電鍍金剛石線鋸上砂裝備設(shè)計和應(yīng)用

周家美 龔 洋 王開佃

（1.山田新材料集團(tuán)有限公司，山東 臨沂 276700；2.金沂蒙集團(tuán)有限公司，山東 臨沂 276700）

0 引言

20 世紀(jì)90 年代，金剛石線鋸開始興起，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于光伏、電子和藍(lán)寶石等貴重超硬材料切割領(lǐng)域[1]。早期的金剛線加工技術(shù)采用的是裸露的金屬線和游離的磨料，在加工過程中將磨料加入金屬線和加工件之間以產(chǎn)生切削作用。為了進(jìn)一步縮短加工時間和對超硬材料和難以加工的陶瓷進(jìn)行加工，人們將金剛石微粉以一定的方式固定到金屬線上，進(jìn)而出現(xiàn)了固定金剛石線鋸[2]。金剛石線鋸也稱金剛線，是以鋼絲為基礎(chǔ)材料，以氨基磺酸鎳為鍍液主鹽，在合適的電鍍工藝下采用復(fù)合鍍的方法在鋼絲基體上沉積一層金屬鎳，同時在金屬鎳中包裹金剛石微粉顆粒而制得的一種超硬材料鋸切工具[2-3]。線鋸切割具有能切割大尺寸薄片、加工表面質(zhì)量高、鋸縫損失少、撓曲變形小以及切割效率高等優(yōu)點，在切割硬脆材料方面有廣泛應(yīng)用[1]。電鍍金剛石線鋸廣泛應(yīng)用于光伏、電子和藍(lán)寶石等貴重超硬材料切割領(lǐng)域，具有切割效率高、產(chǎn)品精度高、損耗小和工作環(huán)境清潔等優(yōu)點，是一種新型節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品[4-5]。

該文對金剛線生產(chǎn)線一種豎式上砂結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)深入研究，分析了其目前結(jié)構(gòu)的不足，對上砂裝備進(jìn)行了全新設(shè)計，并在零件制作過程中嚴(yán)格控制加工精度。設(shè)計的上砂裝備已投入正常生產(chǎn)，保證了整個上砂系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性，解決了砂多砂少等質(zhì)量問題，實現(xiàn)了上砂的均勻一致。

1 電鍍金剛線豎式生產(chǎn)線工藝流程與說明

金剛線豎式生產(chǎn)線主要用于生產(chǎn)磁材線和光伏開方線，線徑在145μm～450μm，工藝流程為放線→除油脫脂→水洗→酸洗→水洗→預(yù)鍍鎳→上砂加固→鍍鎳→水洗→熱水洗→烘干→收線。

上砂是將金剛石磨料復(fù)合電沉積到鋸絲基體表面的過程，上砂鍍層的厚度一般為金剛石顆粒平均粒徑的10%左右[6]。電沉積過程中要求金剛石顆粒以一定的密度均勻分布于鍍層中，如何均勻地沉積金剛石磨料一直是研究的重點。豎式線的上砂方法是埋砂法，埋砂法是將鋸絲基體埋在金剛石磨料中來制備復(fù)合鍍層的方法[6]。

2 目前上砂加固設(shè)備的現(xiàn)狀與不足

電鍍金剛石線生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)是上砂技術(shù)[7]。例如電鍍金剛石線的上砂要求金剛石均勻固結(jié)在長度為30km、40km、50km 和60km 的母線機(jī)體上，上砂后金剛砂線的線徑變化要在一定幅度以內(nèi)且金剛石分布要均勻，砂多、過于密集，金剛石容易堆疊在一起，進(jìn)而導(dǎo)致切割過程中阻力過大而斷線，砂少、過于稀疏則會導(dǎo)致切割力不足。

金剛線的預(yù)鍍到上砂工序中，經(jīng)上砂加固的砂附著力較弱，極容易受振動而掉落或被磨掉，經(jīng)常出現(xiàn)砂多砂少等質(zhì)量問題，所以上砂裝備的可靠穩(wěn)定性非常關(guān)鍵，將會直接影響上砂效果。

現(xiàn)有金剛線豎式生產(chǎn)線上砂加固設(shè)備存在很多不足，主要體現(xiàn)在以下方面：1）安裝機(jī)架為鋁型材搭接而成，強度較弱，在生產(chǎn)過程中導(dǎo)電輪、導(dǎo)電輪軸承座及加固桶等部件經(jīng)常出現(xiàn)振動現(xiàn)象，從而導(dǎo)致掉砂、落砂等質(zhì)量問題。2）導(dǎo)電輪沒有限位結(jié)構(gòu)，受收線張力長期影響，導(dǎo)電輪位置會發(fā)生移動，線體也隨之發(fā)生位移，進(jìn)而導(dǎo)致線體偏離上砂亞克力管孔中心，而偏離距離大時就會切入亞克力中，造成砂量急劇下降和異常下線。3）回液槽沒有密封結(jié)構(gòu)，鍍液濺出，工作環(huán)境較差，軸承及導(dǎo)電滑環(huán)因直接接觸鍍液而經(jīng)常發(fā)生損壞，平均每1～2 個月滑環(huán)就需要換一次，維修保養(yǎng)費用較高。

3 新上砂裝備設(shè)計

市場上磁材切割機(jī)對金剛線的長度要求最短30km，因此不足30km 的就是廢線，如果設(shè)備穩(wěn)定性較差，金剛線異常下線比例較高，會造成產(chǎn)品成本急劇上升。因此提高設(shè)備可靠穩(wěn)定性、減少異常和降低成本迫在眉睫。該文經(jīng)過對現(xiàn)狀的長期研究，為保證整個上砂系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定性，對上砂加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)化的全新設(shè)計，具體如下。

