（机械制造及其自动化专业论文）小直径深孔精加工电镀珩具制备及应用技术研究.pdf

中文摘要 小直径深孔精加工技术，因其应用的广泛、重要性和加工难度高，一直是孔 加工乃至切削加工领域的重点研究内容。美国的s i n g l e p a s s 孔加工技术，也称整 体式珩磨技术，由于采用了金刚石或立方氮化硼磨粒所制作的电镀珩具，与传统 的珩磨技术相比，具有更高的加工精度，更短的加工时间，更少的操作技能以及 更低的加工成本，因而是未来精密孔加工技术的一个重要发展方向。 然而国内在这方面的研究还很有限，对存在的一些问题，如电镀珩具使用寿 命低，尺寸不宣保证，加工工艺不成熟等，还没有得到满意的解决。这些问题严 重制约着国内小深孔精加工技术的应用和发展。为此，本文结合内燃机偶件的精 密小孔加工项目，对s i n g l e - p a s s 孔加工技术所使用的电镀珩具的制备及应用技术 进行了研究，本文在以下几个方面进行了深入的分析研究。 1 对分析总结了国内外小直径深孔加工技术，介绍了当前孔加工的最新技 术和国内在这方面的研究情况。 2 对活化电镀技术进行了深入研究，提出一种以活化的立方氮化硼颗粒进 行复合电镀的新方法，并从理论上分析了活化工艺对复合镀层结合强度的影响。 按照该方法制备立方氮化硼电镀刀具，通过切削试验，与未活化的立方氮化硼制 作的刀具相对比，其寿命有了显著提高。 3 用经过活化处理的立方氮化硼制作系列定尺寸电镀珩具，并对其在制作 过程中的各个步骤进行详细研究，改善了刀具尺寸，提高了形状精度。 4 用所制作的立方氮化硼系列定尺寸电镀珩具，对平衡阀的矿3 m m 小深孔 进行加工，确定了合适的加工工艺，研究了切削中出现的各种问题，并提出了改 进方法。 关键词：小直径深孔加工；一步到位；电镀珩具；活化；立方氮化硼 a b s t r a c t t e c h n o l o g yo fd e e pa n ds m a l lh o l ef i n i s h i n gh a sb e e nr e s e a r c h e do ne m p h a s i s f o ri t sw i d er a n g ea p p l i c a t i o na n dh a r dm a c h i n i n g s i n g l e - p a s sh o l ef i n i s h i n g t e c h n o l o g yf r o mu s a i s oc a l l e di n t e g r a lh o n i n gh a sb e t t e rp r e c i s i o n , l e s sm a c h i n i n g t i m e ，m o r es i m p l eo p e r a t i o na n dl e s sc o s tt h a nc o n v e n t i o n a lh o n i n gf o ru s i n gi t sc b n o rd i a m o n d - p l a t e dh o l ef i n i s h i n gt o o l s t h ei n t e m a lr e s e a r c ha b o u tt h a ti sl i m i t e d s o m ep r o b l e m st h a th a v en o tb e e n r e s o l v e ds a t i s f y i n g l ys u c ha ss h o r tl i f e ，l o wp r e c i s i o na n dl a c k i n gp r o c e s so f e l e c t r o p l a t i n gt o o l sr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yf o rd e e pa n ds m a l lh o l e f i n i s h i n g t h e r e f o r em a n u f a c t u r ea n da p p l i c a t i o no fe l e c t r o p l a t i n gt o o l su s e d i n s i n g l e - p a s sh o l ef i n i s h i n gt e c h n o l o g yh a v eb e e nr e s e a r c h e di nt h i sp a p e ra s s o c i a t i n g w i t hp r e c i s i o nm a c h i n i n go f p l u n g e rp r o j e c t t h em a j o rc o n t e n ti sa sf o l l o w i n g ： 1 b a s e do ns u m m a r i z i n gm a c h i n i n gt e c h n o l o g yo fd e e pa n ds m a l lh o l e ，a n i n t r