CN107866756A - 一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮及其制备方法，其特征是在砂轮轮毂外圆周上有序排布着大量且包含有多层磨料的电镀超硬磨料层，相邻磨料层间存在有宽度仅为几十微米、深度为数百微米、长度与砂轮厚度相等、间距为几百微米的微槽。其制备方法为：在砂轮轮毂外圆周涂覆聚乙烯醇胶水并干燥成胶层，采用微水刀激光加工技术在胶层上加工出凹槽阵列，向凹槽内注入熔融聚乙烯并冷却成绝缘片，在沸水中溶解胶层后电镀多层磨料，最后熔除绝缘片。本发明的砂轮有利于解决砂轮容易堵塞、磨削液难以进入磨削区、电镀多层磨料时相邻磨料层容易搭接、磨料层结构一致性差的问题，防止工件烧伤，提高砂轮磨削效率和使用寿命，保证磨削质量。

Description

一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种砂轮的结构及其制备方法，特别是一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮及其制备方法。

背景技术

磨削作为当今机械制造领域使用范围最广的加工技术之一，在精密和超精密加工方面有着重要的应用。传统的单层磨料电镀砂轮不可修整，需要增加镀层厚度以增大镀层金属对磨料的把持力，会造成磨料出刃高度和容屑空间减小，容易使砂轮发生堵塞，散热效果差，加剧了磨削热量的产生和聚集，同时砂轮与工件紧密接触，导致磨削液难以有效地进入磨削区，使得磨削区冷却效果不佳，容易造成工件热损伤。

为了改善砂轮的排屑和冷却效果，公开号为CN103465187A的专利“微结构化大磨粒金刚石砂轮的制造方法”使用垂直于单层金刚石电镀砂轮工作表面的脉冲激光，在砂轮工作表面上加工出深度、宽度均为几十微米的微槽。虽然开槽有利于磨削液进入磨削区，提高了砂轮排屑和冷却性能，但是由于砂轮是非均匀多元复合体，采用激光在砂轮工作表面加工微槽时，被烧蚀的对象包括磨粒和结合剂，而这两种材料的热物理性能通常相差很大，导致微槽结构和尺寸特征一致性差，激光加工工艺参数难以控制，同时激光加工时引起的磨料表层损伤问题也不容忽视。

公开号为CN104385160A的专利“一种有序结构电镀砂轮的制造方法”先采用激光束在砂轮轮毂外圆周面上加工出凹槽阵列，然后使用环氧树脂将凹槽阵列填满，再在砂轮轮毂外圆周面上电镀磨料，从而形成磨料层与环氧树脂有序间隔排布的电镀砂轮。通过此方法制备的砂轮较大地增加了砂轮的容屑空间，提高了砂轮的排屑能力，并使磨削液有效地注入磨削区域，改善磨削区的冷却效果。但是由于在电镀过程中被微槽隔开的磨料层有向外扩展的趋势，若电镀磨料的层数较多时，则相邻磨料层会相互靠拢甚至搭接成为一个整体，从而导致砂轮外圆周工作面上的微槽宽度过小甚至没有微槽，将会引起砂轮容屑空间减小，冷却效果大为降低，磨削过程中容易造成工件热损伤。因此通过该方法制备的砂轮的磨料层数不能过多，所形成微槽的深宽比不能太大，砂轮磨粒磨损或脱落后后续磨粒补充数量偏少，导致局部位置出现磨粒空缺现象，磨削时砂轮振动加剧，降低了磨削精度，且砂轮的使用寿命受限。

公开号为CN101073882A的专利“一种磨料三维多层可控优化排布电镀工具制作方法”提出了一种在砂轮轮毂表面电镀多层磨料的方法，该方法制备的砂轮能够较大地增加容屑空间，增强磨削过程中磨屑排出、磨削液进入磨削区、磨削热转移的能力。但是该方法以双层复合掩膜作为电镀掩膜，电镀形成的磨料群形状难以控制，造成复合电镀形成的磨料群形貌为上窄下宽的梯台状，使磨料群间的间隔增大，砂轮与工件接触面积波动增大，磨削过程中可能会出现较大的振动而造成工件表面质量下降的问题。

