不同類型電鍍金剛石工具的研發與應用

鄭州磨料磨具磨削研究所  王光祖

河南(nan)凱納(na)精密工具(ju)有限公司張奎  王福山

        01金剛石砂帶

        金(jin)剛石(shi)電鍍砂(sha)帶(dai)是指(zhi)以電鍍鎳金(jin)屬作(zuo)(zuo)為(wei)結合劑，精選金(jin)剛石(shi)粉為(wei)磨(mo)料(liao)，由背(bei)襯材(cai)料(liao)、撓(nao)性金(jin)屬基(ji)材(cai)及有(you)序排布(bu)(bu)金(jin)剛石(shi)鍍層三個部分組成，背(bei)襯材(cai)料(liao)和(he)柔(rou)性金(jin)屬基(ji)材(cai)粘結成環形的(de)(de)一種新型超硬涂附(fu)磨(mo)具(ju)(ju)產品。與普(pu)通磨(mo)料(liao)砂(sha)帶(dai)相比，具(ju)(ju)有(you)超硬材(cai)料(liao)的(de)(de)“硬”和(he)涂附(fu)磨(mo)具(ju)(ju)“柔(rou)”’的(de)(de)雙重特性，其(qi)工作(zuo)(zuo)層表面有(you)序排布(bu)(bu)磨(mo)削小(xiao)單元之(zhi)間的(de)(de)縫隙(xi)形成了(le)較(jiao)大容屑(xie)(xie)空間，有(you)利于散熱，提高了(le)加工質量，砂(sha)帶(dai)柔(rou)韌性及排屑(xie)(xie)的(de)(de)能力(li)，在使(shi)用過(guo)程中同時具(ju)(ju)有(you)粉塵少，噪音(yin)低的(de)(de)環保優勢。

        現(xian)代工(gong)(gong)業(ye)發展中，金剛石(shi)電鍍砂(sha)帶(dai)以多面刀刃的(de)(de)特(te)殊(shu)結構，在工(gong)(gong)業(ye)生產中廣泛應用，并享有“萬能磨削”的(de)(de)美稱譽。隨著對工(gong)(gong)件質量(liang)要(yao)求的(de)(de)逐漸提(ti)高，原有砂(sha)帶(dai)工(gong)(gong)藝的(de)(de)加工(gong)(gong)已(yi)不能滿足嚴格的(de)(de)標準(zhun)要(yao)求，在工(gong)(gong)業(ye)發達國家，金剛石(shi)電鍍砂(sha)帶(dai)早已(yi)普遍應用于玻璃(li)、石(shi)材、陶瓷、復合材料(liao)、航天航空、硅材料(liao)等硬(ying)脆材料(liao)的(de)(de)磨拋(pao)加工(gong)(gong)。

        肖樂銀、王進保等通過研究得到了如下結果：可以根據用戶的要求制造各種粒度和尺寸規格的產品，同時磨片、手持塊和砂圈等各種異形產品繁多，所有產品均可在有水或無水狀態下使用，磨削性能卓越，應用面廣，性價比高。同時，由于鎳鍍層對磨料有比較強的把持力，使電鍍砂帶拓展于cBN領域成為可能，相對金剛石磨料，cBN砂帶可應用于鋼鐵、鐵合金等含鐵族元素難加工材料的磨拋，特別是高碳鋼、合金鋼、淬火鋼等高硬度鋼材表面研磨和拋光，以(yi)及要求(qiu)自動控制、精密與超精密研拋的場合。

        因此，隨著國(guo)家高(gao)效(xiao)高(gao)精加工要(yao)求的提(ti)高(gao)以及加強環境(jing)保護的迫切要(yao)求，加之超(chao)硬材料行(xing)業(ye)設備和(he)產品(pin)開(kai)發水平的不斷提(ti)高(gao)，金(jin)剛石電鍍砂(sha)帶將有廣闊的應用(yong)空間和(he)發展前景。

