CN103789815B - 一种金属离子穿越沉积和双向约束成形的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种金属离子穿越沉积和双向约束成形装置,它由外模具、磨料颗粒、砂轮基体或内模具、电镀槽、电镀液、电源及其控制系统和电镀金属材料组成，将砂轮基体或内模具置于外模具的内部，由外模具的内表面和砂轮基体或内模具的外表面构成一个内部空间,而电镀金属材料置于外模具外部并与电源正极连接,砂轮基体或内模具与电源负极连接,砂轮基体或内模具与外模具通过夹具连接成整体；通电后，电镀金属材料上的金属阳离子将在电场作用下游过电镀液、穿过外模具上的微孔抵达砂轮基体或内模具外表面上，从而在砂轮基体或内模具上附着一层金属的电镀层；一种金属离子穿越沉积和双向约束成形方法，它有八大步骤；本发明在电镀及磨削加工领域里有实用价值。

Description

一种金属离子穿越沉积和双向约束成形的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于制作电镀砂轮和精密复杂微型零件的金属离子穿越沉积和双向约束成形的方法和装置，属于电镀及磨削加工技术领域。

背景技术

电镀砂轮是一种广泛应用的砂轮，目前主要采用外镀法和内镀法两种制造工艺。所谓的外镀法是指将超硬的金刚石磨料或CBN磨料通过电镀方式直接包附在砂轮基体上的一种电镀方法。内镀法是指先将磨料采用与外镀法相同的工艺将磨料粘附在一个与要求制造的砂轮外形状相同但凹凸性相反的模具内腔中，然后采用低熔点合金在砂轮基体和电镀好磨料的模具内腔之间的缝隙中进行填充，使模具和砂轮基体连接成一体，连接起来最后将模具采用切削方法予以切除，这样磨料通过电镀层和低熔点金属粘附在砂轮基体上。外镀法工艺简单，成本极低，但是因为磨料的高度不一致，砂轮表面磨料的最接近设计廓形的点到理论砂轮外型的距离不一致，这样就导致部分磨料一直不会发挥作用，只有极少数的较高的磨料能在磨削过程发挥作用，这样导致砂轮寿命短、磨削表面粗糙度大、磨削效率低等严重不足。内镀法电镀工艺先需要将磨料电镀在模具上，然后需要将模具全部加工去除，且需要采用低熔点合金将电镀磨料与砂轮基体连接起来，其优点是精度很高，但是制造成本也很高，且在磨削力和磨削温度作用下容易变形，因此难以在工程中推广应用。

发明内容

本发明提供一种金属离子穿越沉积和双向约束实现复杂结构零件和砂轮沉积成形方法和装置，它是一种不同于传统内镀法和外镀法的电镀砂轮制造工艺和装置，用于制造回转型的具有复杂母线的周磨用砂轮、端磨用砂轮、砂轮修整器、具有复杂结构的蜗杆砂轮、齿轮形砂轮以及用于组合成不同结构复杂砂轮的电镀砂轮块和复杂微小精密零件。

（1）本发明一种金属离子穿越沉积和双向约束成形装置,该装置由外模具、磨料颗粒、砂轮基体或内模具、电镀槽、电镀液、电源及其控制系统和电镀金属材料组成，它们之间的位置连接关系是：将砂轮基体或内模具置于外模具的内部，由外模具的内表面和砂轮基体或内模具的外表面构成一个内部空间,而电镀金属材料置于外模具的外部,电镀金属材料如镍板与电镀电源的正极连接,砂轮基体或内模具与电源负极连接,且砂轮基体或内模具与外模具之间通过夹具(未画)连接成整体,二者之间不能有相对移动。使用时，将上述装置置于盛有电镀液的电镀槽中,通电后，电镀金属材料上的金属阳离子将在电场作用下游过电镀液、穿过外模具上的隧道状微小孔抵达连接有电源负极的砂轮基体或内模具外表面上，随着时间的延长多层离子将逐渐自内向外填充上述的内、外模具之间的空间，从而在砂轮基体或内模具上附着一层金属的电镀层。当金属电镀层与外模具内表面接触后沉积过程基本结束。利用该方法可以获得其内外形状分别与外模具内表面和内模具外表面一致的复杂结构，采用合适的脱模方法可以将该电镀层取下来，可以成为单独的零件。如果在内外模具的间隙中事先放入磨料颗粒，则可将磨料颗粒用沉积金属将其粘结在砂轮基体或内模具上从而形成电镀砂轮，此时电镀层的厚度只能达到上述内外模具间隙的一部分，不能将间隙全部填充。为了保证磨料颗粒的等高性，可以利用离心力、重力、浮力等方法使磨料紧贴于外模具的内表面上，利用这种方法可以制造高精度的电镀砂轮。

