CN110424032A - 一种用于压力机主轴修复的射流电沉积装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于压力机主轴修复的射流电沉积方法，本发明以提高涂层硬度和修复效率为目标，通过多喷嘴方式使喷嘴阵列液流在主轴回转表面进行圆周运动和轴向运动，从而使沉积层快速、均匀地覆盖主轴表面，加快了主轴表面沉积层的生长效率和修复效率。

Description

一种用于压力机主轴修复的射流电沉积装置及其方法

技术领域

本发明具体为一种用于压力机主轴修复的射流电沉积装置及其方法。

背景技术

压力机是一种通过对金属坯件施加强大的压力使金属发生塑性变形和断裂来加工成零件的生产机械，可广泛应用于切断、冲孔、落料、弯曲、铆合和成形等工艺，在高端装备制造业中具有广泛的应用。压力机床主轴是压力机中重要的零部件，负责将转矩和运动传递给机床滑块。在使用过程中主轴表面承载了较大的载荷和摩擦，一旦出现研伤、磨损等损伤，会产生端面跳动和径向跳动，从而影响加工精度。同时，由于压力机主轴的尺寸和重量一般都较大，加工和更换较为复杂，其相关成本较高。因此，关于开发新型现场快速再制造修复主轴表面磨损已经成为绿色制造的热点问题。

目前借助先进的表面成形技术，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，如激光熔覆、热喷涂等，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。普通电镀工艺修复存在的问题是：电镀工艺消耗时间长，而且镀层脆性大，易断裂，不适合受冲击或长时静载压力零件的修复。专利201810014356.9提出了一种基于激光熔覆的方法修复机床主轴的工艺，也存在激光设备投资较高，存在热影响区导致残余应力等不足。

射流电沉积方法是近年来出现的一种新型电沉积方法，它的主要特点是使电解液在一定压力下，高速喷向阴极表面，因此具有极高的液相传质作用，可在沉积层中形成细小的纳米晶结构以及较普通电沉积极高的极限电流密度。同时在特有的高速液流状态下，加入复合增强相纳米颗粒以及其他特殊添加剂，可以充分发挥协同作用，有效提高复合镀层的沉积质量包括整平性、硬度及其他力学性能。将射流电沉积特殊工艺与机床主轴修复相结合，可以显著降低修复难度和修复成本，提高修复效率。目前通过射流电沉积方法进行压力机主轴修复的工艺、技术构想和方案还没有出现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于压力机主轴修复的射流电沉积装置及其方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于压力机主轴修复的射流电沉积装置，其特征在于：

包括输液管道、电解液罐、电解液泵、流速控制阀、电源、数控喷嘴系统、主轴装夹模块等部件组成,电解液罐、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。

主轴为回转体几何特征，喷嘴系统采用多喷嘴结构，喷嘴主管道杆体上安装多个喷嘴，喷嘴通过螺纹固定在喷嘴主管道，喷嘴间距和数量可按加工需求及主轴运动状态进行调节，间距为5-10mm。杆体内腔设有内管道，具有一定压力的电解液从内管道流入从喷嘴喷出。所述内管道设有阳极棒。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，电解液束流经各喷嘴射向工件(阴极)形成一闭合回路，构成电化学加工的必要加工条件，

一种用于压力机主轴修复的射流电沉积方法，其特征在于：

1)待修复主轴材料表面预处理工艺：采用顶尖和卡盘式固定装置夹持主轴后，用砂布打磨或钢丝刷刷除锈蚀物，露出基体金属。用800-1200目金相砂纸渐进式研磨、抛光；将打磨后的材料用35g/L NaOH溶液进行清洗，表面脱脂除油，蒸馏水清洗、晾干。

2)配置复合电解液：电解液的基础成分和和工艺参数分别为：六水硫酸镍250g/L，六水氯化镍60g/L，尿素10g/L，硼酸40g/L，十二烷基硫酸钠0.1g/L，粒径为35纳米的Al2O310g/L。尿素和Al2O3的添加量均为优化的工艺参数。在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，使尿素与纳米三氧化二铝颗粒充分接触，促进纳米颗粒分散。加工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。

3)射流电沉积时使用的优化工艺参数：矩形喷嘴口径10×1mm，喷嘴与基体距离为5mm，采用脉冲电流，脉冲电流密度为40A/dm2，脉冲频率2000Hz，脉冲占空比40％，电解液流速250L/h，扫描层数800层，机械手控制喷嘴扫描速度1000mm/分钟，单次连续沉积时间不超过30分钟。

4)沉积过程：①打底。先不通电，以6转/分转速旋转主轴，喷嘴以正常流速喷涂表面约10秒。然后通电，保持主轴转速不变，电流密度增至40A/dm2，喷嘴以正常流速喷涂表面约20秒。②制备工作层。主轴转速升高到20转/分，电流密度增至40A/dm2，然后用清水冲净。加工现场如图4所示。