       02.金剛石線鋸

       從20世紀90年代中期開始，由于線鋸加工的切縫窄、厚度均勻、翹曲度較低，而被廣泛應用于單晶硅等貴重硬脆材料的加工。根據線鋸結合劑種類的不同，線鋸主要分為游離磨料和固結磨料兩類。游離磨料線切割加工在工業切割領域表現穩定，在光伏產業大尺寸硅片切割領域廣泛應用，但其存在加工效率較低且不利于加工更硬的材料、磨漿污染環境嚴重等問題，因而嚴重制約了該技術的進一步發展。隨著生產的發展，游離磨料線切割技術逐漸被固結磨料線鋸切割技術所替代，而其磨料一般采用金剛石。電鍍金剛石線(xian)鋸是一種在鍍液中添加一定(ding)的金(jin)(jin)剛(gang)石磨(mo)料(liao)，當鍍液中的金(jin)(jin)屬離(li)子在陰極還原成金(jin)(jin)屬，沉積(ji)在線(xian)鋸基體(ti)上時，金(jin)(jin)剛(gang)石微粒被包覆進(jin)入鍍層(ceng)而成的線(xian)性(xing)線(xian)鋸切工具。其比原來的游離(li)磨(mo)粒具有更高的耐磨(mo)性(xing)，同時能(neng)夠(gou)承受(shou)較大的切削力(li)和較長的切削時間。

       金剛石(shi)(shi)線(xian)切割(ge)又分為往(wang)(wang)復式(shi)(shi)和環形(xing)式(shi)(shi)，往(wang)(wang)復式(shi)(shi)金剛石(shi)(shi)線(xian)鋸(ju)相(xiang)(xiang)對于(yu)傳統的鋸(ju)片更(geng)加細(xi)，直(zhi)徑一般(ban)不超過0.3mm，切縫很小，但是(shi)用(yong)于(yu)切割(ge)更(geng)高硬度的脆性材料，往(wang)(wang)復式(shi)(shi)金剛石(shi)(shi)線(xian)的切割(ge)效率非(fei)常(chang)低，進刀速(su)度低于(yu)0.5mm/min，相(xiang)(xiang)對于(yu)傳統加工(gong)沒有明顯的速(su)度優勢。由于(yu)進刀速(su)度慢，也難以滿足YAG晶體加工(gong)的高效率的要求。目前，工(gong)業(ye)上比(bi)較先進的方式(shi)(shi)還是(shi)環形(xing)金剛石(shi)(shi)線(xian)切割(ge)。

       金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)電鍍環形線，它的(de)線速(su)度(du)最高(gao)可(ke)達50m/s，金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)線直(zhi)徑0.7mm，金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)線總長4000mm，相對于往復(fu)式，環形式金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)線是(shi)往復(fu)式的(de)2--3倍，加上(shang)金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)線的(de)直(zhi)徑大(da)，可(ke)承受的(de)拉力更大(da)，進刀速(su)度(du)可(ke)以更快，雖然切(qie)縫大(da)(0.8-0.9之間)，和傳(chuan)統的(de)鋸片切(qie)割(ge)機的(de)切(qie)縫基(ji)本一樣(yang)(yang)，但是(shi)切(qie)割(ge)效(xiao)率(lv)得到極大(da)的(de)提高(gao)。理論(lun)上(shang)，高(gao)效(xiao)率(lv)的(de)磨(mo)(mo)削切(qie)割(ge)，同時意味(wei)著快速(su)的(de)磨(mo)(mo)損(sun)，金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)線同樣(yang)(yang)很快磨(mo)(mo)損(sun)直(zhi)至金(jin)(jin)(jin)剛(gang)(gang)(gang)石(shi)(shi)(shi)(shi)磨(mo)(mo)粒(li)被耗盡。

       隨著電鍍金剛石線鋸的不斷發(fa)展，其性能得到(dao)了進(jin)一步的開發(fa)與利用，很多(duo)學者對此進(jin)行不同的嘗(chang)試。

       比如王敬(jing)等制備了具有絞合(he)鋼線(xian)(xian)芯的三(san)絲(si)絞合(he)電鍍(du)金剛(gang)石線(xian)(xian)鋸，通過實驗發現，三(san)絲(si)絞合(he)電鍍(du)金剛(gang)石線(xian)(xian)切割(ge)時的線(xian)(xian)弓明顯小(xiao)于單線(xian)(xian)電鍍(du)金剛(gang)石線(xian)(xian)鋸，具有磨損小(xiao)、切割(ge)能力強、使用壽(shou)命(ming)長等優點。

       Inoue.makoto開(kai)發了(le)一種(zhong)新(xin)型可切割(ge)硬質(zhi)材料的線(xian)鋸(ju)，其(qi)第一層為用焊(han)錫把金剛石(shi)磨(mo)料暫時固(gu)定在黃(huang)銅涂層的鋼(gang)絲(si)上，第二層鍍鎳(nie)加固(gu)，當用該線(xian)鋸(ju)切割(ge)藍(lan)寶石(shi)時切割(ge)面各項性(xing)能都(dou)非常好(hao)。

