磨头镍-金刚石复合镀层落砂镀工艺：提高耐磨性、抗高温氧化性和耐腐蚀性

磨头镍-金刚石复合镀层落砂镀工艺：提高耐磨性、抗高温氧化性和耐腐蚀性

磨头（电动组合开孔磨削钻头，简称磨头）在加工玻璃、瓷器、玉器等过程中损耗较大，常采用电镀法在磨头表面均匀沉积镍和不溶性固体颗粒（金刚石），形成镍-金刚石复合镀层。

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由于金刚石颗粒均匀地分散在基体金属中，使磨头硬度高，耐磨性、抗高温氧化性和耐腐蚀性大大提高。在电镀过程中，金刚石颗粒被激活并均匀悬浮在电镀液中。在直流电场作用下，控制金刚石颗粒悬浮量、阴极电流密度、温度、pH值及搅拌强度等工艺参数，通过埋砂、落砂镀层方式，使金刚石颗粒和镍共沉积。

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1.磨头镍金刚石复合镀层落砂镀层工艺

1.1 镀件名称及尺寸

磨头形状及尺寸如图1所示。

1.2复合镀工艺

挂具→脱脂（金属清洗剂70~80℃，15min）→双层水洗→挂具→手工打磨、抛光、安装套管→挂具→活化（5%H2SO4或5%HCl）→双层水洗→底漆（预镀瓦镍）→打磨1→打磨2→加厚镀镍1→加厚镀镍2→打磨3→打磨4→加厚镀镍3→加厚镀镍4→回收→热水洗→烘干→挂具（挂具完成后，取出绝缘套管并表面精整）

除油、活化为预处理，按常规工艺进行。预处理后进行手工打磨抛光，对不需要电镀的表面采用绝缘套管进行绝缘。

预镀（底漆） 在普通硫酸盐电解液中预镀镍。

镍-金刚石复合镀层（打磨）采用复合镀工艺，电镀时将待镀面水平向上放置（或将被镀面旋转至水平向上位置进行电镀），将金刚石粉均匀铺在上面，采用较低的电流密度，防止过多的氢析出使金刚石粉分散，加入金刚石粉前要进行润湿处理，以保证镀层与基体结合牢固。

加厚镀层使得颗粒牢牢地固定在镀层中，镀层厚度与金刚石颗粒的粒径相同。

后处理：烘干、除去绝缘套。

表面精加工可去除涂层表面的毛刺。

1.3 镍-金刚石复合镀工艺配方及操作条件

通过试验、小批量生产和大批量生产，确定了镍-金刚石复合镀液的成分和工艺条件。130～135g/L NiSO4·6H2O，15g/L NiCl2·6H20，30g/L H3BO3，0.6g/L糖精，0.6g/L OP-10，θ为45～50℃，pH为3～4，Jk为4 A/dm2，金刚石粉质量浓度为30g/L。镍-金刚石复合镀层表面平整、无棱角，晶体形状规则，晶粒小而均匀致密，基体金属与镀层之间结合良好。

2、磨头镍金刚石复合镀生产线结构

生产线分为三个部分：

第一段为上挂→脱脂→双水洗→下挂；起重机吊钩自动运行。

第二工段为手工打磨、抛光、铸壳，手工操作。

第三段为挂挂→活化→双水洗→底漆→打磨1→打磨2→加厚镀镍1→加厚镀镍2→打磨3→打磨4→加厚镀镍3→加厚镀镍4→回收→热水洗→烘干→挂挂；行车吊钩自动运行。

第一、三条生产线采用单臂起重机结构形式，根据工艺要求自动将吊具（含零部件）从一个工位吊运至另一个工位，下挂位置的空吊具由起重机自动吊回到上挂位置。

3、磨头镍金刚石复合镀生产线特点

1）多重硬件和软件保护、紧急停止、防撞、防重叠保护，确保运行安全可靠。

2）生产线采用PLC+触摸屏+工控机控制，可实时控制、显示、记录、存储工艺槽的处理时间、温度、液位、电流、电压、工件转速，以及辅助设备（如空气搅拌泵、风机、处理塔喷淋泵等）在中央程序触摸屏上进行显示和控制。通过pH控制器或安培小时计自动将溶液加入打底、打砂、浓缩槽中。