发明内容

为解决上述砂轮和现有技术存在的问题，本发明提出一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮及其制备方法。本发明的砂轮，其特征是在砂轮轮毂外圆周面上排布着大量且包含有多层超硬磨料的电镀超硬磨料层，相邻磨料层之间布置有长度与砂轮厚度相等、宽度仅为几十微米、深度为数百微米、深宽比达到几十且具有一定结构形式的微槽，微槽在砂轮外圆周工作面上呈等间距有序排布，间距为数百微米。本发明的有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮既可以增加砂轮的容屑空间，提高砂轮的容屑、排屑能力，有利于磨削液有效地进入磨削区，显著改善磨削区的冷却效果；又因为微槽尺寸细微、深宽比大、结构一致性高，可以减轻磨削过程中出现的周期性振动，大大提高了工件的加工质量；同时多层磨料电镀砂轮可以修整，降低了对砂轮轮毂加工精度和装配精度的要求，大大降低了砂轮制造成本；并且所用磨料尺寸细小，磨削时单位有效磨粒数增加，可以在保证材料去除率高的同时提高工件加工质量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：采用机械加工方法制造出砂轮轮毂。在砂轮轮毂的外圆周面上涂覆一层厚度为0.8~1.2 mm的聚乙烯醇胶水，待胶水自然风干后与砂轮轮毂一起置入干燥箱内充分干燥，从而在砂轮轮毂的外圆周面上形成聚乙烯醇胶层。采用微水刀激光加工技术在聚乙烯醇胶层上加工出间距为数百微米、宽度为数十微米、长度与砂轮厚度相等、深度为穿透聚乙烯醇胶层并在砂轮轮毂形成深度为近百微米的凹槽阵列。采用熔融聚乙烯将凹槽阵列填充；待熔融聚乙烯冷却成型后，将砂轮轮毂置入沸水中，由于聚乙烯醇胶层在沸水中能够完全溶解，而聚乙烯不溶于沸水，则在砂轮轮毂的外圆周面上能够留下聚乙烯绝缘片阵列。对超硬磨料和砂轮轮毂进行前处理，前处理包含对超硬磨料进行酸洗和碱洗，对砂轮轮毂酸洗除锈，在砂轮轮毂非工作面涂覆绝缘漆。将经过前处理的砂轮轮毂置入电镀槽内，采用复合电沉积工艺在砂轮轮毂外圆周面上电镀超硬磨料，即先在砂轮轮毂的外圆周面上预镀厚度为20 µm的镀镍层；上第一层超硬磨料，电镀加厚使得第一层超硬磨料65%~80%的高度被埋入镀镍层中；然后再上第二层超硬磨料，并加厚至第二层超硬磨料65%~80%的高度被埋入镀镍层中；再上第三层超硬磨料，如此反复，直至在砂轮轮毂外圆周面上形成大量且具有多层超硬磨料的电镀超硬磨料层，且最外层超硬磨料65%~70%的高度被埋入镀镍层中。由于聚乙烯绝缘片的存在，相邻的电镀超硬磨料层被完全隔开，形成电镀超硬磨料层与聚乙烯绝缘片呈间隔排布的形貌。将电镀完毕的砂轮置入加热炉中，加热熔除聚乙烯绝缘片阵列，形成大量磨料层与微槽相间的有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮。

所述砂轮轮毂材质为45号钢，直径为Φ20~200 mm，厚度为6~20 mm。

所述磨料层间的微槽是宽度仅为30~50 µm、深度为500~750 µm、深宽比为10~25，间距为400~800 µm。

所述电镀超硬磨料层的超硬磨料层数为4~7层。

所述磨料层的厚度为0.3~0.6 mm。

所述的凹槽可以通过调整微水刀激光加工设备的喷嘴与砂轮轮毂的相对运动轨迹来改变凹槽的结构形式，凹槽的结构形式包括直线型、斜线型、螺旋型。

采用微水刀激光加工技术在聚乙烯醇胶层上加工凹槽时，引导激光束的直径为Φ25~45 µm的水射流垂直于聚乙烯醇胶层的外圆周面，并沿着砂轮轮毂的轴向进给，同时砂轮轮毂绕其自身轴线转动；每加工出一个凹槽后，微水刀激光加工设备的喷嘴返回初始位置，再将砂轮轮毂转动分度，继续开展下一个凹槽的加工；如此反复，直至整个聚乙烯醇胶层的外圆周面加工有凹槽阵列。

所述超硬磨料为CBN或金刚石。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

①在砂轮轮毂外圆周面上具有大量长度与砂轮厚度相等、宽度仅为几十微米、深度为几百微米、深宽比达到几十、间隔为几百微米的微槽，极大地增加了砂轮的容屑空间，提高砂轮的容屑、排屑能力，并使得磨削液能够有效地进入磨削区，显著地增强磨削区的冷却效果，防止工件发生磨削烧伤。

