CN101073882A - 一种磨料三维多层可控优化排布电镀工具制作方法 - Google Patents

Abstract

一种磨料三维多层可控优化排布电镀工具及其制造方法，其特征是基于磨空比和磨粒层数的微磨料群优化排布以及增厚复合电镀掩模的制备。这种磨料三维多层可控优化排布电镀工具具有优化设计表面磨料群分布；以双层复合掩模作为电镀掩模；通过改变中间层厚度来调节增厚复合电镀掩模厚度；控制中间层的腐蚀程度，使之比上层掩模略有凹陷，复合电镀形成的磨料群形貌为梯台状。本发明的效果和益处是这种方法制备的固结磨料工具，磨料群优化排布利于加工中磨削屑排出、磨削液进入、磨削热转移等，显著提高磨具的磨削性能；同时，多层磨料工具可以修整，降低了对基体加工精度和装配精度的要求，显著地降低磨具制造成本。

Description

一种磨料三维多层可控优化排布电镀工具制作方法

技术领域

本发明属于机械加工制造技术领域，涉及到磨料三维多层可控优化排布电镀工具及其制造方法。

背景技术

磨削是当今制造技术中一种应用范围最广、最有效的精密与超精密加工方法，向着高速和超精密发展，传统的固结磨料磨具特别是超精密加工和抛光磨具，磨粒十分细小，造成磨具工作表面极易堵塞、导致磨具过早失效或产生磨削热损伤。实现磨料或微磨料群的科学、有序排布能使磨具中的磨粒或磨料群的排列及其间距更加合理，确保磨粒有效裸露高度和合理的容屑空间，显著提高砂轮的磨削性能。

期刊《中国机械工程》第13卷第13期中，文献《钎焊单层金刚石砂轮关键问题的研究》提到了一种陶瓷孔模板布料法并用于钎焊砂轮的制造；专利文献中国发明专利公开号CN 1528565A中公布了一种基于壳模布料方法优化颗粒排布的单层金刚石固结磨具制造方法。此专利中参照熔模铸造业制作壳型的方法排布磨料，用高温钎焊工艺固结磨料。这两个文献中提到的方法受钎焊工艺的局限性，主要适合较大尺寸磨料磨具的制造，对微细粒径磨粒难以实施。

在中国专利公开号为CN 1124480A中公布了一项带图案优化的磨料制备技术。在基体上涂敷粘合剂，然后将磨粒放置与基体接触，粘合剂暂时将磨料固定在基体表面。在磨粒与基体接触之前，可将网筛材料或者其他多孔材料形式的掩模放置在基体上，掩模决定了磨粒的分布，并控制磨粒置入多孔材料的开孔内；或者将磨粒按一定图案粘接在基体上，从而决定了磨粒的分布。最后再用钎焊或者烧结的方法固结磨料形成磨具。以上文献共同的局限性在于仅仅适合于大粒度磨粒有序排布磨具制造，而不适合用于磨粒粒径较小(150目以上)的精密和超精密加工用磨具的磨粒可控排布和制造。

对于磨粒粒径较小的磨具，有很多文献提到使磨料成堆或成群分布，其优点也是在于能利于加工中磨削屑排出、磨削液进入、磨削热转移等。但这些文献提到的磨料排布方法都只是实现了某种磨料的分布，而没有衡量指标进行优化。文献美国专利US 4 925 457，美国专利US 5 092 910和美国专利US 5 049 165分别提到了网筛、隔板排布技术，即通过制作网筛或者带孔隔板来控制金刚石等磨料的位置和分布实现磨料的可控排布。2001年8月1日公开的专利文献中国专利公开号CN 1305884A提出了采用了上述方法进行微磨粒群的排布，在砂轮基体上用带有倾斜表面的遮覆元件形成孔穴，通过电镀方法将孔穴内的磨粒群固结在砂轮基体非遮覆区域，其磨粒密度在中央部分较高而边缘部分较低。又如，在国外期刊《Wear》(233-235(1999)P387-394)文献《Designed abrasivediamond surfaces》提出了微复制技术：在硅模板上刻蚀出规则的优化排布的模孔以成型所需的有序排布，采用化学气相沉积方法在模孔内生长成金刚石薄膜层，最后清除硅模板并把薄膜层粘结到基体。此方法主要用于固结磨料磨削实验模拟研究，而且制造成本非常高。

