磨頭鎳-金剛石復合鍍層電鍍工藝及設備

陳金明

(中國電科43所合肥恒力電子裝備公司,安徽 合肥　230088)

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磨頭鎳-金剛石復合鍍層電鍍工藝及設備

陳金明

(中國電科43所合肥恒力電子裝備公司,安徽 合肥230088)

摘要：在電動組合開孔和研磨用鉆頭表面電鍍鎳-金剛石復合鍍層。介紹了鎳-金剛石復合電鍍工藝流程、溶液配方及電鍍方法；闡述了磨頭電鍍鎳-金剛石復合鍍層生產線特點，設備組成，性能要求以及設備特殊配置的制造和應用；重點闡述旋轉鍍和掛具的結構等。

關鍵詞:磨頭； 鎳-金剛石復合鍍層； 旋轉鍍； 控制

The Electroplating Process and Equipment of Grinding

Head Ni-Diamond Composite Coating

CHEN Jinming

(Hengli Eletek Co.Ltd.，China Electronics Technology Group Corporation No.43 Research Institute，Hefei 230088,China)

Abstract:Ni-diamond composite coatings were electroplated on the surface of aiguille used in electric combination trepanning and grinding.In this paper，the technological process,solution components and electroplating method of grinding head Ni-diamond composite coating were introduced；characteristics，of the electroplating production line equipment structure,performance requirements and manufacture and application of peculiar setup of were expounded；rotary electroplating and rack structure were elaborated emphatically.

Keyword:grinding head;Ni-diamond composite coating；rotary electroplating;control

引言

磨頭(電動組合開孔、研磨鉆頭，簡稱磨頭)在加工玻璃、瓷器及玉器過程中損耗大，常通過電沉積法使鎳與不溶性的固體顆粒(金剛石)均勻共同沉積在磨頭表面，形成鎳-金剛石復合鍍層。由于金剛石微粒均勻地彌散于基質金屬之中，使磨頭具有高的硬度，其耐磨性、抗高溫氧化性和耐腐蝕性得以很大提高。在電鍍過程中，將金剛石微粒經活化后均勻地懸浮于電鍍溶液中，在直流電場作用下，控制金剛石微粒懸浮量、陰極電流密度、溫度、pH及攪拌強度等工藝參數(shù)，通過埋砂和落砂鍍方法，使金剛石微粒與鎳實現(xiàn)共同沉積。

1磨頭鎳-金剛石復合鍍層落砂鍍工藝

1.1鍍件名稱及尺寸

磨頭的形狀和尺寸見圖1。

圖1　磨頭形狀及幾何尺寸

1.2復合鍍工藝流程

上掛→除油(金屬清洗劑70~80℃,15min)→雙聯(lián)水洗→下掛→人工打磨、拋光、裝套→上掛→活化(5%H2SO4或5%HCl)→雙聯(lián)水洗→打底(預鍍瓦特鎳)→上砂1→上砂2→加厚鍍鎳1→加厚鍍鎳2→上砂3→上砂4→加厚鍍鎳3→加厚鍍鎳4→回收→熱水洗→烘干→下掛(下掛后去絕緣套，表面修整)

除油、活化屬于預處理，按常規(guī)工藝進行，預處理后人工打磨、拋光,采用絕緣套對不需電鍍表面進行絕緣處理。

預鍍(打底)在普通硫酸鹽電解液中預鍍鎳。

鍍鎳-金剛石復合鍍層(上砂)采用復合鍍工藝，電鍍時使被鍍表面水平朝上放置(或使施鍍需要鍍覆表面旋轉處于水平朝上位置)，在其上均勻地散布金剛石粉，采用較低的電流密度，以防氫氣析出過多而將金剛石粉沖散。金剛石粉加入之前作潤濕處理，以保證鍍層和基體結合牢固。

加厚鍍使微粒牢固地固定鍍層之中,鍍層厚度與金剛石微粒的粒度相同。

后處理烘干并除去絕緣套。

表面修整除去鍍層表面產生的毛刺等。

1.3鎳-金剛石復合鍍工藝配方及操作條件

六水硫酸鎳

100～350g/L

六水氯化鎳

7～20g/L

硼酸

30～35g/L

金剛石微粉(d=10～15μm)

