CN105598866B

CN105598866B - 一种电镀超硬材料砂轮的制造方法

Info

Publication number: CN105598866B
Application number: CN201510989262.XA
Authority: CN
Inventors: 闫宁; 王亮亮
Original assignee: Zhengzhou Research Institute for Abrasives and Grinding Co Ltd
Current assignee: Zhengzhou Research Institute for Abrasives and Grinding Co Ltd
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2017-07-21
Anticipated expiration: 2035-12-28
Also published as: CN105598866A

Abstract

一种电镀超硬材料砂轮的制造方法，现行超硬材料电镀砂轮的生产工序中上砂（埋砂）和加厚耗费的时间占据了整个工序时间的70％～80％，缩短埋砂时间和加厚时间是提高电镀砂轮生产效率的关键。现行的上砂、加厚允许的最大电流密度一般不超过1A/dm²、2A/dm²,故两个工序消耗的时间长。本发明涉及的电镀超硬砂轮制造方法采用砂轮转动、磨料振动动态埋砂法、二维转动加厚等技术手段可以有效提高埋砂、加厚的效率，相应的埋砂、加厚时间缩短为现行工艺的一半左右。

Description

一种电镀超硬材料砂轮的制造方法

技术领域

本发明属于砂轮制造领域，具体涉及一种电镀超硬材料砂轮的制造方法。

背景技术

电镀超硬材料砂轮具有一切超硬砂轮共有的使用性能，其共性表现在比普通磨具加工磨削比高，磨削力少，磨削热也小。同时，因其工作层单层磨料的存在形式，与陶瓷结合剂超硬材料砂轮、树脂结合剂超硬材料砂轮相比较切削锋利、磨削效率高、磨削作业中免修整、易于排屑；电镀工艺能够制造形面复杂、异形的砂轮，保形性好、加工精度高。因此，电镀超硬材料砂轮在汽车、LED、玻璃行业得到了广泛的应用，例如汽车发动机曲轴磨削加工、蓝宝石切磨、手机盖板玻璃加工等。电镀超硬材料砂轮的工艺装备，一般只需要直流电源、电镀槽等小型设备，制造工艺简单、成本低。然而，采用现行的装备和工艺制造高精度、长寿命的电镀超硬材料砂轮已经不能满足要求，亟待开发新的装备和工艺。

上砂是电镀砂轮制造流程中的一个重要工序，上砂方法主要有撒砂法、埋砂法、悬浮上砂等。对于电镀直径400mm以上的砂轮，多采用埋砂法。埋砂法是现将超硬磨料围在砂轮的外圆弧表面，进而埋住所要电镀的砂轮型面的一种上砂方法。埋砂过程中存在的浮砂、叠砂现象改变了磨料层的厚度，单层磨料变为多层。浮砂、叠砂致使磨料层表面凸凹不平，外圆、端面尺寸精度无法保持。除此之外，浮砂、叠砂会使砂轮磨料层表面出现高点，若不进行修整将会引起磨削作业中砂轮径向跳动，导致工件表面出现烧伤、震纹等磨削故障。高点修整多是使用金刚石滚轮对砂轮外圆弧进行大面积的修整，不单是高点区域的局部修整。这样的修整方式不仅将砂轮磨料层的高点修去，其他非高点的部分磨粒也会被“削平”，砂轮使用寿命有被降低的风险。现行埋砂法允许的电流密度一般不超过0.8A/dm²，时间长达3h～4h。常规的卸砂方式是使用去离子水或者镀液冲洗磨料层表面，即手持盛满镀液或者去离子水的水瓢缓缓浇向磨料层，以清除未吸附在的镀层的磨料。埋砂电流密度小，砂轮基体表面沉积的镍层不过十几微米，镍层对磨料仅是微弱的吸附，还没有进行包镶。因此，水瓢浇注的强度不宜过高，否则磨料会脱落。常规卸砂不能够彻底清除浮砂，而且对于型面上的叠砂无能为力。因此需要改变现有的卸砂方式，彻底清除磨料层的浮砂、叠砂，真正实现电镀单层磨料，从而避免砂轮镀后修整。

