金剛石滾輪的制造與研究

摘 要：本文通過對(duì)加工金剛石滾輪的關(guān)鍵工序——陰模制造、金剛石及金屬電沉積過程控制等的分析和研究， 達(dá)到了提高金剛石滾輪的壽命及精度的目的。

關(guān)鍵詞：金剛石滾輪；陰模； 金剛石；溶液成分

中圖分類號(hào)：TD874+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

金剛石滾輪是新一代砂輪修整工具，具有高精度、高成型的特點(diǎn)。目前，國內(nèi)用電鑄法制造的金剛石滾輪是制造精度最高，復(fù)雜程度最大的一種方法，涉及到精密制造技術(shù)、精密電鑄技術(shù)、精密測(cè)量技術(shù)等方面的高新技術(shù)。

金剛石滾輪內(nèi)電鑄工藝制造過程復(fù)雜，每一個(gè)加工環(huán)節(jié)都將影響產(chǎn)品加工精度及使用壽命，特別是陰模的制造、金剛石及金屬電沉積過程這兩個(gè)重要關(guān)鍵工序必須嚴(yán)格控制。下面就金剛石滾輪的加工方法及上述兩個(gè)重要關(guān)鍵工序的加工要點(diǎn)進(jìn)行闡述。

1 金剛石滾輪的結(jié)構(gòu)

金剛石滾輪通常由金剛石、鍍鎳層、加固層、基體組成。

金剛石主要是起切削作用，用它修整砂輪，砂輪型面與滾輪型面相同，方向相反。

鍍鎳層主要起支撐和結(jié)合劑的作用，增加把持力并將金剛石牢牢把持在鍍層上，防止金剛石脫落。

加固層主要起增加強(qiáng)度、防止變形的作用基體主要用于基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換并起連接作用，內(nèi)孔用于連接機(jī)床上的修整裝置，外徑通過加固層將電鑄層及金剛石層連接在一起。

2 陰模的制造

2.1 陰模材料的選擇

陰模作為制造滾輪的模具，對(duì)滾輪的形狀和精度影響最大。內(nèi)腔型面的加工，是滾輪制造中重要工序和關(guān)鍵工序，因此，選擇陰模材料和合適的加工手段是制造高質(zhì)量?jī)?nèi)腔型面的關(guān)鍵。陰模材料應(yīng)具備下列條件：（1）材質(zhì)穩(wěn)定性好，內(nèi)應(yīng)力小，具有必要強(qiáng)度又易于加工；（2）制造中受熱及受力時(shí)抗變形能力強(qiáng)；（3）經(jīng)濟(jì)性好。

通過對(duì)鋼、鋁合金、石墨材料進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)鋼及石墨作為制造高精度滾輪陰極材料比較適合，我廠選用了更為常用的鋼基材作為陰模材料。

2.2 陰模內(nèi)腔型面的加工

由于我公司采用的是內(nèi)電鑄金剛石滾輪加工方法，按照目前的檢測(cè)手段，在加工陰模時(shí)無法檢測(cè)陰模型面是否合格，因此，金剛石滾輪是否合格只能靠成型樣板刀具保證，樣板刀的加工就成為保證高精度金剛石滾輪的重要環(huán)節(jié)。因此，陰模內(nèi)腔型面加工采用樣板刀成形車削加工工藝。樣板刀采用經(jīng)過砂輪成形磨削，廓形精度按4μm，齒距精度按3μm尺寸，就能夠滿足精密級(jí)滾輪的制作要求。

3 金剛石的選擇

選擇金剛石時(shí)必須考慮提高鍍層金屬與金剛石顆粒之間的結(jié)合力。對(duì)于天然金剛石選用含有金屬雜質(zhì)的天然金剛石；對(duì)于人造金剛石選擇含有以鎳、鈷、鐵為觸煤的人造金剛石，以此來增強(qiáng)金剛石的導(dǎo)電能力及矯頑力，增加鍍層金屬與金剛石的結(jié)合力。

天然金剛石資源缺乏，而且價(jià)格昂貴，在沒有特殊要求的情況下多選用人造金剛石，但人造金剛石表面粗糙度與鎳層機(jī)械結(jié)合力不如天然金剛石，所以使用時(shí)對(duì)于人造金剛石的晶型、強(qiáng)度、粒度及粒度比都要進(jìn)行優(yōu)選。例如： 某滾輪齒頂型面R0.05+0.1時(shí)，上砂時(shí)選擇粒度80#、60#混合粒度，其晶型選用JR3、JR4各半，這樣有利于修整出鋒利的砂輪，達(dá)到粒度要求，又提高滾輪的壽命。