       Gao獨自設計的(de)具有一定生產效率的(de)金剛(gang)石(shi)線鋸(ju)可成功切(qie)割海底輸油管，并對其(qi)各項(xiang)工藝參(can)數間(jian)的(de)相互關系進行了研(yan)究。金剛(gang)石(shi)線鋸(ju)在(zai)(zai)切(qie)割硅錠時，在(zai)(zai)切(qie)口(kou)處(chu)會有損失(shi)，對硅材(cai)料(liao)造成浪費，而利用(yong)氫鎳發生的(de)化學反應的(de)工藝可以(yi)很(hen)好的(de)回收切(qie)口(kou)處(chu)損失(shi)的(de)硅。

     ;  中(zhong)國有色桂(gui)林礦產地質(zhi)研究(jiu)院可采(cai)用多條環形金(jin)(jin)剛石線(xian)鋸(ju)排(pai)成縱橫的(de)網狀線(xian)切割多晶硅，可有效利用環形金(jin)(jin)剛石線(xian)鋸(ju)單方向、無慣性(xing)力(li)、高(gao)(gao)速運動的(de)特性(xing)使(shi)加(jia)工效率提高(gao)(gao)幾倍。

       長沙岱勒新材料科(ke)技股份(fen)有限(xian)公司利用牽(qian)(qian)引裝置，牽(qian)(qian)引金(jin)剛石(shi)(shi)(shi)(shi)線(xian)鋸依(yi)次(ci)穿過(guo)退鎳(nie)槽、金(jin)剛石(shi)(shi)(shi)(shi)拉絲(si)模(mo)，進(jin)行退鎳(nie)和剝離(li)金(jin)剛石(shi)(shi)(shi)(shi)，可有效地回(hui)收金(jin)剛石(shi)(shi)(shi)(shi)，該發明處(chu)理過(guo)程效率(lv)高、剝離(li)完全且(qie)整(zheng)個(ge)過(guo)程造成的損(sun)失(shi)很小。

       03.金剛石滾輪

       作為成形磨削必備的修整工具，各類金剛石滾輪的誕生推進了深切緩進給強力磨削技術的快速發展。因具有修整時間短、使用壽命長、修整精度高、加工零件一致性好等優點，金剛石滾輪廣泛用于汽車、航天航空、軍工等行業。隨著被加工零件復雜程度不斷提高，越來越復雜的滾輪應運而生。

       國內鍍(du)(du)(du)法制(zhi)造的(de)(de)金剛(gang)石(shi)滾(gun)輪(lun)(lun)(lun)精度(du)可達5um，，電(dian)鍍(du)(du)(du)金剛(gang)石(shi)滾(gun)輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)工作層(ceng)(ceng)是(shi)電(dian)鍍(du)(du)(du)層(ceng)(ceng)，電(dian)鍍(du)(du)(du)層(ceng)(ceng)是(shi)Ni-金剛(gang)石(shi)復合(he)(he)電(dian)鍍(du)(du)(du)，該復合(he)(he)層(ceng)(ceng)的(de)(de)質量(liang)直(zhi)接(jie)決定滾(gun)輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)質量(liang)。電(dian)鍍(du)(du)(du)層(ceng)(ceng)的(de)(de)質量(liang)控(kong)制(zhi)包(bao)括機(ji)械性(xing)能控(kong)制(zhi)和對固(gu)結(jie)磨(mo)料能力(li)(li)控(kong)制(zhi)。電(dian)鍍(du)(du)(du)層(ceng)(ceng)機(ji)械性(xing)能是(shi)指鍍(du)(du)(du)層(ceng)(ceng)的(de)(de)應力(li)(li)和硬度(du)，電(dian)鍍(du)(du)(du)層(ceng)(ceng)內應力(li)(li)過(guo)(guo)大會使(shi)滾(gun)輪(lun)(lun)(lun)出現(xian)裂紋、掉(diao)塊，硬度(du)過(guo)(guo)低(di)(di)會降(jiang)(jiang)低(di)(di)沉積層(ceng)(ceng)對金剛(gang)石(shi)的(de)(de)把持能力(li)(li)，導致金剛(gang)石(shi)磨(mo)粒過(guo)(guo)早脫落，降(jiang)(jiang)低(di)(di)使(shi)用壽命。而且由(you)于(yu)其(qi)特殊性(xing)，電(dian)鍍(du)(du)(du)時(shi)(shi)陽極(ji)和型腔距離接(jie)近(jin)(jin)，尖端效(xiao)應嚴重(zhong)，當近(jin)(jin)陽極(ji)的(de)(de)厚度(du)是(shi)磨(mo)料尺寸的(de)(de)好幾倍時(shi)(shi)，遠(yuan)陽極(ji)位(wei)置的(de)(de)鎳(nie)層(ceng)(ceng)還未(wei)將磨(mo)粒完全包(bao)裹住，各位(wei)置厚度(du)嚴重(zhong)不均勻(yun)，這大大延長了滾(gun)輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)電(dian)鍍(du)(du)(du)時(shi)(shi)間，降(jiang)(jiang)低(di)(di)了滾(gun)輪(lun)(lun)(lun)的(de)(de)電(dian)鍍(du)(du)(du)效(xiao)率。

