CN114481253A - 一种提高有孔类零件孔内阳极氧化深镀能力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高有孔类零件孔内阳极氧化深镀能力的方法,在作为电镀阳极的待处理有孔类零件的孔内增加辅助阴极;所述辅助阴极的尺寸通过计算机仿真的方式设计,仿真出对应电镀条件下待处理有孔类零件的电场分布,使待处理有孔类零件在孔内增加了辅助阴极后,零件表面电场分布满足对应部位的镀膜厚度需求;待处理有孔类零件在孔内设置设计好的辅助阴极后,进行待处理有孔类零件的阳极氧化电镀。本发明的方法解决了有孔类零件在常规电镀条件下,零件表面电场分布不均,孔内电场分布与外表表面差异大,导致孔内硬氧镀膜厚度难以达标的问题。
Description
技术领域
本发明为一种提高有孔类零件孔内阳极氧化深镀能力的方法,涉及有孔类零部件硬质氧化过程,属于硬质氧化技术领域。
背景技术
铝及其合金在相应的电解液和特定的工艺条件下,由于外加电流的作用,在铝制品(阳极)上形成一层氧化膜的过程成为阳极氧化。其中,在整个电镀过程中,阴极设置于电镀槽两个相对的槽壁处,作为阳极的待处理铝制品置于阴极之间的电解液中。其中,内腔类零部件由于其结构限制,硬氧加工难度较大,原因在于内腔电力线分布稀疏,约束并降低零件的深镀能力,极易造成零部件内腔的硬氧膜层厚度不均匀甚至局部无膜层的现象。
目前关于提高内腔类零部件深镀能力的改进主要停留在溶液配方的优化等方面,耗时长且成本较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高有孔类零件孔内阳极氧化深镀能力的方法,用以解决有孔类零部件孔内硬质氧化膜层厚度不均匀及局部无膜层的问题。
为实现上述目的,本发明的方案包括:
本发明的一种提高有孔类零件孔内阳极氧化深镀能力的方法,包括如下步骤:
1)在作为电镀阳极的待处理有孔类零件的孔内增加辅助阴极;所述辅助阴极的尺寸通过计算机仿真的方式设计,仿真出对应电镀条件下待处理有孔类零件的电场分布,使待处理有孔类零件在孔内增加了辅助阴极后,零件各部位电场分布满足对应部位的镀膜厚度需求;
2)将孔内设置辅助阴极的待处理有孔类零件浸入电镀槽的电解液中,将待处理有孔类零件连接电镀槽阳极;将辅助阴极与电镀槽阴极相连,或者,
在待处理有孔类零件与辅助阴极之间设置辅助电源;
3)进行待处理有孔类零件的阳极氧化电镀。
本发明提供的提高有孔类零件孔内阳极氧化深镀能力的方法,在作为阳极的有孔类零件的孔内增加辅助阴极,改善了原本与电镀槽阴极对应关系较差的孔内的电场环境。同时利用计算机仿真模拟来设计阴极形状尺寸,优化了待处理有孔类零件整体的电场分布,使孔内与孔外表面的电场分布符合孔内外硬氧膜设计厚度,改善了最终孔内硬氧膜厚度不均匀的问题,提高了内腔类零部件硬氧加工的效果。
除此之外,在有孔类零件的电镀阳极与辅助阴极之间还可以单独设置辅助电源,独立设置的辅助电源实现了电源参数的解耦,能够更方便灵活的调整和改善待处理零部件的电场分布。
进一步的,针对待处理有孔类零件的盲孔还设置电解液循环管,所述循环管管口伸入待处理有孔类零件的盲孔内,所述循环管另一管口通过泵抽取电解液,阳极氧化电镀过程中向盲孔泵送电解液。
