自動(dòng)化脈沖流鍍設(shè)備及其應(yīng)用

滿佳，張松, *，丁韜，王圣斌

（1.山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250061；2.濰柴動(dòng)力(濰坊)再制造有限公司，山東 濰坊 261000）

近年來，隨著廢舊汽車、工程機(jī)械的更新?lián)Q代，報(bào)廢零部件的處理變得越發(fā)重要。再制造技術(shù)是以廢舊產(chǎn)品的零部件為毛坯，主要以先進(jìn)的表面工程技術(shù)為修復(fù)手段，因此無論是毛坯來源還是再制造過程，再制造技術(shù)對能源和資源的需求以及對廢物廢氣的排放都極少，具有很高的綠色度[1]。以電刷鍍?yōu)榇淼脑僦圃旒夹g(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸體、連桿的再制造生產(chǎn)。自吳斌等[2]開發(fā)出國內(nèi)第一臺(tái)自動(dòng)化電刷鍍設(shè)備以來，自動(dòng)化電刷鍍已開始應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的再制造[3]，傳統(tǒng)手工電刷鍍已逐漸被自動(dòng)化電刷鍍?nèi)〈?。余建柏等[4]為解決自動(dòng)化電刷鍍過程中陽極包套易磨損的問題，開發(fā)了自動(dòng)化流鍍設(shè)備。流鍍技術(shù)的特點(diǎn)是陽極不用棉包套貯存鍍液，流鍍工作時(shí)，陽極與工件保持一定的間隙，鍍液通過液泵以一定流量循環(huán)流動(dòng)至流鍍工作區(qū)。近幾年，又有學(xué)者將脈沖電引入電刷鍍技術(shù)中，產(chǎn)生了脈沖電刷鍍技術(shù)[5]。與直流電刷鍍層相比，脈沖電刷鍍層更加致密均勻，具有更加良好的機(jī)械性能，因而擁有廣闊的發(fā)展前景。但脈沖電源尚未廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化電刷鍍設(shè)備中。

為提高電刷鍍的工作效率，提升鍍層性能，設(shè)計(jì)并制造了針對內(nèi)孔類零件電刷鍍修復(fù)的自動(dòng)化脈沖流鍍設(shè)備，并對比了采用該設(shè)備在脈沖電源和直流電源下制備的鍍層的表面形貌、顯微硬度、耐磨性、殘余應(yīng)力等性能。

1 工作原理及方案設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

圖1 給出了自動(dòng)脈沖流鍍設(shè)備(以下簡稱流鍍設(shè)備)的工作原理圖。流鍍設(shè)備可調(diào)節(jié)的工藝參數(shù)有電壓、脈沖占空比、頻率、鍍筆移動(dòng)速率，以及鍍筆與工件間距，其調(diào)節(jié)范圍如表1 所示。

圖1 流鍍設(shè)備工作原理圖Figure 1 Schematic diagram of working principle of flow plating machine

表1 流鍍設(shè)備工藝參數(shù)范圍Table 1 Scope of process parameters of flow plating machine

1.2 方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)制造的流鍍設(shè)備主要由鍍筆主軸、三向數(shù)控工作臺(tái)、鍍液分離回收系統(tǒng)、工件夾具(以發(fā)動(dòng)機(jī)連桿為例)、控制系統(tǒng)等五部分組成(如圖2 所示)。

圖2 自動(dòng)脈沖流鍍設(shè)備總體示意圖Figure 2 Schematic diagram of automatic pulse flow plating machine

2 典型機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制

2.1 鍍筆主軸

鍍筆主軸在設(shè)備中相當(dāng)于傳統(tǒng)切削機(jī)床的主軸，主要區(qū)別是：流鍍設(shè)備主軸在電鍍過程中作陽極，需要通電，并且不與工件發(fā)生作用力。因此，鍍筆主軸需要有特殊的輸電裝置，并要與機(jī)床主體部分絕緣。其傳動(dòng)方式為“變頻電機(jī)─梅花型彈性聯(lián)軸器─鍍筆”，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)速0～200 r/min 的無極調(diào)速。

2.2 三向數(shù)控工作臺(tái)