期刊《金刚石与磨料磨具工程》(2004年4月)中文献《有序排布和烧焊一体化制造金刚石工具新技术研究》和期刊《PM SPECIAL FEATURE》中《Sinteringand brazing all in one》提到烧焊结一体化技术：在保护气体作用下，快速加热均匀混合有金刚石的烧结料粉到熔融状态，通过喷嘴直接焊接到基体上，控制台则通过料粉流量和基体图形编辑软件控制液态料粉的焊接位置和焊接厚度，从而准确的完成所需图案排布的金刚石工具的制造。该方法设备复杂、自动化程度要求高，而且需要精确定量控制熔融混合物流量、温度等因素。

此外，虽然用传统电镀工艺制作的单层电镀超硬磨料砂轮具有节约磨料和相对陶瓷结合剂和树脂结合剂砂轮具有更好的磨削比，但是当磨料粒度非常细小时，由于砂轮基体外圆与内孔不可避免地存在同轴度误差和圆度误差，从而导致砂轮磨削表面的不均匀磨损，恶化加工质量，甚至无法使用。一味通过提高砂轮基体的同轴度要求和加工精度，将加剧砂轮的制造成本，这也是为什么细粒度或微粉级磨料的砂轮一般不采用电镀工艺制造的主要原因。

发明内容

本发明的目的是提供一种磨料三维多层可控优化排布电镀工具制造方法，特别是针对精密、超精密加工和抛光磨具，磨粒十分细小，造成磨具工作表面极易堵塞、导致磨具过早失效或产生磨削热损伤、而传统单层磨料电镀砂轮无法修整，只能依赖提高砂轮基体几何精度来满足整体精度等问题而提出的。这种方法制备的固结磨料工具，表面磨料或微磨料群的科学、有序排布使磨具中的磨粒或磨料群的排列及其间距更加合理，确保磨粒有效裸露高度和合理的容屑空间，显著提高磨具的磨削性能；同时，多层磨料工具可以修整，降低了对基体加工精度和装配精度的要求，显著地降低磨具制造成本。

本发明的技术方案是提出一种磨料三维多层可控优化排布电镀工具制造方法，其特征是基于磨空比和磨粒层数的微磨料群优化排布以及增厚复合电镀掩模的制备。分别叙述如下：

(1)基于磨空比和磨粒层数的微磨料群优化排布

本发明所设计的电镀工具表面磨粒的分布是根据用途不同按一定的几何形状微磨料群形式进行排布的。微磨料群可以是单层，也可以是n层(n≥2)，微磨料群的几何形状和排列样式可以有多种形式，其中电镀工具表面微磨料群面积总和占整个工作表面积之比，在此定义为磨空比η，是微磨料群优化排布的重要指标，由下列公式(^*)确定。

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\Σ}{S}_{\mathrm{Gi}}}{S_0}---(*)$

(^*)式中，S0为电镀工具总工作表面积，S_Gi为第i个微磨料群的面积。S_Gi的大小由微磨料群单层磨粒个数m确定，见图1所示。

对于选定粒度的磨料，通过确定微磨料群几何形状图案及其面积S_Gi、磨空比η和电镀层数n，并考虑加工轨迹方向，就可以确定微磨料群的排布形式。在满足前面提到的优化设计分布的条件下，并考虑便于冷却液进入加工接触区、加工屑排出以及磨料群分布对加工轨迹的影响，对于某个有效磨空比η，磨料群的分布样式有多种选择，如三角型、多边形、圆形等闭合曲线所围图形或者某些图形的组合图形，如图2所示是某电镀砂轮表面磨料群排布图案各种举例。合理的磨空比范围为η＝0.45～0.85，合理的电镀层数为n＝1～5。

(2)增厚复合电镀掩模制备

为了在电镀过程中形成可控分布的磨料群，必须制作微孔掩模初步固定磨料的位置。传统方法中提到过利用照相原理等技术使光固化绝缘材料形成所需形状掩模，用此方法制备电镀磨料工具工艺步骤如图3所示。但是正因此方法是采用曝光显影方式，掩模厚度一般只能达到10～40μm，只适合单层或者层数要求不高的情况；对于层数较高(磨料层数n≥3层)，如果掩模厚度太薄，则复合电沉积中会形成蘑菇形磨料群轮廓，而这种形状磨料群与基体把持强度差、在工具使用中容易剥落。因此对于多层磨料群，为避免这种现象发生，掩模厚度最好为磨粒粒径3～5倍、且孔腔剖面为上小下大形状，这样形成的磨料群为直柱状或梯台状，把持强度增大不容易整体脱落。

