金剛石工具分段電鍍中屏蔽層處理的新工藝及其自動(dòng)化裝備

黃詩(shī)展，郭必成，林其深，姜峰

（華僑大學(xué)制造工程研究院，福建 廈門(mén) 361021）

電鍍金剛石工具一般安裝于磨床、打磨機(jī)、拋光機(jī)等，被廣泛用于光學(xué)鏡頭、棱鏡、手表玻璃、藍(lán)寶石玻璃等的加工[1]。為了能夠同時(shí)加工同一個(gè)零件上不同幾何特征和不同性能要求的表面，通常在工具表面不同圓周分段上電鍍不同型號(hào)的金剛石磨粒(見(jiàn)圖 1)。在電鍍某一圓周段時(shí)，要對(duì)其余部位進(jìn)行屏蔽保護(hù)，電鍍完成后再將屏蔽保護(hù)層(下文簡(jiǎn)稱(chēng)“屏蔽層”)去除。因此，分段電鍍工藝的關(guān)鍵在于對(duì)非施鍍部位的屏蔽保護(hù)。傳統(tǒng)工藝一般通過(guò)人工纏繞塑料薄膜或涂覆蜂蠟、瀝青等制作屏蔽層[2]，再通過(guò)人工、機(jī)械或激光灼燒去除[3]，工具的精度和成品率很低，因?yàn)槿斯せ驒C(jī)械去除會(huì)損傷工具，激光可能燒傷工具，釋放刺激性氣體，嚴(yán)重污染環(huán)境和威脅人體健康。

圖1 分段電鍍金剛石工具Figure 1 Diamond tools fabricated by selective electroplating

由于工具的特殊性，分段電鍍中屏蔽層處理的最大問(wèn)題在于難以實(shí)現(xiàn)低成本而高效的自動(dòng)化生產(chǎn)，目前有關(guān)這方面的報(bào)道也較少。國(guó)內(nèi)有研究利用有機(jī)絕緣涂料在不同溫度下的固液相轉(zhuǎn)變[1]或感光油墨的光固化性[4]來(lái)制作屏蔽層，這兩種方法操作簡(jiǎn)單，人工耗費(fèi)少，生產(chǎn)效率也得到一定程度的提高。國(guó)外有研究采用定制化模具(見(jiàn)圖2)，通過(guò)設(shè)計(jì)不同流道對(duì)不同部位進(jìn)行電鍍[5]，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但成本非常高。本文的重點(diǎn)是解決分段電鍍中屏蔽保護(hù)和屏蔽層去除的人工操作問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)這兩步的自動(dòng)化。采用紫外光固化光敏樹(shù)脂制作屏蔽層，以線鋸的方式刮除屏蔽層，顯著提高了工具的加工精度。相對(duì)于傳統(tǒng)工藝，成品率提高約8個(gè)百分點(diǎn)，生產(chǎn)效率提高約105%。

圖2 模具法分段電鍍示意圖Figure 2 Sketch of selective electroplating with mold

1 金剛石工具分段電鍍中屏蔽層處理新工藝

采用一種新型堿溶性感光樹(shù)脂制備屏蔽層，它兼具光固化性和堿溶性[6]，主要由齊聚物(環(huán)氧樹(shù)脂丙烯酸酯)、光引發(fā)劑(α?氨基酮衍生物Irgacure 907)、稀釋劑(二乙二醇乙醚醋酸酯)、光引敏劑(ITX)等組成。在紫外光照射下，光引發(fā)劑形成活性中間體(激發(fā)態(tài)分子)，并分解成自由基和其他活性基團(tuán)，進(jìn)而引發(fā)活性單體或低聚物聚合、交聯(lián)[7]。

如圖3所示，以500 r/min的速率在工具表面旋涂一層薄薄(厚度為194 ~ 366 μm)的樹(shù)脂[8]，經(jīng)紫外光照射固化后得到屏蔽層。感光樹(shù)脂具有堿溶性，可用弱堿(3% Na2CO3)將電鍍部位未固化的樹(shù)脂溶解去除。待電鍍完成后，由自動(dòng)化裝備配合強(qiáng)堿(10% NaOH)溶解來(lái)去除屏蔽層，最后清洗、烘干[8]。

