超硬材料磨具電鍍的自動化之路①

曹振輝

（深圳市辰捷科技有限公司，廣東 深圳 518103）

目前液體電鍍法生產超硬材料磨具的工藝流程絕大部分廠家還是靠手工操作，人工調節電鍍電流、人工控制電鍍時間，是否達到電鍍要求也是靠人工目測，不僅生產速度較緩慢，且產品質量的穩定性、一致性、鍍鎳層厚度均勻性也難以得到有效保證。有廠家實測證明：手工電鍍合格產品的安時誤差在10%～20%之間，至少都在10%～15%之間。這對超硬材料工具的使用壽命和效果產生了很大的影響。

液體電鍍法生產超硬材料磨具的全套工藝流程有：電鍍前處理、電鍍過程、電鍍后處理。電鍍前處理包含：機械處理、除油、浸蝕除銹與活化處理、不鍍部分的絕緣處理 ；電鍍后處理包含：鍍層的除氫處理、工件保護性鍍層處理、質量檢驗等 ；電鍍過程包含：電鍍前電流沖擊、電鍍打底、上砂、粘砂、加厚等步驟，其中可根據工件形狀與要求的不同而加入一些手工處理與中間一些工序的二次加強。

目前有小部分廠家采用自動化、半自動化、或機電控制設備生產超硬材料磨具，自動化程度和方式都相差較大。

深圳辰捷科技幾年來專注于該行業，為了提高電鍍磨具產品質量的穩定性、一致性，使鍍鎳層厚度均勻性得到有效保證；采用自動化生產充分地利用時間從而提高產能，自主研發生產專用于金剛石電鍍制品的多系列產品：電鍍計量儀表（安時計）、自控系列電鍍電源、手操系列電鍍電源（已含安時計）、可編程系列電源、自動上砂電鍍機、自動控制系統、自動控制流水線（生產線）、參數傳送與監控系統。

下面詳細介紹這些產品的應用基礎、應用場合、應用效果。各金剛石電鍍制品企業可根據自身條件選擇應用，這將會使產品質量和生產效率雙重提高。

1 電鍍計量

眾所周知：法拉第第一定律、第二定律如下

法拉第第一定律M ＝K·Q＝K·I·t M：電流引起的物質化學變化的量Q：通過的電量I：電流強度T：電流時間法拉第第二定律K＝M／（n·F）F：法拉第恒量＝26.802AH＝96500As M：所鍍物質的摩爾質量n：所鍍物質的離子位數K：電化當量

每平方分米面積上用1A電流電鍍鎳的理論厚度與實際厚度如表1：

表1 1A電流下理論與實際厚度Table 1 The theoretical thickness and practical thickness of electroplating nickel

電鍍時，在電鍍電流和電鍍時間均由人工控制時，兩個因素控制的準確度難以保證，如改為一個計量結果——安時，或自動控制該計量值，則準確度大大提高。計量儀表——安時計即已解決該問題；并已在京滬高鐵用軌道切割輪生產實踐中證明。單獨采用該計量儀表做電鍍控制參數而不改變現有裝備，即可收到明顯功效。

該安時計的計量精度分幾個檔次：5%、2%、1%、1‰。電鍍電源上集中的安時計計量精度為1‰，單獨分體的安時計計量精度為1%～5%。由此可將電鍍鍍層厚度控制在μm級，達到準確控制厚度的要求。

電鍍液在電鍍一定時間后需要補加一些組份進行調整。以往各企業均根據自已的經驗或是在最后質檢時發現產品質量問題后進行補加、調整。現各生產廠家可在使用安時計后，根據安時計量結果適時定量補加或調整鍍液組成。

2 自控、手操系列電鍍電源

電源產品系列有：自控系列電鍍電源、手操系列電鍍電源（已含計量儀表）、可編程系列電源。即將推出脈沖系列產品。

目前國內生產廠家使用的電鍍電源，均為各種規格與要求的市售或單獨定制的直流恒流電源。這些電源產品的質量水平參差不齊，有的電源輸出波動很大，紋波也很大；有的甚至都沒有什么要求。因此各個超硬材料磨具生產廠家在電鍍電流的控制上難以保證其穩定性和前后生產的一致性。

