CN112677045A - 金刚石滚轮、制备装置和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金刚石滚轮、制备装置和制备方法，所述滚轮的齿形角β≤35°，关键齿形啮合节线与滚轮轴线之间的角度α=3°~15°，齿形线与滚轮轴线或其平行线之间的夹角θ≥72.5°。本发明采用微进给补偿成型放电技术实现了，阴模型面的高精度、批量化加工，电极转速为0.02r/h‑0.5r/h。采用动态埋砂上砂技术，利用磨料自身重力回落实现了磨粒与阴模型面的精密贴合，实现了复杂型面的金刚石滚轮表面金刚石颗粒均布，阴模转速为0r/min‑10r/min。采用等势电沉积技术，保证了阴模复杂型面各位置，镍及其合金均匀电沉积，可采用1A‑5A大电流电镀加厚。

Description

金刚石滚轮、制备装置和制备方法

技术领域

本发明涉及金刚石滚轮制造领域，具体涉及一种金刚石滚轮、制备装置和制备方法。

背景技术

随着零件复杂程度的不断提高，缓进给强力磨削技术得到快速发展,高精度成型磨削遍及各行各业。而金刚石滚轮作为成形磨削必备的修整工具，具有修整时间短，寿命长，修整精度高，加工零件一致性好等优点，不仅应用于汽车、制冷、轴承、纺织机械、工具一般行业，还应用于航空航天、船舶、风电、核电、军工等高技术行业。

高精度高复杂性型面金刚石滚轮，具有高陡峭性（齿形线与滚轮轴线或其平行线夹角大于等于72.5°）、齿形落差大（5mm-30mm）、齿间距误差小于等于±0.002mm、角度误差小于等于30′等型面与精度特征。而传统滚轮型面设计型线较为简单，齿形角大于35°（即齿形线与滚轮轴线或其平行线夹角小于72.5°）。

传统金刚石滚轮加工一般利用样板刀成型加工的方式实现阴模的加工，样板刀在加工阴模型面，悬伸长，切削面大，车削振动大，阴模型面轮廓精度不易保证。并通过埋砂工艺将金刚石磨料固定在模具内型面上，金刚石磨料的大量堆积，难以保证结合剂在磨粒之间的有效填充，经过后加工，工作层的局部磨粒脱落严重，一定程度破坏了滚轮型面的精度，同时大幅度降低了滚轮的使用寿命。特别对于航空发动机叶片榫齿磨削用齿形落差大、尖角圆弧滚轮型面，表现尤为突出。而采用人工植砂的上砂方式，磨料均匀性得到一定改善，但随着磨料粒径的减小及型面复杂程度的增加，植砂难度越来越大，同时效率极低。而且人工植砂时，磨料与阴模之间需要利用粘性物质固定，无法保证磨料与阴模型面的紧密贴合从而降低滚轮的制造精度。无论采用埋砂或者人工植砂工艺，均不能保证滚轮最终的制造精度，导致后期需要引进价格高昂的修整装备对其进行修整，以保证滚轮成品精度。同时由于滚轮有效工作层只有单层磨料，修整又会进一步降低滚轮的使用寿命。

由于金刚石滚轮使用的模具内型面，齿形落差大，内孔尺寸有限，电镀加厚时，阴阳极距尺寸很小，以致电场分布严重不均，致使离阳极最近位置的结合剂电沉积速率远高于离阳极较远的位置。为了保证远离阳极的模具型面磨料固定可靠，目前只能采用小电流进行上砂、加厚，电镀效率极低。

发明内容

本发明提出了一种金刚石滚轮、制备装置和制备方法，通过有限元分析技术，优化了滚轮型线结构，局部齿形角β小于等于35°榫齿形啮合节线与滚轮轴线呈现一定的角度α=3~15°，同时配合高陡峭型面（齿形线与滚轮轴线或其平行线夹角大于等于72.5°），可间接延长零件的使用寿命。

