金剛石滾輪的制造方法可分為電鍍法和燒結(jié)法兩大類。其特點、精度等特性列入表1 中。
　　1　隨機分布內(nèi)鍍法(U Z 法)
　　用鋼或高強度石墨材料制造一個與滾輪形狀相反的內(nèi)型腔, 常稱陰模。陰模的幾何精度比滾輪精度高1ö3 以上[ 2]。先在陰模內(nèi)壁用電鍍的方法將金剛石結(jié)合牢固, 再將鍍層加厚到2～ 3mm, 使其具有足夠的強度及剛性。然后將其與預(yù)制好的鋼芯型組合起來, 并澆鑄入低熔點合金于陰模內(nèi), 待該合金冷卻后, 剝?nèi)リ幠２⑹菇饎偸耆┞冻鰜怼＿@種滾輪不經(jīng)修整即可達到很高的精度。此外由于選用金剛石強度工作面上很高及雜質(zhì)含量極少, 顆粒度又較手植法的細, 因此, 在滾輪工作面上單位面積的金剛石顆粒多, 參與修整的切削刃多, 磨削負(fù)荷分散, 磨損少, 形狀精度保持性好, 有利于滾輪延長使用壽命。據(jù)溫特公司介紹, 這種滾輪壽命在1 萬至數(shù)萬次間。
　　1. 1　金剛石選用
　　可選用天然金剛石或人造金剛石。根據(jù)本方法, 一般選用品質(zhì)較優(yōu)、粒度偏細的天然金剛石。若是人造金剛石則選用MBD8 以上至SMD25 的優(yōu)質(zhì)高品級金剛石, 而且是晶形好、雜質(zhì)含量低的金剛石, 方能保證滾輪壽命。
　　據(jù)資料[3]報導(dǎo), 在生產(chǎn)條件下進行的全壽命試驗表明, 完全可以用耐熱人造金剛石制造修整滾輪。這種工具可以在整個工作期間內(nèi)穩(wěn)定地保證加工質(zhì)量要求,只是其耐用度有限。在具體加工燃氣渦輪發(fā)動機葉片榫槽的條件下, AC65T-500/400 型金剛石精密滾輪的保證耐用度為不少于修整15000 次。
　　1. 2　陰模加工
　　陰模材料可選用45# 鋼; 高強度、高純度石墨, 其孔隙率低于18%。以45# 鋼為例, 對其工藝流程說明如下:
　　(1) 粗車　首先車出工藝卡頭然后調(diào)頭車外圓并留磨量, 接著車端面以及車內(nèi)腔型面, 并且只車溝槽, 不車出齒頂面。
　　(2) 鉆孔、攻絲　主要用作電鍍上夾具及剝殼時用。
　　(3) 熱處理　內(nèi)型面淬火為油中定性(RC42)。
　　(4) 磨外圓、內(nèi)孔及端面　用萬能磨床加工。
　　(5) 研磨端面　為磨內(nèi)型面時找正用。
　　(6) 磨內(nèi)型腔。
　　如果選用石墨材料制作陰模, 則一般采用樣板刀來加工內(nèi)型腔, 因此, 樣板刀就成了滾輪制造環(huán)節(jié)的重要部件之一。陰模的設(shè)計是根據(jù)用戶對工件的要求而預(yù)先設(shè)計出滾輪的外型。生產(chǎn)中, 金剛石修整滾輪所需的公差通常等于工件尺寸和形狀公差的2/3, 同時還要考慮滾輪裝配時的校準(zhǔn)和使用要求。因此, 滾輪的一端有一個3mm 的校準(zhǔn)肩, 另一端有一個1mm 寬的凸臺。校準(zhǔn)肩供裝配時作修整校正用, 因為它與孔及滾輪表面同心。凸臺則是防止其相鄰的墊圈或法蘭與滾輪的金剛石層直接接觸。因此, 陰模的尺寸和形狀公差就必需保證未來滾輪的尺寸精度, 其總的寬度也必需保證滾輪的校準(zhǔn)肩和凸臺的存在。
　　1. 3　芯子加工
　　芯子一般用45# 鋼制作, 內(nèi)孔留單邊余量015mm。芯子外圓車成后開橫豎溝槽, 目的是增加低熔合金與芯子間的連接牢度, 熱處理達HRC42。
　　1. 4　輔助工具加工
　　輔助工具主要是電鍍用的有機玻璃絕緣夾具和澆鑄低熔合金時夾具, 其示意如圖1、圖2。
　　2. 1. 5　金剛石滾輪內(nèi)鍍
　　電鍍的工藝流程如下: 45# 鋼陰模→汽油清洗→裝絕緣夾具→電化學(xué)除油→弱酸活化處理→帶電入槽并上砂→加厚→卸砂后電鍍增厚。
　　在電鍍過程中應(yīng)嚴(yán)格注意下列問題:
　　(1) 金剛石需經(jīng)嚴(yán)格的凈化處理, 有條件的最好經(jīng)熱化學(xué)處理以除去含雜質(zhì)較高的不良顆粒。
　　(2) 裝夾絕緣夾具必須保證整個電鍍過程中電解液不會破壞陰模, 尤其要保證位于陰模端部和一端外圓上的基準(zhǔn)測量帶。
