（机械制造及其自动化专业论文）电镀金刚石工具加工玻璃材料的研究.pdf

摘要 电镀金刚石工具在加工不同类型硬脆材料时，所应具备的加工特性也不同， 有必要对电镀金刚石工具的制备技术进行研究，从而实现不同加工对象的高效、 高质量加工。 通过普通钠钙玻璃的铣磨加工试验，研究电镀金网0 石工具的加工特性。结果 表明：在玻璃加工过程中，加工工艺参数影响电镀金刚石工具磨损显著程度的顺 序是v 。 v r a p ，同时也发现电镀金刚石工具磨损包括金刚石磨损和结合剂磨损 两种情况。金刚石的磨损形式包括：破碎，磨平以及脱落。结合剂的磨损为：在 金刚石颗粒的前方形成较深的凹坑，两侧形成较浅的凹坑，金刚石磨粒的后面则 形成结合剂的隆起。随着磨削过程的进行，工具的结合剂逐渐参与磨削，玻璃磨 屑的颜色相应的由白色向黑色变化。 通过性能测试、组织观察以及钻孔加工试验，研究光学玻璃加工用电镀金刚 石工具的结合剂类型，寻求硬度和耐磨性配合良好。研究结果表明：亮镍电镀金 刚石工具无论组织还是使用性能，都是适合光学玻璃加工用的工具，具有良好的 加工效果、高的加工效率和良好的综合使用性能。耀亮镍作为电镀金刚石工具的 结合荆，并经2 0 0 。c 热处理，可以获得最佳的使用性能。本文的研究结果表明： 选择合理工具结合剂以及基体结构，采用试验确定的工艺，可以获得性能优良的 光学玻璃加工用电镀金刚石工具。 关键词：金刚石工具电镀光学玻璃钻孔组织 a b s t r a c t e l e c t r o p l a t e dd i a m o n dt o o l ss h o u l dp r e s e md i f f e r e n tm a c h i n i n gc h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt o d i f f e r e n tv a r i e t i e so fh a r da n db r i t t l em a t e r i a l s t h em a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g i e so ft o o l sa l en e e d e dt ob es t u d i e dt op r o d u c es u i t a b l et o o l s ，w h i c hc a d _ m a c h i n ed i f f e r e n tm a t e r i a l sw i t hh i g he f f i c i e n c ya n dq u a l i t y t h r o u g hg r i n d i n g e x p e r i m e n t s o fn a t r i u m c a l c i u m g l a s s ，m a c h i n i n g c h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o p l a t e dd i a m o n dt o o l sa r er e s e a r c h e d i n f l u e n c e so fm a c h i n i n g p a r a m e t e r so nt o o tw e a ra r ei no r d e ro fv , v f a p w e a ro ft o o l si n c l u d et w oa s p e c t s ， d i a m o n dg r i t sa n db o n d d i a m o n dg r i t sw e r eg r a d u a l l yc r a s h e d ，s m o o t h e da n d d i s l o d g e d w h i l ew e a lo fb o n dw a si n d i c a t e db yd e e p e rc r a t e r si nf r o n to fd i a m o n d g r i t s ，a n ds h a l l o wg r o o v et w os i d e so fd i a m o n dg r i t s w i t hg r i n d i n gp r o c e s s e s ，t h e b o n db e g a nt op a r t i c i p a t ei nm a c h i n i n go p e r a t i o n ，a n dc o l o ro fg l a s ss w a r fc h a n g e d f r o mw h i t et ob l a c k t h r o u g hp e r f o r m a n c em e a s u r e m e n t ，b o n ds t r u c t u r eo b s e r v a t i o na n dg l a s s d r i l l i n gh o l ee x p e r i m e n t ，b o n do fe l e c t r o p l a t e dd i a m o n dt o o l sa r es t u d i e d r e s e a r c h r e s u l t ss h o wt h a te l e c t r o p l a t e dd i a m o n dt o o l sw i t hb r i g h tn i c k e lb o n da r ea d e q u a t et o m a c h i n eo fg l a s sw i t i lb e t t e rb o n ds t r u c t u r ea n dm a c h i n i n gp e r f o r m a n c ee l e c t r o p l a t e d d i a m o n dt o o l s d t hb r i g h tn i c k e lc a nm a c h i n eg l a s sw i mh i g he f f i c i e n c ya n dq u a l i t y m o r e o v e r t h o u g h2 0 0 h e a tt r e a t m e n t t o o l sw i t hb r i g h tn i c k e lb o n dw o u l dh a v et h e b e s tm a c h i m n gp e r f o r m a n c e n ee l e c t r o p l a t e dd i a m o n dt o o l sw i t hh i g hp e r f o r m a n c e c a r lb eo b t a i n e db yr e a s o n a b l eb o n ds e l e c t i o na n df a b r i c a t i o np r o c e s s i n gd e s i g n k e y w o r d s ：d i a m o n dt o o l s e l e c t r o p l a t e d o p t i c sg l a s sd r i l l i n g s t r u c t u r e 独创性声明 本人j ，明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰，j 过的干究成果，也不包含为获得鑫壅盘鲎或其他教育机构的学位或讧e 锄币使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 件 【岍确的i 范州并表示了谢意。 学位论丈作者签名多锨签字闩期：击一口年o 月w | _ i _ 学位论文版权使用授权书 本学忙沦文作者完全了解鑫鎏盘鲎 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权玉盗盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进彳：_ 二检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向圈家有关 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密t l j 学位论文在解密后适用本授权浇明) 学位沦文f 1 行签名 五亥愿 导师签名 孑鹬 签川1 】l f j ：“犁年d 月加几 签字n 期：0 妒年年，z 月j 护| 1 1 电镀金刚石工具 第一章绪论 1 1 1 电镀金刚石制品的发展与应用 2 0 世纪3 0 年代，德国人取得了用电镀镍制造金刚石牙医钻头的专利，这是 金刚石电镀制品实际应用的开端。4 0 年代末，美国人进一步开发了用电镀镍制 造金刚石制品的技术。伴随着5 0 年代末人造金刚石的出现，金刚石电镀制品逐 渐获得工业应用。我国金刚石电镀制品是与树脂结合荆金刚石磨具一起，从6 0 年代发展起来的。后来逐渐开发了各种非磨削工具除磨具之外的其它电镀金 刚石工具。 超硬材料电镀工具作为十类技术先进的新型工具，它的发展是与科学技术的 进步联系在一起的。可以预料，随着科学技术和工业的不断发展，包括金剐石和 立方氮化硼在内的超硬材料电镀制品的应用将会更加广泛。 目前，超硬材料电镀制品有各种砂轮、磨头、什锦锉、套料刀、修整滚轮、 钻头、扩孔器、内外圈切割刀、铰刀、绳锯等各种各样的专用工具，在机械、电 子、建筑、钻探、光学玻璃加工等工业领域得到广泛应用。 会刚石工具最适宜加工硬而脆的难加工材料，例如硬质合金、光学玻璃、陶 瓷、宝石、石材、半导体、铁氧体以及碳化硼、刚玉烧结体等新型材料，金刚石 刀具和切割工具还适宜加工锅、铜、铅等软韧的有色金属及其合金，以及橡胶、 树脂、夹布胶木等难加工的复合材料“。 1 1 2 金刚石的特性 金刚石是目前发现的硬度最高、热传导性最好、锋利性较好的磨料。与各种 金属、非金属材料配对摩擦的磨损量仅为硬质合金试件的1 8 0 0 一l 5 0 ，是制作 切自u 工具最理想的材料。