实现本发明的技术方案是：

一种金刚石滚轮，所述滚轮的齿形角β≤35°，关键齿形啮合节线与滚轮轴线之间的角度α=3°~15°，齿形线与滚轮轴线或其平行线之间的夹角θ≥72.5°。

所述啮合节线位置为局部相同齿形理论设计直径为d的接触圆圆心连线，齿厚T为啮合节线与滚轮型面轮廓交点之间、沿啮合节线方向上的距离。

所述滚轮轮廓精度达到±0.002mm，齿间距误差达到±0.002mm，齿形角度误差达到±3′。

一种制备金刚石滚轮的装置，包括成型装置、动态埋砂装置和等势电沉积装置，所述成型装置包括电极轴，电极固定在电极轴上，将成型装置固定在精密数控车床上，车成与滚轮型面一致的电极外圆型面；所述动态埋砂装置包括驱动棒，阴模利用绝缘夹具固定并置于驱动棒上，绝缘夹具之间设有阳极组装装置；所述等势电沉积装置包括与电机相连的专用销钉，专用销钉上设有钛篮Ⅰ，钛篮Ⅰ两侧设有绝缘板。

所述电极轴两端设有中心孔，电极端部设有基准台阶；所述阳极组装装置内部为钛篮Ⅱ，钛篮Ⅱ外设有套筒，套筒上设有离子交换窗口；所述钛篮Ⅰ外壁上还设有仿形阳极。

制备金刚石滚轮的方法，包括以下步骤：

a、利用数控插补车削技术实现与滚轮型面相同的电极型面加工；

b、利用内孔成型放电设备，将a中电极型面复制到阴模内壁上，得到型腔成品体；

c、利用动态埋砂电沉积装置，将金刚石磨料固定在b中所述的型腔成品体内壁上；

d、利用等势电沉积装置将c中得到的型腔成品体内壁的磨料层磨粒进行快速加固，得到第一几何体；

e、将d中所述第一几何体与钢芯放在一起，将第一几何体与钢芯之间的缝隙进行低熔点合金填充，去除阴模后得到第二几何体；

f、将第二几何体的钢芯内孔磨削至与所述的磨料层同心，并在滚轮端面加工出端面基准，进行车、磨后得到金刚石滚轮成品。

所述步骤a中将电极轴固定在数控车床上，车削出电极的外圆型面，并在电极上电镀加工出包含径向、端面基准的基准台阶，按照阴模设计，车出阴模内型面。

所述步骤b中在内孔电火花成型机床上，找正阴模端面、径向基准跳动小于等于0.002mm；在内孔电火花成型机工具轴上利用专用夹具安装电极，并确认基准台阶的端面和径向基准跳动小于等于0.002mm，根据阴模与电极实际型面实际轴向、径向尺寸对刀，开启电源加工出阴模内型面，放电时，阴模的转速5r/min-30r/min，电极的转速0.02r/h-0.5r/h。

所述步骤c中利用绝缘夹具固定阴模，将阳极组装装置置于绝缘夹具中间，金刚石磨料置于型腔成品体内壁上，离子交换窗口向下设置，在驱动棒的回转作用下，以0r/min-10r/min的转速下低速转动。

所述步骤d中将阴模内未被固定的金刚石磨料去除，阴模移到等势电沉积装置中进行电镀加厚，将专用销钉与电机相连，做低速回转1-5r/min，专用销钉下部设有螺纹、与钛篮Ⅰ两侧绝缘板固定，仿形阳极与阴模之间设有镀液，绝缘夹具上设有镀液孔。

本发明的有益效果是：

（1）本发明提出的微进给补偿成型放电技术，在电极相对阴模径向位置的缩小的同时，采用超低速电极回转（0.02r/h-0.5r/h），始终保持未损耗电极型面进入放电加工区，保证了阴模型面与电极型面精度的一致性。

（2）本发明提出的动态埋砂电沉积技术，可以通过调整电参数与阴模回转速度（0r/min-10r/min）之间的匹配，实现复杂滚轮型面金刚石的不同浓度，同时上砂电流最高可达2A，上砂效率得到大幅提升。

（3）本发明提出的等势电沉积技术，可以使用大电流（1A-5A）进行电镀加厚，加厚效率得到很大提升，突破了滚轮电镀加厚极限电流的技术瓶颈。

（4）本专利突破了传统的滚轮制造工艺，滚轮精度得到提升，轮廓精度达到±0.002mm，齿间距误差达到±0.002mm，齿形角度误差达到±3′；本发明可以推广到复杂型面磨削用滚轮制造、金属结合剂砂轮放电加工、超硬材料电镀等技术领域，有很好的推广价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明滚轮成品示意图。

