李玉

摘? 要：砂帶是使用粘結(jié)劑將磨料粘結(jié)在紙、布等可撓性材料上制成的可以進(jìn)行磨削和拋光的一種帶狀工具，其切削作用主要由基底上具有刃角的專用磨粒來(lái)完成。砂帶不僅是磨具三大系列——涂附磨具、固結(jié)磨具、超硬磨具中的一個(gè)重要組成部分，而且是涂附磨具中技術(shù)含量最高的產(chǎn)品，甚至已成為衡量一個(gè)國(guó)家砂帶磨削技術(shù)水平高低的標(biāo)準(zhǔn)。文章針對(duì)砂帶技術(shù)相關(guān)專利進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：砂帶;專利;技術(shù)

中圖分類號(hào)：T-18? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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

砂帶是特殊形態(tài)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來(lái)完成。作為單顆磨粒的切削行為，可以把它比喻為一般切削加工刀具的微型體的切削行為[1]。砂帶磨削技術(shù)從其產(chǎn)生到現(xiàn)在，每一個(gè)發(fā)展階段均以砂帶的發(fā)展為標(biāo)志。后來(lái)歐洲和日本也相繼開展了砂帶磨削技術(shù)的研究和應(yīng)用，砂帶磨削技術(shù)隨之逐漸發(fā)展成為一個(gè)門類齊全、技術(shù)體系較為完整的獨(dú)立的加工技術(shù)領(lǐng)域。近年來(lái)，常規(guī)砂帶在全球涂附磨具消耗中雖然仍占有很大比例，但隨著大量新材料的涌入和特定場(chǎng)合的需求，高質(zhì)量砂帶的使用也逐年增加[4]。

1 國(guó)內(nèi)外砂帶的專利現(xiàn)狀分析

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于砂帶技術(shù)的專利文獻(xiàn)檢索、標(biāo)引以及梳理，對(duì)涉及砂帶研磨層結(jié)構(gòu)的樣本進(jìn)行分析，本文主要是對(duì)于研磨顆粒粒度及其分布方式方面進(jìn)行的。砂帶研磨層結(jié)構(gòu)從研磨顆粒粒度可分為單一粒度磨料和復(fù)合粒度磨料，從磨料分布方式可分為單層磨料、多層磨料和堆積磨料三種類型。隨著砂帶結(jié)構(gòu)的不斷豐富，通過(guò)對(duì)基體和粘結(jié)層結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以提高砂帶的強(qiáng)度和柔性，通過(guò)對(duì)磨粒團(tuán)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以提高研磨質(zhì)量和砂帶壽命成為砂帶結(jié)構(gòu)專利申請(qǐng)的焦點(diǎn)。

1.1 國(guó)內(nèi)外砂帶的專利申請(qǐng)量分析

砂帶在全球和國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量年度分布如圖1所示。在全球范圍內(nèi)，砂帶的專利申請(qǐng)量整體呈上升趨勢(shì)，其發(fā)展大致分為三個(gè)階段。1962年-1984年為技術(shù)萌芽期，一直到1984年左右專利申請(qǐng)量都較少，處于技術(shù)起步階段;1985年-1999年為技術(shù)成熟期，隨著制造業(yè)水平的不斷提高、高強(qiáng)度磨粒的出現(xiàn)及機(jī)械化精密、超精密加工的不斷發(fā)展，砂帶進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段，歐、美、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)推動(dòng)了全球砂帶技術(shù)的發(fā)展;2000年至今為穩(wěn)定發(fā)展期，中國(guó)國(guó)內(nèi)的申請(qǐng)量呈逐年穩(wěn)定上升趨勢(shì)。由于國(guó)內(nèi)相關(guān)研究的起步較晚，核心技術(shù)基本被國(guó)外企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)掌握。需要指出的是，由于2019以后的專利申請(qǐng)有部分尚未公開，使得圖1中2019年后的數(shù)據(jù)有所下降，并不說(shuō)明砂帶相關(guān)專利申請(qǐng)量的下降，也不能認(rèn)定該領(lǐng)域進(jìn)入衰退期。