o d u c t i o na b o u tm o s ta d v a n c e dt e c h n o l o g ya n di n t e r n a lr e s e a r c hi sg i v e n 2 a c t i v a t i o ne l e c t r o p l a t i n gt e c h n o l o g yi sd e m o n s t r a t e d t h i sp a p e rp u t s f o r w a r dan e we l e c t r o p l a t i n gm e t h o du t i l i z i n ga c t i v a t e da b r a s i v e sa n da na n a l y s i so f a c t i v a t i o ne f f e c tf o rb i n d i n gs 岫l g n lf r o mt h e o r yi sc a r r i e do u t v a l i d a t ee f f e c tt h o u g h c u t t i n g t e s t u s i n ga c t i v a t e dc b n e l e c t r o p l a t e d t o o l sc o m p a r i n gw i t hn o r m a l e l e c t r o p l a t i n gc b n t o o l s 3 i no r d e rt oi m p r o v ed i m e n s i o na n ds h a p ep r e c i s i o n ，ad e t a i l e dr e s e a r c ho f e v e r ys t e pi nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fs e r i e sf i x e de l e c t r o p l a t i n gt o o l sw i t l la c t i v a t e d c b ni sc a r r i e do u t 4 a p p r o p r i a t ep r o c e s si ss t u d i e db ym a c h i n i n g3 m m d i a m e t e rh o l eo fp l u n g e r w i t hs e r i e sf i x e dc b n - p l a t e dt o o l s i m p r o v i n gm e t h o di sg i v e na i m i n ga tt h e p r o b l e m sa r i s i n gi nt h ec u t t i n gt e s t k e yw o r d s ：d e e pa n ds m a l lh o l ef i n i s h i n g ，s i n g l e - p a s s ，e l e c t r o p l a t i n gh o l e f i n i s h i n gt o o l s ，a c t i v a t i o n , c b n 独创性声明 本人声明所里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 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘壁或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：骈亳冲签字日期：缸矽石年二月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞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行检 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 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 导师签名：刁乱吸 签字日期：枷佴1 月矽日 第一章绪论 1 1 小直径深孔加工技术 1 1 1 小直径深子l 的定义 第一章绪论 在机械制造业中，一般将直径在o 3 m m 3 m m 之间的孔称为小孔“1 ，而将孔 深超过孔径5 倍的孔称为深孔，同时满足这两个条件的孔则称为小直径深孔，简 称小深孔。这类孔广泛应用在内燃机油泵油嘴、各种阀类，汽车、电子、微小机 械、航空、航天及军工领域中。 小深孔由于其细长的孔径，在加工中会遇到很多困难吐”，而且小深孔通常有 很高的精度要求，这更增加了小深孔加工的难度。从表象上看小深孔不过是一般 孔加工技术的外延，加工机理应该是一般孔加工方法的扩展应用，但实际上二者 之间相差甚大。 例如钻孔最常用的麻花钻，被公认为是工效很高的刀具，但在钻小深孔时由 于必须频繁退刀、进刀，从而使工效大大降低。细小的直径需要超高的主轴转速， 一般钻床无法胜任。