②采用微水刀激光加工技术加工凹槽时，脉冲激光束通过透镜聚焦后，被导入喷嘴射出的直径仅为Φ25~45 µm的水射流中，激光束在水射流里面以全反射的方式沿水射流传播。当水射流与工件接触时，激光被水射流引导至工件表面，激光烧蚀工件材料，被烧蚀的工件材料被水流带走，同时水流冷却工件，工件表面不会出现热影响区，也不会残留熔渣。因此加工的凹槽宽度可以仅为几十微米、深宽比可以达到几十，而且凹槽具有结构和尺寸一致性高的优点，也大大减轻磨削过程中因断续磨削引起的周期性振动，从而提高工件的加工质量。

③聚乙烯绝缘片在砂轮轮毂外圆周面上有序排布，然后再进行电镀超硬磨料，在电镀多层超硬磨料时，相邻磨料层被聚乙烯绝缘片完全隔开从而不会相互靠拢甚至搭接成为一个整体，因此使得本发明的砂轮可以电镀磨料的层数较多。多层超硬磨料电镀砂轮可以修整，对轮毂加工精度和安装精度依赖性低，大大降低砂轮制造的成本，并且多层的超硬磨料在空间上呈错位排布，当表层的超硬磨料在磨削过程中磨损或脱落时，下一层的超硬磨料能够及时参与磨削，提高磨料的利用率和砂轮的磨削效率，延长砂轮的使用寿命，保证工件的加工质量。

④本发明中聚乙烯醇胶层在95 ℃热水中能完全溶解，电镀表面相对清洁，电镀预处理非常简单，镀层结合力很好。

⑤本发明所用超硬磨料尺寸细小，磨削时砂轮的单位有效磨粒数增加，可以在保证材料去除率高的同时提高工件的加工质量。

附图说明

图1是微水刀激光加工设备在聚乙烯醇胶层和砂轮轮毂上加工凹槽的示意图。

图2是在聚乙烯醇胶层和砂轮轮毂上加工出凹槽阵列后的示意图及其局部视图。

图3是向凹槽阵列内注入熔融聚乙烯后的示意图及其局部视图。

图4是完全溶解聚乙烯醇胶层后在砂轮轮毂外圆周面上留下聚乙烯绝缘片阵列的示意图及其局部视图。

图5是在相邻聚乙烯绝缘片之间的砂轮轮毂外圆周面上电镀多层超硬磨料后的示意图及其局部视图。

图6是熔除聚乙烯绝缘片后的砂轮示意图及其局部视图。

以上图1至图6中的标示为：1、砂轮轮毂，2、聚乙烯绝缘片，3、超硬磨料，4、镀镍层，5、聚乙烯醇胶层，6、喷嘴，7、凹槽，8、磨料层，9、水射流，10、激光束，11、熔融聚乙烯，12、微槽。

具体实施方式

下面结合附图对发明具体实施方式做进一步说明。

参见图1至图6，一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮，其结构特征在于：在砂轮轮毂1外圆周面上排布着大量且包含有多层超硬磨料3的电镀超硬磨料层8，相邻磨料层8之间布置有斜线型的微槽12；微槽12的宽度仅为50 µm、深度为500 µm、深宽比达到10、轴向长度与砂轮厚度相等；微槽12阵列在砂轮外圆周工作面上呈等间距有序排布，间距为700 µm。有序微槽结构极大地增加了砂轮的容屑空间，提高砂轮的容屑、排屑能力，并使得磨削液能够有效地进入磨削区，显著地增强磨削区的冷却效果，防止工件发生磨削烧伤。

一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮的制备方法如下。

步骤一、采用机械加工的方法制造出材质为45号钢、直径为Φ200 mm、厚度为10mm的砂轮轮毂1，在砂轮轮毂1的外圆周面上涂覆上一层厚度为1.0 mm的聚乙烯醇胶水，待胶水自然风干后与砂轮轮毂1一起置入干燥箱内干燥8小时，在砂轮轮毂1外圆周面上形成聚乙烯醇胶层5。

