數(shù)控電噴鍍鎳磷合金工藝試驗(yàn)研究

劉 榮,康 敏,楊 勇

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,江蘇 南京 210031)

目前電刷鍍技術(shù)作為再制造工程的主要途徑之一,在模具表面強(qiáng)化和恢復(fù)零件尺寸方面有很好的應(yīng)用[1]。例如在修復(fù)液壓柱塞泵、液壓缸、發(fā)動(dòng)機(jī)、工程機(jī)械、電機(jī)轉(zhuǎn)子軸、曲軸軸頸、機(jī)床導(dǎo)軌等易磨損失效零件上應(yīng)用很廣[2-7]。但該項(xiàng)技術(shù)存在諸多缺點(diǎn)[8-9]:往復(fù)蘸取鍍液刷鍍,輔助時(shí)間多,勞動(dòng)強(qiáng)度大,鍍液利用率低,沉積速度慢;包套易磨損,易短路灼傷工件;手工刷鍍的間隙大小及刷鍍的速度不易控制,導(dǎo)致鍍層厚度不一,晶粒易粗大。摩擦電噴鍍、流鍍機(jī)的出現(xiàn)雖然在一定程度上加強(qiáng)了電刷鍍技術(shù)的機(jī)械化提高了自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率,但它們主要采用仿形陽(yáng)極,鍍筆的研制較復(fù)雜,且工件以回轉(zhuǎn)體為主,加工范圍有一定的局限性。

針對(duì)上述刷鍍工藝的不足,本文構(gòu)建了數(shù)控電噴鍍?cè)囼?yàn)裝置,利用直線刃陽(yáng)極對(duì)平面進(jìn)行數(shù)控電噴鍍鎳磷合金的基礎(chǔ)工藝實(shí)驗(yàn)。

1 數(shù)控電噴鍍?cè)?/h2>

數(shù)控電噴鍍是將含有高濃度金屬離子的電鍍液,利用泵以一定的流量、流速通過(guò)陽(yáng)極和工件構(gòu)成的狹小間隙(0.5～2mm),并通過(guò)計(jì)算機(jī)控制陽(yáng)極相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)軌跡,從而使工件表面獲得細(xì)致光亮的鍍層。其優(yōu)點(diǎn)是:鍍液的流速可進(jìn)行穩(wěn)定的控制,使鍍液一直保持紊流狀態(tài),擴(kuò)散層厚度減小,傳質(zhì)過(guò)程得到強(qiáng)化,極限電流密度得到提高,沉積速度加快;利用多軸聯(lián)動(dòng),再配以相應(yīng)的陽(yáng)極工作頭,可用簡(jiǎn)單的工具進(jìn)行復(fù)雜曲面的電鍍,避免了制作各種仿形陽(yáng)極頭,提高了機(jī)床的柔性和成形精度。數(shù)控電噴鍍?cè)硪?jiàn)圖1。

2 數(shù)控電噴鍍?cè)囼?yàn)裝置

圖1 數(shù)控電噴鍍?cè)韴D

數(shù)控電噴鍍?cè)囼?yàn)裝置主要包括電源、機(jī)械本體、電鍍液系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。電源采用某公司的KDF硅整流直流電源;機(jī)械本體采用立式銑床的布局,工作臺(tái)采用滾珠絲杠,由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),可實(shí)現(xiàn)3軸聯(lián)動(dòng);電鍍液由泵直接供送,經(jīng)流量計(jì)、陽(yáng)極內(nèi)部噴至工件再回流至鍍液桶,利用閥門及卸荷管路實(shí)現(xiàn)流量及流速控制;控制系統(tǒng)采用某公司的運(yùn)動(dòng)控制卡,界面用VC編程,試驗(yàn)裝置示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

3 數(shù)控電噴鍍鎳磷合金試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

直線刃數(shù)控電噴鍍鎳磷合金工藝流程為:打磨試樣→除油→清洗→活化→清洗→弱腐蝕→刷鍍→清洗→風(fēng)干→涂防護(hù)油。本試驗(yàn)中采用硫酸鎳、氯化鎳作主鹽,鍍層中的磷來(lái)自還原劑次亞磷酸鈉,硫酸鈉、檸檬酸鈉作為輔助成分,乳酸為絡(luò)合劑,鍍液pH值為2.0～2.1,鍍液溫度控制在35℃。具體電鍍液配方為 :NiSO4?7H2O 250 g/L,NiCI2?6H2O 25 g/L,乳酸20 ml/L,NaH2PO435 g/L,Na2SO440 g/L,C6H8O730 g/L,Na3C6H5O7?H2O 30 g/L,次亞磷酸鈉15 g/L,十二烷基硫酸鈉0.01 g/L,硫脲0.001 g/L。

