電鍍金剛石線鋸上砂裝備設計和應用

周家美 龔 洋 王開佃

（1.山田新材料集團有限公司，山東 臨沂 276700；2.金沂蒙集團有限公司，山東 臨沂 276700）

0 引言

20 世紀90 年代，金剛石線鋸開始興起，現已廣泛應用于光伏、電子和藍寶石等貴重超硬材料切割領域[1]。早期的金剛線加工技術采用的是裸露的金屬線和游離的磨料，在加工過程中將磨料加入金屬線和加工件之間以產生切削作用。為了進一步縮短加工時間和對超硬材料和難以加工的陶瓷進行加工，人們將金剛石微粉以一定的方式固定到金屬線上，進而出現了固定金剛石線鋸[2]。金剛石線鋸也稱金剛線，是以鋼絲為基礎材料，以氨基磺酸鎳為鍍液主鹽，在合適的電鍍工藝下采用復合鍍的方法在鋼絲基體上沉積一層金屬鎳，同時在金屬鎳中包裹金剛石微粉顆粒而制得的一種超硬材料鋸切工具[2-3]。線鋸切割具有能切割大尺寸薄片、加工表面質量高、鋸縫損失少、撓曲變形小以及切割效率高等優點，在切割硬脆材料方面有廣泛應用[1]。電鍍金剛石線鋸廣泛應用于光伏、電子和藍寶石等貴重超硬材料切割領域，具有切割效率高、產品精度高、損耗小和工作環境清潔等優點，是一種新型節能環保產品[4-5]。

該文對金剛線生產線一種豎式上砂結構進行進深入研究，分析了其目前結構的不足，對上砂裝備進行了全新設計，并在零件制作過程中嚴格控制加工精度。設計的上砂裝備已投入正常生產，保證了整個上砂系統的可靠穩定性，解決了砂多砂少等質量問題，實現了上砂的均勻一致。

1 電鍍金剛線豎式生產線工藝流程與說明

金剛線豎式生產線主要用于生產磁材線和光伏開方線，線徑在145μm～450μm，工藝流程為放線→除油脫脂→水洗→酸洗→水洗→預鍍鎳→上砂加固→鍍鎳→水洗→熱水洗→烘干→收線。

上砂是將金剛石磨料復合電沉積到鋸絲基體表面的過程，上砂鍍層的厚度一般為金剛石顆粒平均粒徑的10%左右[6]。電沉積過程中要求金剛石顆粒以一定的密度均勻分布于鍍層中，如何均勻地沉積金剛石磨料一直是研究的重點。豎式線的上砂方法是埋砂法，埋砂法是將鋸絲基體埋在金剛石磨料中來制備復合鍍層的方法[6]。

2 目前上砂加固設備的現狀與不足

電鍍金剛石線生產的關鍵技術是上砂技術[7]。例如電鍍金剛石線的上砂要求金剛石均勻固結在長度為30km、40km、50km 和60km 的母線機體上，上砂后金剛砂線的線徑變化要在一定幅度以內且金剛石分布要均勻，砂多、過于密集，金剛石容易堆疊在一起，進而導致切割過程中阻力過大而斷線，砂少、過于稀疏則會導致切割力不足。

金剛線的預鍍到上砂工序中，經上砂加固的砂附著力較弱，極容易受振動而掉落或被磨掉，經常出現砂多砂少等質量問題，所以上砂裝備的可靠穩定性非常關鍵，將會直接影響上砂效果。

現有金剛線豎式生產線上砂加固設備存在很多不足，主要體現在以下方面：1）安裝機架為鋁型材搭接而成，強度較弱，在生產過程中導電輪、導電輪軸承座及加固桶等部件經常出現振動現象，從而導致掉砂、落砂等質量問題。2）導電輪沒有限位結構，受收線張力長期影響，導電輪位置會發生移動，線體也隨之發生位移，進而導致線體偏離上砂亞克力管孔中心，而偏離距離大時就會切入亞克力中，造成砂量急劇下降和異常下線。3）回液槽沒有密封結構，鍍液濺出，工作環境較差，軸承及導電滑環因直接接觸鍍液而經常發生損壞，平均每1～2 個月滑環就需要換一次，維修保養費用較高。