砂轮电镀过程中由于阴极电流密度分布的不均匀，导致镀层分布（镀层厚度）的不均匀。镀层厚度的差异主要发生在加厚阶段，如图1所示，电镀槽1的底部设有若干支撑柱，电镀时，砂轮基体3位于支撑柱上，电镀过程中砂轮基体3处于静止状态，砂轮基体3与电镀槽1中阳极镍板2的距离保持不变，两者所形成的电场是恒定的。恒定的电场使得电力线的分布也是一成不变的，砂轮基体3表面所沉积的镀层分布规律也是一定的。在静止加厚期间砂轮基体3表面附近可以放电的镍离子浓度几乎没有发生变化，离子交换、电沉积的效率呈现下降的趋势。因此需要通过改变电力线的分布、砂轮的运动状态使得镀层厚度趋于一致，同时提高放电镍离子的浓度，从而制得磨料出刃量相同或者相近的砂轮，并缩短加厚时间。

发明内容

本发明的目的是提供一种电镀超硬材料砂轮的制造方法。

基于上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种电镀超硬材料砂轮的制造方法，包括下述步骤：

（1）上砂：采用磨料振动、砂轮基体旋转的方式进行埋砂式上砂，振动频率为30Hz～50Hz，砂轮转速为20r/min～60r/min，上砂电流密度为0.8A/dm²～2.0A/dm²，上砂时间0.5h～1.5h，上砂结束采用常规方式进行卸砂；常规卸砂是将砂轮（直径小于200mm）放入盛有镀液或者去离子水的容器中，人工晃动砂轮，移除型面多余的磨料；对于大直径（直径200mm以上）砂轮，先将砂轮移至内径大于砂轮外径的电镀槽中，用盛有镀液或者去离子水的水瓢浇向砂轮型面，通过液体的流动清除多余的磨料。

（2）初次加厚：将卸砂后的砂轮基体进行电镀加厚，砂轮基体在加厚过程中进行两维转动—绕轴转动和端面翻转，绕轴转动的角速度为0.5r/min～2r/min，端面翻转的角速度为1r/min～3r/min，电流密度1 A/dm²，电镀时间1.5~2h；

（3）高压水卸砂：水压为3.5MPa～22MPa,冲洗时间为50~70s；

（4）第二次加厚：将高压水卸砂后的砂轮基体进行电镀加厚，砂轮基体在加厚过程中进行两维转动——绕轴转动和端面翻转，绕轴转动的角速度为0.5r/min～2r/min，端面翻转的角速度为1r/min～3r/min，电流密度0.5~1A/dm²，根据磨料粒度、电流密度才能确定加厚时间，粒度越粗加厚时间越长；

步骤（2）和步骤（4）的电镀槽中电镀液pH=4.6，电镀液的溶剂为去离子水，且电镀液中各物质的浓度为：硫酸镍270 g/L、氯化镍40g/L、硼酸8g/L、十二烷基硫酸钠0.2g/L、糖精（邻苯甲酰磺酰亚胺）1.5g/L、1,4-丁炔二醇0.2 g/L，电镀温度为40℃。

现行超硬材料电镀砂轮的生产工序中上砂（埋砂）和加厚耗费的时间占据了整个工序时间的70％～80％，缩短埋砂时间和加厚时间是提高电镀砂轮生产效率的关键。现行的上砂、加厚允许的最大电流密度一般不超过1A/dm²、2A/dm²,故两个工序消耗的时间长。本发明涉及的电镀超硬砂轮制造方法采用砂轮转动、磨料振动动态埋砂法、二维转动加厚等技术手段可以有效提高埋砂、加厚的效率，相应的埋砂、加厚时间缩短为现行工艺的一半左右。

传统的卸砂方式不能完全清除浮砂，对于大部分叠砂无能为力。高压水卸砂可以彻底清除残留在磨料层表面的浮砂，对于结合力薄弱的叠砂磨粒，高压水流可以轻易冲洗脱落。因此采用高压水卸砂可以有效避免异形砂轮的镀后修整。

