CN109594110A - 一种定域修复高速压力机大型铜螺母磨损的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种定域修复高速压力机大型铜螺母磨损的设备及其方法，是基于微粒射流电沉积加工工艺，针对大型铜螺母磨损状况，提供了一种通过射流电沉积方法制备修复层的设备和操作方法，达到尺寸恢复和性能提升的目的，对于贵重损伤部件的再制造具有重要意义。

Description

一种定域修复高速压力机大型铜螺母磨损的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种定域修复高速压力机大型铜螺母磨损的设备和方法。

背景技术

目前，国民经济各领域大型装备如锻压机械、工程机械、矿山机械、重型车辆零部件每年因摩擦磨损造成了巨大损失。分析发现，磨损最为严重的部件一般以运动副为主，如滑块与导轨、活塞与腔壁、滑动轴承与轴颈、螺杆与螺母等，特点为：使用中承受着较大的冲击和振动载荷、频繁的接触工作时间，处于极端的高温高压环境之下，制造材料由于种种限制如运行环境、加工工艺等对于极端工况的承受能力有限，经过一段时期运行后精度和安全可靠性有所下降达不到使用要求，但并未完全失效。

经过在大型装备制造企业调研发现，使用和制造的矿山回转窑滑动轴承、列车轴承、高速压力机连杆轴瓦机构、机床滑动丝杠螺母等摩擦副部件就符合以上特征，具体为：1.承受着比较极端的工作载荷；2.失效形式上点蚀、划伤非常普遍。损伤量不大数十微米到数百微米范围，但危害严重；3.考虑到啮合柔软、嵌藏性、顺应性利于轴颈跑和，摩擦副中的轴承、螺母等以有色合金材料为主，包括锡磷青铜、铜铅合金、铍铜等。如下图1所示为高速压力机某大型螺母现场图片，其材质为锡青铜合金，内径约30-50毫米。此类部件的损坏一般最直接的维护方法就是更换。但新品基本都比较昂贵，供货周期较长，如图1所示该型螺母价格较高，单价一般超过2万元。如果备件紧缺，还无法立即更换，延误了生产。大型铜质螺母类部件在国民经济中的使用非常普遍和重要，如大型数控机床、发电设备、矿山设备，如能实现现场甚至在线的快速修复或强化，对于促进经济效益、提高装备完好率、实现可持续发展，践行国家倡导的绿色制造都有着极其重要的战略意义。

当前借助先进的表面成形技术，再制造修复手段主要有激光熔覆、等离子熔覆、焊接、热喷涂、离子镀、电刷镀等。但综合来看，目前再制造成形以高能量场技术居多，虽然速度快、效率高、合金成分可调，但也存在设备复杂、相对成本高、修复厚度不易控制、修复区存在热影响残余应力等问题。实际上对于高熔点硬质材料、损伤较大（体积损伤）的待修复零件会更为理想，而对于材质相对偏软（如铜质零件）、损伤较小（表面损伤）的摩擦副而言可能并不完全适用。如果修复成本过高甚至超过了更换新品的价值，那就失去了节能降耗的意义。因此客观上需要有一种比较轻便、简单、易控的修复方法。目前来看，针对大型铜螺母零件进行修复目前还缺乏较为有效的方式，经专利检索，目前有专利申请号201510418824.5提出一种超大型铜螺母再生制造技术，其基本技术原理是采用焊接法对螺母内螺纹磨损处进行修复，同样亦属于高能量场，存在设备复杂、工序繁多、相对成本高、修复厚度不易控制、修复区有热影响残余应力的问题。

实际上，作为低成本涂层方法的电沉积技术已引起了业界的注意。电沉积相对工艺简单、操作方便、制备的纳米薄层有着较好的摩擦性能和耐热耐蚀特性，对于损伤量较小零件的修复确实具有高能技术无法比拟的优势。如自动化纳米电刷镀即为典型代表，它在电刷镀液中加入特定功能的纳米颗粒，通过刷笔刷镀得到高性能沉积层，已用于机械零部件表面修复、强化再制造中。此类方法目前在军工装备中使用较多，在民用装备制造业中还未普及。此外囿于加工机理，电刷镀对工件的外表面的修复较为适用，针对大型螺母类似零件的内腔表面进行修复并不适合。因此，针对大型铜质螺母内螺纹磨损的先进再制造技术需要进行创新发展，在智能化、复合化、微纳化和功能化的发展趋势也要求更多具备综合特点的加工方式出现和完善。

发明内容

本发明基于微粒射流电沉积加工工艺，针对大型铜螺母磨损状况，提供了一种通过射流电沉积方法制备修复层的设备和操作方法，达到尺寸恢复和性能提升的目的，对于贵重损伤部件的再制造具有重要意义。

