工藝參數對電鍍磨輪精度和性能的影響研究

杜利利，王永寶，李媛媛，吳 珂，劉天立

(鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引言

電鍍超硬材料砂輪因成型精度高、磨削鋒利度好、免修整等特點，廣泛應用于各類精密零部件的高效成型磨削加工，具有加工精度高、磨削效率高、使用壽命長等優點[1-4]。電鍍砂輪制作工序包含前處理、預鍍、上砂及加厚、修整檢測等多道工藝步驟，其中關鍵瓶頸工序為上砂，主要有埋砂和撒砂法[5-6]。兩種工藝對操作技能依賴大，工藝過程可控性差，上砂精度及穩定性難以保證，且生產效率較低。

本文采用一種自動懸浮法工藝，設計制作專用治具，電鍍砂輪的預鍍、上砂及加厚全過程實現自動化控制，上砂精度穩定可靠。

1 實驗部分

1.1 材料與設備

磨輪：自制，規格為120 mm×25 mm×10 mm，D170/200(圖1)。

設備：懸浮上砂自動化設備(自制)，手持顯微鏡，三維視頻形貌分析儀，輪廓形狀測量儀。

圖1 電鍍金剛石磨輪成品圖Fig.1 Product diagram of electroplated diamond grinding wheel

1.2 實驗方法

選取一款電鍍金剛石磨輪(規格為1A1，120×25×10，D170/200)為實驗對象，自制磨輪基體進行電鍍工藝實驗，手持顯微鏡觀察磨料層分布狀態，輪廓儀檢測磨輪直線度。

1.3 正交實驗

以上砂次數、上砂電流、上砂時間三個影響因素為主要探究因素，做3因素3水平正交實驗(表1)，制得正交表L9(33)，以鍍后直線度作為考察依據。

表1 影響因素與水平表Table 1 List of influencing factors and levels

2 結果與討論

2.1 磨料添加量及攪拌轉速對懸浮上砂效果的影響

添加量搭配合適的攪拌轉速，以達到最佳上砂效果，列表探究磨料添加量及設備轉速對懸浮上砂效果的影響，實驗參數及結果見表2。

表2 磨料添加量及轉速對磨料懸浮上砂效果的影響Table 2 Influence of abrasive content and rotational speed on suspension effect

由表2實驗數據得知，磨料添加量為1000 ct，轉速從80 r/min提高到100 r/min，均出現缺砂問題，進一步將添加量提升至1500、2000 ct，轉速為80、90 r/min上砂效果均較好。而當轉速為100 r/min時，又出現缺砂現象，分析為攪拌強度過高，鍍液流動太大，導致表面未把持牢固的磨料發生沖擊脫落而形成缺砂。根據以上實驗結果，保證磨料充分使用，明確鍍槽中磨料添加量為1500 ct，設備攪拌轉速確定為80 r/min。

2.2 上砂工藝參數對比

以磨料層初始直線度精度作為評價標準，按表1所示因素水平表，根據L9(33)正交表對上砂次數、上砂電流密度及上砂時間進行3因素3水平正交實驗，結果見表3。

表3 上砂工藝參數DOE實驗設計表Table 3 DOE experimental designdata of sand loading process parameters

以表3直線度數值作為水平觀測值，計算得出各水平的觀測平均值(表4)，再通過各因素A、B、C觀測平均值最大值減去最小值計算出相應極差，可以得出，對于鍍后磨料層直線度的影響因素排序為A>C>B，較優的電鍍工藝為A2B1C1，即電鍍磨輪批量制作工藝：上砂次數6次，上砂電流密度1.0 A/dm2，上砂時間為60 s。進一步使用該最優組合進行3組平行實驗，磨復印件檢測直線度均在0.01 mm以下。

2.3 懸浮上砂與埋沙法磨料層分布均勻性對比

懸浮上砂在最優工藝參數條件下進行樣品制作，與埋砂法進行對比，結果如圖2所示。從圖2可以看出，相較于埋砂法，懸浮上砂磨料分布更加均勻，濃度適中，且無團聚、缺砂現象。

表4 正交實驗極差計算表Table 4 Calculation of range of orthogonal test

圖2 懸浮上砂(a)與埋砂法(b)磨料層分布均勻性對比Fig.2 Comparison of abrasive distribution uniformity between suspended sand(a) and sand burying method (b)

2.4 加厚均勻性實驗探究

在電鍍加厚過程中因受尖端效應的影響，組裝好的磨輪中靠近兩側邊電流密度大，導致磨料埋入率深，同批次間加厚不均勻。分別采用陽極遮蔽及陰極輔助的方式對加厚均勻性進行實驗探究。

2.4.1 陽極遮蔽對加厚均勻性影響

采用鉛板遮蔽部分陽極，進行電鍍實驗。兩側與中間磨料層出刃高度仍存在差別，兩側磨料出刃高度35 μm，低于中間砂輪磨料層出刃高度44 μm，見圖3。

圖3 陽極遮蔽方式兩側(a)與中間(b)砂輪磨料層出刃高度對比Fig.3 Comparison of grinding wheel abrasive edge height on both sides(a) and middle (b) of anodic masking method

2.4.2 陰極輔助對加厚均勻性影響

制作直徑180 mm、厚度為2 mm的鋼板作為陰極輔助探究同批次加厚均勻性，同批次兩側與中間砂輪磨料層出刃高度無明顯差異，磨料出刃高度約為43 μm，同批次產品磨料層加厚均勻，見圖4。因此，采用陰極輔助方式，避免制作過程中的尖端效應，可解決電鍍磨輪同批次間加厚不均勻的問題。

圖4 陰極輔助方式兩側(a)與中間(b)砂輪磨料層出刃高度對比Fig.4 Comparison of grinding wheel abrasive edge height on both sides(a) and middle (b) of cathode assisted mode

2.5 磨削性能測試

2.5.1 加工參數

工件：材質為鎢鎳合金，硬度為HBS460。

加工參數：轉速3600 r/min，加工余量單邊0.20 mm，進給方式為手動進給，成形磨削，每次退刀0.20 mm，往復磨削4次，吃刀深度0.03～0.05 mm。

2.5.2 磨削性能對比

將兩種工藝試制樣品進行磨削性能測試，由表5中數據得知，懸浮法工藝制作出的砂輪磨削效果優于埋砂法工藝，工件表面質量好，粗糙度小，砂輪使用壽命提升41%。

表5 懸浮法與埋砂法磨削結果對比Table 5 Comparison of grinding results between suspension methodand sand burying method

3 結論

(1)采用實驗開發的懸浮上砂工藝，并借助自制的專用治具和專用設備，研制出電鍍磨輪產品，實驗探究出最佳磨料添加量1500 ct和攪拌轉速80 r/min，得出最優上砂效果。

(2)通過正交實驗得出最佳懸浮上砂工藝參數為上砂次數6次、電鍍密度1.0 A/dm2和上砂時間60 s。

(3)借助輔助陰極方式，確保了磨料層出刃高度均勻一致。

(4)通過本文實驗工藝方法研制出的砂輪樣品，上砂分布均勻，出刃高度一致，磨削工件直線度、加工表面質量及使用壽命均優于傳統埋砂工藝，應用效果較好。