20～45g/L

糖精

0.4～0.6g/L

OP-10

0.2～0.8g/L

pH

3～5

θ

45～55℃

Jκ

1～5A/dm2

陽極

鎳板或鎳餅

Aκ∶Aa

1∶2

陰陽間極距

30mm

通過實驗、小批量生產及批量生產確定鎳-金剛石復合鍍溶液組成及工藝條件。130～135g/L NiSO4·6H2O，15g/L NiCl2·6H2O，30g/L H3BO3，0.6g/L糖精，0.6g/L OP-10，θ為45～50℃，pH為3～4，Jκ為4A/dm2，金剛石粉體質量濃度為30g/L時，鎳-金剛石復合鍍層表面平整、無棱角，晶形規(guī)則，晶粒細小均勻致密，基體金屬和鍍層結合力良好。

2磨頭鎳-金剛石復合鍍生產線結構

該生產線分為三段：

第一段為上掛→除油→雙聯(lián)水洗→下掛；行車起吊掛具自動運行。

第二段為人工打磨、拋光、裝套；手工操作。

第三段為上掛→活化→雙聯(lián)水洗→打底→上砂1→上砂2→加厚鍍鎳1→加厚鍍鎳2→上砂3→上砂4→加厚鍍鎳3→加厚鍍鎳4→回收→熱水洗→烘干→下掛；行車起吊掛具自動運行。

第一、三段生產線結構形式為單臂行車自動起吊掛具(包括零件)從一工位進入另一工位，按工藝流程要求運行，下掛處空掛具由行車自動吊回上掛位。

3磨頭鎳-金剛石復合鍍生產線特點

1)行車多重硬軟件保護、急停、防撞防疊杠保護，運行安全、可靠。

2)生產線采用PLC+觸摸屏+工控機控制，實時控制、顯示、記錄存貯工藝槽處理時間、溫度、液位、電流、電壓及工件旋轉速率等以及附屬設備(如空攪泵、風機、處理塔噴淋泵等)集中到中央程序的觸摸屏上顯示及控制。通過pH控制儀或安培小時計自動向打底、上砂及加厚槽添加溶液。

3)多級水洗采用逆流漂洗；生產線上給水(自來水或純水)采用電磁閥自動控制，工件入槽前給水，出槽后斷水。

4)管路采用PPR管熱熔焊，無跑、冒、滴、漏現(xiàn)象，清潔、環(huán)保。閥門采用帶活接球閥，便于維修更換。

5)槽液加熱采用電加熱，設有電加熱管防干燒裝置；電加熱控制設有防漏電斷路及安全液位保護裝置，液位低時報警，低于一定值時，電加熱停止。

6)槽口封閉，槽間設蓋板，軌道下方至槽口上方設有裝飾掛板，操作面槽口下方設有裝飾推拉板，全線整潔美觀，便于6S管理。

7)酸堿、含鎳廢水分開排放，便于處理達標，降低處理成本。

8)管路從槽側進入槽內，槽口無管路，便于清潔生產。

9)主風管變截面設計，最低處設排放閥，保證風壓不變；排除吸風管內積水，確保抽風效果；支路設調節(jié)風門，保證各支路吸風均勻。

4磨頭鎳-金剛石復合鍍生產線設備實例

鎳-金剛石復合鍍生產線形式及外觀見圖2。生產線由單臂行車、軌道及機架、行車行走定位及挑線系統(tǒng)、工藝槽系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、槽面極座極杠及掛具、整流電源、行車及輔機電氣控制系統(tǒng)等組成。

圖2　鎳-金剛石復合鍍生產線全貌照片

5設備結構性能及制造方法

5.1單臂行車

生產線采用單臂行車起吊掛具可手動、半自動、自動運行。生產線第一段行車數(shù)量1臺；第三段行車數(shù)量2臺。行車行走速度0~25m/min，提升速0~14m/min，提升行程為1.1m，提升質量50kg(包括掛具、掛杠等)，行車左右、上下動作執(zhí)行機構電機采用變頻控制，左右、上下動作軟啟動、軟著陸，以保證執(zhí)行機構定位精度；執(zhí)行機構定位采用定位片接近開關感應方式以及旋轉編碼器定位，越位采用行程開關；行車行走定位精度為±2mm。

行車控制系統(tǒng)能自動識別多種錯誤,實現(xiàn)多種安全自鎖,包括上下沖限保護、同一動作疊加、電機防倒轉、缺相、過熱保護等；系統(tǒng)一旦發(fā)現(xiàn)故障，能迅速停止行車動作并聲光報警。

行車架體采用不銹鋼板折彎成形，吊鉤、掛杠采用SUS304型材制作，不銹鋼材質表面均噴涂鐵紅環(huán)氧底漆，面漆采用氟碳涂料，呈橘紅色。

行車上設有接液盤，掛具、零件提起后，接液盤自動平移至掛具下方，接住掛具、零件所滴落的廢液，通過排放軟管流入槽邊積液槽，積液槽按溶液性質分段，廢液按溶液性質分別流入酸堿、含鎳廢水輸送管內排至廢水處理站處理，當掛具下降運行前，接液盤自動運行至原位。