步骤二、采用微水刀激光加工技术在聚乙烯醇胶层5上加工凹槽7。激光束10在水射流9里面以全反射的方式沿着水射流9传播。当水射流9与工件接触时，激光被水射流9引导至工件表面，激光烧蚀工件材料，被烧蚀的工件材料被水流带走，同时水流冷却工件，工件表面不会出现热影响区，也不会残留熔渣。因此采用微水刀激光加工技术加工的凹槽7宽度可以仅为几十微米、深宽比可以达到几十，而且凹槽7具有结构和尺寸一致性高的优点。通过控制微水刀激光加工设备的喷嘴6的直径来调整水射流9的直径，从而使得本发明的砂轮能够在砂轮轮毂1外圆周面和聚乙烯醇胶层5上加工出宽度仅为50 µm且具有大深宽比的凹槽7。激光束10在直径为Φ40 µm的水射流9的引导下垂直于聚乙烯醇胶层5的外圆周面，并沿着砂轮轮毂1的轴向进给，同时砂轮轮毂1绕其自身轴线转动；每加工出一个凹槽7后，微水刀激光加工设备的喷嘴6返回初始位置，再将砂轮轮毂1转动分度，继续开展下一个凹槽7的加工；如此反复，直至在整个聚乙烯醇胶层5上加工出间距为700 µm、轴向长度与砂轮厚度相等、宽度为50 µm、深度为穿透聚乙烯醇胶层5并在砂轮轮毂1形成深度为100 µm的凹槽7阵列。

步骤三、采用熔融聚乙烯11将凹槽7阵列填充，填充高度为露出砂轮轮毂1外圆周表面0.7 mm，待熔融聚乙烯11冷却成型后，将砂轮轮毂1置入沸水中，由于聚乙烯醇胶层5能够在95 ℃热水中完全溶解，故砂轮轮毂1外圆周待电镀表面相对清洁，电镀预处理非常简单，而聚乙烯不溶于沸水，则在砂轮轮毂1外圆周面上能够留下聚乙烯绝缘片2阵列。

步骤四、对超硬磨料3和砂轮轮毂1进行前处理，前处理包含对超硬磨料3进行酸洗和碱洗，对砂轮轮毂1酸洗除锈，在砂轮轮毂1非工作面涂覆绝缘漆。所用超硬磨料3为200目的金刚石，尺寸细小，磨削时砂轮的单位有效磨粒数增加，可以在保证材料去除率高的同时提高工件的加工质量。

步骤五、将经过前处理的砂轮轮毂1置入电镀槽内，采用现行成熟的工艺配置电镀液，电镀液配方如下：硫酸镍190~220 g/L，硫酸钴15~25 g/L，硼酸35 g/L，氯化钠8~10 g/L，十二烷基硫酸钠0.08~0.1 g/L。电镀参数：镀液PH值为4~5，温度为45~60 ℃，阴极电流密度为1~3 A/dm²。采用复合电沉积工艺在砂轮轮毂1外圆周面上电镀超硬磨料3，即先在砂轮轮毂1外圆周面上预镀上厚度为20 µm镀镍层4，将经过前处理的超硬磨料3采用撒砂法与预镀的镀镍层4贴合，通过短时间的电镀将贴近底层的超硬磨料3初步固定到砂轮轮毂1外圆周面上的镀镍层4中，用蒸馏水缓慢冲洗去砂轮轮毂1表面附着的超硬磨料3。完成清砂后进行电镀加厚，加厚使得第一层超硬磨料65%~80%的高度被埋入镀镍层4中后再上第二层超硬磨料3，再次加厚至第二层超硬磨料65%~80%的高度被埋入镀镍层4中，再上第三层超硬磨料3，如此反复，直至电镀超硬磨料3层数达到5层，磨料层8的厚度为0.4 mm，且最外层超硬磨料65%~70%的高度被埋入镀镍层4。最后在砂轮轮毂1外圆周面上电镀形成大量且包含有多层超硬磨料3的电镀超硬磨料层8，多层的超硬磨料3在空间上呈错位排布，当表层的超硬磨料3在磨削过程中磨损或脱落时，下一层的超硬磨料3能够及时参与磨削，提高磨料的利用率和砂轮的磨削效率，延长砂轮的使用寿命，保证工件的加工质量。由于聚乙烯绝缘片2将相邻的电镀超硬磨料层8完全隔开，所以在砂轮轮毂1外圆周面上形成电镀磨料层8与聚乙烯绝缘片2呈间隔排布的形貌。

步骤六、将电镀完毕的砂轮置入加热炉中，加热熔除聚乙烯绝缘片2阵列，形成大量磨料层8与微槽12相间的有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮。

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮，其特征在于：在砂轮轮毂（1）外圆周面上排布着大量且包含有多层超硬磨料（3）的电镀超硬磨料层（8），相邻磨料层（8）之间布置有一定结构形式的微槽（12）；微槽（12）的宽度仅为几十微米、深度为数百微米、深宽比达到几十、长度与砂轮厚度相等；微槽（12）阵列在砂轮外圆周工作面上呈等间距有序排布，间距为数百微米。

