杜利利，王永寶，李媛媛，吳 珂，劉天立

(鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引言

電鍍超硬材料砂輪因成型精度高、磨削鋒利度好、免修整等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類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、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。電鍍砂輪制作工序包含前處理、預(yù)鍍、上砂及加厚、修整檢測(cè)等多道工藝步驟，其中關(guān)鍵瓶頸工序?yàn)樯仙?，主要有埋砂和撒砂法[5-6]。兩種工藝對(duì)操作技能依賴大，工藝過(guò)程可控性差，上砂精度及穩(wěn)定性難以保證，且生產(chǎn)效率較低。

本文采用一種自動(dòng)懸浮法工藝，設(shè)計(jì)制作專用治具，電鍍砂輪的預(yù)鍍、上砂及加厚全過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，上砂精度穩(wěn)定可靠。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

磨輪：自制，規(guī)格為120 mm×25 mm×10 mm，D170/200(圖1)。

設(shè)備：懸浮上砂自動(dòng)化設(shè)備(自制)，手持顯微鏡，三維視頻形貌分析儀，輪廓形狀測(cè)量?jī)x。

圖1 電鍍金剛石磨輪成品圖Fig.1 Product diagram of electroplated diamond grinding wheel

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

選取一款電鍍金剛石磨輪(規(guī)格為1A1，120×25×10，D170/200)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，自制磨輪基體進(jìn)行電鍍工藝實(shí)驗(yàn)，手持顯微鏡觀察磨料層分布狀態(tài)，輪廓儀檢測(cè)磨輪直線度。

1.3 正交實(shí)驗(yàn)

以上砂次數(shù)、上砂電流、上砂時(shí)間三個(gè)影響因素為主要探究因素，做3因素3水平正交實(shí)驗(yàn)(表1)，制得正交表L9(33)，以鍍后直線度作為考察依據(jù)。

表1 影響因素與水平表Table 1 List of influencing factors and levels

2 結(jié)果與討論

2.1 磨料添加量及攪拌轉(zhuǎn)速對(duì)懸浮上砂效果的影響

添加量搭配合適的攪拌轉(zhuǎn)速，以達(dá)到最佳上砂效果，列表探究磨料添加量及設(shè)備轉(zhuǎn)速對(duì)懸浮上砂效果的影響，實(shí)驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 磨料添加量及轉(zhuǎn)速對(duì)磨料懸浮上砂效果的影響Table 2 Influence of abrasive content and rotational speed on suspension effect

由表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，磨料添加量為1000 ct，轉(zhuǎn)速?gòu)?0 r/min提高到100 r/min，均出現(xiàn)缺砂問(wèn)題，進(jìn)一步將添加量提升至1500、2000 ct，轉(zhuǎn)速為80、90 r/min上砂效果均較好。而當(dāng)轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，又出現(xiàn)缺砂現(xiàn)象，分析為攪拌強(qiáng)度過(guò)高，鍍液流動(dòng)太大，導(dǎo)致表面未把持牢固的磨料發(fā)生沖擊脫落而形成缺砂。根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，保證磨料充分使用，明確鍍槽中磨料添加量為1500 ct，設(shè)備攪拌轉(zhuǎn)速確定為80 r/min。

2.2 上砂工藝參數(shù)對(duì)比

以磨料層初始直線度精度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，按表1所示因素水平表，根據(jù)L9(33)正交表對(duì)上砂次數(shù)、上砂電流密度及上砂時(shí)間進(jìn)行3因素3水平正交實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 上砂工藝參數(shù)DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 3 DOE experimental designdata of sand loading process parameters

以表3直線度數(shù)值作為水平觀測(cè)值，計(jì)算得出各水平的觀測(cè)平均值(表4)，再通過(guò)各因素A、B、C觀測(cè)平均值最大值減去最小值計(jì)算出相應(yīng)極差，可以得出，對(duì)于鍍后磨料層直線度的影響因素排序?yàn)锳>C>B，較優(yōu)的電鍍工藝為A2B1C1，即電鍍磨輪批量制作工藝：上砂次數(shù)6次，上砂電流密度1.0 A/dm2，上砂時(shí)間為60 s。進(jìn)一步使用該最優(yōu)組合進(jìn)行3組平行實(shí)驗(yàn)，磨復(fù)印件檢測(cè)直線度均在0.01 mm以下。

