CN104385160B - 一种有序结构电镀砂轮的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有序结构电镀砂轮的制造方法。本发明采用脉冲激光束在金属材质的砂轮基体外圆周的工作面上加工出螺距为数百微米、槽口尺寸为数十微米的微细螺旋凹槽，采用环氧树脂将凹槽填充，使得在砂轮基体外圆周工作面上金属材质和环氧树脂呈螺旋规律间隔排布。然后采用电镀的方法对砂轮基体外圆周工作面电镀上磨粒，由于凹槽内填充有不导电的环氧树脂，所以在该区域无法电镀上磨粒，通过以上步骤可以得到磨粒层与环氧树脂呈螺旋规律有序排布的电镀砂轮。本发明制备的有序结构电镀砂轮有利于解决磨削加工时砂轮容易堵塞、磨削液难以进入磨削区的难题，可以防止工件烧伤，提高磨削质量。

Description

一种有序结构电镀砂轮的制造方法

技术领域

本发明涉及一种砂轮的制造方法，尤其是一种有序结构电镀砂轮的制造方法。

背景技术

磨削加工技术是现代机械制造业中实现精密加工、超精密加工最有效、应用最广泛的工艺技术之一。但是磨削过程产生的热量多，这些热量在工件表层聚集形成局部高温容易导致工件出现热损伤。传统砂轮磨粒出刃度低、砂轮容屑空间小，砂轮容易堵塞，加剧了磨削热量的产生和聚集，同时砂轮与工件紧密接触，导致磨削液难以有效进入接触区，使得磨削区冷却效果不佳。

为了改善砂轮的排屑和冷却效果，公开号为CN102172898A的专利“用于强化对流换热的组合砂轮装置”在砂轮外圆周表面设计通孔或槽，公开号为CN203636653U的专利“陶瓷开槽砂轮”沿砂轮的径向方向设有均匀分布、形状和大小一致的开口槽。虽然开槽有利于磨削液进入磨削区，但是这些开槽砂轮大多是采用机械式挤压而成，且槽口尺寸通常达到毫米级，这使得开槽砂轮与工件的局部接触状态跟传统砂轮相比区别不大，改善磨削质量的效果有限。而且传统开槽砂轮与工件接触面积会出现明显的周期性波动，磨削过程中可能会出现较大的振动和加工表面质量下降等问题。

公开号为CN101073882A的专利“一种磨料三维多层可控优化排布电镀工具制作方法”，提出了优化排布磨粒群来增大砂轮容屑空间的方法。磨粒群优化排布可以增加砂轮的容屑空间，有利于磨削液的注入，降低磨削温度。但是目前学者所提出的磨粒优化排布砂轮主要是针对大颗粒磨料，其制造方法容易造成砂轮磨粒的分布密度下降，致使工件表面粗糙度增大等问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种有序结构电镀砂轮的制作方法。通过该方法可以制备出外圆周工作面上具有螺距仅为数百微米、槽口尺寸为数十微米的微细凹槽的有序结构电镀砂轮，所制备出的有序结构电镀砂轮既有利于磨削液有效注入磨削区，提高砂轮的容屑、排屑能力，改善磨削区的冷却效果，又因凹槽尺寸细微可以大大减轻磨削过程中出现的周期性振动，同时能够很好地实现小颗粒磨粒或微粉的有序化排布，确保砂轮磨粒的分布密度。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：采用机械加工方法制造出砂轮基体。采用激光束在砂轮基体的外圆周工作面上加工出螺距仅为数百微米、槽口尺寸为数十微米的微细螺旋凹槽，即激光束垂直于砂轮基体外圆周工作面，通过控制激光头与砂轮基体外圆周工作面的相对运动轨迹加工出螺旋状的微细凹槽。完成螺旋凹槽加工后，采用环氧树脂将凹槽填充，待环氧树脂固化后对砂轮基体外圆周工作面进行打磨，将粘附在外圆周工作面上的环氧树脂清除干净，而在螺旋凹槽中则仍然保留有填满的环氧树脂。然后对砂轮基体的外圆周工作面进行超声波除油清洗，对磨粒进行前处理，对砂轮基体的非工作面涂覆绝缘漆。最后将砂轮基体置入电镀槽中，在设定的电镀工艺条件下电镀上磨粒，由于螺旋凹槽内填充有不导电的环氧树脂，而砂轮基体的非工作面上涂覆有绝缘漆，所以在这些区域不会电镀上磨粒，从而所制作的电镀砂轮的磨粒层能够在砂轮基体的外圆工作面上与环氧树脂呈螺旋状有序排布。