本发明采用独创的增厚复合掩模方法制备磨料三维多层可控优化排布电镀工具。复合掩模分为表层和中间加厚层两层，其原理是在表层掩模遮覆下腐蚀去除中间层未遮护部分直至露出基体，以双层复合掩模作为电镀掩模，改变中间层厚度来调节复合掩模整体厚度。表层掩模材料要求绝缘且能抗电镀液腐蚀，如感光油墨、绝缘漆、光固化树脂、PVC胶带纸或其它绝缘材料；上层掩模采用照相制版显影等技术直接固化到中间层上或者按所需图案激光切割胶带纸等绝缘材料粘贴到中间层上。中间层材料如赛璐珞等绝缘材料，也可以是导电材料如铜、锌等金属材料；对于中间层的腐蚀，根据不同材料选择腐蚀方式，如赛璐珞等中间层选用丙酮作为溶剂溶解腐蚀、电镀铜中间层则选用电解腐蚀。

结合本发明的附图图4，多层复合掩模制备步骤和具体操作方法叙述如下：①在除油除锈完毕的工具基体上均匀涂覆或电镀金属中间层，厚度为磨粒粒径的3～5倍；②涂敷光固化绝缘漆、根据优化设计图案曝光显影制备上层掩模或者粘贴激光切割的胶带纸作为上层掩模；③在上层掩模遮护下腐蚀中间层，去除为保护部分直至露出基体即形成复合掩模。

通过控制腐蚀参数可以调整复合掩模孔腔形貌，进而控制磨料群的三维形貌，中间层的腐蚀比上层掩模略有凹陷，以便在复合电镀中形成的梯台状磨料群形貌，此三维形貌有较强的把持强度，如图5。

复合掩模制备完毕后，清洗活化露出基体，进行磨粒复合电镀工艺，最后腐蚀或剥离去除复合掩模，即完成磨料三维多层可控优化排布电镀工具制作。

(3)磨料三维多层可控优化排布电镀工具的修整

传统电镀单层电镀工具不能修整(对圆柱度、动平衡有影响)，存在对基体的制造精度敏感，磨料的裸露比例和容屑空间不高等缺陷。而实现三维多层磨料群的制备，可以通过后续对电镀工具的修整，进一步修正外圆表面圆度误差及其与安装基准孔同轴度误差等。电镀金属可以是镍、镍钴合金或者镍钴锰等其他合金，而磨料是金刚石、立方氮化硼等，修整方式采用电解修整或者激光修锐。如图6，采用多层磨料后，避免了单层磨料电镀工具不能修整、对基体和安装精度依赖性高所引起的问题。通过修整能有效补偿各项误差，如图中e为基体圆柱度误差、同轴误差、装配误差等误差总和，经修整，虽然各处磨料层高度有所改变，但保证了整体的轮廓精度和位置精度。

本发明的效果和益处是：这种方法制备的固结磨料工具，表面磨料或微磨料群的科学、有序排布使磨具中的磨粒或磨料群的排列及其间距更加合理，磨料群优化排布利于加工中磨削屑排出、磨削液进入、磨削热转移等，显著提高磨具的磨削性能；同时，多层磨料工具可以修整，降低了对基体加工精度和装配精度的要求，显著地降低磨具制造成本。对容易堵塞刀具的金属或非金属材料精密加工的新型工具表面都可以按照前述方法设计、制造。这类工具不仅仅适用于传统硬脆的或是延性的金属材料、非金属材料，特别是适用于一些传统工具加工性差的材料，如碳碳复合纤维、碳石英复合纤维、铝镁合金及多层复合板的钻扩孔和磨削加工，适用范围大大扩展，有着良好的应用前景。

附图说明

图1是相同微磨粒群面积S_Gi条件下磨粒大小与数量m之间的关系示意图；图(a)是大粒径磨料；图(b)是中粒径磨料；图(c)是小粒径磨料；图中：1电镀金属；2磨粒。

