摘要：本文介紹了進口與國產涂附磨具生產線的組成和發展現狀，并將國產生產線與進口先進生產線從系統主要參數及單套設備等角度進行了對比，指出了各自的優缺點。根據國產生產線存在的缺點或弱勢，借鑒當前進口生產線的主流設計方式， 提出了改進和發展方向

       0 前言
       涂附磨具是用粘結劑把磨粒粘附在可撓性的基材上制成的磨具[1]。由此定義來看，涂附磨具的三個基本元素分別是：背基、磨料和粘結劑。涂附磨具的生產，也就圍繞著這三個基本元素而展開。

       隨著市場競爭的日益激烈，國產涂附磨具產品日趨雷同，且產品定位始終徘徊在中低端市場，利潤越來越薄，逐步形成一種惡性競爭。而進口高端涂附磨具價格高，單價為國產產品的3.6倍[1]，利潤空間大，且市場需求量逐年穩步上升。如何將進口高端產品國產化，成了涂附磨具行業的當務之急。

       古人云：工欲善其事，必先利其器。要想生產制造出高端的研磨產品，沒有優質的原材料，沒有成熟穩定的工藝是不可能實現的，然而，即使具備了上乘的研磨原料，成熟的工藝，沒有性能穩定的先進涂附磨具生產設備也有可能是緣木求魚。設備作為工藝的載體， 尤其是關鍵的植砂設備， 已經成為國內研磨行業向高端化邁進的瓶頸，這也早已成為業界的共識。本文正是基于此點，在縱覽剖析國內外設備差距及優缺點的同時，為國產設備向自動化、智能化、高端化發展提供了良好的建議。

       1 生產線的組成

       涂附磨具是世界上最早出現的磨具品種，早在13世紀，我國勞動人民就用天然樹脂將磨碎的的貝殼粘在羊皮上磨東西。1808年，歐洲人把熔燒磨細的浮石與漆混合，用刷子涂在紙上制得了最早的涂附磨具。而目前機械化生產所使用的涂附磨具生產線，則源于20世紀50年代，當靜電植砂設備研制成功時，人們開始大量使用磨料和樹脂，開始了機械化和自動化批量生產[2]。圖1-1是典型的涂附磨具產品結構。        現代涂附磨具生產線的主要工藝流程及設備組成基本如下圖1-2所示。這是涂附磨具生產線的基本形式。不少國內外企業，根據多年的實際生產經驗，為提高生產效率或降低生產成本，對生產線做了局部的改進，以適應自身產品生產的需要，但萬變不離其宗，核心工藝和設備始終沒有圍繞圖1-2中工藝展開。        2 國產生產線設備的現狀