刀具直径过细造成的刚度不足，又会使加工后的孔直线度超 差，给后续加工带来困难。因此在加工小深孔时，必须有专业化的小深孔加工工 具和深孔机床装备。 孔加工是金属切削加工中最常用的加工工艺，孔加工的金属切除量约占切削 加工总金属切除量的1 3 。小深孔加工由于其独特的功能而在孔的加工中占重要 地位。 1 1 - 2 小直径深孔加工技术的发展轨迹 小深孔零件早在1 3 1 4 世纪就已经出现，但相适应的加工技术直到2 0 世纪 上半叶才得以问世。从最初的扁钻到麻花钻、枪钴，再到b t a 深孔钻，逐渐 形成了制造技术的一个独特分支深孔加工技术，而与之对应的精加工技术， 也在此期间得到了飞速的发展。纵观2 0 世纪小深孔加工技术的发展历程，可以 总结出它在发展中的三条轨迹： 1 用切削方法从实体金属材料上连续不断地加工出偏移量小而平直度高的 深孔。重点为开发和改进实体深孔钻学技术。 第一章绪论 2 对于已经钻出的深孔进行后续精加工，包括深孔的磨削、研磨、珩磨、 铰削及其它精加工方法，直到工件的预期技术要求得到满足。 3 2 0 世纪中叶航空航天科技、计算机及微电子技术、新型工程材料的出现， 促进了特种加工技术的发展，主要特点是以超硬、超软、高强度、高韧性、高脆 性、低导热性等难加工材料、材质为加工对象；孔径超小，长径比特大；形状复 杂零件上的小深孔。 上述发展轨迹中精密小深孔加工由于其在高精尖技术的领域的广泛应用，日 益占有重要的地位，因此对其加工技术的研究具有十分重要的地位。 1 1 3 常用的小直径深孔加工技术 1 传统的钻、扩、铰工艺 目前孔的加工大部分还是用传统的钻、扩、铰工艺，对于小深孔的加工刀具 要有其特殊要求，钻头通常要求更锋利，两主刃与钻头中心线所成角度严格相等， 主切削刃长度保持一致，进给量要小。要求机床主轴转速高、范围广，通常为 1 1 0 0 0 1 5 0 0 0 0 r r a i n ；主轴跳动要小，主轴的跳动量应小于l 岫；对切削抗力变 化的反应要敏感，最好配备有钻头磨损的自动监控系统；为保证直线度、圆度， 最好有能相对主轴反向旋转机构。 目前研制新型钻头仍是该方面研究的重点，如日本塞脱制作所开发的小直径 导向孔专用钻头，直径仅为o 0 5 m m 掷1 n l n ，特点是切削刃带非常短，横刃宽 度小及端部经过倒棱。这种刃形可防止切削时出现滑移和振摆，提高孔的位置精 度。 2 电火花加工 电火花加工使用高速小孔加工机床( 带有导向 高压工 器) ，利用细管电极高速回转，管中通过高压工作液 来加工通孔( 图i - i 所示) 。该方法加工效率高，可 达到6 0 m m m i n ，应用范围广，可以加工深径比大的 小孔，加工的最小直径为0 3 m m ，但精度相对较低。 件 该方法的主要难点为加工中的蚀除产物和热量图1 - 1 电火花加工 不易排除，一般的冲液方式无法解决这个问题。未 来发展方向是要采用高速电火花加工技术，一方面要不断用流动的工作液将蚀除 产物自间隙中排除，另一方面要保持以高电流密度连续正常放电旧。 3 枪钻加工 因最早应用于枪管的加工而得名，适用于深孔的加工，一次走刀加工出精度 较高的孔( 图l - 2 所示) 。枪钻由带有v 形切削刃和一个切削液孔的钻头、钻杆 第一章绪论 及适用于某种设备而设计的钻柄组成。工作过程中，利用导向条支撑刀具，高压 ( 一般为3 4 9 8 m p o ) 切削液从钻头的进油孔送到切削区进行冷却、润滑，并 帮助排屑，然后将切削与切削液顺着y 形槽排入油箱中。1 。 枪钻的加工精度，视不同的被加工材 料和选用不同的切削用量可以一次加工 出精度很高的孔，孔径精度可以达到i t 7 以上，粗糙度可以达到r 0 6 3 r 0 0 4 ，直 线度最高可以达到o 1 1 0 0 0 川。 图1 - 2 枪钻加工 钻削开始时刀具的导向性要求高，一般采用导向套实现，加工开始后刀具具 有自导向功能。专业枪钻加工设备昂贵，只要能保证刀具转速和高压润滑液的要 求，可以在一般设备上改造进行枪钻加工，这已经逐渐成为厂家和研究机构的重 要研究课题。 4 线切割加工 通过线状工具电极和工件电极的相对运动， 对工件进行脉冲放电加工( 图1 3 所示) 。控制 电极丝的走动速度可获得较低的表面粗糙度， 较高的尺寸精度、形状精度和位置精度。但是 该方法需要预加工穿丝孔。 1 2 小直径深孔精力n - - 技术研究现状 1 2 1 小直径深孔精加工技术 图i - 3 线切割加工 移动 小深孔精加工又称为深孔的二次加工。在钻孔或扩孔之后，如果达不到规定 的精度或粗糙度要求，就需要采用深孔精加工技术进行二次加工甚至更多次数的 加工。通常，需要精加工的深孔加工零件有液压缸、泵筒、武器发射管、仪器仪 表用精密管、钻镗刀杆、有特定技术要求的流体管道和用于进行物理化学反应的 管道腔、精密传感器管体等。其加工精度为i t 9 i t 5 不等，孔加工粗糙度r a 一般要求在1 6 0 2 p m 。 除少数盲深孔零件外，二次加工的特点是在已有通孔的基础上进行加工。因 此，排屑不再成为主要障碍，排屑的方式也呈现多样化，刀具的种类和切削齿数 也不拘一格。