圖3 屏蔽層處理工藝流程Figure 3 Process flow for treatment of shielding layer

2 屏蔽層處理的自動(dòng)化裝備設(shè)計(jì)

本設(shè)備主要包括屏蔽層的產(chǎn)生和去除裝置、定位機(jī)構(gòu)和上下料機(jī)構(gòu)。

2.1 屏蔽層的產(chǎn)生和去除裝置

如圖4所示，屏蔽層的產(chǎn)生和去除裝置主要由運(yùn)絲裝置、直線電機(jī)滑臺(tái)、定位傳感器和紫外光發(fā)生器組成。先通過(guò)人工操作將樹(shù)脂旋涂在工具上，再由紫外光發(fā)生器對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行固化。紫外光源由 FUV-6BR發(fā)生器提供，固定在直線電機(jī)滑臺(tái)上。隨著直線電機(jī)滑臺(tái)前后直線運(yùn)動(dòng)，紫外光掃射工具表面，樹(shù)脂涂層得以固化。

圖4 屏蔽層的產(chǎn)生和去除裝置示意圖Figure 4 Sketch of device for generation and removal of shielding layer

屏蔽層由運(yùn)絲裝置(見(jiàn)圖 5)刮除，具體如下：直線電機(jī)滑臺(tái)將金屬絲移至工具上需要去除樹(shù)脂涂層的位置。42步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)絲，燕尾槽豎直滑臺(tái)帶動(dòng)金屬絲向上運(yùn)動(dòng)，接觸工具表面后，隨著直線電機(jī)滑臺(tái)移動(dòng)，樹(shù)脂涂層被刮除。金屬絲的一端固定在收線輪里，另一端固定在裝有42步進(jìn)電機(jī)的繞線輪上，中間設(shè)計(jì)2個(gè)導(dǎo)輪過(guò)渡。金屬絲采用電鍍金剛石線鋸，線徑0.10 mm。收線輪裝配在燕尾槽豎直滑臺(tái)上，通過(guò)調(diào)整高度使金屬絲與工具表面接觸。42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)繞線輪正轉(zhuǎn)，開(kāi)始運(yùn)絲，金屬絲拉動(dòng)收線輪內(nèi)的平面渦卷彈簧(見(jiàn)圖 6)，使平面渦卷彈簧扭轉(zhuǎn)變形而產(chǎn)生回復(fù)力，同時(shí)起到張緊金屬絲的作用。金屬絲拉出一定長(zhǎng)度后電機(jī)反轉(zhuǎn)，繞線輪上的金屬絲開(kāi)始釋放，隨后平面渦卷彈簧的回復(fù)力將金屬絲收回收線輪。至此，完成1個(gè)工作周期，經(jīng)過(guò)反復(fù)來(lái)回運(yùn)絲，即可將屏蔽層上的樹(shù)脂涂層刮除干凈。

圖5 運(yùn)絲裝置示意圖Figure 5 Sketch of device for wire conveying

圖6 平面渦卷彈簧Figure 6 Planar scroll spring

所用平面渦卷彈簧在恒力階段的長(zhǎng)度約為1 000 mm，因此收線輪能夠收的最大長(zhǎng)度不超過(guò)1 000 mm，電機(jī)的線輪半徑r= 14.5 mm，線輪周長(zhǎng)L= 2πr≈ 91 mm，則電機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)圈數(shù)為1 000 ÷ 91 ≈ 11。為避免旋轉(zhuǎn)超程造成損壞，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)10圈后反轉(zhuǎn)10圈再正轉(zhuǎn)，如此循環(huán)往復(fù)。

2.2 定位機(jī)構(gòu)

定位機(jī)構(gòu)主要包括壓力傳感器、直線電機(jī)滑臺(tái)和可編程控制器。采用RSW06微型稱(chēng)重傳感器，壓力感應(yīng)點(diǎn)在工具的安裝軸線上，以工具頂點(diǎn)接觸傳感器反饋的數(shù)據(jù)作為判定位點(diǎn)的依據(jù)?；_(tái)作為反饋系統(tǒng)的執(zhí)行裝置，只能在誤差允許的范圍內(nèi)移動(dòng)，將工具精準(zhǔn)地移至加工位點(diǎn)。選用Servo Shaft 2506系列直線電機(jī)滑臺(tái)，光柵分辨率為1 μm。