1.2 國(guó)內(nèi)外砂帶的專利申請(qǐng)地域分布分析

專利申請(qǐng)的地域分布能夠在一定程度上反映出企業(yè)的產(chǎn)品市場(chǎng)重心。在對(duì)相關(guān)的砂帶專利申請(qǐng)的所在國(guó)家和地區(qū)產(chǎn)權(quán)組織分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，日本、美國(guó)、中國(guó)和德國(guó)排名靠前，其占據(jù)了所有專利申請(qǐng)的89%，同時(shí)也是砂帶最主要的技術(shù)市場(chǎng)。上述分析結(jié)果與砂帶主要生產(chǎn)企業(yè)的分布國(guó)基本一致，美國(guó)擁有3M創(chuàng)新有限公司、Carborundom、原諾頓（Norton），法國(guó)擁有圣戈班（Saint-Gobain），日本擁有野牛NCA、Riken Corundum和韓國(guó)高麗研磨等。對(duì)于中國(guó)而言，雖然申請(qǐng)量占比16%，排名第三，但結(jié)合申請(qǐng)人分析可知，由于我國(guó)對(duì)砂帶的研究起步較晚，企業(yè)及研發(fā)機(jī)構(gòu)的技術(shù)繼承性較差，沒能形成系統(tǒng)的技術(shù)脈絡(luò)，且實(shí)用新型的申請(qǐng)量較大，若想占有一定的市場(chǎng)份額，還需加緊自身的研發(fā)步伐。

1.3 砂帶領(lǐng)域的重要申請(qǐng)人分析

圖3列出了砂帶領(lǐng)域的重要申請(qǐng)人與申請(qǐng)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，包括申請(qǐng)量前10的申請(qǐng)人。

根據(jù)申請(qǐng)量以及前期統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將砂帶領(lǐng)域較為重要的申請(qǐng)人總結(jié)如下：

（1）3M創(chuàng)新有限公司（Minnesota Mining & Manufacturing）：明尼蘇達(dá)礦務(wù)及制造業(yè)公司，創(chuàng)建于1902年，是世界著名的產(chǎn)品多元化跨國(guó)企業(yè)。3M公司在創(chuàng)始之初專門從事砂紙產(chǎn)品的制造，從上世紀(jì)60年代至今，3M公司一直沒有停止對(duì)砂帶的研究和專利申請(qǐng)，其研發(fā)涉及各種結(jié)構(gòu)的砂帶及制造砂帶的材料與方法。3M公司的金字塔堆積砂帶運(yùn)用獨(dú)創(chuàng)的微晶復(fù)制技術(shù)所開發(fā)出來(lái)的革新性研磨材料，獨(dú)特金字塔結(jié)構(gòu)，氧化鋁/碳化硅礦砂，樹脂膠，表面加有助磨劑，使用壽命得到了2-5倍的提高，有效地提高產(chǎn)品質(zhì)量和切削效率，降低產(chǎn)品的不良率，研磨表面線路細(xì)致均勻，研磨時(shí)產(chǎn)生的熱量也明顯減少，減少加工工序。比如公開號(hào)為US5078753A的專利申請(qǐng)，該專利申請(qǐng)?zhí)岢隽艘环N初級(jí)磨粒與微磨粒堆積砂帶，提高了磨料的利用率，同時(shí)復(fù)合粗磨料與細(xì)磨料能夠保證工件較高的幾何精度和較低的表面粗糙度。此后，又提出了幾種不同的堆積磨料團(tuán)的堆積砂帶（US5378251A，US5489235A，US6056794A），成為其公司后期的金字塔堆積砂帶的雛形。

（2）圣戈班-諾頓（Saint Gobain-Norton）：圣戈班集團(tuán)于1990年收購(gòu)了美國(guó)諾頓公司，進(jìn)一步提升了其中砂輪砂帶領(lǐng)域的研發(fā)制造水平。其專利申請(qǐng)覆蓋歐洲、美國(guó)、日本、韓國(guó)和中國(guó)等國(guó)家。對(duì)于砂帶的研究也涉及各種結(jié)構(gòu)的砂帶及制造砂帶的材料與方法。比如其在1997年申請(qǐng)的專利US6537140B1，在磨料層設(shè)置網(wǎng)格排屑槽，使磨屑能夠在磨削時(shí)及時(shí)排出，提高磨削質(zhì)量;進(jìn)一步發(fā)展，其在2009年申請(qǐng)的專利US2010/0227531A，在粘接劑層加入顏色穩(wěn)定劑，防止砂帶老化后顏色變深，在打磨工件時(shí)造成工件顏色變化，對(duì)砂帶打磨效果做出了更高的要求。

（3）湖北玉立砂帶集團(tuán)股份有限公司：該集團(tuán)創(chuàng)建于1997年，是目前亞洲生產(chǎn)規(guī)模最大、產(chǎn)品產(chǎn)量最多、產(chǎn)品品種最全的磨料磨具專業(yè)公司，也是集科研、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)和原輔材料生產(chǎn)加工于一體的長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)。該集團(tuán)專利主要涉及砂帶、砂盤、砂紙等，以實(shí)用新型為主。

