使砂带工作时会有大小头的单边松边，纺锤体的双边松边和鼓型体的中间松两头紧。松边会导致砂带运行严重抖动，同时产生抖动噪音，不仅影响砂光质量，还会导致边部开裂破损，降低砂带的使用寿命。中间鼓型体砂带往往会在工作中因摆带形成的往复推力而在带的中部出现螺旋线形的褶皱，使砂带失效报废。
3、砂带工作一段时间后会因受张紧力而拉伸变长，且这种伸长不均匀，而产生与问题2相同的情况，这种情况在双接头或3接头的宽幅砂带中最为常见。
因为本人对砂带的了解认识比较少，对以上三个问题的解决提出如下肤浅的见解供参考：
1、砂带的接头偏厚，不是接头的结构形式造成的，关键在于接口边的打磨量，如果因带基过薄打磨量大会影响强度，可否考虑加工厚带基。特别是对接口厚度最敏感的细砂带，接口打薄但强度不会低于原来薄砂带的接口。强度对使用不构成影响。
改善接口胶粘剂，在粘结强度不变的前提下，提高胶在固化后的柔韧性。
2、提高下料和对接的尺寸精度，使砂带接好后沿宽度方向各部位的周长一致。
3、对于横向接长的多接头宽砂带，专门定做布基，带基处理时增加横向拉伸处理工艺。
对砂光工艺、砂光机和涂附磨具的几点展望
作为砂光机的使用者，要根据自身生产的板材特点，合理的设计砂光工艺，如根据定厚砂光的去除量和最终板表面砂光所需砂带目数和砂光板的日产能，来确定砂削量的分配和砂光机的选型。砂带目数跳级使用，原则只允许间隔1个目数级，目数间隔级数多时，后面的砂带为去除前面砂带在板面上留下的砂痕，砂削量就会超出砂带自身的砂削能力，细砂带超负荷使用，寿命会明显缩短，主要失效原因是堵塞。砂削去除量分配不合理，不仅浪费砂带，也会增加电耗。
砂光机要根据工艺要求合理设计，设计制造者不要一味的以加重机架和加大接触辊直径来误导消费者，机身过重会显著增加不必要的成本，而定厚功能的接触辊特别是粗砂定厚的接触辊，直径过大，会大大增加单位去除量的功耗。如在相同砂带线速度的前提下，用相同目数的砂带（如40#、60#、80#）对相同的国标胶合板以相同的砂削去除量定厚砂光时，砂架配90kw电机，直径mm的接触辊电机工作电流是A时，换用直径mm的接触辊时，电机的工作电流就会降到A。也就是说，木质板材定厚砂光时，直径mm接触辊配75kw驱动电机时定厚砂削能力与mm直径的接触辊配90kw电机的砂削能力基本相当。
同等条件下，直径mm较mm的接触辊砂出的板面要相对粗糙，但后续的砂光把它彻底砂除掉，不会有任何痕迹留在板面上。
砂光机的调机要实现自动化和智能化，可通过大数据来优化工艺方案，使配线联机使用的机器实现智能调整分配砂削量和校准定厚精度，定量磨头的压力也可实现智能化自动调整，从而减少机器对操作者技术的依赖。
在提高现有涂附磨具特别是砂带产品的质量基础上，开发出更多适合市场需求的涂附磨具，如提高粗砂带带基的刚度，以降低其受压时的应变量，同时还可以提高抗打褶能力。增加细砂带的柔性，可以减少定量砂光时的失真度，在磨头柔性满足的前提下，可减少表面饰面磨穿的几率。
目前采用酚醛树做胶黏剂的砂带，胶黏剂的强度和硬度都较高，砂削中、软木质板材时，磨削力无法使磨料参与磨削部分的胶壳爆开，都是胶包着磨料颗粒直接参与了磨削。这样不仅会放大磨痕，由于磨料颗粒包胶最具有随机性，所以工件表面留下的砂痕也不均匀一致。
砂带分布制成的砂穗辊，打磨具有方向性，同时砂穗的整个长度都有磨料，打磨表面有高低起伏的雕刻或线型工件时，就会出现凸起处过砂而下凹处砂不到的现象，如果开发出一种类似线绳上植砂的柔软磨具，且带有磨料的部分可以定长加工，就会使异形砂光失真的问题得到良好改善。
砂光工艺，砂光机和涂附磨具都有很大的发展和完善空间，希望我的拙文能起到抛砖引玉的作用，让大家为磨削行业的发展多做贡献。
作者简介
王庭晖：男，年毕业于东北林业大学机械系。现为青岛盛福精磨科技有限公司总经理；全国木工机床与刀具标准化技术委员会委员；北京林业大学专业硕士研究生导师。从事砂光研磨设备设计制造已30多年，参与中国林科院、北京林业大学“十二五”、“十三五”国家部级科研项目有关磨削分课题工作，参与修订了GB/T-宽带式砂光机国家标准和北京林业大学《家具机械》新教材中磨削加工机械部分的编写。拥有磨削设备方面的相关专利近20项。
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