现行电镀超硬材料砂轮采用挂镀电镀方式，即砂轮基体放在圆形或者矩形的PVC槽中，镍板悬挂于镀槽四周；这种方式贯穿于预镀、上砂、加厚三个阶段，期间砂轮基体没有转动，见图1所示。阳极镍板2和砂轮基体3形成的电场环境是恒定不变的，电流密度在砂轮基体3表面的分布也是恒定不变的，电沉积获得的镀层分布也是恒定不变的。本发明所用的电镀方式有别于现行的平板阳极镍板挂镀，阴极砂轮基体位于球形的阳极内，保持砂轮基体的中心与球形阳极球心相重合；球形阳极置于充满镀液的电镀槽中；球形阳极与砂轮基体形成比较均匀的电场，电力线的分布情况较传统方式均匀；砂轮基体置于机械装置上，该机械装置可以实现砂轮端面翻转和轴向转动，实现了电镀液的搅拌，使得镀层表面可沉积的镍离子浓度增加，允许使用的阴极电流密度有所提高；砂轮的转动使得电流密度在其表面的分布状态处于动态变化之中，外圆弧边沿、表面凸起部位与其他部位的电流密度变化状态相同。该电镀工艺所允许的最大阴极电流密度可以达到4.8A/dm²,镍层厚度最大值与最小值的差值可以缩小至10μm以内。

附图说明

图1是现有技术砂轮加厚时电镀槽的结构示意图；

图2是上砂时所用上砂装置的结构示意图；

图3是首次加厚和二次加厚时所用电镀装置的结构示意图；

图4是高压水卸砂所用高压水洗槽的结构示意图。

其中，1.电镀槽； 2.阳极镍板；3.砂轮基体；4.球形阳极；51.第一链轮；52.第二链轮；53.第三链轮；6.机身； 7.链条；8.砂轮轴；91.第一转轴；92.第二转轴；10.进液孔；11.推力球轴承；12.大夹板；13.小夹板；14.第一圆锥齿轮；15.第二圆锥齿轮；16.第一圆柱齿轮；17.第二圆柱齿轮；18.支撑轴；19.穿孔轴；20.轴帽；21.导电碳刷；22电动机；23支架；24.连接轴；30.电动机机架；31砂环套；32.上砂底板；33.万向轮；34.上砂槽；35.插槽；36.振动棒；37.转动轴；38.磨料；40.高压水洗槽；41.手柄，42.轴套；43.轴；44.斜式高压喷头；45.直式高压喷头。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不局限于此。

下述实施例中，上砂所用的上砂装置的结构如图2所示，包括上砂槽34、电动机机架30和位于上砂槽34内且底部设有万向轮33的上砂底板32；其中，上砂槽34位于电动机机架30内，上砂槽34的中心处设有插槽35，电动机机架30的顶部设有电动机22，上砂底板32上设有圆环状的砂环套31，砂环套31内设有若干振动棒36，振动棒36的振动频率及振动的开与关由旋钮开关控制，上砂底板32的中心处垂直设有转动轴37，且上砂底板32可随转动轴37转动，转动轴37的底部插入插槽35内，转动轴37的顶部与电动机22连接。

下述实施例中，首次加厚和二次加厚所用的电镀装置的结构如图3所示，包括电镀槽1、球形阳极4及位于电镀槽1附近的支架23，支架23上设有带齿轮的电动机22；电镀槽1底部的中心处设有推力球轴承11，推力球轴承11内设有支撑轴18，球形阳极4的外球面上设有导电碳刷21，球形阳极4的底部固定在支撑轴18上，球形阳极4的底部设有进液孔10；球形阳极4的顶部设有连接轴24，连接轴24的下端伸入球形阳极4内且下端的端部连接有第一圆锥齿轮14，连接轴24的上端设有第一链轮51，第一链轮51通过链条7和电动机22上的齿轮连接；所述支撑轴18的顶部伸入球形阳极4内并设有机身6，机身6左侧壁的上部沿竖直方向设有上下相互平行的第一转轴91和第二转轴92，第一转轴91和第二转轴92水平设置，第二转轴92的右端水平固定在机身6右侧壁上，第一转轴91、第二转轴92靠近左侧壁的一端分别设有第一圆柱齿轮16、第二圆柱齿轮17，且第一圆柱齿轮16和第二圆柱齿轮17啮合连接，第一转轴91、第二转轴92的右端分别设有第二圆锥齿轮15、第二链轮52，且第二圆锥齿轮15与第一圆锥齿轮14啮合连接，机身6中部的左右侧壁上分别相对设有夹持砂轮的左、右夹具，左、右夹具之间设有穿孔轴，右夹具的右端设有第三链轮53，第三链轮53与第二链轮52通过链条7连接。