三向數(shù)控工作臺(tái)是流鍍設(shè)備的主要運(yùn)動(dòng)部分，鍍筆由其帶動(dòng)完成X、Y、Z 3 個(gè)方向精確可控的運(yùn)動(dòng)。每個(gè)單向的數(shù)控工作臺(tái)結(jié)構(gòu)相似，完成相同的運(yùn)動(dòng)。由于在流鍍設(shè)備的工作過程中鍍筆與工件之間不接觸，因此并沒有力的作用，工作臺(tái)的傳動(dòng)可采用電機(jī)直連絲杠的方式。

其傳動(dòng)方案為“伺服電機(jī)─梅花型彈性聯(lián)軸器─滾珠絲杠─拖板”，能夠?qū)崿F(xiàn)0～2 000 mm/min 的無極調(diào)速。

2.3 鍍液分離回收系統(tǒng)

鍍液的分離與回收是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化流鍍的前提，鍍液分離回收系統(tǒng)是流鍍設(shè)備設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。在電刷鍍技術(shù)的工程實(shí)踐過程中，電刷鍍之前要對工件表面進(jìn)行活化處理，因此在電刷鍍過程中除需要工作層鍍液，還需要若干種活化液，在每種液體工作之間，都要用蒸餾水清洗整個(gè)回路。本文設(shè)計(jì)的流鍍設(shè)備能夠通過鍍液分離回收系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)6 種鍍液的循環(huán)利用[6]，工作原理如圖3 所示。

圖3 鍍液分離回收裝置工作原理圖Figure 3 Schematic diagram of working principle of bath separation–recycling device

圖3 中的鍍液分離回收裝置是整個(gè)系統(tǒng)的重點(diǎn)，其整個(gè)工作過程是靠1 個(gè)氣缸與6 個(gè)電磁閥配合完成的。其工作過程為：

(1)鍍液A 的分離回收過程。圖3 中7 個(gè)電磁閥(編號4)中，對應(yīng)鍍液A 的電磁閥4A 打開，其余6 個(gè)電磁閥均關(guān)閉，鍍液通過液壓泵1A、電磁閥3A 后，經(jīng)過分液塊裝置，進(jìn)入被鍍工件的內(nèi)孔。注滿后，對應(yīng)鍍液A 的電磁閥4A 關(guān)閉。待鍍液A 工作完成后，電磁閥7、9A 打開，鍍液A 返回儲(chǔ)液箱。電磁閥的開閉時(shí)間由控制器控制，具體工作過程如圖4 所示。

圖4 鍍液A 分離回收過程示意圖Figure 4 Schematic diagram of separation and recycling process for bath A

(2)蒸餾水清洗過程。圖3 中串聯(lián)在蒸餾水回路上的電磁閥4 打開，蒸餾水通入回路，其余6 個(gè)電磁閥均關(guān)閉，待注滿被鍍件的內(nèi)孔后，串聯(lián)在蒸餾水回路上的電磁閥4 關(guān)閉；清洗完畢后，汽缸伸出，同時(shí)電磁閥7、9 全部打開，廢水回收至廢液箱，氣缸收回；工作過程如圖5 所示。

圖5 蒸餾水清洗回路過程示意圖Figure 5 Schematic diagram of working process of distilled water rinsing loop

(3)鍍液B 的分離回收過程。重復(fù)上述過程，直至完成整個(gè)工作過程。

2.4 工件夾具

工件夾具的設(shè)計(jì)要求工件內(nèi)孔密封性良好，這樣才能保證鍍液循環(huán)回收過程中鍍液不泄漏。以發(fā)動(dòng)機(jī)連桿夾具為例(如圖6 所示)，該夾具一次可裝夾6 根連桿，每兩根連桿之間墊有密封墊，可保證流鍍過程中鍍液不泄漏。

2.5 控制系統(tǒng)

流鍍設(shè)備控制系統(tǒng)主要由西門子數(shù)控銑削系統(tǒng)改造而成，能夠?qū)崿F(xiàn)手工操作與全自動(dòng)操作兩種工作模式。控制系統(tǒng)如圖7 所示。

圖6 連桿夾具Figure 6 Clamp for connecting rod

圖7 流鍍設(shè)備控制系統(tǒng)Figure 7 Control system of flow plating machine

3 應(yīng)用

利用該流鍍設(shè)備對某型發(fā)動(dòng)機(jī)連桿大頭孔進(jìn)行了自動(dòng)脈沖流鍍實(shí)驗(yàn)和自動(dòng)直流流鍍實(shí)驗(yàn)，并對兩種鍍層進(jìn)行對比。