5.2軌道和機架

生產線軌道、機架采用不銹鋼型材制作。機架由軌道支撐立柱、橫筋、連撐、極座固定架、槽體底托、風管、走線橋架支架、管路支架等組成，采用拼裝結構。不銹鋼型材表面噴漆處理，底漆采用鐵紅環(huán)氧底漆，面漆采用氟碳涂料，呈藍色。

軌道下方設有行車行走定位機構，軌道上方設有行車拖線機構，軌道兩端設有行車限位裝置和彈性碰撞保護裝置，拖線機構采用坦克鏈拖線(坦克鏈在拖線導向槽內導向并承托)。

機架下方設有可調節(jié)地腳，地腳為SUS304不銹鋼螺栓，并增加PVC腳墊。

5.3工藝槽系統(tǒng)、管路系統(tǒng)和通風系統(tǒng)

工藝槽系統(tǒng)、通風系統(tǒng)和管路系統(tǒng)中除上砂、加厚鍍鎳槽外，其余槽材質根據(jù)溶液性質、工藝參數(shù)和用戶要求選取，配置及制作方法與常規(guī)鍍鎳生產線相同。

打底，上砂1，加厚鍍鎳1，上砂2，加厚鍍鎳2槽底四側均設50寬、45度的傾斜板過渡，既保護焊縫，又保證溶液攪拌均勻，無死角。為確保打底鎳鍍層均勻，結晶細致，與基體有更好的結合力，打底槽設有超聲波裝置。

因金剛石粉價格昂貴，為了減少金剛石粉用量，同時便于溶液處理，上砂、加厚槽內均設有金剛石微粉隔離盒。掛具及掛具下方皮帶輪、墻板、工件裝夾夾具和工件均位于隔離盒內，隔離盒上方開口，底部及槽寬方向兩側采用PP板，槽長方向上兩側采用PP板焊成外框架內襯PP或鈦加強框架。

金剛石微粉在電鍍過程中始終處于懸浮狀態(tài)，金剛石微粉隔離盒內設空氣攪拌管路，使金剛石微粉循環(huán)無死角，攪拌均勻。攪拌管支路在槽外側設有活接頭，此活接頭卸后可以取出金剛石微粉隔離盒內壓縮空氣攪拌管，便于金剛石微粉隔離盒維修。

上砂1，加厚鍍鎳1，上砂2，加厚鍍鎳2槽內設有循環(huán)過濾管路，過濾管路出液管路上設置混合噴嘴加壓加速攪拌，使溶液溫度、濃度均勻，溶液攪拌無死角，金剛石微粉處于懸浮狀態(tài)。過濾采用溶液過濾機，工作時卸除濾芯，溶液處理時，裝上濾芯，進行過濾處理，去除雜物。

打底、上砂、加厚鍍鎳槽設置有pH自動檢測調整系統(tǒng)和安培小時計自動檢測調整系統(tǒng)。

5.4導電裝置、電源及掛具

1)導電裝置。與常規(guī)鍍鎳生產線一樣打底、上砂、加厚鍍鎳槽槽口配有陰極實心紫銅導電極座，陰極導電極座每槽兩只(槽兩側各一只)，PP不導電支承座一只。其余槽槽口均配三只PP不導電支承座。

槽內設有陽極系統(tǒng)，陽極系統(tǒng)由紫銅陽極杠、鈦籃、鎳陽極板和PP陽極袋組成；陰極導電桿與掛具成一整體。

生產線上打底、上砂1、加厚鍍鎳1、上砂2、加厚鍍鎳2槽槽側上設有掛具旋轉驅動電機減速器及齒輪機構。打底、上砂1、加厚鍍鎳1、上砂2、加厚鍍鎳2槽槽內工件旋轉轉速為0.5r/min；磨頭施鍍端面與陽極鈦籃外側凈距離為30～40mm左右。

生產線上除油、活化、雙聯(lián)水洗、熱水洗及回收槽槽側上均設有掛具旋轉驅動電機減速器及齒輪機構。除油、活化、雙聯(lián)水洗、熱水洗及回收槽槽內工件轉速為6～9r/min，便于磨頭處理及清洗。

2)電源。打底、上砂和加厚鍍鎳槽電鍍整流器選用高頻直流開關電源，具有穩(wěn)流、穩(wěn)壓功能，精度為±3%；開關電源采用風冷，具有短路、缺相、過載及過熱保護功能，具有0~60s軟啟動功能，電流電壓可調、數(shù)顯、紋波系數(shù)3%，開關電源帶485接口。開關電源與槽上陽極杠、槽口陰極導電極座之間采用導電鼻、電纜線連接，鍍槽處工件帶小電流入槽。

