ZnO电阻片磨片工序的工艺创新.doc

ZnO电阻片磨片工序的工艺创新 M76350双端面通过式自动磨片机王崇新 沈锋（上海电瓷厂 200241）提要本文分析了ZnO电阻片的磨片工序中对电阻片使用磨削工艺比研磨工艺更合理有效。M76350双端面通过式自动磨片机磨削电阻片的效率、成本、电性能等综合指标都优于传统的研磨机。并对适用于电阻片磨削加工的金刚石砂轮进行介绍。关键词ZnO电阻片 磨片 金刚石砂轮磨片工序是ZnO电阻片（以下简称阀片）制造工序中一个不可忽视的环节。该工序主要作用是将烧成后的阀片上、下端面，磨削平整并达到相应的厚度，端面的表面粗糙度能有利于喷铝工序的工艺要求。一、目前阀片磨片工序中的研磨设备使用情况国内大多数阀片生产厂家进行磨片工序，都采用双面研磨机（以下简称研磨机），作为加工设备。研磨机原先主要是半导体行业用，硅锗片的精密研磨，使用时在上、下磨盘上涂抹少量的研磨膏成品，使加工元件能获得较高的平行度和较高的表面粗糙度，是属于精密研磨范畴的研磨设备。因研磨介质是研磨膏体，所以对研磨机的内外齿轮，及上、下磨盘的磨损很微小，如选用合适的研磨膏体，该设备还可以对元件起到抛光作用。但阀片制造行业，从使用研磨机研磨阀片的情况看，实在是精机粗用了会导致研磨机的维修工作量增加，磨片的质量也因蹦边掉角和侧面高阻层得不到保护而受到影响，磨片成本高，间隙式操作不但效率低，而阀片厚度也不容易控制，就很容易形成阀片制造过程中的瓶颈工序。造成原因有以下几条：1研磨阀片时，因不用精密的成品研磨膏，而是用80目左右的碳化硅研磨砂。将研磨砂和水搅拌混合一起灌入上、下磨盘间，带砂液体无孔不入，流入内外齿轮和行星轮，时间长了还会经过主轴转动进入主轴箱体内的蜗轮蜗杆。研磨砂在研磨阀片二个端面的同时也间接研磨上、下磨盘、内外齿轮、行星轮和主转动轴箱内的蜗轮、蜗杆，将这些机械零件变成了特别容易损坏的易损件，维修工作量也就可想而知了。2、为增加研磨效率，在上、下磨盘上加工了纵横交错的很多沟槽由于沟槽的顶角和阀片圆周角有周期性的碰撞，尤其开始时阀片还不平整，更容易造成边角的蹦掉现象，严重影响外观质量。3、为了使阀片能自转，由行星轮板带动，阀片侧面和行星轮板内孔产生相对的滑动，使涂覆在阀片侧面上的高阻层磨损而影响性能。因此，不得不要给每片阀片套上防护圈，研磨后又要卸掉，降低了磨片效率。4、研磨阀片的厚度，靠时间多少来模拟估算的。因每次加装砂量不等，砂中含新砂量也不同，即使用等同的时间也很难磨出相同厚度的阀片来，这样势必影响直流1mA的电压。要想将直流1mA电压值范围控制的窄些就更加困难了。5每台研磨机一年约用5000公斤碳化硅研磨砂，重复利用率很低，流入下水道污染环境，也容易堵塞下水道，加大了清除疏通的工作量。二、新型磨片机M76350 ZnO阀片双端面通过式自动磨片机（以下简称新型自动磨片机）我们认为，研磨和磨削是两种不同加工工艺。研磨：对工件去除极其微量的表面余量。使用不同粗细牌号的研磨膏对工件研磨、抛光使表面获得较高的平行度和粗糙度。磨削：对工件以去除较多表面余量为主要目的。类似于切削方法，只是用砂轮作为刀具进行磨削，使工件去除较多的表面余量并获得带有磨削痕迹的表面。阀片的磨片工序，主要将阀片烧结收缩时产生的端面变形和坯件周边的倒角等磨掉，又为了得到相应的阀片厚度以保证压敏电压也要磨削，磨削量相对要多一些，所以阀片磨片工序应是磨削而不应研磨。在目前市场尚无适合阀片的磨片机，我们就自行设计制造适用ZnO电阻片行业磨片工序的高效专用设备。据国外资料和轴承制造行业加工轴承两个端面的设备启发。以及长期使用，维修研磨机的体会。我厂自主开发了适合阀片磨削工艺的M76350ZnO阀片双端面通过式自动磨片机。该机的设计指导思想：立足于提高阀片的外观质量，以求得棱角完整，提高磨片工序的效率，降低磨片工序的成本支出，节能环保尽量避免维修。通过式磨削原理示意俯视图如下： 通过式磨削工艺：是由二只转速相同，转向相反的金刚石砂轮，并同时作用于阀片上的旋转力相互抵消，使阀片不转动。阀片在输送带的推动下，依次排列连续直线地通过金刚石砂轮之间，而获得磨削地目的。从通过式磨削原理上分析，这就从根本上克服传统研磨机间隙式操作和周期性碰撞问题。由于连续高效磨片，阀片生产效率高、厚度控制一致性好。