所述砂轮基体材质为高强度铝合金，盘状的砂轮基体直径为100~200mm，厚度为12~20mm。

所述的激光束为纳秒脉冲激光，激光波长为532~1064nm，脉宽为50~150ns，焦斑直径为30~50μm，脉冲重复频率为50~100kHz，单脉冲能量为1~2mJ。

所述激光加工的螺旋凹槽深度为60~100μm，凹槽宽度为50~80μm，螺距为200~300μm。

在加工螺旋凹槽时，激光束垂直于砂轮基体的工作面，沿着砂轮基体轴向扫描，轴向运动速度为0.5~1mm/s，同时砂轮基体绕其轴线做顺时针转动，转速为2~4rad/s，整个过程重复5~7次。

所述的有序结构电镀砂轮的制造方法，所获得的有序结构电镀砂轮的凹槽形状不局限于螺旋状，通过调整激光头和砂轮基体的运动参数可以获得其它形状的凹槽，如网状、倾斜状、连续V形状等。

所述的磨粒材料为立方氮化硼或金刚石。

本发明制作的有序结构电镀砂轮与现有技术相比，具有以下有益效果。

①砂轮外圆周工作面上形成了间距及槽口尺寸很小的螺旋状细微凹槽，有利于增大砂轮的容屑空间，提高了砂轮的排屑能力，并使磨削液有效地注入磨削区域，降低磨削温度，防止工件发生磨削烧伤。

②采用纳秒激光束所加工出的螺旋凹槽，螺距仅为数百微米，槽口尺寸为数十微米，可以减轻磨削过程中凹槽引起的周期性振动，同时可以保证砂轮磨粒的分布密度，从而确保工件表面磨削质量。

③采用预先在砂轮基体上加工出有序的凹槽然后再电镀上磨粒的制作工艺，该制作方法也同样适用于小粒径磨粒有序结构电镀砂轮的制作。

附图说明

图1是脉冲激光束在砂轮基体外圆周工作面上加工凹槽的示意图的主视图。

图2是脉冲激光束在砂轮基体外圆周工作面上加工凹槽的示意图的俯视图。

图3是电镀上磨粒后的砂轮示意图。

图4是电镀砂轮外圆周工作面的局部放大图。

图5是砂轮磨削工件时的示意图。

图6是砂轮与工件接触区域的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步说明。

参见图1、图2和图3，有序结构电镀砂轮包括：砂轮基体3和磨粒有序排布的磨粒层8。砂轮基体3的材料是高强度铝合金，直径为100~200mm，厚度为12~20mm。砂轮基体外圆周工作面4上开设有微细结构的螺旋凹槽5，螺旋凹槽5宽度为50~80μm，深度为60~100μm，螺距为200~300μm，螺旋凹槽内填充环氧树脂6。磨粒7的材料为立方氮化硼或金刚石，通过镍钴合金镀层固定在砂轮基体3上。

在加工砂轮基体时先精磨砂轮基体3的两个端面，然后以其中一个端面作为精基准面精镗内孔，最后以内孔和一个端面做定位基准精磨砂轮基体工作面4。采用纳秒脉冲激光束2在砂轮基体的外圆周工作面4上加工出螺距仅为数百微米、槽口尺寸为数十微米的微细螺旋凹槽5，在加工螺旋凹槽5时，激光头1发出的脉冲激光束2垂直于砂轮基体的工作面，并沿着砂轮基体轴向运动，运动速度为0.5~1mm/s，同时砂轮基体绕其轴线做顺时针转动，转速为2~4rad/s。为了减轻纳秒激光束对砂轮基体的热效应，应提高脉冲激光的重复频率、降低单个脉冲能量，所采用的纳秒脉冲激光波长为532~1064nm，脉宽为50~150ns，焦斑直径为30~50μm，重复频率控制在50~100kHz，单脉冲能量为1~2mJ。为了保证所加工出的螺旋凹槽5的深度和宽度以及槽口的平整度，脉冲激光束2重复5~7次扫描加工，每做完一次扫描激光头1回到初始位置重新开始下一次扫描加工。加工完螺旋凹槽5后，采用环氧树脂对螺旋凹槽5进行填充，所用的环氧树脂在填充前用活性稀释剂丁基缩水甘油醚进行稀释，以利于浸入微细的凹槽中。待环氧树脂固化后对基体外圆周工作面4进行打磨，将粘附在砂轮基体外圆周工作面4上的环氧树脂去除，而在砂轮基体螺旋凹槽中仍然保持填满环氧树脂6。电镀上砂前，对砂轮基体进行超声波振动清洗除油，超声清洗时间为3~5min，然后对磨粒进行酸洗和碱洗，再对砂轮基体的非工作面覆涂绝缘漆。采用现行成熟的工艺配置电镀液，电镀液成分如下：硫酸镍（NiSO₄·6H₂O）190~210g/L，硫酸钴（CoSO₄·7H₂O）20~30g/L，硼酸（H₃BO₃）35g/L，氯化钠（NaCl）20g/L，十二烷基硫酸钠（C₁₂H₂₅SO₄Na）0.1g/L，pH4~5，温度50~60℃。阴极电流密度1~3A/dm²，阳极采用镍板，渡液中钴离子经检测后补加。采用脉冲电镀电源，脉冲电流频率为800Hz，占空比为0.4。