       目前，國內各類涂附磨具產品生產廠商所使用的生產線主要包括以下三類：
       第一類生產線基本由進口設備組成，典型的涂附磨具生產線設備是由已有百年歷史的德國Peter Schwabe公司設計生產的，國內少數一線生產廠家采用的便是該公司的設備，或者是在該公司設備基礎上進行改進的設備；第二類生產線是拼拼湊湊的半國產生產線，關鍵設備由國外進口，次要設備則根據進口設備進行國產化設計和制造，關鍵設備主要是指頭膠機和靜電植砂機，以及靜電植砂機配套的高壓發生器等設備，這類生產線也僅僅掌握在少數國內涂附磨具生產企業手中；而第三類生產線則幾乎完全是由國內設備制造廠商設計制造的國產生產線，所謂的設計則是根據20世紀80年代上砂廠引進的德國涂附磨具生產線進行仿制，并針對國內實際生產情況做了優化改進而得的。典型的國內設備生產廠商是位于上海市奉賢區的上海全全工貿有限公司，這類生產線被國內廣泛應用。其他號稱能夠設計制造涂附磨具生產線的設備生產商，幾乎只能提供生產線中的極個別設備，圖紙也是參考了其他設備廠商早期的成熟產品。
       從技術參數來比較這三類生產線的生產能力，如表2-1所示：        從上表中的各項數據對比來看，國產涂附磨具生產線經過幾十年的發展，雖然有不少涂附磨具生產企業對其進行了各種改造，以適應自身生產的需要，一定程度上提高了生產效率和產品質量，但是，整體而言，依然處于絕對落后的地位。
       國產涂附磨具生產線的弱點可以總結為兩點：(1) 生產效率低；(2) 產品質量低。生產效率低，體現在生產線生產的產品幅寬較小，生產線生產速度較慢，自動化程度低，產能低下。產品質量低，則體現在產品組合范圍相對小，無法生產高目數產品，產品質量不穩定等方面。
       從單項技術參數來看，國產生產線與國外進口生產線一樣，能夠生產以紙或布為背基材料的涂附磨具產品，說明國產生產線已經具備了生產重型砂紙和砂布的能力，對重型砂紙、砂布生產所需要掌握的涂附技術、植砂技術、烘干調質技術以及張力控制技術有了一定的了解和掌握。湖北玉立、江蘇鋒芒、江蘇三菱、常州金牛、四砂泰山等國內大型涂附磨具生產廠家年產量均超過了3000萬平方米[1]。但從產品的幅寬差別來看，國外進口生產線掌握了更加重型、更加精確的張力控制技術，各設備的剛性等各方面綜合性能也相對較高，從而，有效提高了生產效率和產品質量。
       第二、三類生產線的線速度比進口生產線的線速度要低得多。生產線線速度的提高，不僅僅是電機轉速的提高，而是需要提高生產線各設備的個體運行穩定性以及針對不同磨料和粘結劑進行生產速度的區分和設定，并集成智能化的的控制系統進行有效控制。進口生產線正是擁有了以上這些必要的技術，才能在正常生產運行速度25～120m/min的狀態下，高速、高質量地進行穩定生產，生產速度是國產生產線的3～4倍，有效降低了產品的單位成本，提高產品利潤。
       隨著各個行業產業結構的逐步調整，行業不斷細分，市場對產品多樣化的需求越來越高。一條有競爭力的生產線往往具備兩個特點。第一，速度快，性能穩定；第二，適應能力強，可以生產多種產品。國產生產線在同一條線上能夠生產的產品品種有限，而進口涂附磨具生產線則屬于這種有競爭力的生產線。誠然，涂附磨具生產線最核心的設備是靜電植砂機。國內一些企業及科研機構多年來一直致力于該設備的研究，并取得了不少成果。但是，靜電植砂機性能的逐步提高，并未能幫助使用第二、三類生產線的涂附磨具生產廠家達到與第一類生產線使用廠商和國外該行業發達地區其他廠商一樣的生產能力。由此可見，涂附磨具生產線的優劣并不僅僅是一兩套設備所決定，更是一條生產線系統性設計問題。
