工艺参数对电镀磨轮精度和性能的影响研究

杜利利，王永宝，李媛媛，吴 珂，刘天立

(郑州磨料磨具磨削研究所有限公司，河南 郑州 450001)

0 引言

电镀超硬材料砂轮因成型精度高、磨削锋利度好、免修整等特点，广泛应用于各类精密零部件的高效成型磨削加工，具有加工精度高、磨削效率高、使用寿命长等优点[1-4]。电镀砂轮制作工序包含前处理、预镀、上砂及加厚、修整检测等多道工艺步骤，其中关键瓶颈工序为上砂，主要有埋砂和撒砂法[5-6]。两种工艺对操作技能依赖大，工艺过程可控性差，上砂精度及稳定性难以保证，且生产效率较低。

本文采用一种自动悬浮法工艺，设计制作专用治具，电镀砂轮的预镀、上砂及加厚全过程实现自动化控制，上砂精度稳定可靠。

1 实验部分

1.1 材料与设备

磨轮：自制，规格为120 mm×25 mm×10 mm，D170/200(图1)。

设备：悬浮上砂自动化设备(自制)，手持显微镜，三维视频形貌分析仪，轮廓形状测量仪。

图1 电镀金刚石磨轮成品图Fig.1 Product diagram of electroplated diamond grinding wheel

1.2 实验方法

选取一款电镀金刚石磨轮(规格为1A1，120×25×10，D170/200)为实验对象，自制磨轮基体进行电镀工艺实验，手持显微镜观察磨料层分布状态，轮廓仪检测磨轮直线度。

1.3 正交实验

以上砂次数、上砂电流、上砂时间三个影响因素为主要探究因素，做3因素3水平正交实验(表1)，制得正交表L9(33)，以镀后直线度作为考察依据。

表1 影响因素与水平表Table 1 List of influencing factors and levels

2 结果与讨论

2.1 磨料添加量及搅拌转速对悬浮上砂效果的影响

添加量搭配合适的搅拌转速，以达到最佳上砂效果，列表探究磨料添加量及设备转速对悬浮上砂效果的影响，实验参数及结果见表2。

表2 磨料添加量及转速对磨料悬浮上砂效果的影响Table 2 Influence of abrasive content and rotational speed on suspension effect

由表2实验数据得知，磨料添加量为1000 ct，转速从80 r/min提高到100 r/min，均出现缺砂问题，进一步将添加量提升至1500、2000 ct，转速为80、90 r/min上砂效果均较好。而当转速为100 r/min时，又出现缺砂现象，分析为搅拌强度过高，镀液流动太大，导致表面未把持牢固的磨料发生冲击脱落而形成缺砂。根据以上实验结果，保证磨料充分使用，明确镀槽中磨料添加量为1500 ct，设备搅拌转速确定为80 r/min。

2.2 上砂工艺参数对比

以磨料层初始直线度精度作为评价标准，按表1所示因素水平表，根据L9(33)正交表对上砂次数、上砂电流密度及上砂时间进行3因素3水平正交实验，结果见表3。

表3 上砂工艺参数DOE实验设计表Table 3 DOE experimental designdata of sand loading process parameters

以表3直线度数值作为水平观测值，计算得出各水平的观测平均值(表4)，再通过各因素A、B、C观测平均值最大值减去最小值计算出相应极差，可以得出，对于镀后磨料层直线度的影响因素排序为A>C>B，较优的电镀工艺为A2B1C1，即电镀磨轮批量制作工艺：上砂次数6次，上砂电流密度1.0 A/dm2，上砂时间为60 s。进一步使用该最优组合进行3组平行实验，磨复印件检测直线度均在0.01 mm以下。

2.3 悬浮上砂与埋沙法磨料层分布均匀性对比

悬浮上砂在最优工艺参数条件下进行样品制作，与埋砂法进行对比，结果如图2所示。从图2可以看出，相较于埋砂法，悬浮上砂磨料分布更加均匀，浓度适中，且无团聚、缺砂现象。

表4 正交实验极差计算表Table 4 Calculation of range of orthogonal test

图2 悬浮上砂(a)与埋砂法(b)磨料层分布均匀性对比Fig.2 Comparison of abrasive distribution uniformity between suspended sand(a) and sand burying method (b)

2.4 加厚均匀性实验探究

在电镀加厚过程中因受尖端效应的影响，组装好的磨轮中靠近两侧边电流密度大，导致磨料埋入率深，同批次间加厚不均匀。分别采用阳极遮蔽及阴极辅助的方式对加厚均匀性进行实验探究。

2.4.1 阳极遮蔽对加厚均匀性影响

采用铅板遮蔽部分阳极，进行电镀实验。两侧与中间磨料层出刃高度仍存在差别，两侧磨料出刃高度35 μm，低于中间砂轮磨料层出刃高度44 μm，见图3。

图3 阳极遮蔽方式两侧(a)与中间(b)砂轮磨料层出刃高度对比Fig.3 Comparison of grinding wheel abrasive edge height on both sides(a) and middle (b) of anodic masking method

2.4.2 阴极辅助对加厚均匀性影响

制作直径180 mm、厚度为2 mm的钢板作为阴极辅助探究同批次加厚均匀性，同批次两侧与中间砂轮磨料层出刃高度无明显差异，磨料出刃高度约为43 μm，同批次产品磨料层加厚均匀，见图4。因此，采用阴极辅助方式，避免制作过程中的尖端效应，可解决电镀磨轮同批次间加厚不均匀的问题。

图4 阴极辅助方式两侧(a)与中间(b)砂轮磨料层出刃高度对比Fig.4 Comparison of grinding wheel abrasive edge height on both sides(a) and middle (b) of cathode assisted mode

2.5 磨削性能测试

2.5.1 加工参数

工件：材质为钨镍合金，硬度为HBS460。

加工参数：转速3600 r/min，加工余量单边0.20 mm，进给方式为手动进给，成形磨削，每次退刀0.20 mm，往复磨削4次，吃刀深度0.03～0.05 mm。

2.5.2 磨削性能对比

将两种工艺试制样品进行磨削性能测试，由表5中数据得知，悬浮法工艺制作出的砂轮磨削效果优于埋砂法工艺，工件表面质量好，粗糙度小，砂轮使用寿命提升41%。

表5 悬浮法与埋砂法磨削结果对比Table 5 Comparison of grinding results between suspension methodand sand burying method

3 结论

(1)采用实验开发的悬浮上砂工艺，并借助自制的专用治具和专用设备，研制出电镀磨轮产品，实验探究出最佳磨料添加量1500 ct和搅拌转速80 r/min，得出最优上砂效果。

(2)通过正交实验得出最佳悬浮上砂工艺参数为上砂次数6次、电镀密度1.0 A/dm2和上砂时间60 s。

(3)借助辅助阴极方式，确保了磨料层出刃高度均匀一致。

(4)通过本文实验工艺方法研制出的砂轮样品，上砂分布均匀，出刃高度一致，磨削工件直线度、加工表面质量及使用寿命均优于传统埋砂工艺，应用效果较好。