5)如果镀层较薄，可以按照上述工序(4)继续沉积至所需尺寸。如果镀层较厚，可用100目的砂布，把镀层打磨平整后，磨削加工至尺寸要求。

本发明的有益效果：

1)本发明提供了一种对磨损主轴进行射流电沉积修复。本发明以提高涂层硬度和修复效率为目标，通过多喷嘴方式使喷嘴阵列液流在主轴回转表面进行圆周运动和轴向运动，从而使沉积层快速、均匀地覆盖主轴表面，加快了主轴表面沉积层的生长效率和修复效率。

2)本发明以射流电沉积-脉冲电流-尿素的优化工艺组合，在主轴表面产生镍-纳米氧化铝的纳米晶电沉积层，强化了复合镀层的力学性能。

附图说明

图1为射流电沉积附属设备及加工现场示意图；

图2为多喷嘴结构示意图；

图3为喷嘴结构示意图；

图4为加工示意图。

图5为修复后主轴效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明，

本发明基于普通数控机械手和数控平台，针对压力机大型主轴的结构特点和损伤特性设计了一种射流电沉积修复加工装置和修复工艺，并制定了简单易行的操作原则和方法，具体步骤如下：

1)压力机在正常工作状态下，其主轴与配合的轴瓦产生相对运动，构成摩擦副。在此摩擦副的对摩关系中，应使主轴耐磨性和硬度高于轴瓦，从而保证主轴不易磨损，减少修复、更换的几率。因此，在修复工艺中，应提高修复涂层的耐磨性而不是减摩性，修复电解液的配方和工艺参数都应以提高涂层硬度为主要目标，这是主轴零件再制造修复工艺中须把握的加工原则。

2)修复装置由输液管道、电解液罐、电解液泵、流速控制阀、电源、数控喷嘴系统、主轴装夹模块等部件组成。如附图1所示，电解液罐、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。

3)针对主轴为回转体几何特征，喷嘴系统采用多喷嘴结构。如图2，3所示，喷嘴主管道杆体上安装多个喷嘴，喷嘴通过螺纹固定在喷嘴主管道，喷嘴间距和数量可按加工需求及主轴运动状态进行调节，间距为5-10mm。杆体内腔设有内管道，具有一定压力的电解液从内管道流入从喷嘴喷出。所述内管道设有阳极棒。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，电解液束流经各喷嘴射向工件(阴极)形成一闭合回路，构成电化学加工的必要加工条件

4)待修复主轴材料表面预处理工艺：采用顶尖和卡盘式固定装置夹持主轴后，用砂布打磨或钢丝刷刷除锈蚀物，露出基体金属。用800-1200目金相砂纸渐进式研磨、抛光；将打磨后的材料用35g/L NaOH溶液进行清洗，表面脱脂除油，蒸馏水清洗、晾干。

5)配置复合电解液：电解液的基础成分和和工艺参数分别为：六水硫酸镍250g/L，六水氯化镍60g/L，尿素10g/L，硼酸40g/L，十二烷基硫酸钠0.1g/L，粒径为35纳米的Al2O310g/L，尿素和Al2O3的添加量均为优化的工艺参数。在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，使尿素与纳米三氧化二铝颗粒充分接触，促进纳米颗粒分散。加工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。

6)射流电沉积时使用的优化工艺参数：矩形喷嘴口径10×1mm，喷嘴与基体距离为5mm，采用脉冲电流，脉冲电流密度为40A/dm2，脉冲频率2000Hz，脉冲占空比40％，电解液流速250L/h，扫描层数800层，机械手控制喷嘴扫描速度1000mm/分钟，单次连续沉积时间不超过30分钟。

7)沉积过程：①打底。先不通电，以6转/分转速旋转主轴，喷嘴以正常流速喷涂表面约10秒。然后通电，保持主轴转速不变，电流密度增至40A/dm2，喷嘴以正常流速喷涂表面约20秒。②制备工作层。主轴转速升高到20转/分，电流密度增至40A/dm2，然后用清水冲净。加工现场如图4所示。

8)如果镀层较薄，可以按照工序(7)继续沉积至所需尺寸。如果镀层较厚，可用100目的砂布，把镀层打磨平整后，磨削加工至尺寸要求。

其操作步骤如下：

将待加工压力机F300主轴用三爪自定心卡盘固定好，使其轴线与工作台及喷嘴系统的杆体平行，测量磨损量为150μm。

修复要求：恢复轴的原始尺寸和精度，硬度达到HV 500以上。

对主轴进行表面处理，依次抛光、除油、钝化、水洗、干燥。

3)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：

六水硫酸镍250g/L，六水氯化镍60g/L，尿素10g/L，硼酸40g/L，十二烷基硫酸钠0.1g/L，粒径为35纳米的Al2O3 10g/L。电解液均用分析纯或化学纯试剂加蒸馏水配制而成。