其中，该外模具具有微小通孔(10微米左右或以下),可容许金属离子从其中穿过，其基本形状为中空的可包容砂轮基体或内模具且与其外表面形成微小缝隙的回转体，该回转体应能够通过分解成2-4瓣的方式包覆砂轮基体或内模具，并在包覆后可采用夹具连接成为一个整体，且在电镀完成后可以从砂轮基体或内模具上拆卸下来，其内部型腔与砂轮基体或内模具的外形构成等距面，两面之间的距离为缝隙的厚度，该外模具也可以为长方体结构，其与砂轮基体或内模具的相对表面互为等距面，其可以用于制造砂轮块或其它非回转零件，当用于制作零件时其模具表面的形状与零件的外形相同。该外模具的材质为陶瓷过滤材料、微小缝隙叠层陶瓷或树脂等绝缘材料以及其它多孔的绝缘材料。

其中，该砂轮基体或内模具是用于将金刚石磨料颗粒连接于其上以形成回转型模具或块状模具的零件，也可以是在电铸加工微小零件时用于约束零件内形的回转型内模具或长方体型模具，其与磨料电镀连接的表面与电镀砂轮或砂轮块的理论外形表面构成等距面，等距面之间的距离大于磨料颗粒直径。在加工砂轮时其形状为回转体，在加工砂轮块时其外部形状为长方体，其与磨料结合部位为被设计砂轮块的理论外形的一个等距面；在用于制作砂轮或砂轮块时其材质为表面镀有金属层的非金属材料或整体为金属材料，其表面必须为导体；当用于电铸加工微小零件时其材料因该为可以溶解的铝或易于从电铸零件上通过机械加工等方法分离的其它材料。

图1a为金属离子穿越沉积和双向约束成形装置的结构示意图，图1b为金属离子穿越沉积和双向约束成形装置用于制作电镀砂轮块的示意图；图1c为金属离子穿越沉积和双向约束成形装置用于制作区域选择电镀砂轮块的示意图。图中，1为电源及其控制系统；2为电镀金属材料；3为外模具；4为砂轮基体或内模具；5为金属离子；6为电镀层；7为微孔；8为电镀液电镀槽；9为磨料颗粒；10为绝缘层。图1a中，外模具3是采用具有微小通孔(10微米左右或以下)或缝隙的多孔绝缘材料制造而成的重要零件，例如采用陶瓷滤芯材料或极薄陶瓷或其它有机绝缘材料层叠而成的结构,如采用层叠结构时需要在两层之间均匀铺放一层直径很小的绝缘丝线，通过加热或夹具固定等方法确保其具有良好的结构稳定性。其重要作用在于，这种材料容许金属离子从其中穿过，但是孔径或缝隙不能太大，以免影响外表面质量或使磨料颗粒部分进入孔中而无法保证磨料的等高性。它们之间的连接关系是：将砂轮基体或内模具4置于外模具3的内部，由外模具3的内表面和砂轮基体或内模具4的外表面构成一个内部空间,而电镀金属材料2置于外模具3的外部,电镀金属材料2（如镍板）与电源及其控制系统1的正极连接,砂轮基体或内模具4与电源及其控制系统1负极连接,且内\外模具之间通过夹具(未画)连接成整体,二者之间不能有相对移动。使用时，将上述装置置于盛有电镀液的电镀槽8中,通电后，电镀金属材料2上的金属离子5将在电场作用下游过电镀液、穿过外模具上的隧道状微孔7抵达连接有电源负极的砂轮基体或内模具4外表面上，随着时间的延长多层离子将逐渐自内向外填充上述的内外模具之间的空间，从而在砂轮基体或内模具上附着一层电镀层6。当电镀层与外模具内表面接触后沉积过程基本结束。利用该方法可以获得其内外形状分别与外模具内表面和内模具外表面一致的复杂结构，采用合适的脱模方法可以将该电镀层取下来，可以成为单独的零件。