3 新上砂裝備設計

市場上磁材切割機對金剛線的長度要求最短30km，因此不足30km 的就是廢線，如果設備穩定性較差，金剛線異常下線比例較高，會造成產品成本急劇上升。因此提高設備可靠穩定性、減少異常和降低成本迫在眉睫。該文經過對現狀的長期研究，為保證整個上砂系統的可靠穩定性，對上砂加固結構進行了系統化的全新設計，具體如下。

3.1 設計不銹鋼方管機架

不銹鋼方管焊接機架設計如圖1 所示。在方管上激光切割多組固定孔，加固桶、上下導電輪及亞克力件均固定于機架上，保證了上砂系統整體強度和穩定性。方管采用四維激光切管機下料，公差及形位精度保證在0.1mm 之內，并在鑄鐵平臺上焊接，以保證安裝面的平面度，如圖2 所示。

圖1 不銹鋼焊接機架

圖2 鑄鐵平臺焊接

3.2 設計回液主槽與小副槽

回液主槽及密封結構設計如圖3 所示。密封住鍍液蒸汽，在導電輪底部最近距離安裝小副槽以防止鍍液濺出，如圖4 所示，避免鍍液對導電滑環及軸承的腐蝕，減少因軸承卡死和滑環損壞而引起的異常。小副槽內設有隔板，用于沉淀砂，兩側設有溢流口，使鍍液溢流到主槽中。

圖3 回液密封主槽

圖4 接液小副槽

3.3 設計保證同軸度的各種亞克力零件

為便于觀察砂量和剛線狀態，上砂零件均采用透明亞克力制作。在亞克力大椎體、上砂管、小椎體和三通上設計軸肩定位結構，如圖5 所示，以確保各零件在裝配后同軸，在維修保養過程中可較方便地將剛線調整到亞克力各件中心，避免亞克力磨剛線的風險。

圖5 法蘭連接

選取截面較大的O 型圈，增加密封效果，并設計法蘭式結構，使連接強度高，緊固方便，如圖6 所示。

圖6 定位結構

3.4 設計亞克力過線螺塞

產線使用的黑色橡膠過線皮塞如圖7 所示，不利于觀察線體狀態，只能通過觀察剛線在各亞克力件的內孔位置來判斷剛線是否在中心，維修調整非常困難。

圖7 橡膠皮塞

該文設計的亞克力螺塞如圖8 所示，能清晰觀察到線體狀態，維修調整非常方便，避免了磨線異常，提高了工作效率。

圖8 亞克力螺塞

3.5 設計絕緣結構

為保證剛線電流的穩定性，在3 處關鍵部位安裝絕緣膠木，在加固桶固定面也安裝絕緣膠木，如圖9 所示。在上下導電輪支架連接面安裝膠木板，連接螺釘增加尼龍墊，如圖10 所示。

圖9 加固桶絕緣

圖10 導電輪絕緣

3.6 設計加強導電輪組件及限位結構

為保證調試好后剛線在亞克力螺塞中心能長時間不發生位移現象，該文設計了加強導電輪組件，如圖11 所示，設計限位結構如圖12 所示。主要結構如下：1）設計了加強導電輪軸，兩端選用高強度軸承，滑環通過左右旋螺紋裝到采軸兩端，以保證連接可靠。2）設計的組合鋁板軸承座強度高，兩側板通過圓柱銷定位可方便拆卸，維修保養方便。3）軸承外端安裝尼龍封蓋，避免鍍液及砂旋轉進入軸承，造成軸承卡死。4）設計限位結構，實現導電輪上、下、左、右、前、后6 個方向的位置限位。

圖11 加強導電輪組件

圖12 導電輪限位

4 結論

生產車間已完成6 臺生產線上砂設備的安裝和調試，現已投入批量生產，此次系統化設計取得的顯著效果具體如下：1）通過亞克力螺塞可以清晰地觀察到剛線運行狀態，維修保養非常方便，加強巡檢可有效避免磨線鍍液斜呲等異常現象。2）安裝小副槽及回液密封結構，避免了導電滑環和軸承直接接觸鍍液，保證了滑環良好的工作環境，避免了軸承及滑環受腐蝕引發的生產線異常。3）安裝加強導電輪組件及限位結構，能保證在長時間的生產過程中導電輪位置固定不變，剛線不發生位移現象，較好地使線體保持在螺塞中心，避免磨線異常。4）上砂裝備強度可靠穩定性得到了較大提升，運行平穩且沒有發生異常下線，成本大幅度降低。5）避免了結構穩定性差引發的掉砂磨砂偏砂現象，解決了砂多砂少等質量問題，實現了上砂的均勻一致。