金刚石结构中，每一个原子都以理想四面体方式以 1 0 9 。2 8 键角与邻近四个原子结合。每个碳原予都是以纯共价键方式与邻近四个 碳原子结合，如图1 - 1 所示。 一碳原子 幽l 一1 金刚石原子结构示意图 金刚石有天然金刚石和人造金刚石两大类。它们具有许多独特的、优异的性 质，主要特点如下： 1 硬度和耐磨性极高。金刚石硬度很大，这里的硬度指的是莫氏硬度( 非抗 击性) ，是目前已知最硬的物体，定为十度”1 ，高于硬质合金和陶瓷的硬度数倍， 其优异的耐磨性随工件材料硬度与脆性的增大而尤为突出。 2 热膨胀系数低。其热膨胀系数约为高速钢的1 1 0 ，因而由切削热引起的 尺寸变化甚微，这对高精度刀具的要求是非常重要的。 3 导热率高。其导热率在矿物中居首位，远高于硬质合金和陶瓷刀具，因此 在切削中切削热容易散出，故切肖h 温度较低。 4 弹性模量高。在切削力作用下能在很大程度上保持刀具的原始几何参数， 刃部不易产生变形且能长期保持其锋利性。 5 加工精度高与摩擦系数低。由于刀具刃部锋利、刃蕊粗糙度小、刀具的切 削能力强，故切削精度高。此外，低的摩擦系数不仅使变形和切削力降低而鼠使 切削时不易，6 生积藩癌，敞可减小加工表丽的粗糙度。 6 金刚石的热稳定性差，当切自温度超过7 0 0 8 0 0 1 c 时，将发生同素异晶转 变而形成石墨，即完全嵌失会刚石的特征。另外金刚石与含铁、钴或镍的金属在 正常加工温度下会发生化学反应，所以通常不宜用来加工铁系金属、镍基或钴基 高温台金，而主要用于加工各种有色金属、非金属材料和复合材料。 会刚石作为超硬材料，不仅能提高工具的使用寿命提高，改善被加：i ! 件的质 量，而且还可以解决一些过去难以加工的问题。 1 1 3 电镀金刚石工具特点及研究重点 电镀金刚石工具是指通过金属电沉积的方法，将令刚石飘结在具有特定形状 的钢基体上制作而成的一类金刚石工具，厂泛应用于机械、电子、玻璃、建材、 碳原f 幽卜l金网0 丽原子结构示意圈 金刚石有天然金刚石和人造金刚石两大类。它们其有许多独特的、优异的性 质，主要特点如下： 1 硬度和耐磨性极高。金刚石硬度很大这里的硬度指的是莫氏硬度( 非抗 击性) ，是目前已知最硬的物体，定为十度“1 ，高于硬质合金和陶瓷的硬度数倍， 其优异的耐磨性随工件材料硬度与脆性的增大而尤为突出。 2 热膨胀系数低。其热膨胀系数约为高速钢的i 1 0 ，因而由切削热引超的 尺寸变化甚微，这对高精度刀具的要求是非常重要的。 3 导热率高。其导热率在矿物中居首位，远高于硬质台金和陶瓷刀具，因此 在切削中切削热容易敞出，敲切削温度较低。 4 弹性模量高。在切削力作用下能在很大程度上保持刀具的原始几何参数 刃韶不易产生变形且能长期保持其锋利性。 5 加工精度高与摩擦系数低。由】i 二刀具刃部锋利、刃碰粗糙度小、刀具的切 削能力强，敞切削精度高。此外，低的摩擦系数小仪使变形和切削力降 氏j 珀hj f 切削时不翳，“生积祷瘤，故可减小n j - 表丽的释l 槛度。 6 金刚石的热稳定性差，当切削温度超过7 0 0 - 8 0 0 c 时，将发生同囊异晶转 变而形成石墨，即完全丧臾余刚石的特征。另外金刚石与含铁、钴或镍的金属在 正常加工溜度下会发生化学反应，所以通常不宜用来加工铁系金属、镍基或钴基 高温台金，而辛要埔于加工各种有色金属、非金禧材刳平u 复合材料。 盒刚石作为超硬材料，不仅能提高工具的使用寿命提高，改善被) h - i i 件的质 量，而且还町以解决一些过去难以加工的问题。 11 3 电镀金刚石工具特点及研究重点 电镀金刚石工具是指通过奔属电沉积的方法，将金刚缸网结存县有特定彤状 的钢基体 制作而成的类命刚石工具，广泛应用于机械、电子、玻璃、建材、 的钢皋体上制作而成的类令刚石工具，广泛应用予机械、电了、玻璃、建栩、 第一帮绪论 石油钻探等行业。采用电镀方法代替传统的压铸烧结法，不仅投资少、成本低 而且避免了会刚石的氧化，保证了会刚石的硬度和锋利性。 随着经济的发展，科学技术的进步，电镀金刚石工具的应用范围在不断扦i 展。 不同的行业，对电镀金刚石工具的要求是相同的，即较高的加工效率及尽可能长 的使用寿命。金刚石工具的性能在很大程度上取决于包镶余刚石的基体性能。基 体金属的作用，一方面是固定并机械包镶金刚石，另一方面是使金刚石能适时适 量地出露或自锐。要保证这两点，镀层金属不仅要有较高的硬度、耐磨性，盒刚 石磨粒在基体各个部分要均匀分布，而且镀层金属与钢基体的结合力必须良好， 以免镀层脱落使工具寿命提前终结。由此可见，电镀金刚石工具效率和使用寿命， 不仅与金刚石的品级有关，而且与镀层金属有关。 金网石晶体共价健的饱和性和方向性，决定了金刚石在物理、化学性质一卜的 惰性，因此，金刚石工具中，金刚石与金属结合剂的粘结力很小，在使用期间， 金刚石易于碎裂或早期脱落，影响了金刚石工具的使用性能和寿命，这也是当前 迫切需要解决的问题。 因为基体金属的性能决定了金刚石工具的工作效果，因而研究电镀金刚石：【： 具主要是研究电镀基体金属。电镀的目的就是通过使基体金属晶粒细化、组织致 密以及使基体金瘸中渗入异类余属原子造成各种形式的晶格酶变等合金化的途 径来强化基体金属“一。 