王亮亮，王秦生

（中原工學院，鄭州450007）

金剛石線鋸上砂工藝對微粉密度的影響

王亮亮，王秦生

（中原工學院，鄭州450007）

以直徑0．25 mm的琴鋼絲為基體，粒徑22～38μm的金剛石微粉（表面鍍膜）為磨料，瓦特鍍液為基礎鍍液，用微型氣泵對上砂鍍液進行攪拌，用落砂法上砂工藝制造金剛石線鋸．結果表明：當氣泵電機轉速在100～120 r／min之間，線鋸走動速度為100 mm／min，陰極電流密度調(diào)節(jié)至2～3 A／dm2時，可以制得微粉密度穩(wěn)定的線鋸，其微粉密度為1．35 Ct／dm2左右．

金剛石線鋸；上砂；微粉密度；陰極電流密度

在電鍍金剛石線鋸制造中，上砂工藝起到?jīng)Q定性作用．能否較好較快地完成上砂［1］，使基體金屬線固結上疏密合理的金剛石微粉，是連續(xù)電鍍生產(chǎn)的關鍵．電鍍金剛石線鋸上砂方式分為埋砂法、落砂法和刷鍍法等．

目前，國內(nèi)外的學者對上砂工藝進行了諸多研究．孫建章等在上砂槽的內(nèi)壁粘覆原子膜，其上布置金剛石微粉［2］．線鋸基體埋于微粉之中，以20 mm／min的走線速度完成上砂．上砂槽結構如圖1所示．

圖1 上砂槽結構簡圖

段志明等設計了一種使用懸浮法（落砂法）制造線鋸的上砂槽［3］．懸浮在電鍍液中的金剛石微粉隨鍍液上涌，與基體金屬線接觸、碰撞，完成上砂．上砂槽剖視圖如圖2所示．

圖2 上砂槽剖視圖

Chiba Y等研究了氈刷的超高速電鍍技術，在上砂槽內(nèi)放置可以高速旋轉的氈刷，使基體金屬線接觸氈刷，兩者之間產(chǎn)生一定的摩擦，微粉顆粒通過磁力攪拌裝置懸浮在鍍液中，落至氈刷上完成上砂［4］．其上砂圖如圖3所示．

目前，連續(xù)電鍍制造金剛石線鋸主要以上述3種方式為主．這3種代表性的方式都存在著不足之處：基體金屬線對鍍液中的微粉吸附能力［5］不足；攪拌引起的鍍液流動對微粉的上砂固結產(chǎn)生沖擊，微粉固結困難；鋸絲微粉密度低．本文就金剛石線鋸上砂電鍍工藝參數(shù)對微粉密度的影響進行研究和探討．

圖3 氈刷上砂圖

1 線鋸微粉密度

截取制備好的鋸絲10 cm，用體積比1∶4的HNO3溶液將其加熱溶解鍍層，殘留金剛石微粉經(jīng)沖洗［6］、過濾、烘干、稱重得質(zhì)量M．鋸絲表面積S＝ΠDL（D—線鋸直徑，L—鋸絲長度）．則微粉密度ρ為：

2 實驗材料和儀器

選取直徑0．25 mm的琴鋼絲（開方線）為基體，粒徑22～38μm的金剛石微粉（表面鍍膜）為磨料，以瓦特鍍液為基礎鍍液，所用電鍍電源為DDK－Ⅱ實驗電源，氣泵為微型調(diào)速氣泵．微型調(diào)速氣泵及氣泵調(diào)速器分別如圖4和圖5所示．

圖4 微型調(diào)速氣泵

陽極為表面包有陽極袋且直徑為6 mm的鎳棒．所用上砂電鍍裝置結構圖如圖6所示．

上砂管內(nèi)孔直徑為100 mm，長度為800 mm，管中鍍液高度為750mm．4個氣管通過閥門連接氣泵的出氣孔，氣管插至上砂管底部．基體鋼絲線由進線孔進入上砂管，受調(diào)速器控制的氣泵吹氣攪拌鍍液，使金剛石微粉懸浮起來，與鋼絲線基體接觸、碰撞完成上砂固結．

3 實驗與分析

3．1 氣動攪拌對鋸絲微粉密度的影響

鋼絲線基體完成預鍍之后，進入上砂管中進行上砂電鍍．上砂電鍍液的配方和工藝參數(shù)如表1所示．

氣泵吹氣造成的鍍液流動會對微粉的固結產(chǎn)生沖擊，使得上砂困難．通過調(diào)節(jié)氣泵電機的轉速進而調(diào)節(jié)出氣量，可以減弱鍍液流動對微粉固結的沖擊．因此，需要對氣泵的出氣量進行精密調(diào)節(jié)．將電流密度設定為1 A／dm2，基體走動速度設定為100 mm／min，通過調(diào)節(jié)氣泵電機轉速來制造微粉均勻致密的線鋸．將電機轉速分別設定為 40 r／min、60 r／min、80 r／min、100 r／min、120 r／min、140 r／min．在各種轉速下制得的鋸絲經(jīng)SEM拍攝得到的圖片如圖7所示．

表1 鍍液配方與工藝參數(shù)

將在各個氣泵電機轉速下制得的鋸絲處理后，根據(jù)式（1）可計算得出對應微粉的平均密度．氣泵電機轉速及對應的鋸絲微粉密度如表2所示．

從表2中可以看出，當電機轉速在100～120 r／min時，鋸絲微粉較為稠密．采用黃金分割法對這個數(shù)值段進行分割，得出如表3所示的4組數(shù)值．

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當氣泵電機轉速為110r／min時，將鋸絲處理后可計算得出微粉密度為1．31 Ct／dm2．

