金刚石滚轮的制造与研究

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摘 要：本文通过对加工金刚石滚轮的关键工序——阴模制造、金刚石及金属电沉积过程控制等的分析和研究， 达到了提高金刚石滚轮的寿命及精度的目的。

关键词：金刚石滚轮；阴模； 金刚石；溶液成分

中图分类号：TD874+.1 文献标识码：A

金刚石滚轮是新一代砂轮修整工具，具有高精度、高成型的特点。目前，国内用电铸法制造的金刚石滚轮是制造精度最高，复杂程度最大的一种方法，涉及到精密制造技术、精密电铸技术、精密测量技术等方面的高新技术。

金刚石滚轮内电铸工艺制造过程复杂，每一个加工环节都将影响产品加工精度及使用寿命，特别是阴模的制造、金刚石及金属电沉积过程这两个重要关键工序必须严格控制。下面就金刚石滚轮的加工方法及上述两个重要关键工序的加工要点进行阐述。

1 金刚石滚轮的结构

金刚石滚轮通常由金刚石、镀镍层、加固层、基体组成。

金刚石主要是起切削作用，用它修整砂轮，砂轮型面与滚轮型面相同，方向相反。

镀镍层主要起支撑和结合剂的作用，增加把持力并将金刚石牢牢把持在镀层上，防止金刚石脱落。

加固层主要起增加强度、防止变形的作用基体主要用于基准转换并起连接作用，内孔用于连接机床上的修整装置，外径通过加固层将电铸层及金刚石层连接在一起。

2 阴模的制造

2.1 阴模材料的选择

阴模作为制造滚轮的模具，对滚轮的形状和精度影响最大。内腔型面的加工，是滚轮制造中重要工序和关键工序，因此，选择阴模材料和合适的加工手段是制造高质量内腔型面的关键。阴模材料应具备下列条件：（1）材质稳定性好，内应力小，具有必要强度又易于加工；（2）制造中受热及受力时抗变形能力强；（3）经济性好。

通过对钢、铝合金、石墨材料进行分析研究，发现钢及石墨作为制造高精度滚轮阴极材料比较适合，我厂选用了更为常用的钢基材作为阴模材料。

2.2 阴模内腔型面的加工

由于我公司采用的是内电铸金刚石滚轮加工方法，按照目前的检测手段，在加工阴模时无法检测阴模型面是否合格，因此，金刚石滚轮是否合格只能靠成型样板刀具保证，样板刀的加工就成为保证高精度金刚石滚轮的重要环节。因此，阴模内腔型面加工采用样板刀成形车削加工工艺。样板刀采用经过砂轮成形磨削，廓形精度按4μm，齿距精度按3μm尺寸，就能够满足精密级滚轮的制作要求。

3 金刚石的选择

选择金刚石时必须考虑提高镀层金属与金刚石颗粒之间的结合力。对于天然金刚石选用含有金属杂质的天然金刚石；对于人造金刚石选择含有以镍、钴、铁为触煤的人造金刚石，以此来增强金刚石的导电能力及矫顽力，增加镀层金属与金刚石的结合力。

天然金刚石资源缺乏，而且价格昂贵，在没有特殊要求的情况下多选用人造金刚石，但人造金刚石表面粗糙度与镍层机械结合力不如天然金刚石，所以使用时对于人造金刚石的晶型、强度、粒度及粒度比都要进行优选。例如： 某滚轮齿顶型面R0.05+0.1时，上砂时选择粒度80#、60#混合粒度，其晶型选用JR3、JR4各半，这样有利于修整出锋利的砂轮，达到粒度要求，又提高滚轮的寿命。

金刚石的浓度的选择是十分重要的，浓度选择要合适，金刚石浓度高一些较好，单颗粒负荷小，磨耗比减少，滚轮寿命高。如果浓度太高，单位体积中的结合剂减小，则金刚石易脱落，寿命降低。

粒度：80# 60#

被修砂轮：GG GD

被加工材料：M17

通过试验，金刚石浓度≤200%时，滚轮寿命与金刚石浓度成正比，浓度>200%时，寿命开始降低。

4 电铸镍溶液的选择

4.1 电铸镍溶液的选择

常见电铸镍溶液体系有：硫酸盐溶液、全氯化物溶液、氟硼酸盐溶液、全硫酸盐溶液、氨基磺酸盐溶液。我厂使用的是最为广泛的氨基磺酸盐溶液，此溶液体系不仅工艺范围宽，更主要的是能够从此溶液体系中获得内应力低、综合性能良好的电铸层。

4.2 氨基磺酸盐溶液的主要成分及操作条件

溶液主要成分：

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

操作条件：

溶液温度：40-45℃，PH值4-4.5，阴极电流密度1-5A/dm2，溶液搅拌方式阴极移动或联合搅拌。

5 电铸

5.1 金刚石的电沉积

金属镍作为金刚石滚轮的镀层金属结合剂，要求它能牢固的把持金刚石颗粒。但由于金刚石与金属之间界面能很高，金刚石颗粒的表面不能在室温条件下为镍金属所浸润，只是机械地被镶嵌于镀层金属中。因此，金刚石在使用前，要将其放在弱酸及丙酮中进行清洗除油，提高表面清洁度，之后放在电镀液中浸泡，提高电镀液对金刚石的润湿能力。金刚石的电沉积，其实质是金属在金刚石之间的沉积，是镀层金属对金刚石的包裹过程，并不是金刚石本身在镀液中的电沉积。

金刚石电沉积时，要充分考虑金刚石在阴模表面会占有一定的面积，在给定初使电流时，一般取正常电流的1/3。即如果正常电流给定3.0A，则初始电流只给到1.0 A。避免电流密度过大对镀层产生的不良影响。

5.2 金属的电沉积

在一定的溶液温度及外加电压作用下，在阳极和阴极的表面上进行电化学反应，以获得阴极反应所形成的、具有一定性能及功能的金属电沉积层。其阳极表面上发生的反应是：金属阳极表面的原子发生氧化反应，生成金属阳离子而进入溶液中，与水分子或络合物形成金属络离子。而阴极表面上发生的反应主要是溶液中的金属离子被还原成金属原子。

随着电沉积时间的推移，阴极过程不断地进行，金属离子源源不断地被还原成原子，并逐渐堆积，其结果是金属电沉积层不断增厚，从而形成具有特定功能的电铸层。由于阴模的电铸厚度通常是2.5-4mm，所需电镀时间较长，大阴极电流密度会使电铸层产生结瘤或呈树枝状。因此，受电沉积反应速度的限制，一般电铸层的平均生长速度只有0.02-0.1mm/h； 我厂采用了适当的辅助措施，并将阴极电流密度控制在1-5A/dm2，使电铸速度达到0.1mm/h以上，在保证电铸层质量的前提下，提高了生产效率，缩短了生产周期。

结语

将金刚石牢固镶嵌在金属基体上是保证金刚石滚轮寿命的关键，阴模型面的精度是保证金刚石滚轮形廓、尺寸及精度的关键，因此，在制造金刚石滚轮的过程中必须严格控制关键工序，保证产品质量，提高金刚石滚轮的使用寿命。

参考文献

[1]陈钧武，何士桓.电铸原理与工艺[M].化学工业出版社.2010.

[2]冯立明，王玥.电镀工艺学[M].化学工业出版社.2010.

[3涡轮叶片榫齿金刚石滚轮的研制及其应用[J].航空工艺技术.