一种定域修复高速压力机大型铜螺母磨损的设备，其特征在于,包括输液管道、电解液箱、电解液泵、流速控制阀、电源、数控喷嘴系统、数控工件装夹模块；

电解液箱、电解液泵、流速控制阀、喷嘴系统、待修复工件通过输液管道各部件顺序相连，电源正极连接喷嘴阳极棒，电源负极连接待修复工件，电解液泵启动后，电解液束流经喷嘴射向工件（阴极）形成一闭合回路，构成电化学加工的必要加工条件。

所述的数控喷嘴系统由数控机械手、喷嘴组成；喷嘴固定在数控机械手前端，数控机械手可按程序指令驱动喷嘴到达指定位置精确完成加工过程，喷嘴可在支架上沿支架导轨前后移动，旋转架亦可绕转轴转动，同时旋转架可以调节高度，便于对准待修复工件的指定位置；工作状态下电解液从阳极腔进液口流入从喷嘴头喷出；

喷嘴头通过螺纹与阳极腔连接，喷嘴采用工程塑料制成，由阳极腔和喷嘴头两部分组成，阳极腔的上端密封垫圈和密封盖固定密封，中间固定有阳极棒；下端通过连接管与喷嘴相连。

所述的数控工件装夹模块由卡盘式工件夹具和数控装夹平台组成；工件夹具夹紧工件保证大型螺母加工平稳，数控装夹平台则通过步进电机使固定在工件夹具上的螺母沿轴心作指定角度的旋转运动，同时也可调节螺母作上、下俯仰45度转动。

所述的待修复工件下方放置有回收盘，可收集喷射到工件表面流下的电解液，并通过回流管收集流回电解液箱。

所述的电解液成分为：五水硫酸铜250克/L，浓硫酸50克/L，尿素10克/L，纳米氧化铝颗粒（粒径35纳米）10克/L。在修复电沉积前，先将复合电解液超声搅拌30分钟，然后以1000转/分钟速度机械搅拌60分钟，减小纳米颗粒的团聚效应使其均匀分散，同时使尿素分子与纳米三氧化二铝颗粒充分接触，促进纳米颗粒表面的正电荷极性。此时电解液温度由恒温水浴控制在60℃，以保证尿素分子在此温度具有较好的活性，发挥其作用。

本发明还提供一种定域修复高速压力机大型铜螺母磨损的方法：包括以下步骤：

（1）待修复铜螺母内螺纹磨损处预处理：

（2）对螺母磨损程度进行评估，在给定的喷嘴选择范围内选取喷嘴口径，螺母磨损点状宜采用圆形喷嘴修复，如面积较小可采用定点扫描方式，如面积较大可控制喷嘴系统采用填涂式扫描路径修复；细小划痕也适宜采用圆形喷嘴，使装夹模块控制螺母作定向转动，扫描修复；较宽带状磨损宜采用矩形喷嘴，同样使装夹模块控制螺母作定向转动，扫描修复，喷嘴与工件距离保持为5-10mm，直流电流密度在300-400A/dm2左右为宜，工作液流速200-300L/h。此区间为经验参数供参考之用，可根据实际工况将具体参数在此范围内调节、选择，取得最优效果。

（3）修复开始前，要先通过机械手和装夹模块将喷嘴定位到螺母内腔的磨损部位，整个加工过程和数控机械装置均由计算机设定数控程序设定，该数控程序的编写应基于技术专家对螺纹磨损形态的评估，综合射流电沉积经验参数和有限元分析结果，该程序中应包含扫描次数、扫描距离、喷射作用的工作启停频率设定，这些信息应根据实际加工要求进行调整取得最优效果，选取和优化喷射扫描加工路径以及扫描层数，使金属沉积层按照指定厚度精确地沉积在螺母内螺纹损伤的限定区域内，形成均匀致密的金属复合沉积层。

（4）修复效果的检测。螺母内螺纹修复应与效果检测配合完成，在设定的某一个修复单元结束之后，大型铜螺母应进行硬度检测和外形几何尺寸的检测，如未达到指定厚度可继续进行新的修复单元沉积修复， 直至达到沉积厚度，最后将检测结果合格的超大型铜螺母与丝杆装配，验收。

所述的步骤1的预处理具体包括如下：

用汽油清洗超大型铜螺母的螺旋齿面和齿根去除油污；以800-1200目金相砂纸渐进式研磨、抛光；将打磨后的材料用35克/升氢氧化钠溶液进行清洗，表面脱脂除油：然后用10%的浓硫酸及10%硝酸混合酸进行活化处理；蒸馏水冲洗干净、吹干