但由于二次加工仍然是在孔的封闭内腔中进行的，加之受工件长度、 零件结构、孔径尺寸、工件刚度和刀杆刚度等因素的影响，所以小深孔二次加工 第一章绪论 的难度( 其中包括对加工过程的监视和检测) 仍然远高于浅孔的精加工。 目前小深孔精密加工所采用的常用方法主要包括研磨加工、珩磨加工和电镀 珩具加工。 研磨加工是使用研具和游离的磨料进 行微细加工的工艺方法，工件和研具之间 相对平动和回转运动时，利用游离的磨料 进行微细的切削加工( 图l - 4 所示) 。该方 图1 - 4 研磨加工 移动 法可获得很高的尺寸精度、形状精度、位置精度和较低的表面粗糙度。该方法的 缺点有：第一，效率低，劳动强度大，并需要操作人员具有相当的技巧和经验； 第二，它的尺寸分散性大；第三，容易在孔的两端产生研磨喇叭口；第四，研磨 中的磨粒会在孔的窗口、环槽、直槽等处造成破坏，形成研磨浅滩；第五，研磨 中使用的研磨膏对零件的清洗是个大问题，研磨膏常常难于清洗于净，清洁度经 常超过标准。新的研磨方法成为目前研究的重点，例如超声振动研磨，上海伊维 的液体挤压研磨等。 珩磨是从磨削发展起来的精整加工手 段，可以使加工表面的几何精度、形状公 差、表面粗糙度都得到极大改善”。珩磨 加工是以固结磨粒压力进行切削的光整加 工方法( 图1 5 所示) 。一般工件固定， 刀具运动 工件固定 图1 - 5 珩磨加工 珩杆相对于工件作回转和往复运动，在径向珩杆可胀缩压紧工件。可加工的范围 为直径1 1 2 0 0 r a m ，孔长1 2 0 0 r a m ，加工精度可以到o 1 t m ，最高表面粗糙度 可达尼0 o l , u m 。珩磨所使用的设备，可以是专业设备，也可以是车床、钻床或 镗床等普通机床设备的改装。专业设备如装备不同珩磨具刀库的珩磨加工中心， 具有珩磨石自动修正功能，能自动确定最佳加工工艺条件，实现珩磨柔性加工。 电镀珩具也称电镀铰刀，是使用电镀工艺，以金属 镍和钴等作结合剂，把超硬磨粒( 立方氮化硼或金刚石) 包裹在一定尺寸和几何形状的刀具基体表面上，再经过 适当修磨而制成( 图1 - 6 所示) 。作为小深孔的精加工刀 具，电镀珩具能获得较高的尺寸精度和几何精度，并能 获得较低的表面粗糙度值。具有使用方便、成本低、刀 具使用寿命长等优点。用电镀珩具加工出的孔，尺寸分 散度小，几何形状精度高( 可达0 0 0 2 m m ) ”，表面粗 图1 - 6 电镀珩具加工 糙度参数值小( 兄卸4 0 2 ) 1 0 o 电镀珩具的刀具寿命长( 平均每把可加工1 0 0 0 0 件以上) ，生产率高，目前已广泛应用于液压元件的主阀孔、机械和仪表中各种 第一章绪论 精密小深孔的最终加工上。 以上的三种精密小孔加工方法，在不同的领域都有着非常广泛的应用。 1 2 2 国内外的研究应用现状 从2 0 世纪七十年代起，美国的零部件制造商开始采用内孔磨削的方法，用 涨缩式珩磨加工阀孔，而与之相对应的轴则多采用配磨的方式以保证配合间隙。 采用珩磨工艺与多次手工研磨的工艺相比，加工质量好，预留余量少，并且 生产能力高。但是，珩磨也存在着其局限性。传统的珩磨加工利用可涨缩的磨头 使珩磨砂条压向工件表面，单个油石在孔内作直线珩磨或微小圆弧面珩磨，油石 又是通过楔片而涨出，在孔内作往复运动时，油石上的每一部分受力都不同，造 成油石在孔内有轻微颤动，产生了一系列问题如喇叭口，孔径尺寸较难控制等等。 正因为这种情况，在上世纪6 0 年代，金刚石镀层刀具被用于珩磨工艺当中“， 随着工业金刚石的产业化发展，2 0 世纪8 0 年代这种整体式珩磨技术因其在竞争 中的显著优势获得了长足的发展和广泛的应用“”，尤其适用于有一定生产批量 的，零件形状精度在o 5 9 m 以内的精密零件加工。有些国家已制定了国家标准， 其中美国、前苏联、德国及日本处于领先地位“3 “1 。 整体式珩磨加工是由金刚石或立方氮化硼镀层的杆状刀具完成的。在最初期 的刀具刃磨后，刀具仅需要偶尔的尺寸调整以补偿金刚石的磨损。刀具旋转着， 一次性走刀通过工件，即完成加工，故这种加工方式又称为s i n g l ep a s s “”。与传 统的砂条珩磨加工不同，s i n g l ep a s s 刀具在每一个加工循环中不必涨缩，这样就 最大限度地减少了涨缩式珩磨的误差复制现象，以及珩磨工具零件间的传动误 差。 应用s i n g l e p a s s 整体式珩磨加工后，在批量生产中就完全可以做到严格的阀 孔尺寸控制，配磨己不再需要。这样因为配磨产生的测量误差，工装量具和人工 的耗费都不再存在。同时加工工艺的改善使得实际的机床运行成本，工人的劳动 强度甚至于劳动技能要求都大大地降低了。 如今越来越多的零件制造商采用了这种加工工艺，从而实现了更高的产品质 量并极大地降低了生产成本。s i n g l ep a s s 超硬磨料加工技术的发展使得珩磨已不 仅用作高精度要求的终加工工序，并且还可作为切除较大余量的中间工序。 我国是从1 9 7 8 年开始对电镀金刚石珩具进行研制的。第一把电镀金刚石珩具 是由大连机床厂和上海金刚石工具厂共同研制的庐1 6 r a m 的可调式电镀天然金刚 石珩具。随后国内的许多液压件厂和工具厂都相继对电镀金刚石珩具进行了研制 和应用，并且在不同程度上获得了成功。