通过设置泵循环装置,向孔内不断输入新的电解液同时排出孔内反应过的存液,避免了盲孔深处局部窝气的同时实现了溶液在盲孔深处的有效交换。进一步提高了内腔类零部件盲孔内硬氧镀膜的效果。本发明通过保证电场分布和离子交换的均匀性和适宜性,极大地提高了硬质氧化的深镀能力。
进一步的,所述辅助阴极呈中空管状结构,所述循环管管口从管状辅助阴极中空的管内深入待处理有孔类零件的盲孔内。
采用中通的空心管状金属管作为辅助阴极,深入盲孔的电解液循环管从金属管中穿入,泵入的电解液在盲孔底部折返将孔中旧液从辅助阴极与盲孔内壁之间驱替出来,辅助阴极的结构简单紧凑,电解液驱替交换的效果好。
进一步地,所述辅助阴极的尺寸通过如下方法设计:将与电镀槽阳极相连的待处理有孔类零件进行电场仿真,仿真中在待处理有孔类零件的孔内增加不同尺寸的仿真辅助阴极,仿真辅助阴极连接仿真中的电镀槽阴极;将仿真中待处理有孔类零件电场分布符合零件各部分硬氧膜设计厚度的比例时的仿真辅助阴极的尺寸,作为所述辅助阴极的尺寸。
采用计算机仿真技术,利用有限元分析软件,将有孔类零件在现有技术的电镀条件下的电场分布模拟出来,在仿真中向盲孔加入不同尺寸大小的辅助阴极,直到孔内电流密度和零件外表面电流密度的比例基本符合(约等于)孔内硬氧膜设计厚度与外表面硬氧膜设计厚度的比例。例如若孔内硬氧膜设计厚度与外表面硬氧膜设计厚度相等,则仿真中待处理零部件孔中加入辅助阴极后的电场强度应当内外均匀。在满足上述条件后,采用仿真中的辅助阴极尺寸来设计辅助阴极,并在硬氧处理中加入这种辅助阴极,即可满足阳极氧化电镀的需求。
进一步地,在待处理有孔类零件与辅助阴极之间设置辅助电源时,所述辅助阴极的尺寸及辅助电源的参数和通电时间通过如下方法设计:将与电镀槽阳极相连的待处理有孔类零件进行电场仿真,仿真中在待处理有孔类零件的孔内增加仿真辅助阴极,仿真辅助阴极与仿真中的待处理有孔类零件之间设置仿真辅助电源;调整仿真辅助阴极的尺寸、仿真辅助电源的参数及仿真辅助电源的通电时间,结合电解液参数,将不同仿真辅助阴极的尺寸、仿真辅助电源的参数及仿真辅助电源的通电时间的组合中,能够达到需求硬氧膜厚度待处理有孔类零件电场分布符合零件各部分硬氧膜设计厚度的比例时的仿真辅助阴极的尺寸、仿真辅助电源的参数和仿真辅助电源的通电时间的组合,作为所述辅助阴极的尺寸及辅助电源的参数和通电时间。
当作为氧化电镀阳极的有孔类零件和辅助阴极之间设置独立的辅助电源时,同样采用计算机仿真的方法,不断更换辅助阴极的尺寸及辅助电源的相关参数,直到孔内电流密度和零件外表面电流密度的比例基本符合孔内硬氧膜设计厚度与外表面硬氧膜设计厚度的比例;将此时的辅助阴极的尺寸及辅助电源的相关参数用于硬氧处理过程。同时由于设置了独立电源,实现了辅助阴极的电源解耦,因此可以灵活调整辅助阴极尺寸,能够更好的从结构尺寸上适配零件上的孔,还能够单独设置辅助电源的通电时间,仿真寻找最优辅助阴极结构尺寸的速度也能加快。
进一步的,待处理有孔类零件有多个孔时,各个孔对应的辅助阴极的尺寸通过如下方法设计:将与电镀槽阳极相连的待处理有孔类零件进行电场仿真,仿真中在待处理有孔类零件的各个孔的孔内均增加仿真辅助阴极,各个仿真辅助阴极连接仿真中的电镀槽阴极;将仿真中待处理有孔类零件电场分布符合零件各部分硬氧膜设计厚度的比例时的各个仿真辅助阴极的尺寸,作为对应的辅助阴极的尺寸。