磨削时阀片不转动有效保护侧面高阻层的完好。要使这些适用的特点在新型自动磨片机上实现，在设计上就要对通过式自动送料系统、数字显示进给装置、金刚石砂轮、主轴稳定性等方面进行创新思考。使这些方面的功能都能满足阀片磨削的特殊要求。下面对这些方面的创新点分别简述。1、通过式自动送料系统通过式自动送料系统有喂料装置、输送装置、导轨和调节支架组成。如示意图所示： 由于阀片磨片工作量很大，为提高生产效率该机设计了自动喂料系统。即将码放堆好的阀片放在料斗内，喂料电机能按照加工节拍将阀片一片一片的喂入到输送装置中去。再由输送带将阀片沿导轨推入到砂轮中去进行磨削。输送装置有一对主、被动输送带组成。主动输送带运行速度可无级调速，保证能得到最佳的磨削推进量。被动输送带能起到调节阀片厚薄和输送力大小等作用。导轨安装在调节支架上，可视阀片的直径大小调整上、下导轨的距离。便于阀片沿导轨进入砂轮，经磨削后又沿着导轨被送出。导轨设有几种宽度系列，便于磨削不同厚度阀片选用。2、数字显示进给装置砂轮的进给磨削使阀片达到相应的厚度。由于直流1mA电压和阀片的厚度成线性比例关系，一般为了达到阀片直流1mA电压，也可以利用阀片的厚薄进行微调，所以对阀片厚度的控制就显得尤为重要。考虑到这个要求在设计砂轮进给量时，运用数显表能直接读出0.01mm精度的功能，便于砂轮进给磨削对阀片厚度能精确的得到控制。这功能实际上也起到阀片厚度值的直接显示作用。避免操作工人满手是水和研磨砂，对游标卡尺的损坏，也防止对卡尺刻度值读错机会的发生。现在操作工一看数显表就知晓阀片经磨削后的实际厚度是多少。如果要增减阀片厚度能直观的操作进给手轮，看着数显表上的数值后方便正确的实现，提高了磨片工作效率。另外，进给装置有手动和电动两种操作，由于采用特殊机械结构，手动和电动转换能自动实现，用不着以往的要用换档手柄来分离结合等操作顺序，使操作方便自如。3、金刚石砂轮选用合适的金刚石砂轮是双端面通过式自动磨片机成败的关键。它直接影响被加工阀片的质量和产量，而金刚石砂轮技术参数的合理选用，又左右着阀片的磨削质量和加工成本。可见金刚石砂轮重要性，根据磨削工件的材料和磨削方式，选用不同种类的金刚石和结合剂。我们在开发新型自动磨片机同时也就金刚石砂轮进行了以下方面的了解。金刚石是世界上最硬的材料，所以金刚石砂轮是磨削陶瓷等硬度高脆性大的非金属材料最佳磨具，因其制造工艺不同，其晶体形态、颗粒粗细也不同，也令金刚石有不同的强度、热稳定性和破碎特性。粒度金刚石砂轮的粒度选择直接影响阀片加工的粗糙度和磨削效率。一般来说颗粒细工件粗糙度小（即光洁度高），粒度粗阀片磨削量就大，因此在满足一定粗糙度的前提下尽可能选用较粗粒度的金刚石，从使用结果看用7080号粒度对阀片的表面粗糙度和磨削效率都比较适合。结合剂粘合剂是起着粘结和把持金刚石颗粒的作用，使金刚石砂轮能有效的进行磨削作用。对磨削阀片这种陶瓷脆性材料，使用树脂类作结合剂较合适，因树脂类砂轮的自锐性好，发热量少、不易堵塞、磨削效率高、对脆性材料也不易产生蹦边的现象。但树脂类结合剂的使用寿命（即磨削比：清除材料体积与砂轮消耗的体积比）不如金属结合剂的长。我厂曾经为提高金刚石的磨削比，特制了一种金刚石砂轮，将金属粘结剂和树脂粘结剂两种方法做在一块砂轮上，想综合起到既增加磨削比又防止蹦边作用，但未取得预期效果。如图所示： 金刚石砂轮的金刚石颗粒是靠结合剂包埋镶嵌固定的。由于金刚石的 浸润性差，成型金刚石砂轮时金刚石颗粒和结合剂的结合力不强。若要保证金刚石砂轮正常磨削，就要求金刚石颗粒在结合剂中的埋入率达到7080，便于对金刚石颗粒有较大的把持力，这样裸露部分只有2030。因此磨削时就容易堵塞，所以要有一定压力的水流，使堵塞的料浆冲刷掉，使金刚石颗粒又有较锋利的形貌。如图所示：浓度金刚石砂轮浓度是指金刚石颗粒在整个砂轮磨削层中所占的体积比。要根据砂轮的形状、粒度、结合剂以及加工对象和磨削方式等因素来决定。一般树脂类结合剂采用50100浓度，粗磨采用高浓度，半精磨采用中浓度，要求使用寿命长的也采用较高浓度。高浓度带可来了高的磨削比。金刚石砂轮一般不推荐使用低于50浓度，否则实际上起到一种以超硬磨料为辅料的普通砂轮作用了，金刚石砂轮的浓度增加一倍可使砂轮寿命延长45倍。