基于有限元模擬的電鍍夾具優(yōu)化

彭聰，羅晗，駱祎嵐，朱世根

（東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，紡織裝備教育部工程研究中心，上海 201620）

槽針是經(jīng)編機(jī)上的關(guān)鍵零部件，它由針身、針槽和針鉤三部分組成，如圖1所示。槽針的針槽和針鉤在生產(chǎn)過程中與針芯和紗線之間會(huì)發(fā)生高頻次的摩擦，對(duì)槽針表面電鍍能夠有效提高槽針的耐磨性，延長其使用壽命[1-2]。但槽針結(jié)構(gòu)特殊，直接電鍍難以得到理想的鍍層。電流密度過高時(shí)，針鉤容易出現(xiàn)因電流密度集中而導(dǎo)致的“燒焦”現(xiàn)象；電流密度過低時(shí)，針槽內(nèi)施鍍效果不佳。改進(jìn)電鍍夾具設(shè)計(jì)是解決這一矛盾的有效途徑之一[3]。

圖1 槽針的結(jié)構(gòu)示意圖 Figure 1 Schematic diagram showing the structure of grooved needle

有限元仿真技術(shù)的應(yīng)用為電鍍工藝的探索和電鍍夾具的設(shè)計(jì)提供了新的解決方案，采用該法能夠有效縮短工藝探索周期，降低實(shí)驗(yàn)成本[4-5]。COMSOL有限元軟件的電沉積模塊耦合了電場、流場、傳質(zhì)和帶電荷轉(zhuǎn)移，能夠?qū)κ芏嘁蛩赜绊懙膹?fù)雜工程問題進(jìn)行求解，如電解加工[6-7]、鋰電池[8-9]、電化學(xué)腐蝕[10]等。N. Obaid等人[11]通過仿真手段探究了電解質(zhì)電導(dǎo)率、極間距和陽極高度對(duì)電鍍鋅層厚度均勻性的影響，獲得了最佳 工藝參數(shù)。A. Mahapatro等人[12]通過COMSOL軟件建立了電鍍銅的模型，模擬分析了電流密度和電導(dǎo)率對(duì)鍍層厚度的影響，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

本文采用有限元仿真方法模擬屏蔽板和陪鍍條在槽針電鍍過程中對(duì)電力線分布和鍍層厚度的影響，通過分析電力線分布的變化及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化電鍍夾具的結(jié)構(gòu)，提高了槽針針槽和針鉤處的鍍層分布均勻性，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 模型建立

1. 1 電鍍物理模型的建立

采用COMSOL Multiphysics電化學(xué)模塊的三次電流分布接口模擬，三次電流分布可用于解釋電解質(zhì)成分和濃度變化對(duì)電導(dǎo)率和電化學(xué)過程的影響。離子的傳輸主要涉及物質(zhì)的電遷移、擴(kuò)散和對(duì)流3種機(jī)制[13]，物質(zhì)的輸送方程可用物質(zhì)的通量方程表示，可根據(jù)Nernst-Planck方程求得，如式(1)所示。

其中Ni為物質(zhì)i的離子通量，Di為擴(kuò)散系數(shù)，?為哈密頓算子，ci為濃度，zi為電荷數(shù)，ui為電遷移數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，φi為電解液電勢。

假設(shè)電解液呈電中性，則其電中性方程如式(2)所示。

對(duì)鍍鎳模型的電極反應(yīng)進(jìn)行簡化，主要考慮陰極表面鎳的沉積和陽極鎳的溶解，相關(guān)反應(yīng)如式(3)和式(4)所示。

采用Butler-Volmer方程[見式(5)][14]來描述局部電流密度(j)與過電位(Δφ)之間的關(guān)系。局部電流密度與鍍層厚度的關(guān)系則如式(6)所示，從中可知鍍層厚度(δ)與局部電流密度呈正比。

其中j0為交換電流密度，R為氣體常數(shù)，T為溫度，αa和αc分別為陽極傳遞系數(shù)和陰極傳遞系數(shù)，MNi為Ni的相對(duì)分子質(zhì)量，t為沉積時(shí)間，n為電極反應(yīng)的轉(zhuǎn)移電子數(shù)，ρNi為金屬鎳的密度。