1 9 8 1 年，天津砂轮厂和液压件厂合作研 制出了固定式人造金刚石珩具，被加工孔的尺寸精度、几何精度都小于0 0 0 2 r m n ， 第一章绪论 表面粗糙度指标i h 在o 2 5 a n 左右。从获得的资料看，到目前，国内己有生产和 使用# 4 r a m - f 6 5 0 m m 的多种规格的电镀珩具。 1 3 课题的提出及意义 目前，国内在应用电镀珩具精加工小深孔方面已经有了很大发展，但仍存在 很多问题，如电镀珩具的使用寿命低，尺寸不宣保证，没有成熟的切削工艺“叮 等等。这些问题严重制约着国内小深孔加工技术的发展。为解决以上问题，本课 题结合天津大学内燃机国家重点实验室的新一代内然机超精密偶件加工项目，由 天津大学立项资助，对小深孔精加工所使用的电镀珩具的制备技术和应用进行深 入研究，并可能实现电镀珩具生产的一次变革，将对国内电镀珩具的发展起到极 大的推动和促进作用，因而本课题具有一定的理论和实际应用价值。 1 4 本文研究的内容 本文主要对小直径深孔精密加工所使用的电镀立方氮化硼珩具的制备技术 及应用进行研究，主要包括以下几个方面。 1 在电镀珩具制作的预处理阶段，对一种以活化的立方氮化硼颗粒进行复 合电镀的新方法进行试验研究。从理论上分析探讨活化工艺对复合镀层结合强度 的影响，并按照该方法制备立方氮化硼电镀刀具，通过切削试验，与未活化的立 方氮化硼制作的电镀刀具相对比，验证使用效果。 2 用不同浓度的活化液、敏化液对立方氮化硼进行处理，并制作相应的电 镀刀具。比较不同浓度活化制作出的刀具，以确定合适的活化、敏化浓度。 3 用经过活化处理的立方氮化硼制作系列定尺寸电镀珩具，详细研究其在 制作过程中的各个步骤，以改善刀具尺寸和形状精度。 4 使用活化的立方氮化硼系列定尺寸电镀珩具，对平衡阀的3 m m 小深孔进 行加工，确定合适的加工工艺，就切削中出现的各种问题进行研究，并提出改进 方法。 第二章s i n g l e - p a s s 刀具活化电镀技术研究 第二章s i n g l e - p a s s 刀具活化电镀技术研究 2 1s i n g l e - p a s s 加工技术 2 1 1s i n g l e - p a s s 加工技术原理 r s i n g l e - p a s s 孔加工技术是美国领先的整体式珩磨加工工艺。它的加工过程是 由金刚石或立方氮化硼镀层的杆状刀具完成的。在最初的刀具刃磨后，刀具和工 件或单独或同时旋转着，刀具一次走刀通过加工孔，即完成加工，故这种加工方 式又称为s i n g l ep a s s 。而普通的珩磨加工则不同，珩磨头在每个加工循环中不断 地涨开和回缩，这时三种机械运动同时存在，油石的进给，旋转和往复移动。往 复是指珩磨头进入加工孔后，反复地沿着孔上下进给加工，最终推出加工孔的过 程。s i n g l e - p 嬲s 刀具在每一个加工循环中则不必涨缩，而且金刚石或立方氮化硼 的磨损较油石珩磨条慢得多，故s m o c k s 电镀珩具加工能实现更好的尺寸控制。 正是由于s 协酉e - p 船s 珩具的加工的简洁，实现了较珩磨加工更快的加工效率和更 高的加工精度。 2 1 2s i n g l e - p a s s 技术对所用刀具的要求 s i n g l e - p 嬲s 技术的关键是刀具的制作，先进的刀具制作技术加上专用机床， 才成就了s m # e 伽s 加工如此高的加工效率和加工质量。 s i n g l e - p a s s 所用的整体式电镀珩具，在国内也称电镀铰刀“”或电镀珩具。电 镀珩具作为小深孔精加工工具，有着不可替代的强大优势。首先，这种刀具作为 定尺寸刀具，对于定的加工对象需要制作一系列的电镀珩具，最后一把刀要保 证所加工孔的尺寸和形状精度，因此刀具本身必须具有高的精度要求。其次，刀 具的粒度大小决定了所加工孔的粗糙度大小，越细的粒度加工出孔的粗糙度就越 低，而不同的粒度所能加工的最大余量也不同，所以在电镀珩具设计时就要根据 精加工余量和工件孔的粗糙度要求选用合适的粒度。再次，刀具的耐用度高是电 镀珩具优于珩磨加工的重要优势之一，所以作为s i n # e - p a s s 加工所使用的刀具必 须具有相当长的刀具寿命，已降低平均加工成本。 第二章s i n g l e - p a s s 刀具活化电镀技术研究 2 1 3 电镀珩具研制中的关键技术 在s i n g l e - p a s s 电镀刀具研制过程中，如何保证刀具的尺寸精度和提高刀具的 耐用度是目前国内在电镀珩具研究的重点方向。 针对珩具尺寸不易保证的问题，一种方法是对制作出的电镀进行修磨以达到 预期精度要求，另一种就是采用内镀法。迄今为止，内镀技术已成功应用于高精 度金刚石滚轮的制造“”，但一直未用于制造电镀珩具。电镀珩具内镀的方法是， 采用稳定材料制造一个与珩具外形相反的高精度内孔胎模，将超硬磨粒电镀在胎 模内表面，加厚形成电镀层，再将镀层与刀杆粘结在一起。为将胎膜顺利脱出， 可在胎膜内表面先镀一层低熔点金属，最后加热脱模制成珩具。同时，也可保证 高精度内孔胎模不受损伤而能重复使用，以降低制造成本。 采用内镀法制造的珩具，其磨粒完全由高精度内孔胎模包容，镀层磨粒表面 可以达到较高的几何精度，磨粒等高性好，微刃锋利，所以其切削性能优于外镀 法珩具，所加工孔的表面粗糙度值小，且刀具不需修磨，使用寿命长。 