浓度和磨料含量成正比：浓度255075100125150200金刚石含量（g/cm3）0.220.440.660.881.101.321.764、主轴的稳定性免维修的设计该磨片机主要有床身、左右主轴箱，金刚砂轮、数字显示进给装置和自动喂料系统等部件组成。新型自动磨片机外形俯视图所示：主轴起着传递运动和转距的作用，是关键零件。因此加大主轴轴颈的直径，并选用40Cr合金结构钢，主轴的毛坯又经锻打使其内部结构均匀，提高了强度，再经过热处理工艺，又增加了主轴的刚性，使主轴足以承受强力磨削的工况。传动带轮采用卸荷方式，如图所示： 传动带轮的卸荷方式使主轴转动输送转距时，由于皮带轮通过轴承安装在箱体上将三角带产生的拉力和跳动就由主轴箱体承担，皮带轮和主轴用花键槽带动，所以主轴运动时不会受到三角带向下的拉力，使主轴运动平稳、运动精度高。而传统方式，皮带轮直接用键销安装在主轴的尾部，所以主轴转动同时还会受到三角带的直接拉力和跳动的影响。使主轴转动时受到由三角带拉力产生的弯矩作用容易产生振动，运动不平稳。主承载轴承采用径向承载力大而同时又能承载力轴向的轴承。所以选用双列圆柱滚子轴承，因它能承受很大的径向载荷，并又成对使用向心推力轴承，这类轴承能同时承受轴向和径向载荷。这种轴承的选用和组合使用，改变以往一般设备主轴传统使用的圆锥滚子轴承。如图所示： 由于上述措施，主轴运动更加平稳，杜绝主轴振动而使脆性材料的阀片发生蹦边掉角，承载力大可以一次性磨削每面约0.5左右的余量，提高了效率，运动精度高保证两端面的表面粗糙度符合喷铝工艺的需要。三、两种磨削设备的磨片外观、电性能和成本、效率的比较1、阀片外观、电性能新型自动磨片机因不用行星轮，阀片侧面不存在传统研磨机的阀片和行星轮间的相对运动，所以阀片侧面高阻层一点都不受损伤，从而阀片的4/10s大电流的耐受能力和2ms方波耐受水平得到稳定和提高。新型自动磨片机设计时采用一系列防振动措施，特别使用特制的树脂类金刚石砂轮，避免传统研磨机对阀片造成的蹦边掉角，产生圆周角上的锯齿状尖端，使外观质量得到较大的改进。由于外观质量的提升，使阀片的电性能得到改善，是新型自动磨片机经试磨阀片后意外得到的增值亮点。2、成本、效率都以磨削直径35的阀片两端面各去掉0.5为例 l 传统的研磨机 一班8小时研磨1200片设备购置费8万元8年折旧完 8万元（8年12月30日）28元整机功率3.5kw 3.5kw8小时1元/kw28元 碳化硅砂20kg 20kg7元/kg140元中心齿轮半年换一件 300元（30天6）1.6元外圈齿轮每年换一件 1500元（30天12）4.2元上、下磨盘每月加工一次 300元30天10元上、下磨盘每年换一次 2000元（30天12）5.6元涡轮蜗杆每年换一次 1500元（30天12）4.2元水泵壳体，、叶轮每半年换一次 200（30天6）1.1元每班总消耗费用 222.7元折合每片消耗费用 0.19元l M76350双端面通过式自动磨片机 一班8小时磨削15000片设备购置费15万元8年折旧完 15万元（8年12月30日）52.08元整机功率23kw 23kw8小时1元/kw184元 金刚石砂轮可磨大于15万片 5000元15000015000500元每班总消耗费用 736.08元折合每片消耗费用 0.05元l 综合性能比较项目类别综合成本圆周角及高阻层喷铝结合力工效用电单耗环境1传统研磨机0.19元/片蹦边掉角高阻层损坏符合要求1200片/班22w一般2M76350通过式磨片机0.05元/片圆周平滑高阻层完好符合要求15000片/班13w友好结果比较降74明显优相同12.5倍降41好结论：新型自动磨片机的使用提升了阀片磨片后的外观质量，使4/10s大电流和2ms方波的耐受水平也得到改善。假如阀片生产企业按一年生产100万片35阀片计算，一年就可少支出14万元的磨片工序费用。一年就可以收回购置新型自动磨片机的投资。四：结束语由于我们有着其他磨片机制造厂商所不具备的优势即：有长期使用维修研磨设备的心得并深刻了解磨片工序中的关键要求，并将这些要求在自主开发新型自动磨片机中都得到重视和体现。该磨片机又得到上海金刚石砂轮专家的鼎力协助，联合攻关制造出更适合磨削ZnO阀片的金刚石砂轮，完全符合Z