3)掛具。掛件架見圖3。工件裝夾夾具組成見圖4。

圖3　槽體、掛具、陽極系統(tǒng)裝配立體圖

圖4　槽體、掛具、陽極系統(tǒng)裝配圖

傳動原理：槽側上電機減速器(13)帶動齒輪旋轉，從而帶動此掛具上傳動齒輪(12)傳動，通過傳動軸(10)上皮帶傳動帶動工件裝夾夾具(17)、工件(14)旋轉，從而實現(xiàn)工件旋轉電鍍過程中落砂均勻。

掛件架：由墻板(3)、傳動齒輪(12)、傳動軸(10)、皮帶傳動機構、陰極導電桿(19)和支撐杠(2)組成。墻板(3)、皮帶輪(5)采用PP制作，傳動軸(10)采用A3制作外套PPR管，傳動齒輪(12)采用45#鋼制作，發(fā)藍后噴防腐涂料。與槽口陰極導電極座(11)接觸處導電桿成“V”形，陰極導電桿(19)采用不銹鋼制作，支撐杠(2)采用PVC棒料制作。兩墻板之間采用A3連接桿(外套PPR管)將兩墻板制成一整體，并與墻板一側上陰極導電桿、支撐杠連成一體。

墻板上陰極導電桿與墻板上工件裝夾夾具旋轉用的固定套(16)間用導電銅排(18)連接，此連接處導電銅排(18)上安裝導電簧片與工件裝夾夾具中部凸臺外圓面采用摩擦導電或碳刷接觸導電，從而實現(xiàn)工件裝夾夾具、工件導電。工件裝夾夾具旋轉軸采用不銹鋼外鑲塑料制成或直接采用工程塑料制成。

工件裝夾夾具：裝掛量每掛288件，采用A3材質制作并浸掛具膠，與工件接觸處以及旋轉導電簧片接觸處掛具膠應去除。工件裝夾夾具每一工件安裝孔處均設有夾緊機構，便于裝卸、夾緊工件。

5.5行車及輔機電氣控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)拓撲圖見圖5。 自動控制系統(tǒng)采用PLC+觸摸屏+工控機控制，以PLC為控制核心，采用西門子高性能PLC，操作人員根據(jù)零件規(guī)格、型號、輸入零件代碼，通過人機界面(HMI)輸入參數(shù)或控制指令，行車能按照所需的工藝流程，處理時間進行自動運行；工控機上以直觀動畫形式顯示行車運行動作；顯示每個工位施鍍時間、剩余時間、電流、電壓及工位溫度等參數(shù)；進行故障自動檢測、顯示檢測結果，員工操作順序、產量、生產時間等的顯示及打印輸出；歷史故障的顯示打?。还に囐|量的數(shù)據(jù)追溯。電控系統(tǒng)控制功能見表1。

圖5　控制系統(tǒng)拓撲圖

表1電控系統(tǒng)功能表

序號項 目技 術 要 求1工藝控制 1)PLC的程序可將任意一個槽體開啟或關閉。當某一槽體被關閉時,帶產品的行車到此工位時不停留跨過此工位;當某一槽體被開啟時,帶產品的行車到此工位時便放下產品進行該工序處理; 2)每一槽的產品處理時間可進行設定和修改。2行車的運行程序及控制 1)行車的運行路線和每步運行停留時間由PLC程序控制器控制,通過觸摸屏顯示行車運行狀態(tài)和修改行車運行程序。 2)行車的控制分三種操作狀態(tài),手動、半自動和全自動并且可相互轉換。 3)行車具有上下限位保護、防撞保護、電機過載保護以及斷電記憶等功能。 4)每臺行車均設置聲光報警裝置,行車運行時報警燈閃爍。 5)行車故障時聲光報警裝置提示操作者,同時能自動停止所有行車的運行及其他相應輔助設備的運行,并立即智能化診斷出設備故障具體部位,且在觸摸屏幕上顯示。當行車故障解除后,行車應能記住故障前的運行程序步驟自動恢復正常運行,并啟動相應的輔助設備。 6)生產線上下掛端設置急停按鈕,所有行車停止運行。 7)在全自動行走時,任意一臺行車可以獨立停止而不影響其他行車按程序行走,此行車需繼續(xù)使用時,只需按下“復位”鍵即可。 8)行車提升、行走速度可調。3空攪泵、抽風風機、超聲波的控制 1)行車自動運行程序開啟時,同時自動開啟空攪泵、風機;行車自動運行程序關閉時,同時自動關閉空攪泵;風機則需延遲10min關閉(延長時間可調,手動時可獨立操控)。 2)當行車故障但自動程序未關閉時,空攪泵、風機應繼續(xù)開啟;行車自動程序關閉時,應同時關閉空攪泵電源。 3)實現(xiàn)過載報警功能。 4)通過PLC控制,進入超聲波清洗和處理槽時超聲波開啟,離開時,超聲波關閉。4過濾機控制 采用每一臺手動獨立開關。手動控制啟停,同時控制盒上均設有控制按鈕。5開關電源控制 1)開關電源帶485接口,具有穩(wěn)流或穩(wěn)壓功能,陰極杠落座后通電,開關電源軟啟動,陰極杠出座后斷電,斷電前軟關斷。 2)電流電壓參數(shù)的顯示與改變均在觸摸屏上完成。 3)開關電源配置安培計時器,以便掌握鍍液的消耗量,自動添加。