图2为成型电极组装示意图。

图3为阴模电加工示意图。

图4为动态埋砂电沉积示意图。

图5为阳极组装示意图。

图6和7为等势电沉积组装示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种金刚石滚轮，所述滚轮的齿形角β≤35°，关键齿形啮合节线与滚轮轴线之间的角度α=3°~15°，齿形线与滚轮轴线或其平行线之间的夹角θ≥72.5°。所述啮合节线位置为局部相同齿形理论设计直径为d的接触圆圆心连线，齿厚T为啮合节线与滚轮型面轮廓交点之间、沿啮合节线方向上的距离。

所述滚轮轮廓精度达到±0.002mm，齿间距误差达到±0.002mm，齿形角度误差达到±3′。

本发明制备外径130mm、厚度105mm、内孔52mm、磨料粒度为40/50号某型号电镀金刚石滚轮，其中制备得到的滚轮特征为：

（1）齿形线与滚轮轴线或其平行线夹角θ为82.5°；

（2）齿形角β为33°，关键齿形啮合节线与滚轮轴线呈现一定的角度α=5°；

（3）啮合节线位置为局部相同齿形理论设计直径d为1.4430mm的接触圆圆心连线；

（4）齿厚T为啮合节线与滚轮型面轮廓交点之间的距离，沿啮合节线方向上的距离为4.9970mm。

制备上述金刚石滚轮的方法，包括以下步骤：

a、根据滚轮型面轮廓设计电极轮廓，并在数控车床上，利用专用夹具夹持电极轴1的柄部1或者利用电极轴1的中心孔11双顶安装，车削出与滚轮型面相同的电极外圆型面，并在电极端面加工出径向，端面基准的基准台阶12（如图2所示）；同时按照阴模设计图纸，在车床上，车出阴模4内型面的大致形状，并在阴模外圆、端面分别加工出径向和端面基准；

其中电极轴1采用钢件等材料制成，两端打有中心孔11，并用螺母16固定圆柱形电极3在电极轴1上，电极3由铜、铜合金、石墨等电极材料的一种制成；

b、利用内孔成型放电设备，在内孔电火花成型机床上，三爪卡盘卡阴模4外圆，并找正端面、径向基准跳动小于等于0.002mm；在内孔电火花成型机工具轴上利用专用夹具安装成型电极，并确认电极端面和径向基准跳动小于等于0.002mm，根据阴模4与电极3实际对刀尺寸，开启电源加工出阴模内型面（如图3），放电时，阴模转速5r/min-30r/min，电极转速0.02r/h-0.5r/h；

c、配车绝缘夹具，并组装，在动态埋砂电极沉积设备上进行上砂（如图4）；上砂时，阳极组装件（如图5）置于图4阴模组装件中心，阳极组装件的离子交换窗口19向下。阳极组装内部为钛篮Ⅱ13，钛篮Ⅱ13内部装满镍球或镍块；阳极组装件相对阴模未被磨料覆盖区域设置有绝缘包裹套筒14；上砂时，阴模组装件在驱动棒5的回转作用下，以0.2r/h的转速下低速转动；利用动态埋砂电沉积装置，将金刚石磨料固定在b中所述的型腔成品体内壁上；

d、上砂完成后，去除阴模4内型面未被固定的金刚石磨料7，移到自制等势电沉积设备中进行电镀加厚；加厚时，专用销钉8与电机相连，做低速回转1-5r/min，加厚阳极采用耐腐蚀导电材料，经过线切割加工制成片状，外侧齿形与滚轮型线相同或者相近，并在其中心加工出通孔；专用销钉8一头加工有螺纹孔，与螺钉20相连，螺钉20用于电源阳极导通；专用销钉8中下部设置有螺纹，用于与钛篮Ⅰ9两侧绝缘板10固定；专用销钉8一端设置有与其轴线垂直的通孔，用于与设备电机连接；阴模4底侧绝缘盖板10设置有镀液孔18，用于镀液流通交换，加固得到第一几何体；

e、将d中所述第一几何体与其内型面最小直径小5-10mm钢芯放在一起，将第一几何体与钢芯之间的缝隙进行低熔点合金填充，以保证磨粒层与钢芯结合，去除所述阴模后得到第二几何体；

f、将第二几何体的钢芯内孔磨削至与所述的磨料层同心，并在滚轮端面加工出端面基准，进行车、磨后得到金刚石滚轮成品。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金刚石滚轮，其特征在于：所述滚轮的齿形角β≤35°，关键齿形啮合节线与滚轮轴线之间的角度α=3°~15°，齿形线与滚轮轴线或其平行线之间的夹角θ≥72.5°。