陽(yáng)極材料為1Cr18Ni9Ti,形狀為 3mm×20mm的直線型,縫寬1mm;陰極為條狀45鋼,尺寸為7mm×8mm×30mm;通過(guò)JB-4C表面粗糙度測(cè)試機(jī)測(cè)量鍍層表面粗糙度,并利用其臺(tái)階功能測(cè)量鍍層厚度;利用6×B-PC型金相顯微鏡觀察鍍層表面形貌。

3.2 鍍層表面形貌及分析

圖3是部分試驗(yàn)工件實(shí)物,圖4是部分工件的表面金相圖,可看出鍍層表面光亮,試樣組織細(xì)膩,排列緊密。

3.3 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

以沉積速度和表面粗糙度為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果及分析見(jiàn)表1和表2。

表1 沉積速度正交試驗(yàn)

從表1的極差值可得出各試驗(yàn)因素在試驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)沉積速度影響的主次順序是:電流＞初始間隙＞相對(duì)移動(dòng)速度;獲得最快沉積速度的優(yōu)化工藝參數(shù)是A2B2C3,即電流0.6 A,初始間隙1mm,相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度 720mm/min,此時(shí)沉積速度達(dá) 22.93μm/min。

表2 表面粗糙度正交試驗(yàn)

從表2的極差值可得出各試驗(yàn)因素在試驗(yàn)范圍內(nèi)對(duì)表面粗糙度的影響主次順序是:初始間隙＞相對(duì)速度＞電流;獲得最小鍍層表面粗糙度的優(yōu)化工藝參數(shù)是A2B3C3即電流 0.6 A,初始間隙2mm,相對(duì)速度720mm/min。

從表1和表2可看出,對(duì)于不同的指標(biāo)而言,不同因素的影響程度是不一樣的,不同指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的優(yōu)方案也是不同的,通過(guò)綜合平衡法可得到綜合的優(yōu)方案,具體平衡過(guò)程如下:

因素A:從表1和表2的分析結(jié)果中,可看出兩個(gè)指標(biāo)都是以A2為最佳水平,所以取A2。

因素B:表1中初始間隙對(duì)沉積速度是次影響因素,優(yōu)化值是1mm,表2中初始間隙對(duì)表面粗糙度是主要影響因素,優(yōu)化值是2mm;比較表1中B列的 K2、K3值可發(fā)現(xiàn)二者沉積速度相差 5.343μm/min,比較表 2中B列的 K2、K3值發(fā)現(xiàn)表面粗糙度相差 0.459μm,但 K2、K3表面粗糙度等級(jí)已很高,從提高電鍍效率和節(jié)約能源的角度看,初始間隙定為1mm,即取B2更合理。

因素C:從表1和表2的分析結(jié)果可看出兩個(gè)指標(biāo)都是以C3為最佳水平,所以取C3。

綜合以上分析,為了同時(shí)獲得較高的沉積速度和表面粗糙度,優(yōu)方案為A2B2C3,即電流0.6 A,初始間隙1mm,相對(duì)速度720mm/min。

4 結(jié)論

(1)數(shù)控電噴鍍?cè)囼?yàn)裝置采用模塊式的設(shè)計(jì)思路來(lái)搭建,實(shí)現(xiàn)了數(shù)控技術(shù)與電刷鍍技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,可用直線刃數(shù)控電噴鍍出平面,且鍍層表面質(zhì)量良好。

(2)以沉積速度和表面粗糙度為目標(biāo)的平面電噴鍍正交試驗(yàn),利用綜合平衡法最終得出兩指標(biāo)的最優(yōu)方案是電流0.6 A,初始間隙1mm,相對(duì)速度720mm/min,此時(shí)沉積速度為 22.93μm/min,表面粗糙度值為 0.194μm 。

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