进一步的,待处理有孔类零件有多个孔时,各个孔对应的辅助阴极的尺寸及辅助电源的参数通过如下方法设计:将与电镀槽阳极相连的待处理有孔类零件进行电场仿真,仿真中在待处理有孔类零件的各个孔的孔内均增加仿真辅助阴极,各个仿真辅助阴极与仿真中的待处理有孔类零件之间设置仿真辅助电源;调整各个仿真辅助阴极的尺寸和仿真辅助电源的参数,将不同的仿真辅助阴极的尺寸和仿真辅助电源的参数的组合中,待处理有孔类零件电场分布符合零件各部分硬氧膜设计厚度的比例时的各个仿真辅助阴极的尺寸和仿真辅助电源的参数的组合,作为各个辅助阴极的尺寸及辅助电源的参数。
当有孔类零件中包含有多个孔时,每个孔内辅助阴极的增加和尺寸调整都会影响零件整体的电场分布,计算机仿真能够对零件整体的电场分布加以模拟,因此可以考虑到每个孔增加辅助阴极的电场情况。在仿真中,同样对各个辅助阴极或电源进行调整,直到零件包括各个孔及表面的整体的电场分布满足零件各部分硬氧膜厚度的要求时,选择对应的辅助阴极尺寸和/或电源用于硬氧电镀过程。
本发明针对有多个孔的零部件不同深孔的硬质阳极氧化问题,采用例如有限元分析的计算机仿真方法,通过设计辅助阴极工装,同时采用泵循环的搅拌方式,以避免局部窝气并实现溶液的有效交换。经过生产验证,本发明很好地满足了同一零部件三种深孔不同的硬质氧化膜膜厚要求。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中作为待处理有孔类零部件的阀体结构主视图;
图2是本发明具体实施方式中作为待处理有孔类零部件的阀体结构右视图;
图3是本发明具体实施方式中作为待处理有孔类零部件的阀体结构左视图;
图4是未加辅助阴极时,硬氧电镀槽中作为阳极的待处理有孔类零部件的电场分布仿真模拟示意图;
图5是添加辅助阴极后待处理有孔类零部件的电场分布仿真模拟示意图;
图6是本发明添加了溶液交换管及辅助阴极的待处理有孔类零部件主视图;
图7是本发明添加了溶液交换管及辅助阴极的深孔示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
方法实施例:
本发明提供一种提高有孔类零件孔内阳极氧化深镀能力的方法,具体采用有限元分析方法和泵循环的辅助搅拌方式,通过辅助阴极改善零件内腔电力线分布,同时采用泵循环保证孔内溶液的有效交换,提高内腔类零部件的深镀能力,保证了内腔类零部件的硬氧质量,满足了内腔类零部件的不同深孔不同膜厚的硬氧需求。
图1、图2、图3所示为一种阀体零部件,该零部件包括阀体1、直径为30mm的通孔2、直径为29mm的第一盲孔3和直径为28mm的第二盲孔4,通孔2和第一盲孔3垂直于阀体表面,第二盲孔4与阀体表面平行。
该零部件在放入电镀槽并与阳极相连后,经过仿真其电场分布如图4所示,图中包括阀体1、第一阴极5、第二阴极6;从图4中可以看出,在硬氧电镀槽传统的阴极设置方式下,阴极相对设置在该零部件前后两侧。通孔2与第一盲孔3的孔壁与传统阴极表面垂直,因此其内部的电力线稀疏,仿真发现其内部电流密度较低;而第二盲孔4由于其开口不与阴极相对,因此其内部电场更弱,且仿真发现电场随着盲孔的深度而进一步减弱。
该零部件硬氧膜的设计需求是,通孔2硬氧膜厚度达到17~27μm,第一盲孔3硬氧膜厚度达到5~15μm,第二盲孔4硬氧膜厚度达到5~15μm。但根据仿真得到的该零部件的电场分布分析,在现有技术电镀槽传统的阴极设置方式下,第一盲孔3和第二盲孔4难以达到相同水平的硬氧镀膜厚度,且第二盲孔4的硬氧镀膜厚度难以均匀,能够预测出从孔口到孔底硬氧膜厚逐渐降低的趋势。另外从电流密度数值上来看,在通孔2满足17~27μm硬氧膜厚度的时候,第一盲孔3和第二盲孔4的硬氧膜难以达到设计需求厚度。