定位策略如圖7所示，直線電機(jī)滑臺(tái)向工具靠近，工具與壓力傳感器輕微碰撞，傳感器將接收到的壓力信號(hào)傳遞給可編程控制器，定位流程見(jiàn)圖8。本工藝設(shè)定接觸的壓力限制為5 mN，若接觸到的壓力在2 ~ 5 mN范圍內(nèi)，則判定該位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，即工具的零點(diǎn)與設(shè)備零點(diǎn)重合。若接觸壓力大于5 mN，則判斷為過(guò)載，滑臺(tái)將退回原點(diǎn)，重新對(duì)刀。

圖7 定位策略示意圖Figure 7 Schematic diagram showing the positioning strategy

圖8 定位流程圖Figure 8 Positioning flow chart

2.3 上下料機(jī)構(gòu)

如圖9所示，上下料機(jī)構(gòu)主要由四工位轉(zhuǎn)臺(tái)，上、下料轉(zhuǎn)盤(pán)，摩擦輪組，電機(jī)，氣動(dòng)夾頭等組成。設(shè)計(jì)了彈性?shī)A頭(見(jiàn)圖10)，夾口的最小直徑與工具被夾部位的直徑過(guò)盈配合，分布在轉(zhuǎn)盤(pán)圓周上，作為上、下料庫(kù)，1個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)上可裝36個(gè)工具。電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，每次轉(zhuǎn)動(dòng)10°。U型支架通過(guò)齒輪齒條與機(jī)架連接在一起，水平運(yùn)動(dòng)配合轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)送料。

圖10 彈性?shī)A頭Figure 10 Elastic chuck

如圖11所示，四工位轉(zhuǎn)臺(tái)呈90°分布，工位一和工位三分別作為上料和下料工位，工位二為核心加工工位，工位四是空工位。每個(gè)工位配套1個(gè)摩擦輪和1個(gè)氣動(dòng)夾頭。工位二內(nèi)部設(shè)計(jì)1組摩擦輪組合，通過(guò)摩擦輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)工具的旋轉(zhuǎn)。底下放置一彈簧(見(jiàn)圖12)，用于緩沖摩擦輪組之間的碰撞。

圖11 四工位轉(zhuǎn)臺(tái)示意圖Figure 11 Sketch of the four-position rotator

圖12 摩擦輪組合示意圖Figure 12 Sketch of the combination of friction wheels

2.4 自動(dòng)化裝備的工作效果

圖13是分段電鍍中屏蔽層處理的自動(dòng)化裝備裝配圖。作業(yè)過(guò)程為：將人工涂抹好樹(shù)脂涂層的金剛石工具裝入料庫(kù)轉(zhuǎn)盤(pán)3中，由電機(jī)帶動(dòng)料庫(kù)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)10°，同時(shí)電機(jī)26帶動(dòng)齒輪10正旋轉(zhuǎn)，U型支架向右移動(dòng)，工具緩慢裝入工位一的彈性?shī)A頭，四工位轉(zhuǎn)臺(tái) 4順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 90°，將工位一移到工位二，其間小摩擦輪29與大摩擦輪碰撞，彈簧27起到緩沖作用，小摩擦輪與氣動(dòng)夾具同軸裝配，帶動(dòng)工具旋轉(zhuǎn)。工位二為核心加工位，直線電機(jī)滑臺(tái)19向工具靠近，直到工具頂點(diǎn)輕微碰撞稱(chēng)重傳感器22。傳感器接觸的壓力為2 ~ 5 mN時(shí)，認(rèn)定工具的零點(diǎn)與設(shè)備零點(diǎn)重合。直線電機(jī)滑臺(tái)移動(dòng)，直到紫外光發(fā)生器12的光源照射到工具需固化的部位，滑臺(tái)來(lái)回運(yùn)動(dòng)，直至樹(shù)脂涂層完全固化。屏蔽層去除時(shí)，直線電機(jī)滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，直到金屬絲對(duì)到應(yīng)去除的屏蔽層正下方。電機(jī)15帶動(dòng)繞線輪14旋轉(zhuǎn)，運(yùn)絲裝置開(kāi)始工作。燕尾槽豎直滑臺(tái)23運(yùn)動(dòng)，將收線輪抬高，直到金屬絲碰到屏蔽層，隨著直線電機(jī)滑臺(tái)移動(dòng)，屏蔽層被刮除。工位二運(yùn)行結(jié)束后，U型支架左移，旋轉(zhuǎn)臺(tái)4順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，將工位二移動(dòng)到工位三，同時(shí)把加工完成的工具卡進(jìn)下料轉(zhuǎn)盤(pán)當(dāng)中。旋轉(zhuǎn)臺(tái)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)90°，進(jìn)入空工位。至此，1個(gè)工具的作業(yè)完成。當(dāng)所有工具完成屏蔽層去除后，統(tǒng)一浸入強(qiáng)堿溶液，洗去殘留物。另外，若工具首次被加工，未曾有固化的屏蔽層，需屏蔽的部位在紫外光固化后可以直接下料，浸入弱堿性溶液中，即可溶解掉非屏蔽層上的樹(shù)脂，不必進(jìn)行刮除工作。