目前电镀珩具的内镀法制造工艺还不完善，在实际中应用较少。这是因为采 用内镀法制造时，胎具的内腔是金刚石颗粒排列的基准，珩具未来的精度如何由 胎具内腔的精度所决定，要想保证珩具高的几何精度，胎具上相应的表面( 内孔) 的精度要求更高。因此，胎具的设计和制造是关系到内镀工艺成败与否以及经济 性的关键。 对胎具的设计和制造有如下几点要求“”： 1 取材方便，便于加工； 2 材料的选择和结构的设计要和加工工艺统一考虑； 3 胎具的结构要保证顺利脱模； 4 在胎具设计时，必须考虑加工的可行性和成本问题，否则设计毫无实用 价值。 内镀法如果解决好胎具的设计制造问题，将会有更广泛的应用前景，并替代 传统的电镀珩具制作方法。 此外，如何增加电镀珩具耐用度也是电镀珩具应用中急需解决的问题。电镀 立方氮化硼工具的磨粒裸露高度大，有较锋利形貌，容屑空间大，故其切削力强， 磨削力小，且有很高的材料去除率。现已在汽车、拖拉机、机床、工具、航天和 军工等行业得到广泛应用。因为其在黑色金属加工领域的广泛应用，要求电镀立 方氮化硼工具有较高的加工效率和尽可能长的使用寿命。对于电镀立方氮化硼工 具，目前多采用镍或镍钴合金作为镀层金属，主要起支撑和结合剂的作用，切削 作用靠立方氮化硼磨粒来完成。因此，镀层金属和磨粒的结合力必须良好，避免 第二章s i n g l e - p a s s 刀具活化电镀技术研究 立方氮化硼磨粒的过早脱落。由于立方氮化硼与一般金属或合金之间有很高的界 面能，致使立方氮化硼的表面不能在室温下被一般金属浸润。所以，应用现有的 立方氮化硼预处理工艺制造的电镀工具，其立方氮化硼磨粒仅被机械的镶嵌于镀 层中，它与镀层金属之间，既没有化学类型结合，也没有焊接作用。立方氮化硼 颗粒在工作中受到切削力作用时，就容易在镀层中出现松动、旋转，直至脱落， 这就会大大降低立方氮化硼工具的使用寿命嘲。据统计，占立方氮化硼工具大部 分的孕镶工具中，立方氮化硼的利用率仅为6 0 7 0 ，大量昂贵的立方氮化硼 在加工过程中脱落，流失于废屑之中。 如何增加电镀珩具耐用度的问题，目前国内还没有这方面的研究。而在树脂 结合剂的超硬工具中已经开始使用表面镀覆技术来提高结合剂强度，本文借鉴这 一思路，对电镀珩具研制中的另一关键技术，即如何保证超硬磨粒和结合剂的牢 固连接问题进行研究，应用这项技术将极大改善刀具的耐用度，延长其使用寿命。 2 2 活化电镀机理 2 2 1 立方氮化硼表面部分金属化的基本思想 对立方氮化硼的活化处理，基本思想是实现立方氮化硼颗粒的部分金属化， 来提高超硬磨粒与镀层的结合强度。尽管目前的立方氮化硼镀覆技术，可以实现 立方氮化硼表面的金属化，如立方氮化硼镀钛、立方氮化硼镀镍等，但镀覆的立 方氮化硼多用于烧结类工具的制造，不能应用于电镀制品中。因为镀覆的立方氮 化硼表面金属化，导电良好，如果进行立方氮化硼工具的电镀，在埋砂过程中， 镀覆的立方氮化硼与钢机体和镀层共同构成阴极，则会出现众多立方氮化硼颗粒 相互粘结在一起，出现成块的现象，无法制备出合格的电镀立方氮化硼工具。但 对于部分金属化的超硬磨粒表面的镀层则没有连接成片，即表面不导电，所以在 电镀时则不会出现这种现象，而且在磨粒表面分散的金属质点还会增加磨粒与镀 层的结合。 2 2 2 几种部分金属化的思路 尽管镀覆技术不能直接用于电镀当中，但是可以对表面镀覆方法进行适当的 改进来实现超硬磨粒的部分金属化。目前超硬磨粒表面镀覆方法基本可以分为以 下两种。 1 化学镀和电镀 第二章s i n g l e - p a s s 刀具活化电镀技术研究 非金属材料大多是非导体，要进行电镀必须先制备导电膜，常用的方法就是 化学镀。在进行化学镀前，必须对表面预处理活化。活化的目的是在非金属 基底上吸附一定量的活化中心嘶4 1 ，以便诱发随后的化学镀。利用金属盐溶液在 还原剂的作用下使金属离子还原成金属，在具有催化表面的镀件上获得金属沉积 层。化学镀镍具有非常好的均镀能力，结合力高，能对非导电基体上进行金属化 处理。化学镀镍层硬度高、耐磨、耐腐蚀，根据磷含量不同具有不同的磁性能。 金刚石的化学镀与电镀产品一般用于树脂结合剂磨具，增加了颗粒表面的粗糙 度，提高了树脂对磨粒的把持力，同时镀后金属可弥补颗粒内部缺陷，提高颗粒 强度，减缓热冲击。 2 真空镀覆 目前真空镀覆应用最普遍的是t i 镀层。t i 是典型碳化物形成元素，对于碳 具有很强化学活性和扩散能力，在工艺条件( 温度、时间) 合适的情况下，镀钛 层与金刚石发生界面反应，形成稳定的化学键合的t i c 层。钛的熔点约1 6 0 0 。c ， 沸点约3 0 0 0 。c 可以在高真空条件下对钛金属加热，形成钛蒸汽，以真空蒸镀法 镀钛。钛属于易溅射物质，受到高速粒子轰击时，其表面钛原子容易溅射出来， 因而可采用溅射镀方法镀钛。 针对以上两种镀覆方法，本文提出以下几种金刚石或立方氮化硼颗粒表面部 分金属化的方法。 1 使用化学镀前的活化、敏化方法。在金刚石或立方氮化硼表面吸附一定 量的活化中心，这些活化中心是孤立的、分散的，不具有导电能力，在电镀时是 可以使用的。而且这些活化中心是与镀层金属金相相近的，在镀层沉积时可以与 镀层金属紧密结合，这时活化中心做为中介，就将超硬颗粒和金属镀层牢固的连 接起来，达到提高结合强度的目的。 