2.一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮的制备方法，其特征在于，制备步骤如下：

步骤一、采用机械加工方法制造出砂轮轮毂（1）；在砂轮轮毂（2）的外圆周面上涂覆一层厚度为0.8~1.2 mm的聚乙烯醇胶水，待胶水自然风干后与砂轮轮毂（1）一起置入干燥箱内充分干燥，从而在砂轮轮毂（1）外圆周面上形成聚乙烯醇胶层（5）；

步骤二、采用微水刀激光加工技术在聚乙烯醇胶层（5）上加工出间距为数百微米、宽度为数十微米、长度与砂轮厚度相等、深度为穿透聚乙烯醇胶层（5）并在砂轮轮毂（1）形成深度为近百微米的凹槽（7）阵列；

步骤三、采用熔融聚乙烯（11）将凹槽（7）阵列填充；待熔融聚乙烯（11）冷却成型后，将砂轮轮毂（1）置入沸水中，由于聚乙烯醇胶层（5）在沸水中能够完全溶解，而聚乙烯不溶于沸水，则在砂轮轮毂（1）外圆周面上能够留下聚乙烯绝缘片（2）阵列；

步骤四、对超硬磨料（3）和砂轮轮毂（1）进行前处理，前处理包含对超硬磨料（3）进行酸洗和碱洗，对砂轮轮毂（1）酸洗除锈，在砂轮轮毂（1）非工作面涂覆绝缘漆；

步骤五、将经过前处理的砂轮轮毂（1）置入电镀槽内，采用复合电沉积工艺在砂轮轮毂（1）外圆周面上电镀超硬磨料（3），即先在砂轮轮毂（1）外圆周面上预镀厚度为20 µm的镀镍层（4）；上第一层超硬磨料（3），电镀加厚使得第一层超硬磨料（3）65%~80%的高度被埋入镀镍层（4）中；然后再上第二层超硬磨料（3），并加厚至第二层超硬磨料（3）65%~80%的高度被埋入镀镍层（4）中；再上第三层超硬磨料（3），如此反复，直至在砂轮轮毂（1）外圆周面上形成大量且具有多层超硬磨料（3）的电镀超硬磨料层（8），且最外层超硬磨料（3）65%~70%的高度被埋入镀镍层（4）中；

步骤六、将电镀完毕的砂轮置入加热炉中，加热熔除聚乙烯绝缘片（2）阵列，形成大量磨料层（8）与微槽（12）相间的有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮。

3.根据权利要求1所述的一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮或权利要求2所述的一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮的制备方法，所述的砂轮轮毂（1）材质为45号钢，直径为Φ20~200 mm，厚度为6~20 mm。

4.根据权利要求1所述的一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮或权利要求2所述的一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮的制备方法，所述的微槽（12）的宽度仅为30~50 µm、深度为500~750 µm、深宽比为10~25，间距为400~800 µm。

5.根据权利要求1所述的一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮或权利要求2所述的一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮的制备方法，所述的多层超硬磨料（3）是指超硬磨料层（8）的电镀超硬磨料（3）的层数为4~7层。

6.根据权利要求1所述的一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮或权利要求2所述的一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮的制备方法，磨料层（8）的厚度为0.3~0.6 mm。

7.根据权利要求2所述的一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮的制备方法，所述的凹槽（7）可以通过调整微水刀激光加工设备的喷嘴（6）与砂轮轮毂（1）的相对运动轨迹来改变凹槽（7）的结构形式，凹槽（7）的结构形式包括直线型、斜线型、螺旋型。

8.根据权利要求2所述的一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮的制备方法，步骤二中所述的采用微水刀激光加工技术在聚乙烯醇胶层（5）上加工凹槽（7）时，引导激光束（10）的水射流（9）垂直于聚乙烯醇胶水层（5）的外圆周面，并沿着砂轮轮毂（1）的轴向进给，同时砂轮轮毂（1）绕其自身轴线转动；每加工出一个凹槽（7）后，微水刀激光加工设备的喷嘴（6）返回初始位置，再将砂轮轮毂（1）转动分度，继续开展下一个凹槽（7）的加工；如此反复，直至整个聚乙烯醇胶层（5）的外圆周面加工有凹槽（7）阵列。

9.根据权利要求2所述的一种有序微槽结构多层超硬磨料电镀砂轮的制备方法，所述的超硬磨料（3）为金刚石或CBN。