2.3 懸浮上砂與埋沙法磨料層分布均勻性對(duì)比

懸浮上砂在最優(yōu)工藝參數(shù)條件下進(jìn)行樣品制作，與埋砂法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，相較于埋砂法，懸浮上砂磨料分布更加均勻，濃度適中，且無(wú)團(tuán)聚、缺砂現(xiàn)象。

表4 正交實(shí)驗(yàn)極差計(jì)算表Table 4 Calculation of range of orthogonal test

圖2 懸浮上砂(a)與埋砂法(b)磨料層分布均勻性對(duì)比Fig.2 Comparison of abrasive distribution uniformity between suspended sand(a) and sand burying method (b)

2.4 加厚均勻性實(shí)驗(yàn)探究

在電鍍加厚過(guò)程中因受尖端效應(yīng)的影響，組裝好的磨輪中靠近兩側(cè)邊電流密度大，導(dǎo)致磨料埋入率深，同批次間加厚不均勻。分別采用陽(yáng)極遮蔽及陰極輔助的方式對(duì)加厚均勻性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

2.4.1 陽(yáng)極遮蔽對(duì)加厚均勻性影響

采用鉛板遮蔽部分陽(yáng)極，進(jìn)行電鍍實(shí)驗(yàn)。兩側(cè)與中間磨料層出刃高度仍存在差別，兩側(cè)磨料出刃高度35 μm，低于中間砂輪磨料層出刃高度44 μm，見(jiàn)圖3。

圖3 陽(yáng)極遮蔽方式兩側(cè)(a)與中間(b)砂輪磨料層出刃高度對(duì)比Fig.3 Comparison of grinding wheel abrasive edge height on both sides(a) and middle (b) of anodic masking method

2.4.2 陰極輔助對(duì)加厚均勻性影響

制作直徑180 mm、厚度為2 mm的鋼板作為陰極輔助探究同批次加厚均勻性，同批次兩側(cè)與中間砂輪磨料層出刃高度無(wú)明顯差異，磨料出刃高度約為43 μm，同批次產(chǎn)品磨料層加厚均勻，見(jiàn)圖4。因此，采用陰極輔助方式，避免制作過(guò)程中的尖端效應(yīng)，可解決電鍍磨輪同批次間加厚不均勻的問(wèn)題。

圖4 陰極輔助方式兩側(cè)(a)與中間(b)砂輪磨料層出刃高度對(duì)比Fig.4 Comparison of grinding wheel abrasive edge height on both sides(a) and middle (b) of cathode assisted mode

2.5 磨削性能測(cè)試

2.5.1 加工參數(shù)

工件：材質(zhì)為鎢鎳合金，硬度為HBS460。

加工參數(shù)：轉(zhuǎn)速3600 r/min，加工余量單邊0.20 mm，進(jìn)給方式為手動(dòng)進(jìn)給，成形磨削，每次退刀0.20 mm，往復(fù)磨削4次，吃刀深度0.03～0.05 mm。

2.5.2 磨削性能對(duì)比

將兩種工藝試制樣品進(jìn)行磨削性能測(cè)試，由表5中數(shù)據(jù)得知，懸浮法工藝制作出的砂輪磨削效果優(yōu)于埋砂法工藝，工件表面質(zhì)量好，粗糙度小，砂輪使用壽命提升41%。

表5 懸浮法與埋砂法磨削結(jié)果對(duì)比Table 5 Comparison of grinding results between suspension methodand sand burying method

3 結(jié)論

(1)采用實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的懸浮上砂工藝，并借助自制的專用治具和專用設(shè)備，研制出電鍍磨輪產(chǎn)品，實(shí)驗(yàn)探究出最佳磨料添加量1500 ct和攪拌轉(zhuǎn)速80 r/min，得出最優(yōu)上砂效果。

(2)通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)得出最佳懸浮上砂工藝參數(shù)為上砂次數(shù)6次、電鍍密度1.0 A/dm2和上砂時(shí)間60 s。

(3)借助輔助陰極方式，確保了磨料層出刃高度均勻一致。

(4)通過(guò)本文實(shí)驗(yàn)工藝方法研制出的砂輪樣品，上砂分布均勻，出刃高度一致，磨削工件直線度、加工表面質(zhì)量及使用壽命均優(yōu)于傳統(tǒng)埋砂工藝，應(yīng)用效果較好。