3）多级水洗采用逆流冲洗；生产线上的供水（自来水或纯净水）由电磁阀自动控制，工件入槽前供水，工件出槽后断水。

4）管道采用PPR管热熔焊接，无跑、泡、滴、漏现象，清洁环保。阀门采用柔性接头球阀，维修更换方便。

5）罐体液体采用电加热，设有电热管防干烧装置；电加热控制设有防漏电断路器及安全液位保护装置，当液位低时发出报警，低于一定值时停止电加热。

6）槽口采用封闭式设计，槽口之间加装盖板，从轨道底部到槽口顶部加装装饰挂板，操作面槽口下方加装装饰滑板，整条线整齐美观，方便6S管理。

7）酸性废水、碱性废水及含镍废水分开排放，便于处理达标，降低处理成本。

8）管线由侧面进入槽体，槽口处无管线，利于清洁生产。

9）主风管采用变截面设计，并在最低处安装卸料阀，保证风压不变；排除吸风管内的积水，保证通风效果；各支管安装可调式风门，保证各支管吸风均匀。

4.磨头镍金刚石复合镀生产线设备示例

镍金刚石复合镀生产线形式及外观如图2所示。该生产线由单臂起重机、轨道及机架、起重机行走定位及挑线系统、工艺槽系统、管道系统、通风系统、槽面极座极杆及吊架、整流电源、起重机及辅机电气控制系统等组成。

5.设备结构性能及制造方法

5.1 单臂起重机

该生产线采用单臂起重机吊运吊具，可采用手动、半自动、全自动操作。生产线第一段设起重机1台，第三段设起重机2台。起重机行走速度0～25m/min，起升速度0～14m/min，起升行程1.1m，起重量50kg（含吊具、挂杆等）。起重机左右、上下动作执行机构电机采用变频控制，左右、上下动作采用软启动、软降落，保证执行机构定位精度；执行机构定位采用定位板接近开关感应方式及旋转编码器定位，越位采用行程开关；起重机行程定位精度为±2mm。

驱动控制系统可自动识别多重错误并实施多项安全自锁功能，包括上下限保护、同一动作叠加、电机防反转、缺相、过热保护等，一旦系统检测到故障，可迅速停止驱动动作，并发出视觉报警。

起重机机架采用不锈钢板折弯成型，吊钩、挂杆采用型材，不锈钢材料表面喷铁红色环氧底漆，面漆为氟碳漆，呈橘红色。

起重机上设有集液盘，吊架及零件升起后，集液盘自动水平移动到吊架底部，接住吊架及零件上滴落的废液，通过排液软管流入料槽侧面的储液罐。储液罐根据溶液性质分为多个区段，废液根据溶液性质分别流入酸碱及含镍废水输送管道，排至废水处理站处理。吊架下降前，集液盘自动移动到原位。

5.2 轨道和货架

生产线轨道、机架采用不锈钢型材制作，机架由轨道支撑柱、横筋、连接撑杆、杆座固定架、槽底支架、风管、接线桥支架、管道支架等组成，采用组装式结构。不锈钢型材表面采用喷漆处理，底漆为铁红色环氧底漆，面漆为氟碳漆，呈蓝色。

轨道下方设有大车运行定位机构，轨道上方设有大车线牵引机构，轨道两端设有大车限位装置及弹性防撞装置，线牵引机构采用坦克链线牵引（坦克链在线牵引导槽内引导和支撑）。

机架下方设有可调节支脚，支脚为不锈钢螺栓，并加装PVC脚垫。

5.3 工艺槽系统、管道系统及通风系统

工艺槽系统、通风系统及管路系统中除打磨加厚镀镍槽外，其余槽体材质均根据溶液性质、工艺参数及用户要求选择，其配置及制造方法与常规镀镍生产线相同。

底漆、打磨1、镀厚镍1、打磨2、镀厚镍2。槽底四边设有50宽度45度斜板过渡，既能保护焊缝，又能保证溶液搅拌均匀，无死角。为保证底漆镀镍均匀，结晶细密，与基材有更好的结合力，底漆槽设有超声波装置。

由于金刚石粉价格昂贵，为减少金刚石粉用量，便于溶液处理，在打磨浓缩槽内设有金刚石粉隔离箱，吊架及吊架下的滑轮、墙板、工件夹紧夹具及工件均位于隔离箱内，隔离箱顶部开口，底部及槽宽两侧采用PP板，槽长两侧焊接成内衬PP的外框或钛合金加强框。

电镀过程中金刚石粉末始终处于悬浮状态，金刚石粉末隔离箱内设有空气搅拌管路，保证金刚石粉末无死角循环，搅拌均匀。搅拌管支管在槽体外装有柔性接头，拆除柔性接头后，即可抽出金刚石粉末隔离箱内的压缩空气搅拌管，方便金刚石粉末隔离箱的维护。

打磨1、镀厚镍1、打磨2、镀厚镍2。槽内设置循环过滤管路，过滤管路出口设置搅拌嘴，加压加速搅拌，使溶液温度、浓度均匀，溶液搅拌无死角，金刚石粉末呈悬浮状态。过滤采用溶液过滤器，工作时取下滤芯，溶液处理时再装上滤芯，过滤、除杂。

