自动化脉冲流镀设备及其应用

满佳，张松, *，丁韬，王圣斌

（1.山东大学机械工程学院高效洁净机械制造教育部重点实验室，山东 济南 250061；2.潍柴动力(潍坊)再制造有限公司，山东 潍坊 261000）

近年来，随着废旧汽车、工程机械的更新换代，报废零部件的处理变得越发重要。再制造技术是以废旧产品的零部件为毛坯，主要以先进的表面工程技术为修复手段，因此无论是毛坯来源还是再制造过程，再制造技术对能源和资源的需求以及对废物废气的排放都极少，具有很高的绿色度[1]。以电刷镀为代表的再制造技术已经广泛应用于汽车发动机汽缸体、连杆的再制造生产。自吴斌等[2]开发出国内第一台自动化电刷镀设备以来，自动化电刷镀已开始应用于发动机缸体的再制造[3]，传统手工电刷镀已逐渐被自动化电刷镀取代。余建柏等[4]为解决自动化电刷镀过程中阳极包套易磨损的问题，开发了自动化流镀设备。流镀技术的特点是阳极不用棉包套贮存镀液，流镀工作时，阳极与工件保持一定的间隙，镀液通过液泵以一定流量循环流动至流镀工作区。近几年，又有学者将脉冲电引入电刷镀技术中，产生了脉冲电刷镀技术[5]。与直流电刷镀层相比，脉冲电刷镀层更加致密均匀，具有更加良好的机械性能，因而拥有广阔的发展前景。但脉冲电源尚未广泛应用于自动化电刷镀设备中。

为提高电刷镀的工作效率，提升镀层性能，设计并制造了针对内孔类零件电刷镀修复的自动化脉冲流镀设备，并对比了采用该设备在脉冲电源和直流电源下制备的镀层的表面形貌、显微硬度、耐磨性、残余应力等性能。

1 工作原理及方案设计

1.1 工作原理

图1 给出了自动脉冲流镀设备(以下简称流镀设备)的工作原理图。流镀设备可调节的工艺参数有电压、脉冲占空比、频率、镀笔移动速率，以及镀笔与工件间距，其调节范围如表1 所示。

图1 流镀设备工作原理图Figure 1 Schematic diagram of working principle of flow plating machine

表1 流镀设备工艺参数范围Table 1 Scope of process parameters of flow plating machine

1.2 方案设计

本文设计制造的流镀设备主要由镀笔主轴、三向数控工作台、镀液分离回收系统、工件夹具(以发动机连杆为例)、控制系统等五部分组成(如图2 所示)。

图2 自动脉冲流镀设备总体示意图Figure 2 Schematic diagram of automatic pulse flow plating machine

2 典型机械结构与控制

2.1 镀笔主轴

镀笔主轴在设备中相当于传统切削机床的主轴，主要区别是：流镀设备主轴在电镀过程中作阳极，需要通电，并且不与工件发生作用力。因此，镀笔主轴需要有特殊的输电装置，并要与机床主体部分绝缘。其传动方式为“变频电机─梅花型弹性联轴器─镀笔”，能够实现转速0～200 r/min 的无极调速。

2.2 三向数控工作台

三向数控工作台是流镀设备的主要运动部分，镀笔由其带动完成X、Y、Z 3 个方向精确可控的运动。每个单向的数控工作台结构相似，完成相同的运动。由于在流镀设备的工作过程中镀笔与工件之间不接触，因此并没有力的作用，工作台的传动可采用电机直连丝杠的方式。

其传动方案为“伺服电机─梅花型弹性联轴器─滚珠丝杠─拖板”，能够实现0～2 000 mm/min 的无极调速。

2.3 镀液分离回收系统

镀液的分离与回收是实现自动化流镀的前提，镀液分离回收系统是流镀设备设计的重点之一。在电刷镀技术的工程实践过程中，电刷镀之前要对工件表面进行活化处理，因此在电刷镀过程中除需要工作层镀液，还需要若干种活化液，在每种液体工作之间，都要用蒸馏水清洗整个回路。本文设计的流镀设备能够通过镀液分离回收系统实现6 种镀液的循环利用[6]，工作原理如图3 所示。

图3 镀液分离回收装置工作原理图Figure 3 Schematic diagram of working principle of bath separation–recycling device

图3 中的镀液分离回收装置是整个系统的重点，其整个工作过程是靠1 个气缸与6 个电磁阀配合完成的。其工作过程为：

(1)镀液A 的分离回收过程。图3 中7 个电磁阀(编号4)中，对应镀液A 的电磁阀4A 打开，其余6 个电磁阀均关闭，镀液通过液压泵1A、电磁阀3A 后，经过分液块装置，进入被镀工件的内孔。注满后，对应镀液A 的电磁阀4A 关闭。待镀液A 工作完成后，电磁阀7、9A 打开，镀液A 返回储液箱。电磁阀的开闭时间由控制器控制，具体工作过程如图4 所示。

图4 镀液A 分离回收过程示意图Figure 4 Schematic diagram of separation and recycling process for bath A

(2)蒸馏水清洗过程。图3 中串联在蒸馏水回路上的电磁阀4 打开，蒸馏水通入回路，其余6 个电磁阀均关闭，待注满被镀件的内孔后，串联在蒸馏水回路上的电磁阀4 关闭；清洗完毕后，汽缸伸出，同时电磁阀7、9 全部打开，废水回收至废液箱，气缸收回；工作过程如图5 所示。