       李(li)媛(yuan)媛(yuan)、王永寶等針對傳統電(dian)(dian)鍍金(jin)剛(gang)石滾(gun)輪(lun)出(chu)現缺砂、掉塊等質量(liang)問題，將優異的(de)(de)氨基磺酸鎳電(dian)(dian)鍍液體系引入(ru)電(dian)(dian)鍍金(jin)剛(gang)石滾(gun)輪(lun)的(de)(de)電(dian)(dian)鍍中，用正(zheng)交(jiao)實(shi)驗法研究(jiu)了氯化鎳、硬化劑和整平劑對鍍層硬度(du)、應(ying)力及厚度(du)一致性的(de)(de)影響。

       04.金剛石鉆頭

       電鍍(du)(du)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)鉆(zhan)(zhan)頭是利用電鍍(du)(du)原理，使沉(chen)積金(jin)(jin)屬（合(he)金(jin)(jin)）將金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)顆粒(li)包鑲在鉆(zhan)(zhan)頭鋼(gang)體(ti)上形(xing)成牢固(gu)耐磨(mo)的(de)(de)工作層（胎(tai)體(ti)）而(er)制成的(de)(de)鉆(zhan)(zhan)頭。電鍍(du)(du)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)鉆(zhan)(zhan)頭存在內外徑磨(mo)損較快、與工作層的(de)(de)磨(mo)損不(bu)相適應等問(wen)題(ti)，明顯影(ying)響(xiang)了鉆(zhan)(zhan)頭的(de)(de)使用效果，縮小了鉆(zhan)(zhan)頭的(de)(de)使用范圍。因此，楊展等人提出了解決問(wen)題(ti)的(de)(de)方法。

       4.1螺旋形水糟和半底噴式結構

       螺旋(xuan)(xuan)形(xing)外(wai)水槽能(neng)提高鉆(zhan)井液的(de)上升(sheng)速度，有(you)利于(yu)冷卻鉆(zhan)頭和清(qing)洗(xi)孔底(di)，也有(you)利于(yu)減少巖粉在鉆(zhan)頭外(wai)徑部位停留(liu)時間(jian)，更重要(yao)的(de)是鉆(zhan)頭的(de)保徑部分也呈(cheng)螺旋(xuan)(xuan)形(xing)狀，鉆(zhan)頭回轉(zhuan)鉆(zhan)進時與(yu)孔壁的(de)接(jie)觸(chu)由(you)直線(xian)接(jie)觸(chu)變為(wei)螺旋(xuan)(xuan)線(xian)接(jie)觸(chu)，接(jie)觸(chu)面積增大(da)，鉆(zhan)頭旋(xuan)(xuan)轉(zhuan)變得平穩了，外(wai)徑的(de)磨損將減少。