續(xù)表

序號項 目技 術 要 求6槽液溫度的控制顯示 1)行車自動運行程序開啟時,同時進行自動控制各槽的加熱。 2)行車自動程序關閉時,同時停止對各槽加熱的自動控制。 3)當行車故障但自動程序未關閉時,各槽的加熱自動控制均應繼續(xù)開啟。 4)槽液溫度高于工藝溫度時,加熱自動停止;低于工藝條件溫度時,自動開啟。 5)溫控器參數(shù)的顯示與改變均在觸摸屏上完成。7自動給水和噴淋系統(tǒng)的控制 1)行車自動運行程序開啟時,同時自動給自來水,純水,噴淋系統(tǒng)處于自動工作狀態(tài)。 2)當產品上下行走時,噴淋系統(tǒng)將自動打開,產品浸入水中或上升至行車高位時噴淋自動關閉。 3)行車自動運行至水洗槽位時,實現(xiàn)自來水(純水)自動開啟和關閉。8添加劑添加系統(tǒng) 添加劑由PLC通過安培計時器自動測試儀數(shù)據(jù)轉換,再指令計量泵補充溶液。9控制系統(tǒng)要求 1)采用自動化控制,設置觸摸屏。 2)工控機上以直觀動畫形式顯示行車運行動作;顯示每個工位已鍍時間、剩余時間、電流、電壓及工位溫度等實時工藝參數(shù);進行故障自動檢測、顯示檢測結果,員工操作順序、產量、生產時間等的顯示及打印輸出;歷史故障的顯示打印,工藝質量的數(shù)據(jù)追溯。系統(tǒng)對操作命令自動進行參數(shù)校核,不響應誤操作,并自動提示錯誤。 3)具有三個操作界面: (a)操作級界面完成工件號輸入、行車控制、開關電源設定、溫度設定及生產線運行狀態(tài)的顯示,故障歷史和報表打印。 (b)管理級界面除完成操作級面的所有功能外,還可完成控制參數(shù)的輸入及修改。如工件號的材質、電流密度、鍍層厚度,各工步處理時間;能實現(xiàn)產品加工記錄、過程控制的質量追溯。 (c)系統(tǒng)級界面除完成管理級界面的所有功能外,還能規(guī)劃系統(tǒng)工藝庫及生產系統(tǒng)的初始化,如鍍槽數(shù)量因維修而產生的變更、槽體位置的變動 4)觸摸屏系統(tǒng):顯示行車、整流器、溫度及周邊設備等受控單元的狀態(tài),并可對其進行設定,生產線上的所有操作級界面的授權均可在觸摸屏上完成。 5)安裝零部件編碼掃描識別控制系統(tǒng)。 6)具備同時加工多種工藝的程序控制功能。 7)具備隨時進行“手動”、“自動”控制狀態(tài)的切換功能。 8)具備液位報警功能,但不影響行車的自動運行。

6結語

根據(jù)磨頭電鍍技術要求，選擇合適工藝，設計裝夾方法和掛具，采用旋轉鍍，控制溶液攪拌強度，使金剛石粉處于懸浮狀態(tài)。該設計建造了磨頭專用的鍍鎳-金剛石復合電鍍自動控制生產線。

該生產線實現(xiàn)了溶液溫度、液位自動控制；溶液pH自動檢測；電鍍時間、電流密度自動恒定。生產的磨頭鎳-金剛石復合鍍層表面更加平整光滑，組織均勻致密，結合力牢固，厚度均勻一致。生產實踐證明，該設備成熟、實用，運行良好。

收稿日期：2015-09-29修回日期： 2015-10-24

中圖分類號：TQ153.2

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.02.006