本发明与现有技术的不同或创新；根据您的理解，对这些关键点进行重要性的排序。

(1) 将微粒射流电沉积这种常温下冷态加工方法巧妙应用于大型铜螺母修复。射流电沉积作为特种电镀方法，采用射流态的加工形式，沉积速度较普通电沉积提高了几十倍甚至上百倍，既克服了传统电沉积加工效率低下的不足，又保持了电沉积沉积镀层质量较好，相对于高温焊接无热影响区，工艺简单、能量消耗低的固有优势。

(2) 电解液中添加的尿素和纳米氧化铝颗粒组合在射流态加工环境下，可以有效发挥沉积层性能强化和整平的作用，使在磨损位置修复的金属层既具有纳米晶结构，同时得到了分散均匀的复合纳米氧化铝颗粒强化效果，这使得修复沉积层的力学性能特别是硬度和耐磨性能得到有效提升，在受损零件尺寸得以恢复的同时性能不仅恢复甚至得到提升，达到了形性协同加工制造的技术效果

(3) 利用射流电沉积定域性好的特点，与目前成熟的数控技术巧妙结合，引入联动数控加工系统。通过机械手和工作台的空间移位，实现喷嘴针对螺母内腔的磨损位置的精准修复，突破了普通电沉积加工方式对于螺母内腔加工的局限，保证了三维空间加工的连续性和准确性。

附图说明

图1为待修复螺母修复位置加工示意图。

图2为螺母内螺纹修复工艺路线图。

图3为本发明加工流程图。

具体实施方式

1）射流电沉积螺母修复装置由输液管道、电解液箱、电解液泵、流速控制阀、电源、数控喷嘴系统、数控工件装夹模块等零件组成。如附图1所示，电解液箱、电解液泵、流速控制阀、喷嘴系统、待修复工件通过输液管道各部件顺序相连，电源正极连接喷嘴阳极棒，电源负极连接待修复工件。电解液泵启动后，电解液束流经喷嘴射向工件（阴极）形成一闭合回路，构成电化学加工的必要加工条件。

2) 数控喷嘴系统由数控机械手、喷嘴组成。喷嘴固定在数控机械手前端，数控机械手可按程序指令驱动喷嘴到达指定位置精确完成加工过程如喷嘴扫描等动作，喷嘴可在支架上沿支架导轨前后移动，旋转架亦可绕转轴转动，同时旋转架可以调节高度，便于对准待修复工件的指定位置。喷嘴采用工程塑料制成，由阳极腔和喷嘴头两部分组成，阳极腔的上端密封垫圈和密封盖固定密封，中间固定有阳极棒。下端通过连接管与喷嘴相连。工作状态下电解液从阳极腔进液口流入从喷嘴头喷出，如附图2所示。喷嘴头通过螺纹与阳极腔连接，其选择范围为圆形喷嘴（直径1mm、2mm），矩形喷嘴口径10×1mm，可视加工要求进行更换。

3) 数控工件装夹模块由卡盘式工件夹具和数控装夹平台组成。工件夹具夹紧工件保证大型螺母加工平稳，如附图1所示。数控装夹平台则通过步进电机使固定在工件夹具上的螺母沿轴心作指定角度的旋转运动，同时也可调节螺母作上、下俯仰45度转动。该设计可保证射流电沉积喷头精准地定位在螺母内腔的磨损螺纹上，根据磨损状态、尺寸大小进行定向、定距离扫描修复。如附图2所示。待修复工件下方放置有回收盘，可收集喷射到工件表面流下的电解液，并通过回流管收集流回电解液箱。如附图2所示。

4）修复用电解液成分和和工艺参数分别为：五水硫酸铜250克/L，浓硫酸50克/L，尿素10克/L，纳米氧化铝颗粒（粒径35纳米）10克/L。在修复电沉积前，先将复合电解液超声搅拌30分钟，然后以1000转/分钟速度机械搅拌60分钟，减小纳米颗粒的团聚效应使其均匀分散，同时使尿素分子与纳米三氧化二铝颗粒充分接触，促进纳米颗粒表面的正电荷极性。此时电解液温度由恒温水浴控制在60℃，以保证尿素分子在此温度具有较好的活性，发挥其作用。

5）待修复铜螺母内螺纹磨损处预处理：用汽油清洗超大型铜螺母的螺旋齿面和齿根去除油污；以800-1200目金相砂纸渐进式研磨、抛光；将打磨后的材料用35克/升氢氧化钠溶液进行清洗，表面脱脂除油：然后用10%的浓硫酸及10%硝酸混合酸进行活化处理；蒸馏水冲洗干净、吹干。