图2是在优化设计磨料排布参数下某种电镀砂轮考虑其旋转方向对磨屑排除、冷却液进入接触区、加工轨迹的影响可选的各种图案示例；图(d)是砂轮旋转方向和磨料群排布宏观示意图；图(e)、(f)、(g)是砂轮多种可选图案的局部放大图，其中图(e)是圆形阵列排布图案；图(f)是三角形的圆周阵列排布图案；图(g)是棱形交错的平行四边形阵列排布图案。

图3是基于传统照相光固化掩模方法制作电镀磨料工具的工序示意图；图(h)在前处理干净的基体上均匀涂覆一层光固化绝缘漆；图(i)曝光使需要遮覆部分固化；图(j)显影去除未固化处，露出基体部分形成需要图案；图(k)复合电沉积形成电镀工具。

图4是基于增厚复合掩模方法制作电镀磨料工具工序示意图；图中1电镀金属；2磨粒；3工具基体；4表层掩模；5中间层掩模；图(l)涂覆中间层或电镀形成中间层；图(m)制备上层掩模；图(n)腐蚀中间层形成加厚复合掩模；图(o)复合电沉积形成电镀工具。

图5是中间层掩模腐蚀比上层掩模略有凹陷，及其形成的梯台状磨料群剖面示意图；图中：1电镀金属；2磨粒；3工具基体；4表层掩模；5中间层掩模。

图6是多层磨料电镀工具修整前后对比示意图；图中：O-工具轮廓圆心；O’-主轴旋转中心；e-偏差总和；虚线圆A-工具原始轮廓；虚线圆B-修整后轮廓。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例，具体实施步骤如下：

步骤1.对于加工对象和加工参数，选定磨料粒度，通过本发明的优化方法确定微磨料群几何形状图案及其面积S_Gi、磨空比η和电镀层数n，并考虑加工轨迹方向，确定微磨料群的排布形式。

步骤2.基体进行除锈除油工艺、磨料前处理工艺后备用；根据优化设计的图案制作照相制版胶片。在基体上经过一般电镀铜工艺生长一层铜，其厚度为磨料粒径的3～5倍；在铜层上均匀涂敷市售电子电路板用感光固化绝缘漆，干燥后进行照相曝光、用3～10％NaOH溶液显影；在100～280g/LCuSO₄溶液中作阳极电解腐蚀，电流密度0.5～1.5A/dm²，直至中间层腐蚀露出基体、相对上层掩模略有凹陷；

步骤3.然后对基体进行电化学除油、电化学腐蚀和复合电沉积工艺。选用瓦特镀液和一般制作电镀工具的电镀参数，如镀液配方：硫酸镍220～280g/L，硫酸钴8～10g/L，硼酸35g/L，氯化镍35～50g/L，十二烷基硫酸钠0.08～0.1g/L；电镀参数：镀液PH值4.5～5.0，镀液温度45～50℃，电流密度0.5～3A/dm²，镀液循环过滤搅拌。空镀10～20min，上砂，振动使磨粒进入掩模孔穴，镀30～50min。卸砂，加厚，若制备单层优化分布电镀工具直接加厚至磨料粒径70％；多层则加厚至第一层磨料埋入60％～80％后进行第二次上砂，再次加厚使第二层磨料埋入60％～80％，反复以上两步工序直到最后一层磨料埋入70％。

步骤4.去除复合掩模、修掉表面镍瘤毛刺，然后进行光亮镀。清洗干净，在烘箱中100℃左右保温4～6小时，除氢。

步骤5.调平衡、装夹、修整，试验工具的加工性能，确认其加工优势后，即可按此组织规模化生产。

Claims (1)

1.一种磨料三维多层可控优化排布电镀工具制作方法，其特征是基于磨空比和磨粒层数的微磨料群优化排布以及增厚复合电镀掩模的制备，方法如下：

A)基于磨空比和磨粒层数的微磨料群优化排布，具有优化设计表面磨料群分布，对于选定粒度的磨料，通过确定微磨料群几何形状图案及其面积SGi、磨空比η和电镀层数n，并考虑加工轨迹方向，就可以确定微磨料群的优化排布；

B)增厚复合电镀掩模的制作，涂覆或电镀垫加中间层，在表层掩模遮覆下腐蚀去除中间层未遮护部分直至露出基体，以双层复合掩模作为电镀掩模；通过改变中间层厚度来调节增厚复合电镀掩模厚度；控制中间层的腐蚀程度，使之比上层掩模略有凹陷，复合电镀形成的磨料群形貌为梯台状。

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