不同類型電鍍金剛石工具的研發與應用

鄭州磨料磨具磨削研究所  王光祖

河南凱納精密工具有限公司張奎  王福山

        01金剛石砂帶

        金剛石電鍍砂帶是指以電鍍鎳金屬作為結合劑，精選金剛石粉為磨料，由背襯材料、撓性金屬基材及有序排布金剛石鍍層三個部分組成，背襯材料和柔性金屬基材粘結成環形的一種新型超硬涂附磨具產品。與普通磨料砂帶相比，具有超硬材料的“硬”和涂附磨具“柔”’的雙重特性，其工作層表面有序排布磨削小單元之間的縫隙形成了較大容屑空間，有利于散熱，提高了加工質量，砂帶柔韌性及排屑的能力，在使用過程中同時具有粉塵少，噪音低的環保優勢。

        現代工業發展中，金剛石電鍍砂帶以多面刀刃的特殊結構，在工業生產中廣泛應用，并享有“萬能磨削”的美稱譽。隨著對工件質量要求的逐漸提高，原有砂帶工藝的加工已不能滿足嚴格的標準要求，在工業發達國家，金剛石電鍍砂帶早已普遍應用于玻璃、石材、陶瓷、復合材料、航天航空、硅材料等硬脆材料的磨拋加工。

        肖樂銀、王進保等通過研究得到了如下結果：可以根據用戶的要求制造各種粒度和尺寸規格的產品，同時磨片、手持塊和砂圈等各種異形產品繁多，所有產品均可在有水或無水狀態下使用，磨削性能卓越，應用面廣，性價比高。同時，由于鎳鍍層對磨料有比較強的把持力，使電鍍砂帶拓展于cBN領域成為可能，相對金剛石磨料，cBN砂帶可應用于鋼鐵、鐵合金等含鐵族元素難加工材料的磨拋，特別是高碳鋼、合金鋼、淬火鋼等高硬度鋼材表面研磨和拋光，以及要求自動控制、精密與超精密研拋的場合。

        因此，隨著國家高效高精加工要求的提高以及加強環境保護的迫切要求，加之超硬材料行業設備和產品開發水平的不斷提高，金剛石電鍍砂帶將有廣闊的應用空間和發展前景。

       02.金剛石線鋸

       從20世紀90年代中期開始，由于線鋸加工的切縫窄、厚度均勻、翹曲度較低，而被廣泛應用于單晶硅等貴重硬脆材料的加工。根據線鋸結合劑種類的不同，線鋸主要分為游離磨料和固結磨料兩類。游離磨料線切割加工在工業切割領域表現穩定，在光伏產業大尺寸硅片切割領域廣泛應用，但其存在加工效率較低且不利于加工更硬的材料、磨漿污染環境嚴重等問題，因而嚴重制約了該技術的進一步發展。隨著生產的發展，游離磨料線切割技術逐漸被固結磨料線鋸切割技術所替代，而其磨料一般采用金剛石。電鍍金剛石線鋸是一種在鍍液中添加一定的金剛石磨料，當鍍液中的金屬離子在陰極還原成金屬，沉積在線鋸基體上時，金剛石微粒被包覆進入鍍層而成的線性線鋸切工具。其比原來的游離磨粒具有更高的耐磨性，同時能夠承受較大的切削力和較長的切削時間。

       金剛石線切割又分為往復式和環形式，往復式金剛石線鋸相對于傳統的鋸片更加細，直徑一般不超過0.3mm，切縫很小，但是用于切割更高硬度的脆性材料，往復式金剛石線的切割效率非常低，進刀速度低于0.5mm/min，相對于傳統加工沒有明顯的速度優勢。由于進刀速度慢，也難以滿足YAG晶體加工的高效率的要求。目前，工業上比較先進的方式還是環形金剛石線切割。

       金剛石電鍍環形線，它的線速度最高可達50m/s，金剛石線直徑0.7mm，金剛石線總長4000mm，相對于往復式，環形式金剛石線是往復式的2--3倍，加上金剛石線的直徑大，可承受的拉力更大，進刀速度可以更快，雖然切縫大(0.8-0.9之間)，和傳統的鋸片切割機的切縫基本一樣，但是切割效率得到極大的提高。理論上，高效率的磨削切割，同時意味著快速的磨損，金剛石線同樣很快磨損直至金剛石磨粒被耗盡。

       隨著電鍍金剛石線鋸的不斷發展，其性能得到了進一步的開發與利用，很多學者對此進行不同的嘗試。

       比如王敬等制備了具有絞合鋼線芯的三絲絞合電鍍金剛石線鋸，通過實驗發現，三絲絞合電鍍金剛石線切割時的線弓明顯小于單線電鍍金剛石線鋸，具有磨損小、切割能力強、使用壽命長等優點。

       Inoue.makoto開發了一種新型可切割硬質材料的線鋸，其第一層為用焊錫把金剛石磨料暫時固定在黃銅涂層的鋼絲上，第二層鍍鎳加固，當用該線鋸切割藍寶石時切割面各項性能都非常好。

       Gao獨自設計的具有一定生產效率的金剛石線鋸可成功切割海底輸油管，并對其各項工藝參數間的相互關系進行了研究。金剛石線鋸在切割硅錠時，在切口處會有損失，對硅材料造成浪費，而利用氫鎳發生的化學反應的工藝可以很好的回收切口處損失的硅。