2 核心專利分析

綜合考慮被引證頻次與同族申請(qǐng)數(shù)量，砂帶結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的核心專利集中在美國(guó)、歐洲和日本。圖4顯示了核心專利的技術(shù)內(nèi)容，從圖4中可以看出，核心專利主要集中在單一粒度磨料單層砂帶和堆積砂帶的研究上。單一粒度磨料單層砂帶其主要研究方向除了磨粒材料的發(fā)展外，還在于通過(guò)對(duì)基體和粘結(jié)層結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以提高砂帶的強(qiáng)度、柔軟，以免在磨料層還未鈍化前砂帶出現(xiàn)斷裂等破損，保持磨削過(guò)程中的柔性;從上世紀(jì)80年代開始堆積砂帶逐漸出現(xiàn)，并得到巨大的發(fā)展，堆積磨粒團(tuán)有磨粒或磨粒團(tuán)更小的磨粒粘接而成，表層磨粒切除一定量的材料后會(huì)鈍化，磨鈍的小磨粒會(huì)從錐形磨?；蚰チF(tuán)上破碎脫落，位于里層的新磨粒就會(huì)露出來(lái)參與磨削，由于在磨削過(guò)程中不斷有鋒利的切削刃產(chǎn)生，所以具有較長(zhǎng)的壽命和對(duì)材料均勻一致的切除率。同時(shí)，由于基體和粘結(jié)層的斷裂與僵硬是砂帶磨削均會(huì)遇到的問題，在針對(duì)單一粒度磨料單層砂帶的基體和粘結(jié)層結(jié)構(gòu)的研究，同樣也適用于各種類型的砂帶。

3 技術(shù)發(fā)展演進(jìn)路線

砂帶技術(shù)專利申請(qǐng)的發(fā)展大致經(jīng)歷了以下三個(gè)發(fā)展階段：

第一階段（1962年-1984年）為砂帶的發(fā)展起步階段。砂帶屬于涂附磨具（俗稱砂紙、砂布）的一種形式，早在1760年，世界上就出現(xiàn)了第一張砂紙，但當(dāng)時(shí)僅局限于手工操作。直到1900至1910年才進(jìn)入機(jī)械使用砂紙和砂布的時(shí)代，1930年后砂帶磨削逐步向金屬加工方面發(fā)展，1960年初靜電植砂方法的出現(xiàn)把砂帶磨削推向了一個(gè)新的階段[3-4]，砂帶磨削應(yīng)用逐漸普遍。在砂帶起步階段主要是以單一粒度磨料單層砂帶為重點(diǎn)研究對(duì)象，并在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。瑞典的Eric L.Mark■■等在砂帶原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)置防靜電涂層（US3942959A），以防砂帶產(chǎn)生靜電對(duì)磨屑的吸附，避免了磨削過(guò)程中的堵塞，延長(zhǎng)了砂帶的使用壽命，從此采用在砂帶原有結(jié)構(gòu)上涂附超涂層以改進(jìn)砂帶的性能也成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。除了采用防靜電涂層防止磨屑吸附外，德國(guó)Selbeck & Co通過(guò)改進(jìn)磨料層結(jié)構(gòu)設(shè)置排屑通道（DE2514853A），并通過(guò)排屑通道外的無(wú)磨料層區(qū)域平衡基體材質(zhì)的褶皺，以保證磨削質(zhì)量。由于砂帶原先的砂紙改進(jìn)為環(huán)裝帶形結(jié)構(gòu)，并以機(jī)械方式磨削，改進(jìn)砂帶的基體強(qiáng)度，避免砂帶斷裂也成為研究重點(diǎn)之一，美國(guó)Terpay J.M.提出了一種有機(jī)纖維與玻璃纖維編織基體的砂帶（US4282011A），在保證磨削柔性的同時(shí)提高了基體強(qiáng)度，延長(zhǎng)了砂帶使用壽命。在提高了砂帶基體壽命的同時(shí)，提高磨料層使用壽命保證磨削對(duì)材料一致的切除率，德國(guó)Norddeut Schleifmittel Ind.提出了空心球堆積磨料砂帶（DE295107A1），開啟了對(duì)堆積砂帶的研究。