1. 2 電鍍仿真模型的建立

如圖2所示，按照實(shí)物大小以1∶1的比例在仿真軟件中建立電鍍的幾何模型，主要參數(shù)如下：鍍槽尺寸50 mm × 40 mm × 90 mm；鎳陽極板尺寸50 mm × 25 mm × 5 mm；陰極為6根平行布置的槽針，T8A鋼材質(zhì)，針間距5 mm；極間距5 cm，在陰、陽極之間設(shè)置10 mm × 40 mm × 1 mm的酚醛塑料板作為屏蔽板，屏蔽板與槽針的距離設(shè)為x；在槽針下方設(shè)置40 mm × 2 mm× 2 mm的條狀紫銅作為陪鍍條，陪鍍條與針鉤下方的距離設(shè)為y。屏蔽板和陪鍍條都屬于槽針夾具的組成部分。鍍液的主要成分是作為主鹽的0.6 mol/L NiSO4·6H2O和 作為pH緩沖劑的0.6 mol/L H3BO3，pH為4。除電極外，模型的其他邊界均設(shè)置為絕緣。陰極沉積和陽極溶解的電流效率均假設(shè)為100%。

圖2 仿真幾何模型 Figure 2 Geometric model for simulation

2 模擬結(jié)果與討論

仿真結(jié)果會(huì)在幾何模型表面顯示鍍層厚度的分布情況，鍍層厚度分布圖通過離散點(diǎn)描述。離散點(diǎn)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成，均勻分布在幾何模型表面，針鉤和針槽表面各有離散點(diǎn)8 400個(gè)和5 700個(gè)。為充分探討屏蔽板和陪鍍條對(duì)鍍層均勻性的影響，選取針鉤和針槽表面各離散點(diǎn)的鍍層厚度數(shù)據(jù)來描述鍍層均勻性。

2. 1 屏蔽板對(duì)槽針表面鍍層厚度分布的影響

屏蔽板在電鍍過程中起到改變電場分布的作用，進(jìn)而影響工件表面的鍍層厚度分布。從圖3可知，添加屏蔽板對(duì)針槽內(nèi)鍍層厚度的影響不大，主要考慮屏蔽板對(duì)針鉤處鍍層厚度分布的影響。x= 2 mm時(shí)針鉤處鍍層的平均厚度低于無屏蔽板和x= 10 mm時(shí)針鉤處鍍層的平均厚度(見圖4)。結(jié)合圖5可知，在針鉤前設(shè)置屏蔽板后電力線會(huì)繞開屏蔽板分布，所以針鉤處的電流密度降低，當(dāng)x增大時(shí)，屏蔽板對(duì)針鉤處電力線的屏蔽作用減弱，使得針鉤處的電流密度逐漸集中，鍍層厚度隨之增大。未設(shè)置屏蔽板以及x= 2 mm和x= 10 mm時(shí)針鉤處鍍層厚度的方差分別為7.14、5.48和6.96。增加屏蔽板后鍍層厚度方差減小，而x從2 mm增大到10 mm時(shí)鍍層厚度的方差增大，說明在陰陽極之間設(shè)置屏蔽板能夠改善針鉤處鍍層的均勻性，但屏蔽板遠(yuǎn)離針鉤時(shí)改善效果會(huì)減弱。因此選擇x= 2 mm。

圖3 屏蔽板對(duì)針槽(a)和針鉤(b)表面Ni鍍層厚度分布的影響 Figure 3 Effect of shielding plate on thickness distribution of Ni coating on groove (a) and hook (b) of grooved needle

圖4 屏蔽板對(duì)針槽和針鉤處Ni鍍層平均厚度的影響 Figure 4 Effect of shielding plate on average thickness of Ni coating on groove and hook of grooved needle

圖5 屏蔽板對(duì)槽針電鍍過程中電力線分布的影響 Figure 5 Effect of shielding plate on power line distribution during electroplating of grooved needle