1 2 玻璃材料的电镀金刚石工具加工技术 1 2 1 电镀金刚石工具在光学玻璃工业领域中的地位和作用 光学玻璃，通常是指光学仪器所用的玻璃，广泛应用于现代工业、农业、园 防和科学文化事业上所用的各种光学仪器和光学镜头，目前在工业上大量生产和 应用的各种冕牌和火石玻璃有两大类、1 6 个品种、近2 0 0 种牌号。 光学玻璃加工己有几个世纪的历史，为了满足多种多样的要求，需要将光学 玻璃制造成各种曲率的球面透镜及反射镜，还有各种非球面镜如抛物面、椭球面、 双曲面镜等，还制成各种复杂的棱镜。自古以来人们一直使用逐步研磨玻璃的方 法，来使玻璃达到需要的面形及粗糙度。近年来，随着光学工业“金刚石革命” 的深入和扩大，固着磨料的应用日益普及。利用会刚石作为固着磨料加工光学玻 璃在2 0 世纪6 0 年代国外已正式用于生产，围内从2 0 世纪6 0 年代的中期丌始研 究，从会刚石磨轮的铣磨技术发展到金刚石磨片的高速精磨，取得了很大的进展。 采用电镀会剐石套料刀，可以直接在光学玻璃板材上套取各种规格的光学仪 珂：蕈绪沦 采用即镀金刚石套料刀，可以直接在光学玻璃板材上套取各种规格的光学仪 器镜头的剧坯，这与以前先切成方块，再用金刚石青铜砂轮逐步加工成圆坯的旧 工艺相比，犬大节约了原材料，减少了工序，提高了工作效率。幽外新出现的用 电镀方法制造的网状柔软磨片，是研磨和抛光光学镜头的种先进：f ：县。这些电 镀会刚石制，i 与金刚石杯形砂轮、磨边砂轮、金剐石精磨片、超精磨片等i = 其 起，实现j ，j l 巳学玻璃加工从下料、切割、铣磨、磨边到凹凸面的精磨抛光等一系 列工艺的全面革新。“1 。 1 2 2 金刚石颖粒在加工时的状态 电镀禽刚石工具用结合剂将余冈4 石固着起来，对于固若在工具表面上并沿v 方向运动的金刚石磨料而言，在外载荷为p 尉，单颗磨料受到来自加工对象的作 用力为1 ) = ，如图卜3 所示“。下面分析磨料浓度、颗粒直径、品级、形状等因素 对会刚石縻料加工性能的影响。 固着命刚石颗粒之间的距离主要决定于浓度，与它们本身的尺寸只有很小的 笑系。斟此在粒度一定时单颗磨科上的压力随浓度的增大而减小，当浓度一 定时，压力髓磨料尺寸的增大而增大。而且，不可能所有的磨料同时都参加材料 的去除过利只有和玻璃表面接触的突出结合荆表面最高的那些磨料参加去除过 程。参与木爿科去除过程的固着磨料，在玻璃表面上只有滑动，突出在结合剂外的 余刚石会逐渐磨损、破碎，但只要结合剂仍把持着它，它还能继续起作用。 l - l ：具 2 一玻璃 图卜3 单颗粒i 刊着磨料的受力状况“。 会刚顺粒的加工性能和耐磨性，还与金刚石本身的特性和加i 条件有父“ 不同，种的盒刚石具有不同的加工性能和耐磨性。等轴金刚石磨料的强度最犬。 第一章绪论 一-_h_h_h_-h-h-_-_一 然而在| 亓】。 擐其中余剐石颗粒可能有各种不同的形状，而且排列取向一般足任意 的。因此， 一股只有1 0 1 7 的金刚石磨料起到有用的作用。如果增加等轴形磨 料的数量和在刀具表面上能按要求的方向排列磨料，就会大大提高磨具的加工效 率。 如果金刚石的磨损和脱落过程与结合剂的磨损过程达到平衡，那么在整个加 工周期内二t 蜞的表面状况和磨料的切削能力就会保持不变。此时，我们可以说工 具得到了“自锐”。这正是我们所希望的。 用会刚“工具加工玻璃表面时，存在三种状态。 第一种状念是磨具上磨料的突出部分完全埋入玻璃，结合剂和玻璃发生接 触。在这种 | 况下，磨料经受很大的作用力而严重地钝化和破砰，最后磨具失去 了磨削作刚这种状态是绝对不希望的。 第二种状态是磨削发生在不太深的玻璃层，和第一种状态相比，切削状态有 所改善。 第三利l 状态是最佳切削状态。此时玻璃表面和结合剂不直接接触，丽金刚石 颗粒突出翻；分只有大约e i o ( e 是指余刚石颗粒暴露在结台剂外面的高度) 进入 玻璃内部。庄结合剂和玻璃之问保留有足够的空间，使冷却液和玻璃屑能自由地 通过。这样不仅会刚石颗粒可以得到冷却，而且被去除的玻璃屑也能及时地冲 洗掉”3 。 1 3 本文研究背景及意义 电镀令川石工典以金刚石作为分数微粒，与会属形成复合镀层结构，在使用 过程中i j 以认为高硬度和高耐磨性的金| ；：| l 石颗粒是微型的切削刃，对丁件进行 切削加工，决定其工作效率和使用寿命的因素，不仅与会刚石的品级有关， 而且与镀层会属有关，一方面要求镀层金属具有较高的酬磨性，以保证制品 有足够长的寿命；另一方面必须考虑到金刚石与镀层金属的同步消耗，以保 证达到最仆的切削效果。 啊前，电镀金刚石工具应用于硬脆材料加工领域尚存在以下技术问题： 1 会刚6 磨粒的利用率低。目前，电镀金刚石工具，一般采用镍钴或镍作 为结合刺，仑月0 石磨粒仅仅被结合剂镀层机械包镶，4 0 左右的磨粒困过早脱 落而未充分利用。致使工具的使用寿命低下。因此，提高基体与结合剂、结 合剂与会刚仃蘑粒的结合强度一直是镀金刚石工具的技术关键。 2 ：叫i 的适应性不强。各种硬脆材料的成分、组织结构和性能存在定的 第一草绪i 差异，相膨f 门加工特性也存在差异，但这蝗材料女 1 一中所应用的金刚砖工具的 制备、种类和性能却相差不大，目前金剐石工具的使用中存在“以不变应万 变”的现象。因此针对不同的硬脆材料种类，有必要考虑材料的机械性能和加 工特性，吼材料的加工技术为余刚石工具的设计依据，研究与丌发具有不阑 纂体和结i ? 