       從單臺設備來看，國產生產線的設備，尤其是關鍵設備：頭膠機、復膠機、烘房和靜電植砂機，與國外進口設備均有著很大的差距。進口頭膠機、復膠機多采用兩輥涂布結構，而國產設備則采用三輥涂布結構，多了一根計量輥。增加計量輥的出發點是希望提升涂布過程中，基材表面粘結劑的均勻性，以彌補國產兩輥涂布頭涂膠不如進口設備均勻的缺陷。但是，計量輥的增加，存在三個問題：第一，勢必增加了生產時設備調整的難度，兩輥涂布只需要調整一次，而三輥則需要調整兩次以上；第二，計量輥的制造精度、安裝精度及累計誤差也使涂膠的均勻性受到負面的影響；第三，計量輥的增加，對于涂層較厚的粘結劑，可能造成刮痕，因為計量輥在環境溫度較低時，增加了粘結劑在涂附過程中的散熱，提高了粘結劑的粘度，對于涂層較薄的粘結劑，可能造成流掛，因為計量輥在環境溫度較高時，增加了粘結劑在涂附過程中的吸熱，降低了粘結劑的粘度。這些，對產品的質量都會有影響。
       烘房是制約生產效率和決定單位產品成本的重要因素之一。目前涂附磨具生產線普遍采用懸掛式烘房。國產生產線的烘房大多為直線型，多被實際廠房場的束縛。烘房長度并未根據產品的實際需求經過計算設計，而是根據經驗設定，大部分烘房存在能源浪費嚴重的情況。而且，烘房的頂部、側面和底部的保溫設計也基本沿襲了舊的進口生產線設計，保溫效果較差，熱損失較大。所幸的是，在增大能耗的前提下，國產烘房內部溫度均勻性還可以，基本可以達到+/-3攝氏度，對產品的均勻烘干提供了較好的環境。烘房的內部傳動結構基本參考了上世紀80年代進口設備的設計，在30～40m/min的線速度下，運行比較穩定，一旦再需要提高速度，則掉桿幾率顯著增加。
       進口的靜電植砂機分為兩種。一種是國內涂附磨具生產企業使用的靜電植砂機，多為德國Peter Schwabe產，設備總長度大多不超過2米。另外一種是外資企業使用的靜電植砂機，部分是Peter Schwabe產，部分是這些外資企業自行研發的，設備總長達到5米左右。靜電植砂機的長度對生產線速度和植砂目數的范圍有著很大的影響，設備越長，生產速度越快，植砂目數范圍越廣，當然，這個結論必須建立在生產高目數產品時，具有性能先進的高壓發生器及其配套控制程序和良好的環境溫濕度控制相匹配的前提下的。否則，即使設備長度再長，也無法生產高目數的產品。而先進的高壓發生器及控制程序，一些發達國家或廠商對中國采取了禁止出口的措施，這也制約了涂附磨具行業在中國的發展。
       如果說，涂附磨具生產線的各套設備是人體的各個部分，那么，控制系統則是該生產線的大腦和控制中樞。隨著中國人口紅利時代的逐漸遠去，生產線的自動化程度隨之提高，所需要的操作人員數量也逐漸會減少。進口生產線不但掌握先進的植砂控制技術，而且在涂布、糾偏、張力控制等領域有著很深厚的底蘊，相比之下，國產生產線的控制僅僅體現在一些相對重要的位置，例如：植砂、涂布和收卷，所采用的控制技術也因行業因素局限在九十年代初的水平，，控制的精度、穩定性等方面遠不如進口生產線。全自動生產線所需要的操作工人數基本控制在15人以下，而國產生產線在同等條下需要的操作工數量更多。同等條件是指同樣的操作方式，同樣的安全操作要求，同樣的質量檢測要求等。
       控制不僅僅是讓生產線運行起來，還應當包括產品生產過程中，對一些重要工序的質量檢測和反饋控制。例如：基材厚度的檢測、頭膠機涂布厚度的檢測、植砂量的檢測、復膠機涂布厚度的檢測等等。國產生產線目前僅有極個別廠家實現了上述功能中的部分功能。而進口生產線則配備了一整套完整的檢測功能，以保證其產品的高品質，也有效降低了生產過程中的報廢率。