4)设定矩形喷嘴，口径10×1mm，喷嘴与基体距离为5mm，采用脉冲电流电流密度为40A/dm2，脉冲频率2000Hz，脉冲占空比40％，电解液流速250L/h，扫描层数800层，机械手控制喷嘴扫描速度1000mm/分钟，单次连续沉积时间20分钟。

5)沉积过程：①打底。先不通电，以6转/分转速旋转主轴，喷嘴以正常流速喷涂表面约10秒。然后通电，保持主轴转速不变，电流密度增至40A/dm2，喷嘴以正常流速喷涂表面约20秒。②制备工作层。主轴转速升高到20转/分，电流密度增至40A/dm2，然后用清水冲净。保留磨削余量40μm。

6)对修复后的镀层进行力学性能测试，包括硬度测试和拉升强度测试。经检测镀层硬度达到HV 820左右，拉伸强度达到795M Pa左右，而且冷态加工无残余内应力，性能达到了使用要求。

与目前已知方法相比，具有以下优点：

1)本发明基于射流电沉积方法，通过多喷嘴方式使喷嘴阵列液流在主轴回转表面进行圆周运动和轴向运动，从而使沉积层快速、均匀地覆盖主轴表面，加快了主轴表面沉积层的生长效率和修复效率。

2)本发明以射流电沉积-脉冲电流-尿素的优化工艺组合，在主轴表面产生镍-纳米氧化铝的纳米晶电沉积层，得到的纳米复合镀层具有纳米颗粒含量高，纳米颗粒分布均匀、硬度高、结晶组织致密、表面质量好等优点，强化了复合镀层的力学性能。

3)本发明提供的压力机主轴磨损修复方法的专用设备，操作简单，设备成本和投资成本都较低，可操作性强，通用性好，也可用于其他机床主轴的修复加工。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (3)

1.一种用于压力机主轴修复的射流电沉积装置，其特征在于：

包括输液管道、电解液罐、电解液泵、流速控制阀、电源、数控喷嘴系统、主轴装夹模块等部件组成,电解液罐、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；

喷嘴系统采用多喷嘴结构，包括喷嘴主管道，

喷嘴主管道杆体上安装多个喷嘴，喷嘴通过螺纹固定在喷嘴主管道，杆体内腔设有内管道，具有一定压力的电解液从内管道流入从喷嘴喷出，所述内管道设有阳极棒，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，电解液束流经各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压力机轴瓦磨损的设备，其特征在于：喷嘴间距和数量可按加工需求及主轴运动状态进行调节，间距为5-10mm。

3.一种用于压力机主轴修复的射流电沉积装置，其特征在于：

1)待修复主轴材料表面预处理工艺：采用顶尖和卡盘式固定装置夹持主轴后，用砂布打磨或钢丝刷刷除锈蚀物，露出基体金属，用800-1200目金相砂纸渐进式研磨、抛光；将打磨后的材料用35g/L NaOH溶液进行清洗，表面脱脂除油，蒸馏水清洗、晾干；

2)配置复合电解液：电解液的基础成分和和工艺参数分别为：六水硫酸镍250g/L，六水氯化镍60g/L，尿素10g/L，硼酸40g/L，十二烷基硫酸钠0.1g/L，粒径为35纳米的Al2O3 10g/L，尿素和Al2O3的添加量均为优化的工艺参数，在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，使尿素与纳米三氧化二铝颗粒充分接触，促进纳米颗粒分散，加工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；

3)射流电沉积时使用的优化工艺参数：矩形喷嘴口径10×1mm，喷嘴与基体距离为5mm，采用脉冲电流，脉冲电流密度为40A/dm2，脉冲频率2000Hz，脉冲占空比40％，电解液流速250L/h，扫描层数800层，机械手控制喷嘴扫描速度1000mm/分钟，单次连续沉积时间不超过30分钟。

4)沉积过程：①打底，先不通电，以6转/分转速旋转主轴，喷嘴以正常流速喷涂表面约10秒，然后通电，保持主轴转速不变，电流密度增至40A/dm2，喷嘴以正常流速喷涂表面约20秒，②制备工作层，主轴转速升高到20转/分，电流密度增至40A/dm2，然后用清水冲净；

5)如果镀层较薄，可以按照上述工序(4)继续沉积至所需尺寸，如果镀层较厚，可用100目的砂布，把镀层打磨平整后，磨削加工至尺寸要求。