制特性的系列会刚石工具，实现材料的高效、高质齄加工。 电镀命川石工具现在仍然存在制作成本与加工效率和使用寿命之间的矛盾， 解决这一矛盾，具有现实意义。 本文的日的就是要研究针对光学玻璃加工用的电镀会刚石工具，寻找合理韵 工具制备 艺，并将其推向刀具生产市场，加速新型刀其材料的应用与普及。 1 4 本文研究内容 本文密切结合实际生产工作需要，利用已确定的电镀金刚石工具制备工艺， 制各加工钠钙玻璃的电镀金刚石工具，在铣床上进行玻璃铣磨加工，研究加工工 艺参数对f f j 健余刚石工具加工特性的影响，如工艺参数对工具磨损程度的影响以 及工具的腓损形式等。 在玻王离加工试验研究的基础上，选取不同类型的金属结合剂，制备镀层，在 不同温度下进行热处理、观察组织、测试性能，并在组织与性能研究的基础上， 制备不同结合荆的电镀金刚石钻头，进行光学玻璃钻孔加工试验，通过研究：_ 【具 所表现出的使用性能，确定适合光学玻璃加工的结合剂类型，并确定适于光学玻 璃加工的f n 镀金刚石工具制备技术。 第二章电镀金刚石工具的磨损特性 2 1 试验条件与方法 2 1 1 工具制备 1 制备原理 电镀金刚石工具通常以钢材为基体，电镀液中的金属离子在电场力的作用 下，移向阴极( 基体) ，在基体上还原沉积为金属，当把金刚石微粒放入镀槽之后， 金刚石在弱酸性溶液中吸附h + ，在电场作用下缓慢移向阴极，荠吸附在阴极表面。 这样，当n p 不断在阴极表面析出时，就把已吸附在阴极表面的金刚石不断包裹 起来，镶嵌在镀层中，形成金刚石与镍的复合镀层。 镀层金属，又称结合剂，是电镀金刚石工具使用寿命长短和锋利度好坏的关 键所在，不仅仅超到把持金刚石的作用，而且要保证与金刚石的同步磨耗。当选 定镀层金属类型，通过控制电镀工艺条件，可研制出加工各种不同性能材料所需 的电镀金刚石工具“”1 。 在实际的电镀工艺中，总希望得到细晶、致密、均匀而同基体金属结合牢固， 以及具有一一定的机械、电磁、光学等性能的沉积层。在电镀过程中，决定电镀层 结构的重要因素为：基体材料的本质和表面所处的状态、以及电镀溶液的组成和 电镀过程的主要工艺参数“”。对于电镀金刚石工具来说，通常要求镀层金属强度 适中，耐磨性好，脆性小具有良好的韧性，经得起m t 中不可避免的冲击碰撞。 电镀过程中，重要的工艺参数为镀液p h 值、镀滚温度、电流密度等。观察、 检测、分析已制取的电镀金刚石工具，找到最佳工艺参数后再应用于电镀金剐石 工具制备，根据工具的具体工作条件，对工艺参数加以适当调整，可以优化制备 电镀金网0 石工具的工艺条件。 p h 值的影响 电镀液的p h 值对电沉积过程及镀层质量有较大影响。p h 值商的电镀液其 分散能力好，电流效率高。但过高，将促使n i 2 + 形成碱式镍盐沉淀，若附着在阴 极表面，将使氢气泡容易在阴极表面滞鲥，使镀层产生针孔、结晶粗糙、发脆、 与基体结合不牢等。州值低的溶液，阳极溶解较好，泥渣也少并能采用较高 的阴极电流密度，但阴极电流效率较低。冈此，在镀镍溶液中，一般常辟jp “= 第带 【u 镀金川1 ir 她的j 磬损特一i ! l 4 5 。本文试验采用的p h 值在4 4 - 4 6 范困内。 镀液温度的影响 镀液温度影响电镀时电流密度的上限位、沉积速度以及镀层内应力等，对镀 层质量有一定影响。镀液温度升高，会提高离子的运动速度，同时也使部分未 离解的赫分子逐渐分解为离子，这样镀液中离子数量便增多，提高了镀液的导电 性( 其导电能力的大小取决于溶液中离子数量的多少和离子运动速度的大小) ，电 镀时就可以增大电流密度。再者，提高镀液温度，改变了氢和金属的析出电位， 致使镀层中的氢含量减少，所以能够降低镀层的内应力，改善镀层机械性能。但 是，镀液温度升高后，会促使形成粗大晶粒结构的沉积层。本文试验所采用的温 度在4 0 - - 4 5 范围内。 电流密度的影响 电流密度对电极极化影响很大，丽镀层的质量与电极的极化有密切关系，所 以电流密度对镀层质量有较大的影响。电流密度高时，紧靠阴极的金属离予沉积 加速，阴极附近的金属离子浓度则降低，致使新一轮金属沉积发生困难，因而品 粒长大受到抑制，促使形成细小晶粒结构。但是电流密度高将使尖端放电效应加 剧，所以尽管沉积层晶粒细小，但表面不平，易形成结瘤。若过分地增大电流密 度还会使氢离子还原反应加速，从丽使沉积层中氢含量增多，导致镀层发脆( 氢 脆) 和硬度过高。 在上砂阶段，由于金刚石不导电，金剐石的存在对基体表面产生了屏蔽作用， 使实际施镀面积变小，实际阴极电流密度增大。因此，为了防止烧焦，阴极电流 密度要适当小一些，并且有助于金刚石在镀层中均匀分布，结合牢固“”2 2 3 。 总之，镀液的p h 值、电流密度和温度都选用偏低一些，主要是使镀层组织 晶粒细小，氢含量少，具有足够的强度和韧性，同时外观也平整。 本章试验选用粒度为4 5 5 0 的m b d 。型人造金刚石磨料，主要目的是确定匕砂 质量较好的上砂电流密度和上砂时间。 2 试验装置 本文试验采用的电镀基本装置，如图2 一l 所示。主要包括x d t 7 1 2 型稳压稳 流直流电源，s t 一1 型电沉积实验装置，其中恒温水浴采用了趣好的保温和自动 控温检测装置镀槽采用自制的长方形玻璃槽，容积2 0 0 0 m ，挂具采用塑料装 置。 