6) 对螺母磨损程度进行评估，在给定的喷嘴选择范围内选取喷嘴口径。螺母磨损点状宜采用圆形喷嘴修复。如面积较小可采用定点扫描方式，如面积较大可控制喷嘴系统采用填涂式扫描路径修复；细小划痕也适宜采用圆形喷嘴，使装夹模块控制螺母作定向转动，扫描修复；较宽带状磨损宜采用矩形喷嘴，同样使装夹模块控制螺母作定向转动，扫描修复。喷嘴与工件距离保持为5-10mm，直流电流密度在300-400A/dm²左右为宜，工作液流速200-300L/h。此区间为经验参数供参考之用，可根据实际工况将具体参数在此范围内调节、选择，取得最优效果。

7）修复开始前，要先通过机械手和装夹模块将喷嘴定位到螺母内腔的磨损部位。整个加工过程和数控机械装置均由计算机设定数控程序设定，该数控程序的编写应基于技术专家对螺纹磨损形态的评估，综合射流电沉积经验参数和有限元分析结果。该程序中应包含扫描次数、扫描距离、喷射作用的工作启停频率等设定。这些信息应根据实际加工要求进行调整取得最优效果，选取和优化喷射扫描加工路径以及扫描层数，使金属沉积层按照指定厚度精确地沉积在螺母内螺纹损伤的限定区域内，形成均匀致密的金属复合沉积层。

8）修复效果的检测。螺母内螺纹修复应与效果检测配合完成。在设定的某一个修复单元结束之后，大型铜螺母应进行硬度检测和外形几何尺寸的检测。如未达到指定厚度可继续进行新的修复单元沉积修复，直至达到沉积厚度。最后将检测结果合格的超大型铜螺母与丝杆装配，验收。详见附图3。

具体实施例如下：

如图1所示，超大型铜螺母1为高速压力机F300传动副中的铜螺母，材质为锡青铜，内径40mm，外径60mm，高度50mm，磨损处磨损量达1-2mm。点状磨损，修复时包括如下步骤：

工件预处理：用汽油清洗超大型铜螺母的螺旋齿面和齿根去除油污；以800-1200目金相砂纸渐进式研磨、抛光；将打磨后的材料用35克/升氢氧化钠溶液进行清洗，表面脱脂除油：然后用10%的浓硫酸及10%硝酸混合酸进行活化处理；蒸馏水冲洗干净、吹干。

配置电解液。本实施方式中电解液的组成成分和和工艺参数分别为：五水硫酸铜250克/L，浓硫酸50克/L，尿素10克/L，纳米氧化铝颗粒（粒径35纳米）10克/L。在修复电沉积前，先将复合电解液超声搅拌30分钟，然后以1000转/分钟速度机械搅拌60分钟，电解液温度由恒温水浴控制在60℃。

修复开始前，将清洁好的铜螺母固定在装夹模块，并通过操作数控机械手和装夹模块将喷嘴按照一定角度定位至螺母内腔的磨损部位，做好修复沉积准备。

工艺参数选择为圆形喷嘴口径2mm，喷嘴与基体距离为5mm；

电解液流速300L/h，机床扫描速度1000mm/分；

直流电流密度350A/dm2，扫描层数为600层；

启动数控程序，代码如下：

O0001 (主程序编号)

G54 G90 G00 X-50 Y80 Z10; （建立工件坐标系，快速定位到（-10,80,10）的位置）

G01 Z-100 F1000; （定位到（-50,80，-100），进给速度为1000mm/min）

M98 P2 L900; (调用子程序P2，执行300次，扫描600层)

M30 （程序结束）

子程序P2略。

在该数控加工单元程序结束后，喷嘴与工件脱离接触，机床暂停。

进行硬度检测和外形几何尺寸的检测。如未达到指定厚度可继续进行新的修复单元沉积修复，直至达到沉积厚度。最后将检测结果合格的超大型铜螺母与丝杆装配，验收。

Claims (8)

1.一种定域修复高速压力机大型铜螺母磨损的设备，其特征在于,包括输液管道、电解液箱、电解液泵、流速控制阀、电源、数控喷嘴系统、数控工件装夹模块；

电解液箱、电解液泵、流速控制阀、喷嘴系统、待修复工件通过输液管道各部件顺序相连，电源正极连接喷嘴阳极棒，电源负极连接待修复工件，电解液泵启动后，电解液束流经喷嘴射向工件形成一闭合回路，构成电化学加工的必要加工条件。