3.1 材料

(1)某型號發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，材料40CrAH，化學(xué)成分：C 0.37%～0.44%，Si 0.17%～0.37%，Mn 0.5%～0.8%，Cr 0.80%～1.10%，Ni 0.03%，P 0.035%，S 0.035%，Cu 0.03%，F(xiàn)e 余量。

(2)鍍液：電凈液、2#活化液、3#活化液、合金鋼活化液、合金鋼底鎳、三號快速鎳鍍液(西安費(fèi)氏特表面工程有限公司)。

(3)納米顆粒：粒徑為13 nm 的納米Al2O3顆粒，5 g/L，由北京德科島金有限公司生產(chǎn)。

3.2 鍍層制備

流鍍設(shè)備分別在脈沖電源和直流電源下制備了鍍層，其中脈沖頻率1 000 Hz，占空比30%。自動(dòng)化脈沖流鍍工藝參數(shù)如表2 所示。其中納米復(fù)合鍍液由三號快速鎳和納米顆粒組成。

表2 自動(dòng)脈沖流鍍工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of automatic pulse flow plating

3.3 鍍層性能

將刷鍍后的連桿切割成40 mm × 10 mm × 10 mm的樣塊，經(jīng)超聲清洗20 min 后，在日本電子(JEOL)公司JSM-6510LV 型掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察表面形貌，結(jié)果如圖8 所示。從圖8 可知，脈沖條件下制備的鍍層表面比直流條件下制備的鍍層更加致密。采用SEM 配套的JED-2300 型能譜儀(EDS)測定鍍層的納米顆粒含量。結(jié)果表明，脈沖鍍層的Al 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)2.63%，而直流鍍層的Al 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為1.01%。

圖8 鍍層的表面形貌Figure 8 Surface morphologies of coatings

分別用320#、600#、1200#、2000#砂紙打磨并拋光上述試樣的截面，用上海恒一精密儀器有限公司MH-6 型顯微硬度儀測定鍍層截面的顯微硬度，載荷100 g，保荷時(shí)間15 s。測得脈沖、直流條件下的鍍層顯微硬度分別約為560 HV 和478 HV。

通過芬蘭Stresstech 公司XSTRESS 3000 型殘余應(yīng)力儀測定鍍層的殘余應(yīng)力，測試參數(shù)為：準(zhǔn)直器直徑2 mm，靶材Cr Kα，曝光時(shí)間20 s，楊氏模量210 GPa，泊松比0.3，無應(yīng)力衍射角(2θ)133.7°，衍射晶面(211)，ψ 角?35°、?25°、?15°、?5°、0°、5°、15°、25°和35°，旋轉(zhuǎn)角0°和90°，電壓30 kV，電流6.7 mA。結(jié)果表明，直流鍍層的殘余應(yīng)力為(284.32 ± 18)MPa，脈沖鍍層的殘余應(yīng)力僅為(29.6 ± 20)MPa。

采用美國CETR 公司UMT-2 型摩擦試驗(yàn)儀在15 N載荷下對鍍層做往復(fù)摩擦試驗(yàn)5 min，并采用美國Veeco 公司W(wǎng)YKO NT9300 型白光干涉儀測得磨痕輪廓，通過磨痕輪廓計(jì)算磨損體積。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，脈沖鍍層的磨損體積為1.6 × 10?2mm3，直流鍍層的磨損體積為2.4 × 10?2mm3。

綜上所述，自動(dòng)脈沖流鍍制備的鍍層表面比直流條件下制備的鍍層更致密，納米顆粒含量提高1.6 倍，殘余應(yīng)力大幅降低，顯微硬度提高約20%，耐磨性提高約30%。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了適合內(nèi)孔類零件脈沖流鍍的自動(dòng)化設(shè)備，適合發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、汽缸體等零件內(nèi)孔的批量修復(fù)。與現(xiàn)有刷鍍類設(shè)備相比，該流鍍設(shè)備能夠提供脈沖和直流兩種電源，實(shí)現(xiàn)了鍍液的循環(huán)利用，避免了陽極包套的磨損，節(jié)省了成本。與自動(dòng)直流流鍍制備的鍍層相比，自動(dòng)脈沖流鍍條件下制備的鍍層表面更加致密，納米顆粒沉積量更大，顯微硬度、耐磨性、殘余應(yīng)力等性能有明顯改善。

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