第一璋l h 镀金i l ；县的群损特性 圈2 - 1 电镀试验装置圈 开始试验时采用如图2 2 所示的夹具，夹具由塑料制成，可在镀液中长期使 用而不起化学变化，内衬涤纶布，以防止磨料流失，埋砂时，工具的工作部分朝 上。但因为在试验过程中每次只能制备一个工具，生产效率较低，于是对夹具进 行改进，制作了如图2 3 所示的一字型槽式夹具，材料与图2 2 所示的夹具相同， 内衬涤纶布，埋砂时，工具的工作部分朝下，采用悬挂固定。试验证明，字型 槽式夹具卸砂容易，基体易于固定，且生产率高。 甲需 图2 - 2 夹具图 区重虱 2 - 3 一字型夹具 3 镀液组成 电镀液的主要成分包括主盐，导电盐，阳极活化荆，p h 值缓冲剂，润湿荆 光亮剂。”。 本章试验工具制各时所用镀液配方，如表2 - 1 所示。 袭2 - 1n i c o 镀液配方 组成n i s o , - t h ：0n i c l 6 h ：0c o s o 。7 h 2 0h ：，b o 。添加剂 含量( g l ) 2 7 54 51 03 7 适量 鲳带l u 镀金川n 1 【_ 1 的f l = 损特h 4 电镀金剐石工具制备工艺流程 电镀金剐石工具尺寸和形状的_ ：i f 确设计是工具质量的重要基础，而制造工艺 流程的严格控制则是其质量的重要保证。 电镀金刚石工具制造工艺一般包括以下几个方面：金剐石的选择与表面处 理、电镀工艺规范的确定、电镀液的配制、基体机械) j u t 与镀前表面处理、施镀、 后处理、检验包装等。 金刚石的选择与处理 本试验选用m b 跣型人造金刚石磨料，粒度为4 5 5 0 。其处理1 ：艺为： 采用磁铁进行磁选，以减少磁性杂质，防止镀层产生结瘤现象。 用1 0 n a 0 h 溶液和l ：l 的h c l 或h n 0 。溶液清洗，以除去金剐石表面的金属 杂质和有机物杂质。 最后将清洁后的金刚石浸于含润湿剂的镀液中，使其充分湿润，从而有效地 增加金刚石与镀液的浸润性，以提高金刚石与镀层金属的结合力。 镍阳极的选择与排布 镍阳极在电镀中的作用有三点：( 1 ) 作为电极，与阴极和电解液构成电解池， 组成电镀槽导电回路，起传导电流的作用。( 2 ) 通过正常溶解，产生金属离子， 以补充电镀过程中消耗的镍离子，保持镀液中镍离子浓度的平衡。( 3 ) 通过适当 的排布和制成适当的形状，促使电流在阴极表面上均匀分布。 本文试验选用纯度达9 9 9 的电解镍板做阳极，在使用前经稀硫酸浸泡，以 除去表面氧化膜，使它在电镀开始时就处于活化状态，并用尼龙袋套装以阻止阳 极泥进入镀液和吸附到阴极表面上去。 四个镍阳极板采用吊挂方式，均布在镀槽中。 基体的选择与镀前处理 基体是电镀中的阴极，金属镀层能否完整而又均匀地覆盖在基体表面，以及 能否与基体结合得牢固，都与基体的材质、几何形状、表面状况密切相关。 本章试验中，采用铜质由6 5 0 r a m 的圆柱销为基体。 电镀金刚石工具镀层与基体的结合是否牢固是衡量工具质量好坏的一个重 要指标。金属工件表面的油污、氧化皮、锈斑都将使金属表面与电解液接触时形 成中间夹层，阻碍金属和电解液界面发生电化学反应，并造成金属表面局部甚至 全部没有镀层。因此，基体镀前处理总的目的要求是使表面平整，除去表莉污物 和不良组织，暴露出基体盒属内部的正常晶格结构，以便溶液中的金属离予在纯 洁的处于活化状态下的金属晶体表面上实现电沉积，从而获得镀层与基体之间的 良好结合。 基体的镀前处理工艺“”如下： 第一尊l u 镀争t 贝的磨损特性 用粗砂纸将试件表面的机加工划痕打磨平整，用细砂纸将待镀表瞬抛光。 采用绝缘胶布( 聚氯乙烯薄膜带) 对基体上需要绝缘的部位进行包扎，在包 扎过程中要将导线引出。对于不便于包扎的基体，采用绝缘漆进行涂覆绝缘。 用m e 一6 2 2 化学除油清洗剂，在5 0 6 0 。c 温度下，在超声波清洗机中用3 0 5 0 k h z 超声波清洗1 5 2 0 分钟，直到基体表面没有油污、氧化膜和附锈为止。 热水冲洗一冷水冲洗一蒸馏水冲洗。 采用1 0 的稀盐酸进行弱侵蚀，在临电镀之前除去基体上极薄的一层氧化膜， 暴露出基体的金相组织，以便预镀金属离子( n i ”) 直接在其上沉积，从而实现 镀层与基体之间的牢固结合。 基体活化后要迅速带电入槽，进行电镀。 施镀 空镀基体经过活化处理后，放入镀槽中电镀，在表面上沉积出一层薄薄的 金属镀层。这个步骤称为空镀或打底，该底层中不含磨料，其目的，是为了使镀 层与基体充分接触，以增强结合力。空镀时间一般为5 1 0 分钟，多则2 0 分钟。 施镀可以分为上砂镀和加厚镀。上砂镀是通过金属电沉积，将紧靠基体表面的一 层金刚石砂粒初步固结在底镀层上。上砂方法有落砂法和埋砂法。本试验中采用 埋砂法。加厚镀是在已经上婷砂的镀件除去外匿浮砂后，进行大电流电镀，从而 将镀层加厚。对于工作层含有多层磨粒的金刚石工具，需要进行多次上砂和加厚 工序。 镀后处理与检验 按照工艺规范旅镀后的试件自镀槽中取出后，立即用清水冲洗，直到其表面 呈中性为止，用滤纸吸干表面的水磊再吹干。此后，如需热处理的，即刻放入热 处理炉中进行热处理。 