图1b与图1a的结构基本相同，所不同的是在内外模具的间隙中事先放入磨料颗粒9。磨料颗粒在尺寸不同时具有不同的性质，较大的磨料颗粒的重力大于电镀液的浮力，较小的磨料颗粒的重力小于电镀液提供的浮力，因此可以利用这些规律调整上述电镀装置在电镀槽中的状态，确保被电镀部分的磨料颗粒可以紧贴在外模具的内表面上。上述方法可以用来制造砂轮块，这些砂轮块可以用于组合出各种砂轮形状。对于整体回转砂轮，利用选择性电镀方法和将非电镀部分放在电镀液上方可以利用上述方法电镀出完成的精密砂轮但是效率较低。提高效率的方法是利用离心力使所有磨料颗粒紧贴于外模具的内表面上，从而可解决磨料等高性问题。电镀时，金属离子被部分磨粒遮挡，其路径可能或发生改变。

图1c与图1b的结构基本相同，所不同的是在砂轮基体的不需要电镀的部分涂上绝缘层10，这样可以制作出各种开槽砂轮。

（2）本发明一种金属离子穿越沉积和双向约束成形方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：按照被加工零件要求或砂轮结构要求制作内外模具和环状电镀金属材料，其中外模具为具有微小孔或缝隙的绝缘材料加工而成，容许离子从其孔中穿越，该模具可从圆周方向分解成3-4片弧形片，以便在电镀完成后拆卸和将具有复杂母线的砂轮基体或内模具放置于其中；

步骤二：将砂轮基体或内模具、外模具利用合适的夹具连接起来成为一个整体，保证内外模具之间具有正确的相对位置；

步骤三：向砂轮基体或内模具、外模具之间的缝隙注入磨料颗粒，注入完成后堵上注磨料孔防止磨料在电镀过程中外泄；

步骤四：利用旋转内外模具的方法为磨料颗粒提供离心力，确保所有或大部分磨料颗粒紧贴于外模具的内表面上，也可以在电镀过程中通过只将电镀部分置于电镀液中和利用重力实现分区电镀和控制磨料颗粒紧贴于外模具上；

步骤五：将上述装置置于电镀槽中的电镀金属材料内部，并与电镀的电源及其控制系统连接；

步骤六：在电镀到将所有磨料颗粒可靠地粘结于砂轮基体或内模具上后将外模具拆卸；

步骤七：利用外镀法完成磨料颗粒的加固，直至达到合理的电镀厚度。

步骤八：当内、外模具之中的缝隙不放置磨料颗粒而用于制造零件时，可以先用外镀法将电镀层沉积到略小于内、外模具之间的缝隙时再按照步骤1、2、5、6完成后续电镀沉积，直到将缝隙填充完成，此时可在内、外模具上事先涂覆脱模剂以便将零件与模具分离。

（3）优点及功效：本发明一种金属离子穿越沉积和双向约束成形方法和装置，其优点是利用外模具材料上的微小孔、缝使金属离子从这些隧道中穿越而达到砂轮基体或内模具上，因为金属离子只有纳米以下尺度，而磨料颗粒通常有100-200微米尺度，如果在模具上保留10微米以下的小孔不会影响磨料颗粒的等高性，这样即保留了外镀法的低成本特性、又获得了内镀法的高精度特征，因此所提出的方法可以利用极低成本制造高精度电镀砂轮。该方法可以应用于电铸，通过内外模具的同时约束作用可解决高精度零件的直接电铸加工，不用考虑电场的不均匀难题。

附图说明

图1a为金属离子穿越沉积和双向约束成形装置的结构示意图；

图1b为金属离子穿越沉积和双向约束成形装置用于制作电镀砂轮块的示意图；

图1c为金属离子穿越沉积和双向约束成形装置用于制作区域选择电镀砂轮块的示意图

图2a为利用自然堆积和离子穿越沉积制作复杂精密电镀砂轮实施例图；

图2b为利用离心堆积和离子穿越沉积制作复杂精密电镀砂轮实施例图；

图中符号说明如下:

1:电源及其控制系统；2和2r:电镀金属材料；3和3r:外模具；4和4r:砂轮基体

或内模具；5:金属离子；6:电镀层；7:微孔；8:电镀液电镀槽；9:磨料颗粒；10:

绝缘层。

具体实施方式

图1a为金属离子穿越沉积和双向约束成形装置的结构示意图；

图1b为金属离子穿越沉积和双向约束成形装置用于制作电镀砂轮块的示意图；

图1c为金属离子穿越沉积和双向约束成形装置用于制作区域选择电镀砂轮块的示意图；

图2a为利用自然堆积和离子穿越沉积制作复杂精密电镀砂轮实施例图，图2b为利用离心堆积和离子穿越沉积制作复杂精密电镀砂轮实施例图；图2a中，1为电源及其控制系统；2r为电镀金属材料；3r为外模具；4r为砂轮基体；5为金属离子；6为电镀层；7为微孔；8为电镀液电镀槽；9为磨料颗粒。图2a中，外模具3是采用具有微小通孔(10微米左右或以下)或缝隙的多孔绝缘材料制造而成的重要零件，例如采用陶瓷滤芯材料或极薄陶瓷或其它有机绝缘材料层叠而成的结构,如采用层叠结构时需要在两层之间均匀铺放一层直径很小的绝缘丝线，通过加热或夹具固定等方法确保其具有良好的结构稳定性。其重要作用在于，这种材料容许金属离子从其中穿过，但是孔径或缝隙不能太大，以免影响外表面质量或使磨料颗粒部分进入孔中而无法保证磨料的等高性。它们之间的连接关系是：将砂轮基体或内模具4r置于外模具3r的内部，由外模具3r的内表面和砂轮基体或内模具4r的外表面构成一个内部空间,其缝隙略大雨磨料的直径，在该缝隙中填充磨料颗粒，这些颗粒在自然填充状态下部分与外模具的内表面接触，部分与砂轮基体或内模具4r的外表面接触。而电镀金属材料2r置于外模具3r的外部,电镀金属材料2r（如镍板）与电源及其控制系统1的正极连接,砂轮基体或内模具4r与电源及其控制系统1负极连接,且内\外模具之间通过夹具(未画)连接成整体,二者之间不能有相对移动。使用时，将上述装置置于盛有电镀液电镀槽8中,通电后，电镀金属材料2上的金属离子5将在电场作用下游过电镀液、穿过外模具3上的隧道状微孔7抵达连接有电源负极的砂轮基体或内模具4r外表面上，随着时间的延长多层离子将逐渐自内向外填充上述的内外模具之间的空间，从而在砂轮基体或内模具4r上附着一层电镀层6，将磨料颗粒包裹起来并粘结在砂轮基体或内模具4r上。图2b与图2a不同之处在于，在填充磨料颗粒时可以采用离心方法旋转整个装置，使磨料紧贴于外模具的内表面上，提高用于磨削的磨料颗粒的有效比例。

上述金属离子穿越沉积和双向约束成形方法的具体步骤如下：

步骤一：按照被加工零件要求或砂轮结构要求制作内外模具和环状电镀金属材料2，其中外模具3为具有微小孔或缝隙的绝缘材料加工而成，容许离子从其孔中穿越，该模具可从圆周方向分解成3-4片弧形片，以便在电镀完成后拆卸和将具有复杂母线的砂轮基体或内模具放置于其中；

步骤二：将内外模具利用合适的夹具连接起来成为一个整体，保证内外模具之间具有正确的相对位置；

步骤三：向内外模具之间的缝隙注入磨料颗粒，注入完成后堵上注磨料孔防止磨料在电镀

过程中外泄；

步骤四：利用旋转内外模具的方法为磨料颗粒提供离心力，确保所有或大部分磨料颗粒紧

贴于外模具的内表面上，也可以在电镀过程中通过只将电镀部分置于电镀液中和利用重力

实现分区电镀和控制磨料颗粒紧贴于外模具上；

步骤五：将上述装置置于电镀槽中的电镀金属材料2内部，并与电源及其控制系统1连接；

步骤六：在电镀到将所有磨料颗粒可靠地粘结于砂轮基体或内模具4上后将外模具3拆卸；

步骤七：利用外镀法完成磨料颗粒的加固，直至达到合理的电镀厚度。

步骤八：当内外模具之中的缝隙不放置磨料颗粒而用于制造零件时，可以先用外镀法将电镀层沉积到略小于内外模具之间的缝隙时再按照步骤1、2、5、6完成后续电镀沉积，直到将缝隙填充完成，此时可在内外模具上事先涂覆脱模剂以便将零件与模具分离。

Claims (3)