　　(3) 除油和弱酸活化處理必須保證不使陰模精度受損。
　　(4) 上砂及加厚鍍層時的電流密度至關(guān)重要。由于陰模型腔復(fù)雜, 存在尖端及凹槽, 因此電流盡可能選擇下限, 而且要采取讓陰模運動(如往復(fù)平移或轉(zhuǎn)動) 和使電解液對流的措施(用泵將鍍槽內(nèi)的電解液抽至高位槽, 經(jīng)過濾后再注入鍍槽的方法)。
　　(5) 由于陽極面積遠小于陰極面積, 在加厚及增厚鍍層時, 陽極易于鈍化和被陽極泥渣覆蓋。因此, 應(yīng)準(zhǔn)備一副備用陽極, 以便及時更換并清洗活化在用陽極。
　　( 6) 上砂時應(yīng)用一細棒在靠近陰模型上搗實金剛石, 以使金剛石與各點都能緊密接觸, 使內(nèi)型腔上的金剛石分布均勻, 不出現(xiàn)空白點。此外在上砂過程中還要用細棒攪動金剛石, 使滯留在里邊的氫氣泡及時排出。
　　(7) 增厚鍍層時, 應(yīng)盡可能用高的電流密度, 以節(jié)約制造時間; 在到達快結(jié)束前1～ 2h, 讓電流密度更大些,以使鍍層表面粗糙, 這樣能增強澆鑄低熔合金與鍍層的結(jié)合牢度。電鍍時主要工序的工藝參數(shù)見表2。
　　電鍍的示意圖見圖1。
　　1. 6　澆鑄低熔點合金
　　
　　將電鍍好的陰模與芯子組裝成圖2 所示的結(jié)構(gòu), 在空腔中澆鑄入低熔點合金。低熔點合金的選擇原則是: 固態(tài)時其線脹系數(shù)與電鍍陰模材料的線脹系數(shù)越接近, 對滾輪精度的影響越小; 點盡可能低, 最好選擇熔點在200℃左右的低熔合金。生產(chǎn)實踐證明; 焊錫熔點為198℃, 其線脹系數(shù)對滾輪精度影響很小, 可以用于生產(chǎn)。但必須探索出變化規(guī)律, 將產(chǎn)生的誤差在陰模設(shè)計時加以校正, 以確保滾輪精度, 也有用環(huán)氧樹脂作粘結(jié)材料的。
　　2. 1. 7　組裝后的機械加工
　　(1) 加工內(nèi)孔　在高精度內(nèi)圓磨床上將工件找正,使端面的跳動≤0. 0015mm, 外圓跳動≤0. 002mm (找正依據(jù)是陰模加工時預(yù)置好的測量帶)。然后磨內(nèi)孔并留研磨量0. 05mm 左右。研磨后的內(nèi)孔錐度在0. 002mm以內(nèi), 與軸的配合間隙為0. 001～ 01002mm, 光潔度達D10。內(nèi)孔加工是滾輪精度和壽命的重要保證, 切勿疏忽, 否則將前功盡棄。
　　(2) 端面加工　在外圓磨床上磨兩端面, 以保證孔與端面的垂直度。
　　(3) 剝殼　在車床上用低速慢進給并用大量冷卻液冷卻, 車出陰模的外殼大部, 留單邊0. 5mm 左右, 然后用外圓磨床磨到露出齒端, 在車床上用成型刀車出溝槽, 刀子不可接觸到電鍍層; 最后用成型磨輪將剩余的陰模材料磨除, 露出滾輪的所有金剛石鍍層面。
　　1. 8　滾輪精度檢測
　　通常不可直接測量滾輪的型面, 因為金剛石會損傷量具。通用的方法是用滾輪修整砂輪, 再用砂輪磨出一個工件(可以是加工產(chǎn)品, 亦可以是專門用于測量的樣板) ,然后對工件進行測量, 并將詳細記錄實測結(jié)果附于滾輪包裝盒內(nèi), 作為提供用戶使用時的資料。值得提出的是, 無論是滾輪基體(陰模) 加工還是澆芯后的機械加工, 如果具備現(xiàn)代化的數(shù)控加工中心將會使加工作業(yè)變得容易些, 而且精度將更有保障。
　　2　手植金剛石內(nèi)鍍法(U s 法)
　　該型滾輪的內(nèi)型腔面上的金剛石是預(yù)先按設(shè)計好的排列圖用手工一顆顆“植上”的, 其方法是先在預(yù)置好的陰模內(nèi)腔噴上一薄層膠, 膠的厚度不超過5Lm, 膠必須有導(dǎo)電性, 再用真空吸筆將金剛石按要求粘于型面上, 其余工序與U z 法同。由于要用手工植砂, 所用金剛石的粒度粗, 因此, 對某些齒頂(或齒根) R 過小(如絲錐、螺紋用滾輪) 時不適宜用該法制造。另外, 由于膠的存在對滾輪最終精度有一定影響, 因此, 最終還要對滾輪進行精修。圖3 示出了U s 法滾輪的表面金剛石排列狀況及結(jié)構(gòu)示意t圖.