2.根据权利要求1所述的一种定域修复高速压力机大型铜螺母磨损的设备，其特征在于：所述的数控喷嘴系统由数控机械手、喷嘴组成；喷嘴固定在数控机械手前端，数控机械手可按程序指令驱动喷嘴到达指定位置精确完成加工过程，喷嘴可在支架上沿支架导轨前后移动，旋转架亦可绕转轴转动，同时旋转架可以调节高度，便于对准待修复工件的指定位置；工作状态下电解液从阳极腔进液口流入从喷嘴头喷出。

3.根据权利要求2所述的一种定域修复高速压力机大型铜螺母磨损的设备，其特征在于：喷嘴头通过螺纹与阳极腔连接，喷嘴采用工程塑料制成，由阳极腔和喷嘴头两部分组成，阳极腔的上端密封垫圈和密封盖固定密封，中间固定有阳极棒；下端通过连接管与喷嘴相连。

4.根据权利要求1所述的一种定域修复高速压力机大型铜螺母磨损的设备，其特征在于：所述的数控工件装夹模块由卡盘式工件夹具和数控装夹平台组成；工件夹具夹紧工件保证大型螺母加工平稳，数控装夹平台则通过步进电机使固定在工件夹具上的螺母沿轴心作指定角度的旋转运动，同时也可调节螺母作上、下俯仰45度转动。

5.根据权利要求4所述的一种定域修复高速压力机大型铜螺母磨损的设备，其特征在于：所述的待修复工件下方放置有回收盘，可收集喷射到工件表面流下的电解液，并通过回流管收集流回电解液箱。

6.根据权利要求1所述的一种定域修复高速压力机大型铜螺母磨损的设备，其特征在于：所述的电解液成分为：五水硫酸铜250克/L，浓硫酸50克/L，尿素10克/L，粒径35纳米的氧化铝颗粒10克/L，在修复电沉积前，先将复合电解液超声搅拌30分钟，然后以1000转/分钟速度机械搅拌60分钟，减小纳米颗粒的团聚效应使其均匀分散，同时使尿素分子与纳米三氧化二铝颗粒充分接触，促进纳米颗粒表面的正电荷极性；

此时电解液温度由恒温水浴控制在60℃，以保证尿素分子在此温度具有较好的活性，发挥其作用。

7.一种定域修复高速压力机大型铜螺母磨损的方法：其特征在于：包括以下步骤：

（1）待修复铜螺母内螺纹磨损处预处理：

（2）对螺母磨损程度进行评估，在给定的喷嘴选择范围内选取喷嘴口径，螺母磨损点状宜采用圆形喷嘴修复，如面积较小可采用定点扫描方式，如面积较大可控制喷嘴系统采用填涂式扫描路径修复；细小划痕也适宜采用圆形喷嘴，使装夹模块控制螺母作定向转动，扫描修复；较宽带状磨损宜采用矩形喷嘴，同样使装夹模块控制螺母作定向转动，扫描修复，喷嘴与工件距离保持为5-10mm，直流电流密度在300-400A/dm2左右为宜，工作液流速200-300L/h；

（3）修复开始前，要先通过机械手和装夹模块将喷嘴定位到螺母内腔的磨损部位，整个加工过程和数控机械装置均由计算机设定数控程序设定，该数控程序的编写应基于技术专家对螺纹磨损形态的评估，综合射流电沉积经验参数和有限元分析结果，该程序中应包含扫描次数、扫描距离、喷射作用的工作启停频率设定，这些信息应根据实际加工要求进行调整取得最优效果，选取和优化喷射扫描加工路径以及扫描层数，使金属沉积层按照指定厚度精确地沉积在螺母内螺纹损伤的限定区域内，形成均匀致密的金属复合沉积层；

（4）修复效果的检测，

螺母内螺纹修复应与效果检测配合完成，在设定的某一个修复单元结束之后，大型铜螺母应进行硬度检测和外形几何尺寸的检测，如未达到指定厚度可继续进行新的修复单元沉积修复，直至达到沉积厚度，最后将检测结果合格的超大型铜螺母与丝杆装配，验收。

8.根据权利要求7所述的一种定域修复高速压力机大型铜螺母磨损的方法，其特征在于：所述的步骤1的预处理具体包括如下：

用汽油清洗超大型铜螺母的螺旋齿面和齿根去除油污；以800-1200目金相砂纸渐进式研磨、抛光；将打磨后的材料用35克/升氢氧化钠溶液进行清洗，表面脱脂除油：然后用10%的浓硫酸及10%硝酸混合酸进行活化处理；蒸馏水冲洗干净、吹干。