3.1 設(shè)計不銹鋼方管機(jī)架

不銹鋼方管焊接機(jī)架設(shè)計如圖1 所示。在方管上激光切割多組固定孔，加固桶、上下導(dǎo)電輪及亞克力件均固定于機(jī)架上，保證了上砂系統(tǒng)整體強度和穩(wěn)定性。方管采用四維激光切管機(jī)下料，公差及形位精度保證在0.1mm 之內(nèi)，并在鑄鐵平臺上焊接，以保證安裝面的平面度，如圖2 所示。

圖1 不銹鋼焊接機(jī)架

圖2 鑄鐵平臺焊接

3.2 設(shè)計回液主槽與小副槽

回液主槽及密封結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3 所示。密封住鍍液蒸汽，在導(dǎo)電輪底部最近距離安裝小副槽以防止鍍液濺出，如圖4 所示，避免鍍液對導(dǎo)電滑環(huán)及軸承的腐蝕，減少因軸承卡死和滑環(huán)損壞而引起的異常。小副槽內(nèi)設(shè)有隔板，用于沉淀砂，兩側(cè)設(shè)有溢流口，使鍍液溢流到主槽中。

圖3 回液密封主槽

圖4 接液小副槽

3.3 設(shè)計保證同軸度的各種亞克力零件

為便于觀察砂量和剛線狀態(tài)，上砂零件均采用透明亞克力制作。在亞克力大椎體、上砂管、小椎體和三通上設(shè)計軸肩定位結(jié)構(gòu)，如圖5 所示，以確保各零件在裝配后同軸，在維修保養(yǎng)過程中可較方便地將剛線調(diào)整到亞克力各件中心，避免亞克力磨剛線的風(fēng)險。

圖5 法蘭連接

選取截面較大的O 型圈，增加密封效果，并設(shè)計法蘭式結(jié)構(gòu)，使連接強度高，緊固方便，如圖6 所示。

圖6 定位結(jié)構(gòu)

3.4 設(shè)計亞克力過線螺塞

產(chǎn)線使用的黑色橡膠過線皮塞如圖7 所示，不利于觀察線體狀態(tài)，只能通過觀察剛線在各亞克力件的內(nèi)孔位置來判斷剛線是否在中心，維修調(diào)整非常困難。

圖7 橡膠皮塞

該文設(shè)計的亞克力螺塞如圖8 所示，能清晰觀察到線體狀態(tài)，維修調(diào)整非常方便，避免了磨線異常，提高了工作效率。

圖8 亞克力螺塞

3.5 設(shè)計絕緣結(jié)構(gòu)

為保證剛線電流的穩(wěn)定性，在3 處關(guān)鍵部位安裝絕緣膠木，在加固桶固定面也安裝絕緣膠木，如圖9 所示。在上下導(dǎo)電輪支架連接面安裝膠木板，連接螺釘增加尼龍墊，如圖10 所示。

圖9 加固桶絕緣

圖10 導(dǎo)電輪絕緣

3.6 設(shè)計加強導(dǎo)電輪組件及限位結(jié)構(gòu)

為保證調(diào)試好后剛線在亞克力螺塞中心能長時間不發(fā)生位移現(xiàn)象，該文設(shè)計了加強導(dǎo)電輪組件，如圖11 所示，設(shè)計限位結(jié)構(gòu)如圖12 所示。主要結(jié)構(gòu)如下：1）設(shè)計了加強導(dǎo)電輪軸，兩端選用高強度軸承，滑環(huán)通過左右旋螺紋裝到采軸兩端，以保證連接可靠。2）設(shè)計的組合鋁板軸承座強度高，兩側(cè)板通過圓柱銷定位可方便拆卸，維修保養(yǎng)方便。3）軸承外端安裝尼龍封蓋，避免鍍液及砂旋轉(zhuǎn)進(jìn)入軸承，造成軸承卡死。4）設(shè)計限位結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)導(dǎo)電輪上、下、左、右、前、后6 個方向的位置限位。

圖11 加強導(dǎo)電輪組件

圖12 導(dǎo)電輪限位

4 結(jié)論

生產(chǎn)車間已完成6 臺生產(chǎn)線上砂設(shè)備的安裝和調(diào)試，現(xiàn)已投入批量生產(chǎn)，此次系統(tǒng)化設(shè)計取得的顯著效果具體如下：1）通過亞克力螺塞可以清晰地觀察到剛線運行狀態(tài)，維修保養(yǎng)非常方便，加強巡檢可有效避免磨線鍍液斜呲等異常現(xiàn)象。2）安裝小副槽及回液密封結(jié)構(gòu)，避免了導(dǎo)電滑環(huán)和軸承直接接觸鍍液，保證了滑環(huán)良好的工作環(huán)境，避免了軸承及滑環(huán)受腐蝕引發(fā)的生產(chǎn)線異常。3）安裝加強導(dǎo)電輪組件及限位結(jié)構(gòu)，能保證在長時間的生產(chǎn)過程中導(dǎo)電輪位置固定不變，剛線不發(fā)生位移現(xiàn)象，較好地使線體保持在螺塞中心，避免磨線異常。4）上砂裝備強度可靠穩(wěn)定性得到了較大提升，運行平穩(wěn)且沒有發(fā)生異常下線，成本大幅度降低。5）避免了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差引發(fā)的掉砂磨砂偏砂現(xiàn)象，解決了砂多砂少等質(zhì)量問題，實現(xiàn)了上砂的均勻一致。