1.一种金属离子穿越沉积和双向约束成形装置,其特征在于：该装置由外模具、磨料颗粒、砂轮基体或内模具、电镀槽、电镀液、电源及其控制系统和电镀金属材料组成，将砂轮基体或内模具置于外模具的内部，由外模具的内表面和砂轮基体或内模具的外表面构成一个内部空间,而电镀金属材料置于外模具的外部,电镀金属材料与电镀电源的正极连接,砂轮基体或内模具与电源负极连接,且砂轮基体或内模具与外模具之间通过夹具连接成整体,二者之间不能有相对移动；通电后，电镀金属材料上的金属阳离子将在电场作用下游过电镀液、穿过外模具上的微孔抵达砂轮基体或内模具外表面上，随着时间的延长多层离子将逐渐自内向外填充上述的内外模具之间的空间，从而在砂轮基体或内模具上附着一层金属的电镀层；当金属电镀层与外模具内表面接触后沉积过程基本结束；若在内外模具的间隙中事先放入磨料颗粒，则将磨料颗粒用沉积金属将其粘结在砂轮基体或内模具上从而形成电镀砂轮；

其中，该外模具具有10微米以下的微小通孔,容许金属离子从其中穿过，其形状为中空的包容砂轮基体或内模具且与其外表面形成微小缝隙的回转体，该回转体通过分解成2-4瓣的方式包覆砂轮基体或内模具，并在包覆后能采用夹具连接成为一个整体，且在电镀完成后能从砂轮基体或内模具上拆卸下来；其内部型腔与砂轮基体或内模具的外形构成等距面，两面之间的距离为缝隙的厚度；该外模具或者为长方体结构，其与砂轮基体或内模具的相对表面互为等距面，用于制造砂轮块或其它非回转零件，当用于制作零件时其模具表面的形状与零件的外形相同；该外模具的材质为陶瓷过滤材料、微小缝隙叠层陶瓷或多孔的树脂绝缘材料。

2.根据权利要求1所述的一种金属离子穿越沉积和双向约束成形装置,其特征在于：该砂轮基体或内模具是用于将金刚石磨料颗粒连接于其上以形成回转型模具或块状模具的零件，该零件是在电铸加工微小零件时用于约束微小零件形成的回转型内模具或块状模具，该零件与磨料电镀连接的表面与电镀砂轮或砂轮块的外形表面构成等距面，等距面之间的距离大于磨料颗粒直径；在加工砂轮时该零件形状为回转体，在加工砂轮块时该零件外部形状为块状，其与磨料结合部位为被设计砂轮块的外形的一个等距面；在用于制作砂轮或砂轮块时其材质为表面镀有金属层的非金属材料或整体为金属材料，其表面必须为导体；当用于电铸加工微小零件时，其材料为铝或易于从电铸零件上通过机械加工方法分离的金属。

3.一种金属离子穿越沉积和双向约束成形方法，该方法是基于权利要求1中一种金属离子穿越沉积和双向约束成形装置来实现的；外模具的内表面和砂轮基体或内模具的外表面构成一个内部空间,电镀金属材料置于外模具的外部,电镀金属材料上的金属阳离子将在电场作用下游过电镀液穿过外模具上的微孔抵达砂轮基体并沉积；其特征在于：该方法具体步骤如下：

步骤一：按照被加工零件要求或砂轮结构要求制作内外模具和环状电镀金属材料，其中外模具为具有微小孔或缝隙的绝缘材料加工而成，容许离子从其孔中穿越，该外模具从圆周方向分解成3-4片弧形片，以便在电镀完成后拆卸和将具有复杂母线的砂轮基体或内模具放置于其中；

步骤二：将砂轮基体或内模具、外模具利用合适的夹具连接起来成为一个整体，保证内外模具之间具有正确的相对位置；

步骤三：向砂轮基体或内模具、外模具之间的缝隙注入磨料颗粒，注入完成后堵上注磨料孔防止磨料在电镀过程中外泄；

步骤四：利用旋转内外模具的方法为磨料颗粒提供离心力，确保所有或大部分磨料颗粒紧贴于外模具的内表面上，也能在电镀过程中通过只将电镀部分置于电镀液中和利用重力实现分区电镀和控制磨料颗粒紧贴于外模具上；

步骤五：将金属离子穿越沉积和双向约束成形装置置于电镀槽中的电镀金属材料内部，并与电镀的电源及其控制系统连接；

步骤六：在电镀到将所有磨料颗粒可靠地粘结于砂轮基体或内模具上后将外模具拆卸；

步骤七：利用外镀法完成磨料颗粒的加固，直至达到合理的电镀厚度；

步骤八：当内、外模具之中的缝隙不放置磨料颗粒而用于制造零件时，先用外镀法将电镀层沉积到略小于内、外模具之间的缝隙时再按照步骤一、步骤二、步骤五及步骤六完成后续电镀沉积，直到将缝隙填充完成，此时在内、外模具上事先涂覆脱模剂以便将零件与模具分离。