本试验所用工具制备过程如下，工具基体机械磨光一水洗一绝缘处理一化学 除油一水洗一蒸馏水洗一酸浸蚀一水洗一蒸馏水洗一带电入槽。电镀工艺规范见 表2 - 2 所示。工具切削部分直径巾6 6 6 8 m m 。 表2 - 2 电镀工艺规范( 1 2 4 0 ，p h = 44 4 ，6 ) 一工廖 爹我 空镀次上砂 加厚二次上砂 加厚 d k ( a d m 2 ) 1 51 o 1 51 0 】5 t ( m i n ) 3 0 6 0 3 0 6 03 9 0 第章 - u 镀会刚i i i 的磨损特性 2 1 2 加工试验 本章选择钠钙玻璃为加工对象，考察加工工艺参数对电镀金剐石工具加二1 ：特 性的影响，分析工具的磨损形式，以便了解电镀金刚石工具在加工过程中的加工 特性。 用电镀金刚石工具加工玻璃时，影响加工质量、工具使用寿命的主要工艺参 数有：切削速度，进给速度v 吃刀深度及冷却条件等“、。由于各因素变 化范围大，选定最佳工艺条件需要大量试验，而利用正交试验法进行多因素优选， 只需少数试验，便可得到较理想的试验结果。通过正交试验法，以磨削比作为考 核指标，对玻璃加工过程的工艺参数进行优选，确定良好的工艺条件。在优选后 的工艺条件下固定v = 1 4 r a m r a i n ，a p = o 7 5 m m ，改变切削速度，进行单因素加工试 验，进一步考核磨削比的变化，研究切削速度k 对工具磨损情况的影响。然后 分析不同加工时期的工具表面的体视显微镜扫描电子显微镜照片和不同加工时 期被去除的玻璃磨屑，确定工具的磨损形式。 玻璃加工试验，是采用制备的电镀金刚石工具在x 5 3 t 升降台铣床上铣磨厚 度为5 唧的钠钙平板玻璃。磨削加工用x 5 3 t 型立式升降台铣床如图2 - 4 所示， 是完成试验所用的主体设备。最高主轴转速为1 4 0 0 r m i n ；横向、纵向自动进给 速度可以调整，为从1 0 m m m i n 到1 2 5 0 m m m i n 共1 5 个档位；与百分表配合使用， 最小进给量可以达到0 o l m m ：工作台上安装有台钳，用以装卡所加工的工件； 无冷却、润滑装置。 本试验在无冷却方式下确定切削速度k ，进给速度p 切削深度三个因素， 将它们称为因素a 、b 、c ，各因素选取3 个水平进行优化试验，试验因素水平。“1 见表2 3 所示。 表2 - 3 因素水平表 - - - v 素 切削速度进给速度切削深度 承乎 am m i n ) b ( m m m i n )c ( m m ) 15 9 5l oo 5 27 5 41 40 7 5 39 5 62 0l 。0 加工试验前后，将工具和玻璃用k q 一2 5 0 d b 型数控超声波清洗器如图2 - 5 所示，清沈l o m i n ，再用电吹风将工具吹干后将其放入d g g 一1 0 1 一t 掣咆热鼓风r 燥箱中，如图2 - 6 所示，在1 2 04 c 烘干。用7 g 3 2 8 b 电光分析天平，如降l27 所 第一章电镀金刚_ ti 且的磨损柑日 示，感量为0 1 m g ，称量加工前后工具和玻璃的质量。计算磨自比g ，计算公式 为：磨削比( 滓材料去除质量工具磨损质量。 浚试验是三因素三水平试验，并增加空白列( e ) ，因此选用b ( 3 ) 型征交表 安排试验。根据f 交表b ( 3 4 ) ，安排9 个试验，每个试验做2 次，试验方案贮 表24 所为、， 图2 - 4 立铣床 圈2 - 6 i ) g 6 - 1 0 1 - 1 型 电热鼓风干燥箱 豳2 - 5k q - 2 5 0 d b 型 数控超声波消洗器 图2 7 t g 3 2 8 b 电光分析天平 第：章i g 镀金刚札l 填的磨损特附 2 2 玻璃加工中的工具磨损形式 在玻璃加工试验中，观察到以下现象1 ： 加工初期，切削效率高，被去除的玻璃屑洁白，如图2 - 8 ( a ) 所示，相对同一 工艺条件下的其它阶段玻璃加： 质量高，玻璃上下表面崩边尺寸小，如图2 - 9 ( a ) 所示，此阶段只是工具上裸露在外的金刚石参与切削。 加工中期，切削效率较高，被去除的玻璃屑逐渐变成灰色，如图2 - 8 ( b ) 、( c ) 所示，玻璃上下表面崩边尺寸加大，如图2 9 ( b ) 、( c ) 所示，此阶段结合剂也参 与切削，金剐在颗粒逐渐破碎。 加工后期，切削效率低，被去除的玻璃屑呈黑色，如图2 - 8 ( d ) 所示，玻璃上 下表面崩边严重，如图2 - 9 ( d ) 所示，此阶段结合剂磨损严重，金刚石颗粒破损严 重，甚至出现磨平、脱落。 在玻璃磨边的不同加工时段，被去除的玻璃磨屑颜色，如图2 8 所示。通过 比较可以看出，在玻璃磨边的不同时期。被去除的玻璃屑豹颜色由白色一灰色一 灰黑色一黑色，表明工具的结合剂逐渐参与切削，结合剂的磨损越来越严重。 第章l u 镀金川iu 怕磨损特性 ( a ) 无磨损( b ) 轻微磨损( c ) 一般磨损( d ) 严重磨损 图2 - 8 不同1 ：具磨损状态的玻璃磨属 在v 。= 1 9 0 9 m r a i n ，v f = 1 4 m m m i n ，a p ：o 7 5 r a m 的工艺条件下，不同加工时期玻 璃加工表面如图2 - 9 所示。 