第二階段（1985年-1999年）為砂帶的高速發(fā)展期，也是技術(shù)成熟期。隨著制造業(yè)水平的不斷提高，高強(qiáng)度磨粒的出現(xiàn)及機(jī)械化精密、超精密加工的不斷發(fā)展，砂帶進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段，歐、美、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)推動(dòng)了全球砂帶技術(shù)的發(fā)展。美國(guó)Carborundum Abrasive Co.公司為提高砂帶研磨柔性，提出了一種粘結(jié)層具有微球體孔結(jié)構(gòu)的砂帶（US4543106A）。此后單一粒度磨粒單層砂帶的研究更多的偏向于對(duì)磨粒、粘結(jié)層、基體和超涂層或第三涂層材料的方向。而不斷提高砂帶磨料層的使用壽命、提高磨削質(zhì)量成為砂帶領(lǐng)域各大公司新的追求方向。日本的東京磁氣印刷株式會(huì)社提出了一種多層砂帶（JP昭60-146680A），簡(jiǎn)單的通過(guò)增加磨料層數(shù)，上層磨料鈍化或脫落后形成新的磨料層，具有一定程度的自銳性，可明顯延長(zhǎng)砂帶的磨料層使用壽命，但同時(shí)磨料層數(shù)不能太多，否則會(huì)使砂帶失去柔性。日本的日立制作株式會(huì)社提出了一種氧化鋁、碳化硅和金剛石復(fù)合磨料砂帶（JP昭62-130168A），這種復(fù)合磨料砂帶能夠充分發(fā)揮各個(gè)磨料自身的優(yōu)點(diǎn)，提高砂帶的磨削效率。日本的光陽(yáng)株式會(huì)社提出了一種復(fù)合磨料的多層砂帶（JP昭61-65780A），結(jié)合了復(fù)合磨料砂帶和多層砂帶的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于堆積砂帶顯著的磨削優(yōu)勢(shì)，各大公司針對(duì)堆積砂帶做出了許多研究，比如3M公司。

第三階段（2000年至今）為砂帶的穩(wěn)定發(fā)展期。相比第二階段的蓬勃發(fā)展態(tài)勢(shì)，由于砂帶的結(jié)構(gòu)已基本確定，其他國(guó)家在第三階段的申請(qǐng)量有所下降，而中國(guó)的申請(qǐng)量在這一階段呈快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，但中國(guó)申請(qǐng)人主要集中在中小企業(yè)，且由于起步較晚，沒有系統(tǒng)的發(fā)展脈絡(luò)，同時(shí)缺乏核心技術(shù)。美國(guó)的3M創(chuàng)新有限公司通過(guò)改進(jìn)磨料以提高砂帶磨削質(zhì)量（WO2012061033A2）。臺(tái)灣的江憲宗改進(jìn)砂帶磨料層結(jié)構(gòu)將粗磨、細(xì)磨和精細(xì)磨集中于同一條砂帶上（TWM293812U），通過(guò)同一條砂帶實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的完整磨削。中國(guó)的嵩山特材集團(tuán)有限公司采用冷堆積磨料（CN102729158A），提高了涂附磨具的磨削效率和使用壽命，提高工件的表面質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

全球范圍內(nèi)在砂帶技術(shù)中，關(guān)于砂帶結(jié)構(gòu)的技術(shù)仍是各大公司、機(jī)構(gòu)技術(shù)改進(jìn)的熱點(diǎn)，其申請(qǐng)量也在逐年穩(wěn)步增長(zhǎng)。從整體上看，該領(lǐng)域的相關(guān)申請(qǐng)仍集中在歐洲、美國(guó)和日本，我國(guó)相關(guān)企業(yè)逐漸開始增加研發(fā)投入，近些年的專利申請(qǐng)量穩(wěn)步上升。從核心專利分布情況來(lái)看，歐洲、美國(guó)和日本掌握了該領(lǐng)域絕對(duì)數(shù)量的核心技術(shù)，且其產(chǎn)品處于世界領(lǐng)先水平，從相應(yīng)的市場(chǎng)品牌上來(lái)看，在砂帶領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位的也是美國(guó)、歐洲等國(guó)家，如3M創(chuàng)新有限公司、圣戈班（原諾頓）等，這些公司具有良好的技術(shù)積累，形成了系統(tǒng)性的技術(shù)脈絡(luò)，并憑借自身核心技術(shù)不斷改進(jìn)發(fā)展，向更多具有較大市場(chǎng)潛力的國(guó)家申請(qǐng)專利保護(hù)，以占領(lǐng)其他國(guó)家市場(chǎng)。我國(guó)雖然申請(qǐng)量逐漸上升，但起步較晚且研發(fā)方向分散，專利技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品難度較大。

隨著精加工質(zhì)量需求進(jìn)一步的提升，其必然對(duì)砂帶的加工質(zhì)量與使用壽命提出更高的要求，中國(guó)企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)應(yīng)進(jìn)一步加大科研投入，向高精度、高質(zhì)量、長(zhǎng)壽命等方向發(fā)展。

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