       3 國產生產線改進方向

       綜上所述國內的涂附磨具行業要進一步發展，需要原材料、生產工藝、生產設備及質量檢測、產品試驗檢測設備四架馬車同時向前跑，缺一不可。
       從宏觀而言，國產涂附磨具生產線的發展方向主要是：(1). 提高產品質量；(2). 提高生產效率；(3). 注重環保和安全。前兩點能夠給企業帶來直接的利潤，而第三點則是長遠的利益,也是對社會的一份責任。
       從微觀而言，國產涂附磨具生產線的每臺設備都有不足之處，尤其是要用于生產高端產品。如果生產企業資金有限，但是急需提高產品質量，且僅僅是為了提高產品質量，以達到將產品推入高端市場的目的，基于現有國產生產線設備，通過替換關鍵設備，在一定程度上可以彌補與進口設備上的一些差距。這些關鍵設備是：頭膠機和靜電植砂機及其配套裝置。

       頭膠機可以改進的方面主要包括：

       a) 涂膠均勻性的提高
       涂膠均勻性的好壞，受到若干個因素的影響。第一，涂布頭制造精度，兩輥或者三輥涂布機構都需要有高精度的加工制作，鋼輥和膠輥全跳動的精度直接影響了涂膠的均勻性。先進的涂膠設備，鋼輥和膠輥的全跳動都可以達到5μm，表面粗糙度可以達到1μm；第二，涂布頭組裝的精度，頭膠機的涂布頭壓合、打開是通過杠桿機構，由氣缸驅動的，中心轉軸的穩定性及定位精度直接影響了涂布頭兩端間隙或壓力的均勻性，因為中心轉軸的軸承和軸承座是有間隙誤差的；第三，涂布頭間隙或壓力的閉環控制，涂布頭在生產過程中，由于設備本身的剛性、振動、氣缸的控制精度不高等因素，會破壞開機前調整所達到的精度，現有國產設備雖然增加頂桿來加強涂布頭杠桿的穩定性，但是，并不是時時根據實際情況反饋調整的，而且，兩側頂桿由于受力不同，磨損不同，導致間隙偏差存在，根據實際經驗來看，頂桿的磨損速度還是很快的，畢竟涂布頭線壓力最高可以達到6t/m。而進口設備可以做到在線監測和調整。第四，膠輥的受力變形，這個因素在生產布基產品時尤為重要，當膠輥受到壓力時，往往呈現出“中凹”的形狀，導致兩端壓力較中間位置大。第五，粘結劑溫度的控制，正如上文中曾提到的，每一種粘結劑都有最佳的涂附溫度，如果能對乘膠盤和涂布頭的鋼輥進行溫度控制，根據不同粘結劑的性能，設定不同的溫度，則能有效改善涂膠的均勻性問題；第六，涂膠段的張力控制，不同基材的受力后的變形量是不同的，穩定的張力控制能夠保證涂膠量的均勻性；第七，涂膠量控制，如果能夠通過檢測基材重量，檢測涂膠后基材與粘結劑整體的重量，則可以得出涂膠量，如果能夠在線檢測基材緯線方向多個點的涂膠量，則能掌握涂布頭涂膠的均勻性。

       b) 涂膠區兩邊緣質量的改善
       如果不能對涂膠區域兩邊緣的質量進行有效控制，生產出的大卷涂附磨具兩邊緣凹凸不平，不是一條直線。在后續轉換過程中，則需要切除大量的廢邊，造成一定的浪費。而且，如果粘結劑在涂附時流到基材背面，則會對產品品相造成印漬破壞而產生不必要的報廢。其實，邊緣涂膠質量的控制，只需要在涂布頭兩端增加兩個簡單的機構便可實現，但是，由于生產線線速度的不同，機構的設計也略有區別，在進口設備上有較廣泛的應用。
       對頭膠機進行以上改進后，不僅能夠穩定地、均勻地涂附各種厚度的粘結劑，而且能夠實現在線監測控制，為生產高目數產品打好堅實基礎。涂膠邊緣質量的控制，不僅能減少廢品率，而且能使產品的品相更上層樓。

       靜電植砂機及配套設備則可以做以下改進：

       a) 植砂重量的精確控制
       植砂重量的精確控制可以通過在植砂機入口處增加浮動承重平臺，以計量從落料機落下的磨料重量，在植砂機出口處增加剩余磨料收集箱及地秤，以計量遺留在傳送帶上未被植上的磨料重量，兩者之差，即可推算出植砂量。這一控制對控制產品植砂疏密及判斷是否有效植上足夠的磨料有著很大的幫助，是植砂質量控制的有效手段。