圖13 分段電鍍自動(dòng)化裝備裝配圖Figure 13 Assembly drawing of subsection electroplating automation equipment

在實(shí)際生產(chǎn)中，工具經(jīng)過(guò)本裝備完成屏蔽層制作后，需手動(dòng)將料庫(kù)轉(zhuǎn)盤(pán)3送去電鍍，電鍍完成后再裝回本裝備進(jìn)行屏蔽層的去除工作。

3 新工藝裝備的可行性試驗(yàn)

圖14是自動(dòng)化裝備的照片(未裝配上下料機(jī)構(gòu))，以3C用金剛石磨頭工具作為測(cè)試對(duì)象，進(jìn)行兩段電鍍，頭部(直徑11.8 mm，長(zhǎng)4.5 mm)電鍍500#金剛砂，頸部(直徑6.0 mm，長(zhǎng)6.0 mm)電鍍200#金剛砂，其工具圖紙見(jiàn)圖15。試驗(yàn)環(huán)境為：室內(nèi)溫度22 °C，相對(duì)濕度55%。

圖14 自動(dòng)化裝備實(shí)物照片F(xiàn)igure 14 Photo of the automatic equipment

圖15 金剛石工具結(jié)構(gòu)示意圖Figure 15 Structural sketch of the diamond tool

分別采用人工和自動(dòng)化裝備加工金剛石工具各100件，其工藝路線列于表1，典型產(chǎn)品如圖16所示。人工成品是89件，自動(dòng)化裝備成品是97件?？梢?jiàn)將自動(dòng)化裝備應(yīng)用于樹(shù)脂屏蔽層的形成和去除處理工藝中后，成品率提高約8個(gè)百分點(diǎn)，生產(chǎn)效率提高約105%，設(shè)備可行性良好。

圖16 產(chǎn)品的照片F(xiàn)igure 16 Photos of products

表1 金剛石工具加工工藝路線和工時(shí)Table 1 Processing route and working hours of diamond tools

4 結(jié)語(yǔ)

采用堿溶性光敏樹(shù)脂紫外光固化制備屏蔽保護(hù)層，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的裝備，解決了分段金剛石工具自動(dòng)化生產(chǎn)的問(wèn)題。采用高精度的直線電機(jī)和壓力傳感器，以線鋸的形式精確刮除屏蔽層，同時(shí)裝配上下料機(jī)構(gòu)來(lái)代替人工。在加工效率和精度上都有了很大的提升，且適用范圍比較廣，廢棄樹(shù)脂可降解，滿足綠色環(huán)保的要求。

然而，目前該裝備還存在一些問(wèn)題，比如樹(shù)脂的自動(dòng)化涂覆，裝備與電鍍裝置的自動(dòng)化連接，需進(jìn)一步改進(jìn)和試驗(yàn)。