深圳辰捷科技針對超硬材料電鍍制品企業面臨的這些問題定向研制了直流恒流電源。此電源的輸出穩定性可以保證在mA級，一般在2mA左右波動；且適用于酸、堿性環境，達到長壽命的目的。輸出控制精度可根據生產產品的需要選用10mA級或mA級。為了減少現場使用產品的數量，方便操作，我們將自主知識產權的安時計集成到自主品牌的直流恒流電源上，并加上計時顯示。

手操系列電源適應于目前手工電鍍，本機手操工作；自控系列電源僅適應于自動化系統設備，接收本機外信號工作。

系列產品從2008年開始使用至今，實踐證明使用壽命長，輸出穩定，控制精度高，可以輕松地控制鍍層厚度在μm級別；電鍍電流及電鍍安時數已經嚴格控制在允許的精度范圍內，根據法拉第定律及實證，工件上所電鍍的物質量或厚度則完全控制，對于300～800＃金剛砂的包裹度在50%～70%之間，可讓使用者感受到控制包裹度每變化2%的改變。

3 可編程系列電鍍電源

人工操作存在是否按照工藝要求嚴格執行的問題。為了更好地解決這一問題，深圳辰捷科技自主開發了可編程電源。可存儲達300段的電流參數，在產品電鍍前，設定好各個步驟的電流大小和所需的時間或安時數，啟動后該電源自動按照設定的參數輸出電鍍電流，而不需要人工調節電流；或在電鍍過程中，編程下一組電鍍電流參數。

可編程系列電源（已含安時計）：KCD－D10XSXX（F）G LCD顯示、mA級或10mA級、安時或安分（999.9AH、99.99AH、999.9Am、99.99Am）、電鍍時間顯示。

本系列產品具有本機手操和本機編程輸出電流曲線功能，主要針對超硬材料電鍍工件不需要轉動而只要改變恒流電流大小即可生產（電鍍電流自動化）的應用場合。因此特別適合于埋鍍方式生產。產品均已配置了計量精度＜±1%的集成安時計，設置參數為電流和安時。

4 自動上砂電鍍機

不論是何種形狀的工件，作為磨削切削工具，絕大部分為回轉體。要在360度圓周上使超硬材料均勻分布在其上，電鍍時必須使工件準確定位旋轉上砂粘砂、勻速旋轉加厚，這是保證均勻分布超硬材料的前提條件。同時還必須保證在各定位點上、勻速旋轉時電流強度一致；電鍍液濃度前后盡量一致；超硬材料濃度盡量一致等等。

所鍍工件上電鍍的物質量已完全如前述控制在設想的范圍內，但是否會按照所設想的均勻分布在所鍍工件上呢？答案是不一定。這需要根據所鍍工件的形狀和電鍍工藝配置的具體情況來判斷。

因此，為了使超硬材料均勻分布在工件上，僅靠電源和電鍍計量還不夠，需要引入工件自動準確定位、自動勻速旋轉機構，電鍍液攪拌機構，電鍍液濃度控制系統，電鍍液溫度控制部分等諸方面，使之適應電鍍過程的不斷變化而進行自動調節。

深圳辰捷科技的自動控制系統與自動上砂電鍍機從2007年投入使用，2008年開始批量投入生產，產品質量穩定、長壽命、少維護、配套齊全。對電鍍金剛石磨具的鍍層厚度控制、鍍層分布均勻性、電鍍產品的一致性有著顯著改善；明顯降低對操作人員的要求與熟練程度，便于操控。實踐證明達到了預期效果，某些生產磨具的用戶還指定使用該系列產品，某個別廠以之代替進口產品。

自動化或半自動化方式生產超硬材料磨具，均需做好一些基礎工作，或在邊使用過程中邊進行將生產經驗數據總結及與理論相結合的工作，只有這樣才能將生產的產品范圍越來越擴大。

該設備為深圳市辰捷科技有限公司自主研發專有產品。它為電鍍過程全自動化，為電鍍（滾鍍）金剛石磨具——砂輪、磨頭、磨盤特別定制，適應于細砂滾鍍，根據工件直徑要求定制電鍍桶；根據磨具生產流程定制控制軟件。

該設備電鍍鍍層厚度控制準確，電鍍產品的一致性好、穩定性高；長壽命、高穩定性；最大限度地利用時間，提高產能；人員素質要求低，稍做培訓即可上崗生產。

5 自動控制系統，流水生產線

自動上砂電鍍機是在單桶內完成全部電鍍過程。上述自控系統的假設條件是電鍍各個過程我們認為可以用同一種電鍍液來進行。實際上，在各個過程中工件所需要的電流密度是不一樣的，不同的電鍍液對應可承受不同的電流密度范圍，電鍍參數也需要隨之變化，這樣才能達到參數選優，生產出質量更高的產品。因此，我司將單桶自動控制設備擴展為自動流水線，工件進入流水線后無需人員操作，全部由流水線設備自動控制、操作完成。