　　金剛石在滾輪表面的分布密度視粒度不同而異, 一般在10～ 80 粒ö cm2 左右, 如果用100 粒ö克拉的金剛石, 其表面分布密度為30～ 40 粒ö cm2。U s 法生產(chǎn)的滾輪, 其陰模制作、電鍍工藝及澆芯剝殼等與U z 法類同, 此處不再贅述。
　　3　金剛石隨機分布外鍍法(S 法)
　　根據(jù)加工工件的要求, 先設(shè)計和加工出滾輪基體, 其形狀尺寸與工件一致, 精度則高于工件, 基體一般選用45#鋼并經(jīng)淬硬處理。選用高強度粗顆粒的人造金剛石。S 法制造的滾輪精度比內(nèi)鍍法差, 這主要是因為同粒度金剛石其粒徑不可能一致, 因此, 采用該法鍍上金剛石后, 其外緣輪廓包絡(luò)線與基體的原始輪廓不可能一致; 其次是電鍍很難做到在基體各部位金屬沉積速率完全一致, 在凸部沉積速率高, 而凹部沉積速率低, 使鍍后滾輪形狀變化、精度下降, 雖然可以通過修整使精度提高, 但仍然很難做出高精度的滾輪。外鍍法制造滾輪的優(yōu)點是制造過程簡單、周期短、成本低, 因此, 其在用于制作工件要求精度不高時是合適的。圖4 示出了S 法生產(chǎn)的金剛石滾輪表面磨粒分布及滾輪結(jié)構(gòu)。S 法制造金剛石滾輪的電鍍工藝與一般的金剛石電鍍磨輪的工藝相同, 此處不再贅述。
　　4　手植浸漬燒結(jié)法(T s 法)
　　該法的特點是, 金剛石在滾輪型上呈規(guī)則排列。首先按照工件的形狀、尺寸和精度設(shè)計出滾輪外型, 并轉(zhuǎn)化成陰模。在陰模內(nèi)型腔表面上先涂一層粘膠, 然后將金剛石按表面分布排列圖的要求, 用真空吸筆將金剛石粘于型腔表面, 金剛石密度同U s 法, 即10～ 80 粒/cm2。將陰模置于石墨模具內(nèi), 填充入混制好的金屬結(jié)合劑骨架材料(多為碳化鎢或鎢粉等高耐磨材料) , 經(jīng)預(yù)壓(或搗實) , 置于真空或有保護氣氛的爐內(nèi)燒結(jié), 并浸滲入粘結(jié)金屬(可以為鎳鈷銅鋅錫等的合金, 在高溫下熔融并沿結(jié)合劑的毛細管滲入結(jié)合劑的各個部位) , 使金剛石與結(jié)合劑牢固結(jié)合。除去陰模后, 經(jīng)機械加工后即成滾輪。由于陰模多為高強度石墨材料用樣板刀加工而成,故易于除去。用T s 法制造滾輪應(yīng)采用大顆粒的金剛石, 不宜制作型面帶尖角(或R 很小) 的型面。這種浸滲燒結(jié)法因溫度高, 滾輪型面會產(chǎn)生變形, 而需進行修整。如采用人造金剛石制作滾輪, 對金剛石的耐熱性、雜質(zhì)等應(yīng)作出嚴(yán)格的要求, 金剛石應(yīng)進行熱化學(xué)處理, 淘汰掉低質(zhì)的顆粒后再用。圖5 為T s 法滾輪金剛石表面分布及結(jié)構(gòu)示圖。
　　2. 5　粉末冶金燒結(jié)法(T 法)
　　此法的特點是, 金剛石在結(jié)合劑中呈無序分布, 其制造方法類似于熱壓法制造的金剛石砂輪。金剛石要求強度高、耐熱性好、雜質(zhì)含量少, 粒度自然不及T s 法所用的粗。結(jié)合劑多用碳化鎢為骨架材料, 鈷等金屬為粘結(jié)金屬, 有很好的耐磨性和強度。壓模材料多為石墨, 基本為鋼材。金剛石層視用途而定, 最簿可做到1mm。T 法生產(chǎn)滾輪因高溫?zé)Y(jié), 變形量較大, 故一定要進行修整, 其精度才能滿足使用要求。圖6 為T 法生產(chǎn)的滾輪金剛石表面分布及其結(jié)構(gòu)示意圖。
　　參考文獻:
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　　[ 3 ]　沃凌鵬編譯. 人造金剛石修整滾輪使用過程中各項指標(biāo)穩(wěn)定性的研究[J ]. 金剛石與磨料磨具工程, 1995, (4) : 42.
　　徐湘濤(第六砂輪廠, 貴州貴陽550023)