在电镀上砂前，首先在砂轮基体上预镀镍钴层，厚度在5μm左右，将准备好的磨粒采用落砂法与预镀的镍钴层贴合，通过短时间的电镀将贴近底层的磨料7初步固定到砂轮基体表面的镀层中，用蒸馏水缓慢冲洗去砂轮表面附着的磨粒。完成清砂处理后进行电镀加厚，使得磨粒突出电镀结合剂层的高度为整颗磨粒尺寸的30%~50%，形成磨粒层8，最终制备出磨粒层8与环氧树脂6呈螺旋分布的有序结构电镀砂轮。磨削加工时，由于环氧树脂6的高度低于磨粒层8的高度，则磨粒层8与工件9的接触区会存在等间距的间隙10，磨削液通过间隙10能够有效进入磨削区起润滑冷却作用，从而降低磨削温度，改善磨削质量。

上述有序结构电镀砂轮的凹槽形状不局限于螺旋状，通过调整激光头和砂轮基体的运动参数可以获得其它形状的凹槽，如网状、倾斜状、连续V形状等。

Claims (7)

1.一种有序结构电镀砂轮的制造方法，其特征在于：所述有序结构电镀砂轮制造方法的具体步骤如下：

步骤一、采用纳秒脉冲激光束（2）在金属材质的砂轮基体（3）的外圆周工作面（4）上加工出螺距为数百微米、槽口尺寸为数十微米的微细螺旋凹槽（5）；

步骤二、采用环氧树脂将螺旋凹槽（5）填充，待环氧树脂固化后对外圆周工作面（4）进行打磨，将粘附在外圆周工作面（4）上的环氧树脂清除干净，而螺旋凹槽中仍然保留有填满的环氧树脂（6）；

步骤三、将砂轮基体（3）置入除油剂中进行超声波清洗除油，对磨粒进行酸洗和碱洗，对砂轮基体（3）非工作面涂覆绝缘漆；

步骤四、将经过前处理的砂轮基体置入电槽内，在设定的电镀工艺条件下电镀上磨粒（7），形成与环氧树脂（6）呈螺旋规律间隔排布的磨粒层（8）。

2.根据权利要求1所述的有序结构电镀砂轮的制造方法，步骤一中所述的砂轮基体（3）材质为高强度铝合金，盘状的砂轮基体直径为100~200mm，厚度为12~20mm。

3.根据权利要求1所述的有序结构电镀砂轮的制造方法，步骤一中所述的激光束（2）为纳秒脉冲激光，激光波长为532~1064nm，脉宽为50~150ns，焦斑直径为30~50μm，脉冲重复频率为50~100kHz，单脉冲能量为1~2mJ。

4.根据权利要求1所述的有序结构电镀砂轮的制造方法，步骤一中所述的激光束（2）在加工螺旋凹槽（5）时，激光束（2）垂直于砂轮基体（3）的外圆周工作面（4），并沿着砂轮基体（3）轴向运动，轴向运动速度为0.5~1mm/s，同时砂轮基体绕其轴线做顺时针转动，转速为2~4rad/s，整个过程重复5~7次。

5.根据权利要求1所述的有序结构电镀砂轮的制造方法，步骤一中所述的螺旋凹槽（5）深度为60~100μm，宽度为50~80μm，螺距为200~300μm。

6.根据权利要求1所述的有序结构电镀砂轮的制造方法，所获得的有序结构电镀砂轮的凹槽形状不局限于螺旋状，通过调整激光头（1）和砂轮基体（3）的运动参数获得网状或倾斜状或连续V形状的凹槽。

7.根据权利要求1所述的有序结构电镀砂轮的制造方法，所述的磨粒材料为立方氮化硼或金刚石。