       b) 改直流高壓為交流高壓
       研究表明，交流高壓與直流高壓相比，有五大優勢[4]：第一，交流高壓能使磨料在電場中產生較大沖擊力，使磨料進入膠層更深，粘結更牢固；第二，交流高壓可以去除磨料的極化，使第一次為粘牢的磨料落下后能再次沖向膠層；第三，可調整頻率以適應不同目數磨料的電阻率時間常數；第四，交流高壓比直流高壓穩定，能夠對兩極板間電場力進行更精確控制，植砂一致性、穩定性較好；第五，交流高壓不僅可以有效避免高壓放電打火現場，而且關斷響應及時，起到了快速保護作用，比直流高壓更安全。
       誠然，交流高壓也有一定的缺點，例如，交流高壓產生的電場力相對較小，如需要生產低目數、大顆粒磨料的產品，則需要配以重力植砂以彌補這個缺點。進口生產線使用的靜電植砂機高壓發生器綜合了直流與交流的優勢，根據不同產品，交替使用兩種不同的高壓，成為目前主流趨勢。

       c) 環境溫度和濕度的控制
       眾所周知，不同的磨料具有不同的導電率和導電率時間常數，因此，在同樣的環境下，需要不同的電場力來實現靜電植砂，但是，電場力的大小是有限的，為了提高電場力來滿足磨料克服重力被植入膠層是有一定風險的，因為過高的電場強度會引發周圍空氣的電暈放電擊穿現象，甚至導致設備的損壞。
       研究發現，通過調整靜電植沙環境的溫濕度，能夠調整磨料的導電率，從而，將植砂所需要的電場強度和電場力控制在一定范圍內。例如：所有目數的浩剛玉、氧化鋁等磨料需要通過提高環境濕度來增加導電率，從而實現穩定的植砂動作；而氧化硅等磨料屬于半導體材料，容易導電，植砂時需要適當降低環境濕度。
       精確控制植砂環境的溫濕度，將溫濕度根據不同磨料的特性進行設定，能夠有效的提高磨料的導電率。在設定的溫濕度下，將溫度控制在+/-0.5度，相對濕度控制在+/-1%內，可以很好地滿足各種磨料植砂的穩定性，提升產品的品質。
       如果不僅需要提高產品的質量，而且要提高涂附磨具生產線的線速度，則有更多的設備需要改進或替換。除了上文提到的頭膠機、復膠機和靜電植砂機外，放卷機和烘房是限制生產線速度的重要因素。
       放卷機的主要功能是將背基卷材開卷，為后道涂布工序做準備。通常分為單開卷和雙開卷兩種。進口生產線基本使用雙開卷形式，優點在于在一卷料參與生產時，操作人員可以將第二卷料放置到放卷機的第二個工位上，一旦第一卷料用完后，第二卷料可以迅速地接著后續生產。在這個過程中，除了裝卸卷料外，還有一個因素影響著換卷料所需要的時間，就是“接布”。絕大多數國產放卷機是手工接布，這樣做的缺點是：速度慢、接布的“尾巴”長。而進口放卷機可以自動接布，并且，可以將“尾巴”控制在50mm以內，甚至更短。
       就烘房而言，進口生產線與國產生產線的區別主要有以下幾點：第一，進口烘房長度更長，通過轉彎使烘房呈現一個或多個“U”型，有效降低了生產線對廠房長度的要求。“U”型烘房最大的問題在于“U”型轉彎處容易掉桿，進口烘房經過幾代人的研究，已經很好地解決了這個問題；第二，進口烘房更節能，所需能耗經過嚴格計算，主要包括：基材、磨料和粘結劑升溫及汽化熱所需能量的計算；粘結劑所含溶劑濃度的計算；排風量與新風補風量的計算；新風升溫所需能量的計算；換熱器換熱效率的計算；烘房保溫板熱輻射、對流、傳導導致的熱量損失的計算等，實際經驗表明，經過嚴格細致的科學計算后，烘房的熱量損失通常保證在10%以內，或者更少。能耗降低則產品的單位制造成本自然顯著下降，而生產線速度的提高也顯著提升了生產效率，兩者相互作用，產品的單位制造成本自然也有了較大幅度的降低。