底涂、打磨、加厚镀镍槽均设有pH值自动检测与调节系统、安培小时表自动检测与调节系统。

5.4 导电装置、电源及吊架

1）导电装置。与常规镀镍生产线一样，镀镍槽采用底漆处理、砂磨处理，加厚实心铜阴极导电电极座。每槽配2个阴极导电电极座（槽两侧各1个），1个PP非导电支撑座。其余槽配3个PP非导电支撑座。

槽内设阳极系统，由铜阳极棒、钛篮、镍阳极板、PP阳极袋组成；阴极导电棒与吊架为一体。

打底、打磨1、镀厚镍1、打磨2、镀厚镍2生产线的槽口两侧装有吊架旋转驱动电机减速器及齿轮机构，工件在打底、打磨1、镀厚镍1、打磨2、镀厚镍2槽口内的旋转速度为0.5r/min；磨头镀层端面与阳极钛篮外侧净距约为30~40mm。

生产线上的脱脂、活化、双水洗、热水洗及回收槽两侧装有吊架旋转驱动电机减速机及齿轮机构，工件在脱脂、活化、双水洗、热水洗及回收槽内的转速为6~9r/min，便于磨头的搬运及清洗。

2）电源。打底、打磨、加厚镍镀槽电镀整流器采用高频直流开关电源，具有稳流、稳压功能，精度为±3%。开关电源采用风冷，具有短路、缺相、过载、过热保护功能。具有0～60s软启动功能，电流电压可调，数字显示，纹波系数3%，有485接口。开关电源用导电鼻子和电缆与槽上的阳极棒和槽口处的阴极导电电极座相连接，用微小电流将镀槽处的工件带入槽内。

3）吊具。吊具如图3所示。工件夹紧夹具如图4所示。

传动原理：槽侧的电机减速器（13）带动齿轮转动，从而带动吊架上的传动齿轮（12）传动，传动轴（10）上的皮带传动带动工件夹紧夹具（17）及工件（14）转动，从而实现工件旋转电镀过程中的均匀落砂。

挂架：由墙板（3）、传动齿轮（12）、传动轴（10）、皮带传动机构、阴极导电杆（19）及支撑杆（2）组成。墙板（3）及滑轮（5）材质为PP，传动轴（10）采用A3外PPR管，传动齿轮（12）采用45#钢，发蓝后喷防腐漆。导电杆与缺口阴极导电电极座（11）接触处呈“V”字形，阴极导电杆（19）采用不锈钢材质，支撑杆（2）采用PVC棒。两块墙板之间采用A3连接杆（外PPR管）使两块墙板连成一个整体，在墙板一侧连接阴极导电杆和支撑杆。

墙板上的阴极导电杆通过导电铜排（18）与墙板上旋转工件夹持夹具的固定套（16）连接，导电铜排（18）在连接处设有导电弹片，通过摩擦或碳刷接触与工件夹持夹具中间凸台外圆柱面导电，实现工件夹持夹具与工件的导电。工件夹持夹具的旋转轴采用不锈钢镶嵌塑料或直接采用工程塑料制成。

工件夹持夹具：工件夹持夹具每挂具容量为288件，采用A3材质制成，浸有挂具胶，与工件接触处及与旋转导电弹簧接触处应清除挂具胶。工件夹持夹具每个工件安装孔均设有夹紧机构，方便装卸及夹紧工件。

5.5 起重机及辅助电气控制系统

控制系统拓扑结构如图5所示。自动控制系统采用PLC+触摸屏+工控机控制，以PLC为控制核心，采用西门子高性能PLC。操作人员根据零件规格型号输入零件代码，通过人机界面（HMI）输入参数或控制指令，起重机按要求的工艺流程和加工时间自动运行；工控机以直观的动画形式显示起重机的运行情况；显示各工位的电镀时间、剩余时间、电流、电压、温度等参数；进行故障自动检测，显示检测结果，显示和打印员工操作顺序、产量、生产时间等；显示和打印历史故障；追溯工序质量数据。电控系统控制功能如表1所示。

六，结论

根据磨头电镀工艺要求，选择合适的工艺，设计装夹方式及挂具，采用旋转镀，控制溶液搅拌强度，使金刚石粉末保持悬浮状态，本次设计构建了一条专用于磨头的镍-金刚石复合电镀自动控制生产线。

该生产线实现了溶液温度、液位自动控制；溶液pH值自动检测；自动恒定电镀时间和电流密度。生产的磨头镍金刚石复合镀层表面更加光滑，组织均匀致密，结合力强，厚度均匀。生产实践证明，该设备成熟、实用、运行良好。

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