表2 氣泵電機轉速及對應的鋸絲微粉密度

表3 電機轉速及對應的鋸絲微粉密度

由表2、表3可以看出，鋸絲微粉密度隨著電機轉速的增加而變大，在電機轉速為107～112 r／min時，上砂密度達到頂峰．究其原因：當轉速較低時，氣泵出氣量較少，鍍液向上涌動的速度不足以將微粉懸浮起來，微粉的重力起主導作用；當轉速較高時，氣泵出氣量變大，鍍液由上砂管底向上流動的速度增加，鍍液對微粉的浮力變大，微粉向上涌動［3］，在上砂管的某一段與鋼絲線基體保持相對靜止［7］，鋼絲線基體實現(xiàn)對微粉的物理吸附［5］，進而完成化學吸附，實現(xiàn)微粉的固結；當微粉向上浮動到最高位置時，微粉開始下沉，沉至某一位置時，鍍液對它的浮力和它自身重力保持平衡，微粉懸??；在此過程中，下沉的微粉、向上涌動的微粉、固結在鋼絲線基體上的微粉三者相互碰撞，會造成未來得及完成化學吸附的微粉從鋼絲線上脫落．

當氣泵電機轉速達到120 r／min時，微粉難以保持與鋼絲線基體的相對靜止，實現(xiàn)物理吸附的微粉越來越少，因此微粉密度呈下降趨勢．

3．2 陰極電流密度對鋸絲微粉密度的影響

將微型氣泵電機轉速設定在110 r／min，基體走動速度設定在100 mm／min時，通過改變陰極電流密度來考察鋸絲微粉密度的變化．將各個電流密度下制得的鋸絲處理后，計算其平均微粉密度．電流密度及對應的鋸絲微粉密度如表4所示．

表4 電流密度及對應的鋸絲微粉密度

圖8 燒焦的鋸絲（40×）

從表4可以看出，在允許的電流密度范圍內(nèi)，鋸絲微粉密度隨著電流密度的增大呈變大趨勢；當電流密度在3～8 A／dm2之間時，鋸絲上的微粉出現(xiàn)了“抱團”現(xiàn)象．電流密度為4．5 A／dm2時的鋸絲微粉分布如圖9所示．

圖9 鋸絲微粉分布圖

微粉團聚的原因是：當陰極電流密度變大時，鋼絲線基體對微粉的物理吸附增強，在保證微粉懸浮狀態(tài)良好的情況下，表面吸附有電荷的微粉顆粒向帶電基體移動的趨勢更明顯；當固結在基體上的金剛石微粉變?yōu)閷w時，會對其他微粉顆粒產(chǎn)生吸附，直至堆摞成團．在切割加工過程中，微粉堆積成團的鋸絲更易脫落．除此之外，還會造成鋸絲線徑分布不均勻，從而對加工工件產(chǎn)生不利影響．因此，將陰極電流密度設定為2～3 A／dm2．切割玻璃棒后的鋸絲微粉分布如圖10所示．

圖10 切割玻璃棒后的鋸絲微粉分布圖

將微型氣泵電機轉速設定為110 r／min，線鋸基體走動速度設定為100 mm／min，電流密度設定為2．5 A／dm2時，制得的鋸絲微粉分布如圖11所示．

圖11 自制鋸絲微粉分布圖

4 結 語

將自制鋸絲和日本旭金剛石出品的鋸絲處理后，計算鋸絲微粉密度，得其平均值分別為1．36 Ct／dm2、1．64 Ct／dm2．可以看出，自制線鋸的上砂密度與世界最為先進的日本線鋸的上砂密度接近，但還有一定差距．

［1］ 王亮亮，王秦生．電鍍金剛石線鋸上砂方式的進展［C］．鄭州：中國（鄭州）國際磨料磨具磨削技術發(fā)展論壇，2011．

［2］ 孫建章，呂玉山，李艷杰．電鍍金剛石長絲鋸制造的實驗研究［J］．機械制造，1999（6）：56．

［3］ 段志明，賀躍輝，周勇，等．一種生產(chǎn)金剛石線鋸的電鍍槽：中國，201010154814．2［P］．2010－08－11．

［4］ Chiba Y，Tani Y，Enomoto T，et al．Development of High Speed Manufacturing Method for Electroplated Diamond Wire Tools［J］．Annals of the CIRP，2003，1（52）：281－284．

［5］ 王森林，曹學功．鎳－金剛石復合電鍍的研究［J］．華僑大學學報，1998，19（14）：354－357．

［6］ 竇百香．電鍍金剛石線鋸快速制造工藝及設備的研究［D］．青島：青島科技大學，2009．

［7］ 高偉，段俊偉．一種電鍍金剛石絲鋸的制造方法：中國，200910137822［P］．2009－04－21．

The Effect of Sand－tacking－on Progress of Diamond Wire Saw on the Powder Density

WANG Liang－liang，WANG Qin－sheng
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

Theφ0．25 mm piano wire is used as matrix，coating diamond powder between 22 and 38μm is chosen as abrasive in this paper．Watt－type solution and sand－falling－electroplated are used to produce electroplated diamond wire saw with pneumatic mixing．The test shows that，the stable diamond powder density of wire saw can be made when the speed of air pump motor is 100～120 r／min and the speed of wire moving is 100mm／min，at the same time，the current density must be 2～3 A／dm2．

diamond wire saw；sand－tacking－on；diamond powder density；cathodic current density

TQ164；TQ153

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2012．03．012

1671－6906（2012）03－0053－05

2012－03－06

王亮亮（1985－ ），男，河南新鄉(xiāng)人，碩士生．