       中國有色桂林礦產地質研究院可采用多條環形金剛石線鋸排成縱橫的網狀線切割多晶硅，可有效利用環形金剛石線鋸單方向、無慣性力、高速運動的特性使加工效率提高幾倍。

       長沙岱勒新材料科技股份有限公司利用牽引裝置，牽引金剛石線鋸依次穿過退鎳槽、金剛石拉絲模，進行退鎳和剝離金剛石，可有效地回收金剛石，該發明處理過程效率高、剝離完全且整個過程造成的損失很小。

       03.金剛石滾輪

       作為成形磨削必備的修整工具，各類金剛石滾輪的誕生推進了深切緩進給強力磨削技術的快速發展。因具有修整時間短、使用壽命長、修整精度高、加工零件一致性好等優點，金剛石滾輪廣泛用于汽車、航天航空、軍工等行業。隨著被加工零件復雜程度不斷提高，越來越復雜的滾輪應運而生。

       國內鍍法制造的金剛石滾輪精度可達5um，，電鍍金剛石滾輪的工作層是電鍍層，電鍍層是Ni-金剛石復合電鍍，該復合層的質量直接決定滾輪的質量。電鍍層的質量控制包括機械性能控制和對固結磨料能力控制。電鍍層機械性能是指鍍層的應力和硬度，電鍍層內應力過大會使滾輪出現裂紋、掉塊，硬度過低會降低沉積層對金剛石的把持能力，導致金剛石磨粒過早脫落，降低使用壽命。而且由于其特殊性，電鍍時陽極和型腔距離接近，尖端效應嚴重，當近陽極的厚度是磨料尺寸的好幾倍時，遠陽極位置的鎳層還未將磨粒完全包裹住，各位置厚度嚴重不均勻，這大大延長了滾輪的電鍍時間，降低了滾輪的電鍍效率。

       李媛媛、王永寶等針對傳統電鍍金剛石滾輪出現缺砂、掉塊等質量問題，將優異的氨基磺酸鎳電鍍液體系引入電鍍金剛石滾輪的電鍍中，用正交實驗法研究了氯化鎳、硬化劑和整平劑對鍍層硬度、應力及厚度一致性的影響。

       04.金剛石鉆頭

       電鍍金剛石鉆頭是利用電鍍原理，使沉積金屬（合金）將金剛石顆粒包鑲在鉆頭鋼體上形成牢固耐磨的工作層（胎體）而制成的鉆頭。電鍍金剛石鉆頭存在內外徑磨損較快、與工作層的磨損不相適應等問題，明顯影響了鉆頭的使用效果，縮小了鉆頭的使用范圍。因此，楊展等人提出了解決問題的方法。

       4.1螺旋形水糟和半底噴式結構

       螺旋形外水槽能提高鉆井液的上升速度，有利于冷卻鉆頭和清洗孔底，也有利于減少巖粉在鉆頭外徑部位停留時間，更重要的是鉆頭的保徑部分也呈螺旋形狀，鉆頭回轉鉆進時與孔壁的接觸由直線接觸變為螺旋線接觸，接觸面積增大，鉆頭旋轉變得平穩了，外徑的磨損將減少。

       4.2聚晶保徑規保徑鉆頭

       聚晶保徑規保徑鉆頭，這種電鍍鉆頭的保徑方法是采用聚晶，先在鉆頭的內外徑部位銑出嵌鑲聚晶的直槽，然后將聚晶嵌牢在直糟里，聚晶嵌入槽內約三分之二的高度。之后再置于鍍槽內加金剛石復合鍍，直到復合鍍層與聚晶平面一致，并達到鉆頭的內外徑規格，電鍍內外保徑層即完成。應用這種方法制造的電鍍金剛石鉆頭，在河南靈保金礦使用，其保徑效果很好，在大陸學科鉆探工程中，采用該方法保徑的電鍍φ157mm金剛石鉆頭，使用了 14個鉆頭均獲得成功。

       4.3內外徑和底唇面分開電鍍

       鉆頭入槽后改變原有的電鍍工藝，先鍍一層鎳合金(約電30min)，然后套上內外模具，接著電鍍底唇面工作層。待底唇面工作層高度滿足后，取出內外徑模具，出槽活化后重新入槽電鍍，加金剛石復合電鍍內外徑，直到內外徑規格。

       采用這種方法保徑可以達到的效果，主要有以下兩方面原因:

       (1)內外徑是連續的保徑層，不會出現過去那種在套上模具后內外徑薄弱的現象，也不會出現套模前后之間的薄弱環形帶

       (2)不套模具電鍍內外徑，有利于氫氣溢出，大大減少了針孔現象，減少氫脆，同時，鉆頭的內外徑規范一致，因此能提高內外徑的耐磨性。

       4.4跟模電鍍

       跟模電鍍就是鉆頭活化入槽后，先鍍好內外徑并套上內外模具，但這時模具的上平面應該略高于鉆頭底唇面工作層，隨著工作層增高，內外模具隨之向上移動，一直電鍍到工作層的設計高度為止。

       這種跟電鍍方法的優點就是，電鍍過程中的氫氣泡容易溢出，可以減少電鍍層中的針孔，特別是靠近內外模壁電鍍層中的針孔大大減少，致密度明顯得到改善，鉆頭底唇面上的性能一致。所以，鉆頭的保徑能力得到提高，鉆頭的使用壽命也隨之延長。

       4.5電鍍鎳鈷錳合金的胎體

       鎳鈷錳胎體金剛石鉆頭具有比鎳鈷或鎳錳胎體鉆頭更好的耐磨性和對巖石的適應性，由于其耐磨性明顯提高，所以保徑效果也相應得到提高。