       4.2聚晶保徑規保徑鉆頭

       聚(ju)晶(jing)保徑(jing)(jing)(jing)規(gui)保徑(jing)(jing)(jing)鉆頭(tou)(tou)，這種電鍍(du)(du)鉆頭(tou)(tou)的保徑(jing)(jing)(jing)方法是采(cai)(cai)用(yong)(yong)(yong)聚(ju)晶(jing)，先在(zai)鉆頭(tou)(tou)的內外徑(jing)(jing)(jing)部位銑(xian)出嵌鑲聚(ju)晶(jing)的直(zhi)槽，然后將聚(ju)晶(jing)嵌牢在(zai)直(zhi)糟里，聚(ju)晶(jing)嵌入槽內約三分之(zhi)(zhi)二的高度。之(zhi)(zhi)后再置于鍍(du)(du)槽內加金(jin)剛石(shi)復合(he)鍍(du)(du)，直(zhi)到復合(he)鍍(du)(du)層與聚(ju)晶(jing)平(ping)面一致(zhi)，并達到鉆頭(tou)(tou)的內外徑(jing)(jing)(jing)規(gui)格，電鍍(du)(du)內外保徑(jing)(jing)(jing)層即完成。應用(yong)(yong)(yong)這種方法制造的電鍍(du)(du)金(jin)剛石(shi)鉆頭(tou)(tou)，在(zai)河南靈(ling)保金(jin)礦(kuang)使用(yong)(yong)(yong)，其保徑(jing)(jing)(jing)效果很好(hao)，在(zai)大陸學科鉆探工程中，采(cai)(cai)用(yong)(yong)(yong)該方法保徑(jing)(jing)(jing)的電鍍(du)(du)φ157mm金(jin)剛石(shi)鉆頭(tou)(tou)，使用(yong)(yong)(yong)了 14個鉆頭(tou)(tou)均獲得成功(gong)。

       4.3內外徑和底唇面分開電鍍

       鉆頭入槽(cao)(cao)后(hou)改變原有(you)的電(dian)(dian)鍍(du)工(gong)藝，先鍍(du)一層鎳合金(約電(dian)(dian)30min)，然后(hou)套上內(nei)外模具，接著電(dian)(dian)鍍(du)底唇(chun)(chun)面工(gong)作(zuo)層。待底唇(chun)(chun)面工(gong)作(zuo)層高度滿(man)足后(hou)，取(qu)出內(nei)外徑模具，出槽(cao)(cao)活(huo)化后(hou)重新入槽(cao)(cao)電(dian)(dian)鍍(du)，加金剛石復合電(dian)(dian)鍍(du)內(nei)外徑，直(zhi)到內(nei)外徑規格。

       采用(yong)這種方法保徑可(ke)以達到的效果(guo)，主要有以下兩(liang)方面原因:

       (1)內外徑(jing)(jing)是連(lian)續的保徑(jing)(jing)層(ceng)，不(bu)會(hui)出現(xian)(xian)(xian)過(guo)去那種在套(tao)上(shang)模具(ju)后內外徑(jing)(jing)薄弱的現(xian)(xian)(xian)象，也不(bu)會(hui)出現(xian)(xian)(xian)套(tao)模前后之間的薄弱環形(xing)帶

       (2)不(bu)套(tao)模(mo)具電鍍內(nei)外徑，有利(li)于氫氣溢出，大大減少(shao)了針孔現象，減少(shao)氫脆，同時(shi)，鉆頭的(de)內(nei)外徑規范一致，因此能提高內(nei)外徑的(de)耐(nai)磨(mo)性。

       4.4跟模電鍍

       跟模電鍍就是(shi)鉆頭(tou)活化入槽后(hou)，先鍍好(hao)內(nei)(nei)外徑并套上(shang)內(nei)(nei)外模具，但這時模具的上(shang)平(ping)面應該略高于鉆頭(tou)底唇(chun)面工作(zuo)層，隨著工作(zuo)層增(zeng)高，內(nei)(nei)外模具隨之向上(shang)移(yi)動，一(yi)直電鍍到工作(zuo)層的設計高度為止。

       這(zhe)種跟電(dian)(dian)鍍(du)方(fang)法的(de)優點就是(shi)，電(dian)(dian)鍍(du)過(guo)程中(zhong)的(de)氫(qing)氣泡容易(yi)溢(yi)出，可以減少(shao)電(dian)(dian)鍍(du)層中(zhong)的(de)針孔(kong)，特別是(shi)靠近內外模(mo)壁(bi)電(dian)(dian)鍍(du)層中(zhong)的(de)針孔(kong)大大減少(shao)，致密度明顯得到改善，鉆(zhan)頭底唇面上的(de)性(xing)能一致。所以，鉆(zhan)頭的(de)保徑能力得到提高，鉆(zhan)頭的(de)使用壽命也隨之延長。

       4.5電鍍鎳鈷錳合金的胎體

       鎳鈷錳胎體金剛石鉆頭(tou)具有比鎳鈷或鎳錳胎體鉆頭(tou)更好的耐磨性(xing)(xing)和(he)對巖石的適應性(xing)(xing)，由于其耐磨性(xing)(xing)明顯提(ti)高，所以(yi)保徑效(xiao)果也相應得(de)到(dao)提(ti)高。