自動控制系統是針對自動上砂電鍍機或流水生產線而特殊定制的，負責控制電鍍整個工藝流程的所有相關操作，代替人工操作控制。生產的產品不同，自控系統的配置亦不同；根據各用戶的要求不同，納入自控范圍的控制功能與參數不同，如電流、時間或安時、工件旋轉、鍍液攪拌或模擬手撒砂、鍍液加熱、鍍液補充等。

自動化流水生產線是由多個不同功能的自動上砂電鍍機按照固定產品的生產節拍而組建的流水生產線，由中央自控系統控制工件移取機構、自動抓取工件、自動分配工作桶、自動放置工件、自動上電電鍍、并自動執行各個不同功能電鍍桶的功能。特別適合于產品單一、大批量且可使用自動上砂電鍍機的場合。其工藝流程見圖1。

圖1 系統工藝流程框圖Fig.1 The technology flow chart

6 工藝參數傳送與監控系統

自動化電鍍工藝參數自動傳送與通訊監控系統是針對自動上砂電鍍機而組建的局域網，專項調度與控制生產。特別適合于批量使用自動上砂電鍍機的廠家。

在實際使用自動上砂電鍍或自動化流水生產線設備量大時，將所有這些自控系統設備聯成網絡，將各個工藝參數自動傳送到準備生產的相應設備上，提前準備好工藝參數，操作人員只需確認放入的工件與相應的工藝參數相一致的就可啟動生產。同時，也可在上位機上監控各個設備運行到何過程、參數執行情況等等，以后也可調閱、多次調取參數生產。相關生產技術人員可以預先調配哪些單桶設備生產多個不同的產品，并提前將準備生產的工藝參數與指令傳送輸入到相應的設備，以便快速進入下一批產品的生產。

工藝參數傳送與監控系統就完全可以滿足這一要求。

7 建議

各個不同類型的超硬材料磨具制造企業在實施自動化時，可以根據自身實際情況在上述五種方式中任意選取采用：

如果貴企業有大量電源，而且電源質量還不錯，可以先用安時計，將控制參數稍作改變，改為設定電流大小和安時數來控制電鍍時間，如果電鍍的安時數相同，那電鍍上的鎳量肯定是一樣的；

如果電鍍電源質量不是太好，或快要換了，不妨先改用高穩定電源，本機還集成有安時計，但需要改為設定電流大小和安時數來控制電鍍時間，否則看不出優越性；

如果產品的需求量較大，可以采用自動上砂電鍍時，直接采用“自動上砂電鍍機”；

如果磨具產品的產量很大且單一，不妨采用自動流水線來生產；

或許這些都不完全適合，只需要控制好電鍍電流，“可編程電源”為最佳選擇。

當然，除非自動控制電流輸出，工藝參數最好是由原來的設定電流和時間改為設定電流大小和安時數來控制電鍍時間，否則手工控制的時間是難以保證鍍層厚度的。

8 結束語

綜上所述，上述設備可滿足于目前現行電鍍工藝部分實施的不同要求。但超硬材料電鍍制品是否滿足使用方的要求，不僅有耐磨度、使用壽命等方面的要求，還有尺寸、公差、形狀等方面的要求。因此一件合格的超硬材料電鍍磨具需要：機加、鍍前鍍后處理、電鍍液的配制與處理、電鍍設備與工裝夾具、電鍍過程的控制與執行，所有影響因素的全面配合，才能穩定地生產出高質、優質產品。上述解決方案只是其中一部分，也是重要因素之一的解決方案。

深圳辰捷科技目前專注的行業之一就是超硬材料電鍍行業，公司將竭誠為本行業提供全套的解決方案，根據各個用戶的不同要求提出與之相適應的解決方案。經過幾年運行的實踐證明，上述解決方案可達到：

（1）工藝參數執行的一致性大大提高；

（2）提高產品質量和質量的穩定性，產品質量明顯提高；

（3）明顯降低對人員素質的要求，不需多年的老師傅也可生產出高質優質產品；

（4）充分利用生產時間，提高產能，提高生產效率；

（5）整體減低成本，提高效益。