进一步地，所述左夹具和右夹具的结构相同，均由砂轮轴8、轴帽20、小夹板13和大夹板12组成，砂轮轴8穿过机身6的侧壁且固定在机身6的侧壁上，砂轮轴8位于机身6内的一端设有轴帽20，轴帽20的另一端依次连接有小夹板13和大夹板12，小夹板13和大夹板12的中心开设有通孔，所述穿孔轴19穿过大夹板12和小夹板13且穿孔轴19的两端分别固定于轴帽20内。

所述球形阳极4由上下两个半球面组成，上半球面固定在连接轴24上，下半球面固定在支撑轴18上，上半球面的外表面上设有导电碳刷21，下半球面的底部设有进液孔10。

实施例1

一种电镀超硬材料砂轮的制造方法，以加工发动机气门用电镀金刚石砂轮为例，电镀面积7.2dm²，磨料粒度80/100，要求镀层埋入率为50%，包括下述步骤：

（1）上砂：在上砂装置中采用磨料振动、砂轮基体旋转的方式进行埋砂式上砂，振动频率为50Hz，砂轮转速为30r/min，上砂电流密度为0.8A/dm²～2.0A/dm²，上砂时间1.5h，上砂结束采用常规方式进行卸砂；

上砂具体如图2所示，将预镀后的砂轮基体3放置于上砂槽34中，砂轮基体3置于上砂底板32上，将砂环套31罩在砂轮基体3的外圆附近，用勺子挖取磨料38填满砂环套31与砂轮基体3之间的空隙，并用勺把捣实磨料38；接着将24个振动棒36沿圆周方向均匀插进磨料38中，开启振动棒36，调节振动频率50Hz，启动电机3，保持上砂底板32的转速为30r/min，单次埋砂时间1.5h即完成上砂。

（2）首次加厚：将卸砂后的砂轮基体在电镀装置中进行电镀加厚，砂轮基体在加厚过程中进行两维转动—绕轴转动和端面翻转，绕轴转动的角速度为0.5r/min～2r/min，端面翻转的角速度为1r/min～3r/min，电流密度1 A/dm²，电镀时间2h；

具体如图3所示，砂轮基体3在入电镀槽1之前完成组装—砂轮基体3放在穿孔轴19上，用大夹板12、小夹板13、轴帽20将其固定，形成一个整体；之后用螺栓和螺帽将前述的整体固定在砂轮轴8上，球形阳极4穿过机身6上下的连接轴24、支撑轴18，并与两个轴实现机械配合；球形阳极4与导电碳刷21相接触，导电碳刷21连接电源的正极；第一链轮51连接外部的伺服电机（即电动机22）为机身6提供动力，使得机身实现转动。使用时，机身6带动第一圆锥齿轮14转动，再将动力传递给第二圆锥齿轮15，进而带动第一圆柱齿轮16、第二圆柱齿轮17转动啮合。第二圆柱齿轮17带动第二转轴92进而带动第二链轮52转动，第二链轮52通过链条7带动第三链轮53转动。第三链轮53带动砂轮轴8转动，最终实现砂轮基体3的转动。电镀槽1中的电镀液通过球形阳极4底部的进液孔10进入球形空间内，实现电镀液的交换。常规卸砂后，将砂轮基体3组装好放入球形阳极4内，使砂轮基体3的中心与球形阳极4的球心重合，电镀时，调节变频器使得第一链轮51、机身6的角速度达到1r/min～3r/min，砂轮基体3的轴向角速度0.5r/min～2r/min。同时将电流调至10A，电流密度1A/cm²，40℃电镀2h后将砂轮取出，电镀槽中电镀液pH=4.6，电镀液的溶剂为去离子水，且电镀液中各物质的浓度为：硫酸镍270 g/L、氯化镍40g/L、硼酸8g/L、十二烷基硫酸钠0.2g/L、糖精（邻苯甲酰磺酰亚胺）1.5g/L、1,4-丁炔二醇0.2 g/L。