2 控制真空镀覆的工艺条件( 温度、时间) ，使得t i c 在刚刚形成芯核时， 即中止镀覆，这样便可以在超硬颗粒表面形成分散的活化中心。由于t i 很强的 化学活性，使得它容易镀层金属，如镍、钴等形成金属键结合，同样可以达到提 高结合强度的效果。 3 对于表面已经全部金属化的超硬磨粒，是否可以采用某种方法，将表面 镀覆的t i 金属部分除去，只留下分散的金属质点；或者是否可以继续在镀覆颗 粒的表面裹覆一层网状的绝缘薄膜，比如使用树脂，这样网孔中裸露出的金属， 便构成了分散的金属质点。 这几种超硬磨粒部分金属化的思路，存在这共同点即为要在颗粒的表面吸附 分散的金属质点，这些质点作为活化中心，起到联结磨粒与镀层的中介作用。本 文将对敏化、活化的方法做重点研究。 第二章s i n g l e - p a s s 刀具活化电镀技术研究 2 3 活化电镀试验 2 3 1 试验目的及方法 本试验将对上文提到的超硬磨粒表面部分金属化第一种思路进行研究，将用 于塑料化学镀前的活化、敏化1 工艺移植到电镀工具的制作当中。利用经过活化、 敏化处理的立方氮化硼颗粒进行电镀试验，制作电镀工具，验证该方法的可行性。 2 3 2 试验仪器与设备 本试验所选用的电镀设备包括：电源选用x d l 7 2 2 a 型稳压稳流直流电源， 电压o _ _ 6 0 v ，电流叽之a 连续可调；电镀槽为自制的1 l 容量的玻璃缸；电热 恒温水槽型号为d k - 8 a x 型，控温范围r t + 5 1 0 0 。c ，如图2 2 所示。电镀挂 具和夹具的设计至少应具备良好的导电性能和足够的机械强度。本试验所用挂 具如图2 1 所示，在钻孔的塑料小碗内缝上一层的确良布，可以起到防止立方氮 化硼磨粒渗漏，同时良好的透气性又不会影响镀液的流动，选择的确良布的另一 个原因是它不受酸性溶液的腐蚀。 图2 1 装有立方氮化硼颗粒的挂具图2 - 2 恒温槽与直流电源 2 3 3 镀液配方及各种成分作用 试验采用的是镍钻合金电解液，电镀镍钴合金可以看作是以钴盐为主要发光 剂的镀镍工艺。引入钴后，镀层细致、平整、硬度高、耐磨。一般控制合金中钴 含量在3 0 以下。为此溶液中钴与镍钴总量之比在1 0 以下。所采用配方如表 2 1 所示。 第二章s i n g l e - p a s s 刀具活化电镀技术研究 表2 - 1 电镀工艺配方 镀液成分 浓度( g l ) n z s o , 7 d 2 5 0 c o s o + 7 呸d 1 0 n i c l 2 6 h 2 0 1 5 h 3 b o i 3 5 t 2 h 2 5 s 0 4 n a o 1 c 6 h + c o s 0 2 n h o 8 该工艺配方的p h 值为4 4 4 6 ，温度为4 2 c 。 镀液中各种成分的作用“1 为： 1 该镀液成分的主盐是镍盐与钴盐，镍盐使用的是硫酸镍，好处是价格较 低，纯度高，虽然电导率和分散能力不如氯化镍，但可有效防止由于镀液中氯离 子含量高而产生的镀层内应力加大，并减少设备和厂房的腐蚀。 2 钴盐可以和镍盐实现共沉积，钻盐本身起着发光剂的作用。随着钴含量 提高，镀层硬度提高，脆性增大，耐磨性增加。适当的选择钴盐浓度，可以得到 高的耐磨性和定的韧性。电镀中需定期补充钴盐，因为实验采用的镍阳极，在 电镀一段时间后，钴盐的消耗无法象镍盐一样得到补偿，所以要配制好一定浓度 得钴盐溶液定期添加。 3 氯化镍作为阳极活化剂可以提供一定的氯离子，可以促进阳极的融解， 并且提高溶液的导电性和分散能力。之所以不采用氯化钠的原因是钠离子会产生 不利的影响，在电镀液中，钠盐是局外电解质，当钠离子浓度过高时，钠离子迁 移数大，使镍离子迁移数减少，镍沉积速度受到抑制，阴极电流密度减小。在这 种情况下，虽然阴极极化较大，有利于结晶细致，但同时也有利于氢离子放电， 从而使阴极表面液层中p h 值迅速升高，导致镍及铁等金属形成氢氧化物或碱式 盐沉淀。这些沉积如果夹杂在镀层中，会使镀层变脆；如果它们粘附于镀层表面， 即使不使镀层粗糙，也会造成氢气泡的滞留而使镀层针孔增多。 4 硼酸的作用是调节溶液的p h 值。硼酸作为缓冲剂，它的缓冲作用最好， 而且还有提高阴极极化和改善镀层机械性能的作用。 第二章s i n g l e - p a s s 刀具活化电镀技术研究 5 十二烷基硫酸钠作为润湿剂，可以有效的防止和减少针孔和麻点。 6 糖精是光亮剂。加入糖精可使晶粒细小，对镀层起到整平和增光作用， 而且光亮镀层的耐磨性比较好。 2 3 , 4 试验电路连接图 如图2 - 3 所示，采用双阳极对称放置，镀件布置在两阳极镍板中间位置。 2 3 5 电镀工艺电流效率测定 图2 - 3 电路连接图 对于制定好的电镀工艺，应先测出其电流效率。电镀效率的定义为：在电镀 时，把电极上实际析出或溶解的金属质量m 与根据法拉第定律计算的理论值m 之比，称为电流效率r ，通常用表示。 = 曼1 0 0 2 - l m 刀：旦x 1 0 0 2 - 2 k 打 测试时使用公式2 - 3 计算 灯：笪2 3 k i l t 式中：，一金属密度，单位g c m 3 ； 足一电化当量，单位g ( a ) ； t 一电镀时间，单位h ； d 一镀层厚度，单位例； ，一阴极电流密度，单位a d m 2 ； 玎一阴极电流效率。 