金剛石的濃度的選擇是十分重要的，濃度選擇要合適，金剛石濃度高一些較好，單顆粒負(fù)荷小，磨耗比減少，滾輪壽命高。如果濃度太高，單位體積中的結(jié)合劑減小，則金剛石易脫落，壽命降低。

粒度：80# 60#

被修砂輪：GG GD

被加工材料：M17

通過試驗(yàn)，金剛石濃度≤200%時(shí)，滾輪壽命與金剛石濃度成正比，濃度>200%時(shí)，壽命開始降低。

4 電鑄鎳溶液的選擇

4.1 電鑄鎳溶液的選擇

常見電鑄鎳溶液體系有：硫酸鹽溶液、全氯化物溶液、氟硼酸鹽溶液、全硫酸鹽溶液、氨基磺酸鹽溶液。我廠使用的是最為廣泛的氨基磺酸鹽溶液，此溶液體系不僅工藝范圍寬，更主要的是能夠從此溶液體系中獲得內(nèi)應(yīng)力低、綜合性能良好的電鑄層。

4.2 氨基磺酸鹽溶液的主要成分及操作條件

溶液主要成分：

氨基磺酸鎳：280-300g/L，氯化鎳：10-15g/L，硼酸：34-36g/L。

操作條件：

溶液溫度：40-45℃，PH值4-4.5，陰極電流密度1-5A/dm2，溶液攪拌方式陰極移動(dòng)或聯(lián)合攪拌。

5 電鑄

5.1 金剛石的電沉積

金屬鎳作為金剛石滾輪的鍍層金屬結(jié)合劑，要求它能牢固的把持金剛石顆粒。但由于金剛石與金屬之間界面能很高，金剛石顆粒的表面不能在室溫條件下為鎳金屬所浸潤，只是機(jī)械地被鑲嵌于鍍層金屬中。因此，金剛石在使用前，要將其放在弱酸及丙酮中進(jìn)行清洗除油，提高表面清潔度，之后放在電鍍液中浸泡，提高電鍍液對(duì)金剛石的潤濕能力。金剛石的電沉積，其實(shí)質(zhì)是金屬在金剛石之間的沉積，是鍍層金屬對(duì)金剛石的包裹過程，并不是金剛石本身在鍍液中的電沉積。

金剛石電沉積時(shí)，要充分考慮金剛石在陰模表面會(huì)占有一定的面積，在給定初使電流時(shí)，一般取正常電流的1/3。即如果正常電流給定3.0A，則初始電流只給到1.0 A。避免電流密度過大對(duì)鍍層產(chǎn)生的不良影響。

5.2 金屬的電沉積

在一定的溶液溫度及外加電壓作用下，在陽極和陰極的表面上進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，以獲得陰極反應(yīng)所形成的、具有一定性能及功能的金屬電沉積層。其陽極表面上發(fā)生的反應(yīng)是：金屬陽極表面的原子發(fā)生氧化反應(yīng)，生成金屬陽離子而進(jìn)入溶液中，與水分子或絡(luò)合物形成金屬絡(luò)離子。而陰極表面上發(fā)生的反應(yīng)主要是溶液中的金屬離子被還原成金屬原子。

隨著電沉積時(shí)間的推移，陰極過程不斷地進(jìn)行，金屬離子源源不斷地被還原成原子，并逐漸堆積，其結(jié)果是金屬電沉積層不斷增厚，從而形成具有特定功能的電鑄層。由于陰模的電鑄厚度通常是2.5-4mm，所需電鍍時(shí)間較長，大陰極電流密度會(huì)使電鑄層產(chǎn)生結(jié)瘤或呈樹枝狀。因此，受電沉積反應(yīng)速度的限制，一般電鑄層的平均生長速度只有0.02-0.1mm/h； 我廠采用了適當(dāng)?shù)妮o助措施，并將陰極電流密度控制在1-5A/dm2，使電鑄速度達(dá)到0.1mm/h以上，在保證電鑄層質(zhì)量的前提下，提高了生產(chǎn)效率，縮短了生產(chǎn)周期。

結(jié)語

將金剛石牢固鑲嵌在金屬基體上是保證金剛石滾輪壽命的關(guān)鍵，陰模型面的精度是保證金剛石滾輪形廓、尺寸及精度的關(guān)鍵，因此，在制造金剛石滾輪的過程中必須嚴(yán)格控制關(guān)鍵工序，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高金剛石滾輪的使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1]陳鈞武，何士桓.電鑄原理與工藝[M].化學(xué)工業(yè)出版社.2010.

[2]馮立明，王玥.電鍍工藝學(xué)[M].化學(xué)工業(yè)出版社.2010.

[3渦輪葉片榫齒金剛石滾輪的研制及其應(yīng)用[J].航空工藝技術(shù).