（3）高压水卸砂：初次加厚后开始高压冲洗卸砂，水压为11MPa，冲洗时间为60s左右；

具体如图4所示，将砂轮基体3放入一个高压水清洗槽40中，进行二次卸砂，砂轮基体3套在轴43上，然后将外径略小于砂轮孔径的轴套42套在砂轮基体3孔内，以保持砂轮基体3与轴43同心转动，之后盖上槽盖，打开斜式高压喷头44、直式高压喷头45的阀门，调节压力阀门，使得水压达到11MPa，转动手柄41一圈，冲洗时间约60s

（4）二次加厚：高压水卸砂以后迅速将砂轮基体3装配到电镀装置的球形阳极4内，采用和步骤（2）同样的方式进行加厚，电镀2h后将砂轮取出即可。

本发明中，所述的推力球轴承11所用材料为陶瓷或者金属钛或者尼龙材质；所述的圆锥齿轮、圆柱齿轮、链轮、齿轮轴所用材质为耐酸性钢材或尼龙材料或者钛材质；所述链条的材质为尼龙。

所述的球形阳极4先用钛片锻压成型，再进行打磨、抛光，继而加工出两个形状相同的半球球面，两球面接口处用钛环包覆。两个球面的钛环用螺钉连接起来。其中一个球面焊接在机身6底部的支撑轴18上，球面底部开有电镀液进、排的小孔（即进液孔10）。另一个球面是活动的，通过此球面的开、闭实现砂轮的进、出。这种形式的球形阳极在电镀过程中作为假阳极，真阳极是悬挂于电镀槽1壁上的阳极镍板2，真阳极来补充电镀液中镍离子的消耗，球形阳极4与机身6同步转动。

本发明上砂时，振动棒保持振动，上砂底板保持旋转，大大缩短了上砂时间，加厚时，实现砂轮基体3的两维转动——绕轴转动和端面翻转。

Claims

1.一种电镀超硬材料砂轮的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）上砂：采用磨料振动、砂轮基体旋转的方式进行埋砂式上砂，振动频率为30Hz～50Hz，砂轮转速为20r/min～60r/min，上砂电流密度为0.8A/dm²～2.0A/dm²，上砂时间0.5h～1.5h，上砂结束采用常规方式进行卸砂；

（2）初次加厚：将卸砂后的砂轮基体进行电镀加厚，砂轮基体在加厚过程中进行绕轴转动和端面翻转的两维转动，绕轴转动的角速度为0.5r/min～2r/min，端面翻转的角速度为1r/min～3r/min，电流密度1 A/dm²，电镀时间1.5~2h；

（3）高压水卸砂：水压为3.5MPa～22MPa，冲洗时间为50~70s；

（4）第二次加厚：将高压水卸砂后的砂轮基体进行电镀加厚，砂轮基体在加厚过程中进行绕轴转动和端面翻转的两维转动，绕轴转动的角速度为0.5r/min～2r/min，端面翻转的角速度为1r/min～3r/min，电流密度0.5~1A/dm²。

2.根据权利要求1所述的电镀超硬材料砂轮的制造方法，其特征在于，步骤（2）和步骤（4）电镀加厚时电镀液pH=4.6，电镀液的溶剂为去离子水，且电镀液中各物质的浓度为：硫酸镍270 g/L、氯化镍40g/L、硼酸8g/L、十二烷基硫酸钠0.2g/L、糖精1.5g/L、1,4-丁炔二醇0.2 g/L，电镀温度为40℃。