第二章s i n g l e - p a s s 刀具活化电镀技术研究 本试验所使用电镀工艺的电流效率经测定为9 5 。 2 3 6 立方氮化硼的活化、敏化处理 立方氮化硼的预处理是本试验的关键所在。一般电镀中采用的立方氮化硼预 处理工艺为： 1 磁选处理：用磁铁除去磁感较大的立方氮化硼颗粒，立方氮化硼颗粒的 粒度号范围4 0 4 5 - 2 3 0 2 7 0 。 2 净化、粗化处理：将2 0 9 立方氮化硼颗粒浸泡于3 0 0 m l1 0 h c l 溶液中， 在不断搅拌下煮沸3 0 m i n ，冷却后用蒸馏水冲洗至中性。 3 将处理后的立方氮化硼颗粒浸泡在与电镀液配方一致的1 0 0 m l 电镀溶 液中。 本试验和一般电镀中所采用的预处理方法不同的是，在粗化处理后加入活 化、敏化步骤，以使立方氮化硼表面吸附一定量的活化中心，在电镀时起到连接 镀层和磨粒的中介作用，增强镀层和磨粒的结合力，延长刀具的使用寿命。 非金属在化学镀前使用的敏化液组成包括，s n c l 2 2 h 2 0 4 0 9 l 、浓度为 1 1 9 9 l h c ti o o m l i l 、锡粒0 3 一1 o g 。敏化机理为，非金属基体在敏化液中浸渍 后用蒸馏水清洗，由于敏化液p h 7 ，故发生砌2 + 的水解： s n c l 2 + h 2 0 斗s n ( o h ) c 1 4 - h + + c i 一 砌a 2 + 2 h 2 0 呻s n ( o h ) 2 + 2 h + + 2 c l 一 液膜中的s c t ：一也发生水解： s n c l ；一+ h 2 0 _ s n ( o h ) c z + 日+ + 3 c l 一 ， s c t 2 一+ 2 h 2 0 呻s n ( o h ) 2 + 2 日+ + 4 c l 一 其中，s n ( o h ) c i 与s n ( o h ) 2 结合，生成微溶于水的凝胶状物s n 2 ( 0 日) 3 c i ： s n ( o h ) c i + s n ( o h ) 2 s n 2 ( o h ) 3 c i 这种微溶物沉积在基体表面上形成一层薄膜，其厚度为几到几百纳米。 活化液成分为p d c l 2o 1 4 3 9 l 、h c i ( 1 1 9 9 l ) 2 - 5 m l l 。其作用机理为： 活化的实质是具有还原性的砌2 + 将贵金属离子还原为金属微粒，这些粒子沉积在 具有活性的基体表面上。其反应如下： 跗2 + + 翻2 + 专砌“+ p dj ， 本试验将上述非金属敏化、活化工艺用于立方氮化硼的预处理之中，分别准 备了四组浓度的敏化液、活化液进行处理，其配方根据上述浓度略有调整，如表 2 2 所示。 第二章s i n g l e - p a s s 刀具活化电镀技术研究 表2 - 2 敏化、活化工艺 s n c l 2 2 吼0 ( g l ) h c l锡粒 时间 敏化液 2 557 51 04 0 m l l 0 3 9 3 m i n p d c i ：( g l ) h c l时间 活化液 0 2 5 o 5 0 7 5 o 1 4 0 m l l 2 m i n 2 3 7 工具制备 1 t 具基体的预处理 基体的预处理哺1 非常重要，镀层与基体金属结合得牢固与否，是决定超硬材 料电镀制品成败的关键因素之一。金属工件表面的油污、氧化皮和锈斑都将使金 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， 造成金属表面局部甚至全部没有镀层。虽然有时也有金属镀层沉积在这些脏污的 金属表面上，但所得到的镀层会有起皮、起泡或花斑等缺陷。这样的镀层实际上 是没有使用价值的。因此，在金属电镀之前，必须彻底清除在它表面上的油污、 氧化皮和锈斑。实验采用m f - , - 6 2 2 化学除油清洗剂，在5 0 6 0 0 c 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 0m i n ，直到基体表面没有油污、氧 化膜和附锈为止。 除锈是电镀前处理的重要组成部分之一啪1 ，金属工件只有经过彻底除锈后， 才能在其表面上进行有效的电镀。镀层与金属基体的结合力主要通过三种形式来 实现： ( 1 ) 镀层金属与基体金属分子的吸引力； ( 2 ) 镀层金属与基体金属的机械结合力； ( 3 ) 镀层金属与基体金属相互扩散渗透或者形成合金相结构。 只有当基体金属分子与镀层金属分子直接结合，才能使这三种形式都得以实 现。因为分子间的吸引力要在距离小于5 n m 才能充分表现出来，当距离超过5 n m 时，吸引力大为减弱，而后种结合力也只有在两种金属分子非常接近才能产生， 所以除油除锈的目的就是要把基体金属表面的油污和氧化膜彻底清除干净，使基 体金属表面露出新鲜的活化组织。只有在活化的表面沉积镀层，才能使基体金属 与镀层金属的分子直接结合形成较强的结合力。在生产和试验中还有力地证明： 表面粗糙镀件上的镀层结合强度要比表面光滑镀件上的镀层结合强度高得多。这 是由于镀层金属与基体金属的机械结合加强的缘故。因此，对一定电镀工艺来说， 镀层的结合强度取决于镀