2. 2 陪鍍條對(duì)槽針表面鍍層厚度分布的影響

陪鍍條與待鍍工件一起連接電源負(fù)極，作為輔助陰極的一部分，在電鍍時(shí)陪鍍條起到吸收部分陰極電力線的作用。從圖6a和圖7可知，設(shè)置陪鍍條后針槽內(nèi)的鍍層厚度范圍均縮小，從3 ～ 21 μm變?yōu)? ～ 17 μm，鍍層厚度分布的方差也減小。從圖6b可知，設(shè)置陪鍍條后，針鉤處的鍍層厚度范圍從14 ～ 28 μm變?yōu)?2 ～ 18 μm。這說明掛具上設(shè)置陪鍍條有助于改善針槽和針鉤處的鍍層均勻性，對(duì)針鉤處鍍層均勻性的改善效果尤為明顯。當(dāng)y從4 mm增大到8 mm時(shí)，針鉤的鍍層平均厚度從14.3 μm增大到14.8 μm。結(jié)合圖8可知，設(shè)置陪鍍條后針鉤處的電力線被陪鍍條吸收了一部分，當(dāng)陪鍍條遠(yuǎn)離針鉤時(shí)，陪鍍條對(duì)針鉤處電力線的吸收減弱。當(dāng)y= 4 mm時(shí)針鉤處的電流密度顯著降低，有利于緩解或消除針鉤處鍍層“燒焦”的現(xiàn)象。

圖6 陪鍍條對(duì)針槽(a)和針鉤(b)表面Ni鍍層厚度分布的影響 Figure 6 Effect of dummy bar on thickness distribution of Ni coating on groove (a) and hook (b) of grooved needle

圖7 陪鍍片作用下的鍍層厚度方差 Figure 7 Variance of coating thickness when electroplating with dummy bar

圖8 陪鍍條對(duì)槽針電鍍過程中電力線分布的影響 Figure 8 Effect of dummy bar on power line distribution during electroplating of grooved needle

3 仿真模型的驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該仿真模型在實(shí)際生產(chǎn)中的效果，選擇x= 2 mm、y= 4 mm，按照仿真模型以1∶1的比例加工電鍍夾具，在5 A/dm2的電流密度下對(duì)槽針電鍍鎳10 min，并且如圖9所示采用基恩士VHX-1000E超景深三維顯微鏡測量槽針表面不同位置的鍍層厚度，結(jié)果見圖10。A、B、C截面的仿真平均厚度分別為5.12、6.24和8.54 μm，與實(shí)測平均厚度的相對(duì)偏差分別為8.0%、12.5%和12.0%。雖然A、B、C三處的實(shí)際鍍層厚度均小于模擬仿真的鍍層厚度，但相對(duì)偏差均低于20%，說明該模型能夠反映實(shí)際電鍍中鍍層厚度的分布趨勢。

圖9 槽針表面鎳鍍層厚度測量位置示意圖 Figure 9 Schematic diagram showing the sampling positions for thickness measurement of nickel coating on grooved needle

圖10 槽針A處(a)、B處(b)和C處(c)的鎳鍍層厚度 Figure 10 Thickness of nickel coating at area A (a), B (b), and C (c) of grooved needle

從圖11示出的采用改進(jìn)夾具電鍍Ni前、后槽針的宏觀形貌可見，Ni鍍層呈光亮的金屬光澤，針鉤處無“燒焦”現(xiàn)象。

圖11 采用改進(jìn)的掛具電鍍鎳前(右)、后(左)槽針的宏觀形貌 Figure 11 Macromorphologies of grooved needle before (right) and after (left) nickel electroplating with modified jig

4 結(jié)論

采用COMSOL Multiphysics電鍍模塊對(duì)槽針的電鍍過程進(jìn)行了模擬仿真，探究了遮擋板和陪鍍條對(duì)槽針表面鍍層厚度均勻性及電力線分布的影響，并通過電鍍實(shí)驗(yàn)對(duì)電鍍仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

(1) 遮擋板會(huì)影響電鍍過程中針鉤附近的電力線分布，起到降低針鉤處電流密度和提高鍍層厚度均勻性的作用，遮擋板與針鉤間的距離以2 mm為宜。

(2) 在針鉤下方設(shè)置陪鍍條時(shí)，陪鍍條能夠吸收部分陰極的電力線，當(dāng)陪鍍條與針鉤的距離為4 mm時(shí)，對(duì)鍍件表面電力線的吸收效果較明顯，能夠顯著改善鍍件表面電流密度的分布情況，提高鍍層厚度均勻性，并且陪鍍條對(duì)于改善針鉤處鍍層厚度均勻性的效果比針槽處更明顯。

(3) 采用電鍍仿真軟件對(duì)鍍件的電鍍過程進(jìn)行模擬，可以直觀地了解鍍件表面的電力線分布和鍍層厚度分布情況，仿真結(jié)果與電鍍實(shí)驗(yàn)結(jié)果較接近，可用于指導(dǎo)電鍍夾具的優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而減少電鍍實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)的時(shí)間和資源，提高生產(chǎn)效率。