       除了機械設備上的改進外，控制系統的更新換代是必不可少的。要提高生產線速度，必須加以精確的張力控制、糾偏控制以及設備與設備之間的速度匹配控制。先進的張力控制技術已經引入國內造紙、印刷、紡織等行業，但是在涂附磨具生產線上的應用相對比較滯后。由于每段生產工藝是不同的，所以，生產線的張力需要分區控制。涂附磨具生產線的張力區可以分為：放卷打印區、頭膠區、植砂區、復膠區和收卷區。精確的張力控制可以避免基材被過度拉伸或者松弛，這兩種情況都會造成產品的瑕疵，產生報廢。而糾偏控制的主要作用是避免基材在生產過程中跑偏。純機械式的糾偏機構容易造成基材邊緣的損壞，采用機電組合的糾偏機構則能避免這種問題，這種糾偏機構通常通過邊線傳感器來探測基材的運行位置是否與設定位置有偏差，超出設定偏差值后，通過機械機構的運動從而改變基材在緯線方向上的張力，以達到糾偏的目的。設備之間的速度匹配不僅有不同張力分區之間的匹配，亦存在與各個張力區之間；也有有張力區與零張力區之間的匹配，比如，烘房出入口與前、后道工序設備之間的匹配。進口生產線在以上三個方面已經積累了大量的經驗和數據，是國產生產線非常值得學習的。
       隨著社會發展水平的提高，環保問題要成為企業實現跨越式發展不得不面對的重要課題。，涂附磨具生產線由于需要使用酚類樹脂及多種溶劑，會釋放大量甲醛等有毒有害氣體。在更換產品生產的品種時，需要對設備清洗，會產生一定量的廢水。這兩種污染，如人體長期接觸，可能造成嚴重的健康的傷害，所以，未來的國產涂附磨具生產線應當具備配套的廢氣、廢水處理系統。湖北玉立集團采用冷凝與吸附相結合的方式對廢氣進行回收[5]，取得了很好的成效，是一個良好的開端。外資企業資金比較雄厚，通常采用熱氧化爐對廢氣進行燃燒處理，優點在與有毒有害物質通過900攝氏度以上的燃燒，能達到99.9%以上的處理，可以直排大氣，且如果采用蓄熱式熱氧化爐，可以將燃燒產生的余熱回收再利用，但是，由于涂附磨具產品生產所使用的溶劑濃度不搞，需要加入天然氣以協助燃燒，運行成本較高。對于廢水的處理有各種方式，有些采用生化處理方式，有些同廢氣一起燃燒掉，有些則被酸堿綜合、沉降大顆粒物質后回收再利用。

       4 總結
       涂附磨具生產線歷經幾十年的發展已經有了質的飛躍，國產生產線需要不斷向先進設備制造廠家學習，從而提高產品生產質量、提高生產效率，以實現降低成本、提高產品利潤、進入高端產品市場的目標。與此同時，做好環境保護工作作為百年大計。 更是對社會的一份沉甸甸的承諾。研磨行業的裝備升級換代也亟待各方有識之士同心協力， 共同譜寫新的篇章。

       參考文獻
       [1]. 李硯咸. 關于涂附磨具的幾個基本概念. 磨料磨具通訊，2008，第4期
       [2]. 王明遠 等. 2012年中國涂附磨具行業經濟運行情況分析. 中國涂附磨具，2013，第2期
       [3]. 李硯咸 高丙元. 我國涂附磨具現狀及其在木材加工中的應用. 中國人造板，2010
       [4]. 岑文遠 陳賚寶. 中國涂附磨具網.
       [5]. 黎珊玉 等. 耐水砂紙生產過程中有機廢氣的回收處理系統. 中國涂附磨具，2013，第2期