由图2 9 可以看出，随着加工的进行，由于工具的锋利程度逐渐降低，磨 损越来越严重，直接影响着玻璃的加工质量，导致玻璃表面质量降低，崩边尺寸 加大。 ( b ) ( c )( d ) 闰2 - 9 不同加工时期玻璃表面照片 未加工时金刚石是完整的多边形颗粒，有许多锋利独立的切削刃。玻璃磨边 试验的不同时期，所用工具的s e m 照片如图2 - 1 0 所示。 分析图2 一l o 可以看出，不同加工时期工具的特征如下： 加工开始后，随着加工过程的进行，一半以上出刃的金刚石高度降低且变钝， 金刚石上有裂痕，少数破碎，没有磨平、脱落，结合剂几乎没有磨损。在加工中 期多数金刚石破碎，少数被磨平，没有脱落，有新出刃金刚石颗粒，结合剂产生 磨损。到加工后期，金刚石破碎严重，刀具表面明显变平，可见少数磨平及脱落 凹坑，结合剂磨损较严重。 第一一章 电镀金刚山l ：臻的糖损特性 ( a )( b )( c ) 图2 1 0在不同加工时期工具的s e m 照片 由此可见，刀具磨损可以分为金剐石磨损和结合剂磨损两种情况，它们直 接影响了加工效果和工具的使用寿命。 2 2 1 金刚石磨损形式 在玻璃加工过程中，金刚石的磨损形式主要包括：破碎，磨平以及脱落。圈 2 - l o ( a ) 、( b ) 示出金刚石的破碎现象。图2 - 1 0 ( c ) 示出金剐石的磨平以及脱落现象。 通过图2 - 1 0 可以看出，金刚石的磨损以破碎为主，磨平次之，偶见脱落。在加 工过程中，受到切削力的作用，磨粒产生破碎。在加工初期，金刚石产生轻微磨 损，少数的金刚石磨粒破碎后，露出众多微小的切削刃，金刚石工具仍然具备较 强的切削加工能力。经过一段加工时间后，多数的金剐石磨粒产生破碎磨损，金 刚石磨粒锋利的大棱角多数已经破碎，金刚石磨粒的突出高度也随着磨粒的磨损 而逐渐降低。随着磨削加工的进一步进行由于玻璃加工表面以及玻璃磨屑与破 碎的会刚石磨粒之间的相互作用，部分的金刚石磨粒被磨平，变钝，金刚石工具 逐渐失去切削能力。 从图2 - l o ( c ) 还可以看到，金刚石脱落后留下豹凹坑表面平整，呈多边形( 金 刚石颗粒的形状) ，表明结合剂与金刚石之间的连接主要为机械镶嵌。镀层对金 刚石的把持力取决于结合荆的性能和包埋深度，制备金刚石工具时，当结合剂配 方确定以后，应合理控制上砂后的加厚时间，既保证金刚石有足够的把持力，又 使工具锋利。 2 2 2 结合剂磨损形式 结合剂磨损的典型特征是在金刚石颗粒的周围形成“流沙”现象。如图2 一ll 所示的结合剂状态，在金刚石颗粒的前方形成一定深度的凹坑，两侧形成较浅的 流动型凹坑，在金刚石磨粒的后面则形成结合剂的隆起现象。当金刚石工具处= i f 二 第一章 电镀金目0 山 具的磨损特牡 初期磨损时期，金刚石磨粒保持一定的突出高度，磨粒具有切削能力，此时结合 剂几乎没有磨损。而金刚石处于磨损状态时，金刚石磨粒的突出高度变低，玻璃 磨屑对结合剂的冲蚀作用加强。每一个玻璃磨屑都具有锋利的尖角，具备一定的 切削能力，相对于电镀结合剂表面而言，玻璃磨屑可以看作为游离的磨料。 图2 - 1 1 结合荆的磨损 如图2 - 1 2 所示，金刚石磨粒突出于 结合剂，被切除的玻璃磨屑沿着金刚石 磨粒流出，锋利的玻璃磨屑对金刚石前 面的结合剂产生冲蚀作用，玻璃磨屑对 结合剂的研磨作用较强，产生一定深度 的凹面。随着工具的向前移动，玻璃磨 屑绕过金刚石颗粒，在金刚石两侧分流。 玻璃屑的分流，使金刚石两侧结合剂受 到的磨料磨损的作用减小，致使两侧形 成与工具运动方向相反的流动型凹坑， 且凹坑的深度和宽度逐渐减弱。由于金 图2 一1 2结合剂的磨损示意图 刚石颗粒保护了其后面的结合剂，从而使这部分的结合剂不被玻璃屑所磨耗而形 成隆起，这个隆起又起到了加固金刚石的作用。 总之，工具磨损分为金刚石磨损和结合剂磨损两种情况，它们直接影响了玻 璃加工质量和工具的使用寿命。在玻璃加工初期，金刚石产生轻微磨损，结合剂 的磨损较少。在一般磨损状态下，多数的金刚石磨粒产生破碎磨损，少数的金冈 石磨粒被磨平，同时存在结合剂的磨损。根据以上试验结果，电镀金刚石工具的 金刚石应与电镀结合剂保持适当的匹配。当会刚石品质较高时，金刚石的抗冲击 能力较强，磨粒在加工过程中不易破碎，磨粒使用寿命较长，这种情况下，镀层 结合剂应保证对金刚石磨粒具有足够的把持力，结合剂与余刚石具有良好的结合 第一章i 毡镀金刚山l 具的磨损特。盹 性能。而当金刚石磨粒品质一般情况下， 整结合剂的耐磨性，降低结合剂的硬度， 磨肖4 过程中金刚石易破碎，可以适当调 做到结合剂与金刚石磨损的同步进行， 保证电镀金刚石工具的自锐性。因此，制备电镀金刚石工具时，可以调整工具的 电镀规范，如镀液配方、电镀工艺等，获得所需性能的结合剂，充分发挥会刚石 的切削作用。 2 3 加工工艺参数对工具磨损的影响 工具的磨损取决于切削用量、工具的成分和加工对象( 玻璃) 的成分。在玻 璃磨边试验中，选取三个工艺参数切削速度、进给速度、吃刀深度的不同水平值 进行了正交试验，玻璃加工试验结果见表2 5 所示。 1 极差分析 根据表2 - 5 以平均磨削比为考核指标，进行极差分析，计算结果见表2 - 6 所 不。 从表2 -