金剛石滾輪的制造與研究

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

關鍵詞：金剛石滾輪；陰模； 金剛石；溶液成分

中圖分類號：TD874+.1 文獻標識碼：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。目前，國內用電鑄法制造的金剛石滾輪是制造精度最高，復雜程度最大的一種方法，涉及到精密制造技術、精密電鑄技術、精密測量技術等方面的高新技術。

金剛石滾輪內電鑄工藝制造過程復雜，每一個加工環節都將影響產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重要關鍵工序必須嚴格控制。下面就金剛石滾輪的加工方法及上述兩個重要關鍵工序的加工要點進行闡述。

1 金剛石滾輪的結構

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度、防止變形的作用基體主要用于基準轉換并起連接作用，內孔用于連接機床上的修整裝置，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，對滾輪的形狀和精度影響最大。內腔型面的加工，是滾輪制造中重要工序和關鍵工序，因此，選擇陰模材料和合適的加工手段是制造高質量內腔型面的關鍵。陰模材料應具備下列條件：（1）材質穩定性好，內應力小，具有必要強度又易于加工；（2）制造中受熱及受力時抗變形能力強；（3）經濟性好。

通過對鋼、鋁合金、石墨材料進行分析研究，發現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 陰模內腔型面的加工

由于我公司采用的是內電鑄金剛石滾輪加工方法，按照目前的檢測手段，在加工陰模時無法檢測陰模型面是否合格，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節。因此，陰模內腔型面加工采用樣板刀成形車削加工工藝。樣板刀采用經過砂輪成形磨削，廓形精度按4μm，齒距精度按3μm尺寸，就能夠滿足精密級滾輪的制作要求。

3 金剛石的選擇

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

天然金剛石資源缺乏，而且價格昂貴，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械結合力不如天然金剛石，所以使用時對于人造金剛石的晶型、強度、粒度及粒度比都要進行優選。例如： 某滾輪齒頂型面R0.05+0.1時，上砂時選擇粒度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，金剛石濃度≤200%時，滾輪壽命與金剛石濃度成正比，濃度>200%時，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應力低、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或聯合攪拌。

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，提高電鍍液對金剛石的潤濕能力。金剛石的電沉積，其實質是金屬在金剛石之間的沉積，是鍍層金屬對金剛石的包裹過程，并不是金剛石本身在鍍液中的電沉積。

金剛石電沉積時，要充分考慮金剛石在陰模表面會占有一定的面積，在給定初使電流時，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鍍層產生的不良影響。

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行電化學反應，以獲得陰極反應所形成的、具有一定性能及功能的金屬電沉積層。其陽極表面上發生的反應是：金屬陽極表面的原子發生氧化反應，生成金屬陽離子而進入溶液中，與水分子或絡合物形成金屬絡離子。而陰極表面上發生的反應主要是溶液中的金屬離子被還原成金屬原子。

隨著電沉積時間的推移，陰極過程不斷地進行，金屬離子源源不斷地被還原成原子，并逐漸堆積，其結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，所需電鍍時間較長，大陰極電流密度會使電鑄層產生結瘤或呈樹枝狀。因此，受電沉積反應速度的限制，一般電鑄層的平均生長速度只有0.02-0.1mm/h； 我廠采用了適當的輔助措施，并將陰極電流密度控制在1-5A/dm2，使電鑄速度達到0.1mm/h以上，在保證電鑄層質量的前提下，提高了生產效率，縮短了生產周期。

結語

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、尺寸及精度的關鍵，因此，在制造金剛石滾輪的過程中必須嚴格控制關鍵工序，保證產品質量，提高金剛石滾輪的使用壽命。

參考文獻

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