2.根据权利要求1所述的金刚石滚轮，其特征在于：所述啮合节线位置为局部相同齿形理论设计直径为d的接触圆圆心连线，齿厚T为啮合节线与滚轮型面轮廓交点之间、沿啮合节线方向上的距离。

3.根据权利要求1所述的金刚石滚轮，其特征在于：所述滚轮轮廓精度达到±0.002mm，齿间距误差达到±0.002mm，齿形角度误差达到±3′。

4.一种制备权利要求1-3任一项所述的金刚石滚轮的装置，其特征在于：包括成型装置、动态埋砂装置和等势电沉积装置，所述成型装置包括电极轴（1），电极（3）固定在电极轴（1）上；所述动态埋砂装置包括驱动棒（5），阴模（4）利用绝缘夹具（6）固定并置于驱动棒（5）上，绝缘夹具（6）之间设有阳极组装装置；所述等势电沉积装置包括与电机相连的专用销钉（8），专用销钉（8）上设有钛篮Ⅰ（9），钛篮Ⅰ（9）两侧设有绝缘板（10）。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述电极轴（1）两端设有中心孔（11），电极（3）端部设有基准台阶（12）；所述阳极组装装置内部为钛篮Ⅱ（13），钛篮Ⅱ（13）外设有套筒（14），套筒（14）上设有离子交换窗口（19）；所述钛篮Ⅰ（9）外壁上还设有仿形阳极（15）。

6.利用权利要求5所述的装置制备金刚石滚轮的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、利用数控插补车削技术实现与滚轮型面相同的电极型面加工；

b、利用内孔成型放电设备，将a中电极型面复制到阴模内壁上，得到型腔成品体；

c、利用动态埋砂电沉积装置，将金刚石磨料固定在b中所述的型腔成品体内壁上；

d、利用等势电沉积装置将c中得到的型腔成品体内壁的磨料层磨粒进行快速加固，得到第一几何体；

e、将d中所述第一几何体与钢芯放在一起，将第一几何体与钢芯之间的缝隙进行低熔点合金填充，去除阴模后得到第二几何体；

f、将第二几何体的钢芯内孔磨削至与所述的磨料层同心，并在滚轮端面加工出端面基准，进行车、磨后得到金刚石滚轮成品。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤a中将电极轴（1）固定在数控车床上，车削出电极（3）的外圆型面，并在电极（3）上电镀加工出包含径向、端面基准的基准台阶（12），按照阴模设计，车出阴模（4）内型面的大致形状。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤b中在内孔电火花成型机床上，找正阴模4端面、径向基准跳动小于等于0.002mm；在内孔电火花成型机工具轴上利用专用夹具安装电极（3），并确认基准台阶（12）的端面和径向基准跳动小于等于0.002mm，根据阴模（4）与电极（3）实际型面实际轴向、径向尺寸对刀，开启电源加工出阴模（4）内型面，放电时，阴模（4）的转速5r/min-30r/min，电极（3）的转速0.02r/h-0.5r/h。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤c中利用绝缘夹具（6）固定阴模（4），将阳极组装装置置于绝缘夹具（6）中间，金刚石磨料（7）置于型腔成品体内壁上，离子交换窗口（19）向下设置，在驱动棒（5）的回转作用下，以0r/min-10r/min的转速下低速转动。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤d中将阴模（4）内未被固定的金刚石磨料去除，阴模移到等势电沉积装置中进行电镀加厚，将专用销钉（8）与电机相连，做低速回转1-5r/min，专用销钉（8）下部设有螺纹、与钛篮Ⅰ（9）两侧绝缘板（10）固定，仿形阳极（15）与阴模（4）之间设有镀液，绝缘夹具（6）上设有镀液孔（18）。

Images