图5 蒸馏水清洗回路过程示意图Figure 5 Schematic diagram of working process of distilled water rinsing loop

(3)镀液B 的分离回收过程。重复上述过程，直至完成整个工作过程。

2.4 工件夹具

工件夹具的设计要求工件内孔密封性良好，这样才能保证镀液循环回收过程中镀液不泄漏。以发动机连杆夹具为例(如图6 所示)，该夹具一次可装夹6 根连杆，每两根连杆之间垫有密封垫，可保证流镀过程中镀液不泄漏。

2.5 控制系统

流镀设备控制系统主要由西门子数控铣削系统改造而成，能够实现手工操作与全自动操作两种工作模式。控制系统如图7 所示。

图6 连杆夹具Figure 6 Clamp for connecting rod

图7 流镀设备控制系统Figure 7 Control system of flow plating machine

3 应用

利用该流镀设备对某型发动机连杆大头孔进行了自动脉冲流镀实验和自动直流流镀实验，并对两种镀层进行对比。

3.1 材料

(1)某型号发动机连杆，材料40CrAH，化学成分：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%，Fe 余量。

(2)镀液：电净液、2#活化液、3#活化液、合金钢活化液、合金钢底镍、三号快速镍镀液(西安费氏特表面工程有限公司)。

(3)纳米颗粒：粒径为13 nm 的纳米Al2O3颗粒，5 g/L，由北京德科岛金有限公司生产。

3.2 镀层制备

流镀设备分别在脉冲电源和直流电源下制备了镀层，其中脉冲频率1 000 Hz，占空比30%。自动化脉冲流镀工艺参数如表2 所示。其中纳米复合镀液由三号快速镍和纳米颗粒组成。

表2 自动脉冲流镀工艺参数Table 2 Process parameters of automatic pulse flow plating

3.3 镀层性能

将刷镀后的连杆切割成40 mm × 10 mm × 10 mm的样块，经超声清洗20 min 后，在日本电子(JEOL)公司JSM-6510LV 型扫描电子显微镜(SEM)下观察表面形貌，结果如图8 所示。从图8 可知，脉冲条件下制备的镀层表面比直流条件下制备的镀层更加致密。采用SEM 配套的JED-2300 型能谱仪(EDS)测定镀层的纳米颗粒含量。结果表明，脉冲镀层的Al 元素质量分数达2.63%，而直流镀层的Al 元素质量分数仅为1.01%。

图8 镀层的表面形貌Figure 8 Surface morphologies of coatings

分别用320#、600#、1200#、2000#砂纸打磨并抛光上述试样的截面，用上海恒一精密仪器有限公司MH-6 型显微硬度仪测定镀层截面的显微硬度，载荷100 g，保荷时间15 s。测得脉冲、直流条件下的镀层显微硬度分别约为560 HV 和478 HV。

通过芬兰Stresstech 公司XSTRESS 3000 型残余应力仪测定镀层的残余应力，测试参数为：准直器直径2 mm，靶材Cr Kα，曝光时间20 s，杨氏模量210 GPa，泊松比0.3，无应力衍射角(2θ)133.7°，衍射晶面(211)，ψ 角−35°、−25°、−15°、−5°、0°、5°、15°、25°和35°，旋转角0°和90°，电压30 kV，电流6.7 mA。结果表明，直流镀层的残余应力为(284.32 ± 18)MPa，脉冲镀层的残余应力仅为(29.6 ± 20)MPa。

采用美国CETR 公司UMT-2 型摩擦试验仪在15 N载荷下对镀层做往复摩擦试验5 min，并采用美国Veeco 公司WYKO NT9300 型白光干涉仪测得磨痕轮廓，通过磨痕轮廓计算磨损体积。结果发现，脉冲镀层的磨损体积为1.6 × 10−2mm3，直流镀层的磨损体积为2.4 × 10−2mm3。

综上所述，自动脉冲流镀制备的镀层表面比直流条件下制备的镀层更致密，纳米颗粒含量提高1.6 倍，残余应力大幅降低，显微硬度提高约20%，耐磨性提高约30%。

4 结论

本文设计开发了适合内孔类零件脉冲流镀的自动化设备，适合发动机连杆、汽缸体等零件内孔的批量修复。与现有刷镀类设备相比，该流镀设备能够提供脉冲和直流两种电源，实现了镀液的循环利用，避免了阳极包套的磨损，节省了成本。与自动直流流镀制备的镀层相比，自动脉冲流镀条件下制备的镀层表面更加致密，纳米颗粒沉积量更大，显微硬度、耐磨性、残余应力等性能有明显改善。

[1]徐滨士.再制造工程的现状与前沿[J].材料热处理学报,2010,31 (1):10-14.

[2]WU B,XU B S,ZHANG B,et al.Automatic brush plating:An update on brush plating [J].Materials Letters,2006,60 (13/14):1673-1677.

[3]胡振峰,汪笑鹤,吕镖,等.自动化电刷镀技术在发动机缸体再制造中的应用[J].中国表面工程,2012,25 (4):27-30.

[4]余建柏,陈铭.电刷镀流镀技术及其在产品再制造中的应用[J].机械设计与研究,2008,24 (4):76-79.

[5]TAN J,GUO W C,YANG H J,et al.Morphology and tribological properties of Ni/n-SiO2composite coatings by pulse-reverse current brush-plating [J].Journal of Central South University,2005,12 (z2):172-175.

[6]山东大学.刷镀机镀液分离回收系统:CN,203419997 [P].2014–02–05.