本实施例就以这种带有3个孔的阀体零部件为例,对本发明的方法进行详细说明。
针对该待氧化电镀处理的阀体零部件,首先利用有限元分析法,可视化的模拟展示出该阀体在现有电镀负极条件下的电场分布,根据其上三种不同孔径的孔,设计辅助阴极工装,同时满足三种孔的电场分布需求。具体的,可以结合经验根据孔径和镀膜厚度需求首先设置3种尺寸的辅助阴极,在三种孔内置入辅助阴极后再次模拟三种孔的电场分布,可以根据三种孔内电流密度之比与对应的镀膜需求厚度之比是否符合判断当前辅助阴极尺寸是否合适,若不合适则调整三种辅助阴极尺寸直到三种孔的电场分布满足镀膜厚度需求,即三种孔的电流密度之比符合三种孔的需求镀膜厚度之比。
辅助阴极设计好后,仿真结果如图5所示,其中,该辅助阴极包括通孔2内设置的通孔辅助阴极21、第一盲孔3内设置的第一盲孔辅助阴极31、第二盲孔4内设置的第二盲孔辅助阴极41,分别为不同直径不同长度的不锈钢棒组成。从有限元仿真结果可以看出,设计好的辅助阴极有效保证了深孔内部的电场分布,为接下来的硬质氧化过程提供了适宜的电场支撑。
作为其他实施方式,考虑到盲孔内溶液难以流动循环,本发明的方法进一步设置泵循环搅拌装置,泵循环搅拌装置包括针对每一个盲孔设置的输液管,输液管的外端连接有泵,通过泵抽吸电镀槽内电解液,内端伸入对应盲孔,通过向孔内泵送电解液来实现搅拌循环的目的,保证了盲孔内电解液粒子浓度,保证电镀效果。如图6所示,以第二盲孔4为例,其中第二盲孔4内设有第二盲孔辅助阴极41,第二盲孔辅助阴极41采用中空的套管结构,第二盲孔4的输液管42从第二盲孔辅助阴极41朝向盲孔内的一端伸入第二盲孔辅助阴极41的空心管中,从空心管中伸入盲孔,输液管42的内端421尽量靠近盲孔底部,以保证彻底的排液搅拌。从图6中可以看出,有两根管线从辅助阴极外端伸入辅助阴极的空心管,包括输液管42和与辅助阴极从内部导电连接的辅助阴极接线411。
图7为添加了溶液交换管及辅助阴极的深孔示意图,图中包括零部件上的深孔71,深孔71中设置了中空的辅助阴极72,辅助阴极72通过与之导电接触的阴极线缆72连接电源负极,阴极线缆72从辅助阴极72的内部与辅助阴极72导电连接,导液管74从辅助阴极72的内部深入深孔71。
本发明的方法中,加入泵循环搅拌装置,采用向深孔打入溶液的方式,避免硬氧过程中因气泡的产生而造成的局部窝气现象。同时,溶液的持续循环保证了溶液在深孔内部的有效交换。通过辅助阴极和泵循环装置的协调作用,极大地提高了多孔类零部件的深镀能力。
本实施例中针对阀体零部件三个深孔不同的硬氧膜厚需求,引入电场仿真的手段,预测了硬质氧化膜层的厚度变化趋势,通过优化不同深孔的电场分布,设计辅助阴极改进电镀模型。同时,该发明增加泵循环装置,有效保证了深孔内部的溶液交换和循环。
在原来工艺条件不变的情况下,本发明的方法显著提高了硬质氧化的深镀能力,减少甚至避免了生产过程中反复试验、反复摸索的过程,在极大地降低生产成本,提高生产效率的同时,很好地满足了产品需求,可以为实际生产及成熟工艺改进提供参考依据。
Claims (7)
1.一种提高有孔类零件孔内阳极氧化深镀能力的方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)在作为电镀阳极的待处理有孔类零件的孔内增加辅助阴极;所述辅助阴极的尺寸通过计算机仿真的方式设计,仿真出对应电镀条件下待处理有孔类零件的电场分布,使待处理有孔类零件在孔内增加了辅助阴极后,零件各部位电场分布满足对应部位的镀膜厚度需求;
2)将孔内设置辅助阴极的待处理有孔类零件浸入电镀槽的电解液中,将待处理有孔类零件连接电镀槽阳极;将辅助阴极与电镀槽阴极相连,或者,在待处理有孔类零件与辅助阴极之间设置辅助电源;
3)进行待处理有孔类零件的阳极氧化电镀。
2.根据权利要求1所述的提高有孔类零件孔内阳极氧化深镀能力的方法,其特征在于,针对待处理有孔类零件的盲孔还设置电解液循环管,所述循环管管口伸入盲孔内,所述循环管另一管口通过泵抽取电解液,阳极氧化电镀过程中向盲孔泵送电解液。
3.根据权利要求2所述的提高有孔类零件孔内阳极氧化深镀能力的方法,其特征在于,所述辅助阴极呈中空管状结构,所述循环管管口从管状辅助阴极中空的管内深入待处理有孔类零件的盲孔内。
4.根据权利要求1、2或3任一项所述的提高有孔类零件孔内阳极氧化深镀能力的方法,其特征在于,所述辅助阴极的尺寸通过如下方法设计:将与电镀槽阳极相连的待处理有孔类零件进行电场仿真,仿真中在待处理有孔类零件的孔内增加不同尺寸的仿真辅助阴极,仿真辅助阴极连接仿真中的电镀槽阴极;将仿真中待处理有孔类零件电场分布符合零件各部分硬氧膜设计厚度的比例时的仿真辅助阴极的尺寸,作为所述辅助阴极的尺寸。
5.根据权利要求1、2或3任一项所述的提高有孔类零件孔内阳极氧化深镀能力的方法,其特征在于,所述辅助阴极的尺寸及辅助电源的参数通过如下方法设计:将与电镀槽阳极相连的待处理有孔类零件进行电场仿真,仿真中在待处理有孔类零件的孔内增加仿真辅助阴极,仿真辅助阴极与仿真中的待处理有孔类零件之间设置仿真辅助电源;调整仿真辅助阴极的尺寸和仿真辅助电源的参数,将不同仿真辅助阴极的尺寸和仿真辅助电源的参数的组合中,待处理有孔类零件电场分布符合零件各部分硬氧膜设计厚度的比例时的仿真辅助阴极的尺寸和仿真辅助电源的参数的组合,作为所述辅助阴极的尺寸及辅助电源的参数。
6.根据权利要求4所述的提高有孔类零件孔内阳极氧化深镀能力的方法,其特征在于,待处理有孔类零件有多个孔时,各个孔对应的辅助阴极的尺寸通过如下方法设计:将与电镀槽阳极相连的待处理有孔类零件进行电场仿真,仿真中在待处理有孔类零件的各个孔的孔内均增加仿真辅助阴极,各个仿真辅助阴极连接仿真中的电镀槽阴极;将仿真中待处理有孔类零件电场分布符合零件各部分硬氧膜设计厚度的比例时的各个仿真辅助阴极的尺寸,作为对应的辅助阴极的尺寸。
7.根据权利要求5所述的提高有孔类零件孔内阳极氧化深镀能力的方法,其特征在于,待处理有孔类零件有多个孔时,各个孔对应的辅助阴极的尺寸及辅助电源的参数通过如下方法设计:将与电镀槽阳极相连的待处理有孔类零件进行电场仿真,仿真中在待处理有孔类零件的各个孔的孔内均增加仿真辅助阴极,各个仿真辅助阴极与仿真中的待处理有孔类零件之间设置仿真辅助电源;调整各个仿真辅助阴极的尺寸和仿真辅助电源的参数,将不同的仿真辅助阴极的尺寸和仿真辅助电源的参数的组合中,待处理有孔类零件电场分布符合零件各部分硬氧膜设计厚度的比例时的各个仿真辅助阴极的尺寸和仿真辅助电源的参数的组合,作为各个辅助阴极的尺寸及辅助电源的参数。
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