筒状零件内腔电镀铬专用装挂夹具的优化设计

夏媛，徐雪源，周玉成，李琼，张艳苓

[摘要]：针对筒状零件的结构特点和内腔电镀铬的技术要求，本文采用合理装夹方式、采取适当的阳极定位、选择阳极形状、设置阴极保护装置，成功解决了筒状零件内腔电镀铬过程中镀层不均匀、偏心镀、端口积铬等困境，杜绝零件短路，减少零件镀覆个体差异化。通过优化筒状零件内腔电镀铬专用装挂夹具，保障了筒状零件内腔尺寸镀铬的铬层质量，同时减小生产辅料的消耗，提高了零件电镀生产效率。

[关键词]：筒状零件，内腔电镀铬，装挂夹具，阳极，阴极保护

Optimization Design of Special Clamp for Inner Cavity Chromium Electroplating of the Tubular Parts

XIA Yuan, XU Xueyuan, ZHOU Yuchen, LI Qiong, ZHANG Yanling

AVIC Hongdu Aviation Industry Group，Nanchang，Jiangxi，330001)

Abstract: According to the structural characteristics of the tubular parts and technological requirements of inner cavity chromium electroplating, many optimization methods such as clamping mode option, anode structure location, anode structure selection and cathodic protection device setup, were accepted in this paper. The results showed that the problems in inner cavity chromium plating process of the tubular parts such as non-uniform thickness, eccentric plating and exceeded thickness on top edge of the bores were solved. It prevents short circuits of the parts and reduces inpidual differentiation. By optimizing the design of special clamp for chromium electroplating of the tubular parts, the quality of chromium plating of the tubular parts is maintained. It also reduce the consumption of production auxiliary materials and improve the efficiency of production.

Key words: Tubular parts, Inner cavity chromium electroplating, Clamp, Anode, Cathodic protection device

引言

铬层硬度相当高（HV6512MPa~10170MPa），零件选择电镀铬主要能起到装饰、抗腐蚀、耐磨、修复尺寸等等作用[1-2]。在航空航天领域中，起落架等特殊精密作动工作部位，多选择筒状零件来进行内腔配合表面精密电镀铬。镀层厚度一般为几十微米以上，既能修复被磨损机件的尺寸，亦能达到提升零件高强度的耐磨摩擦应用，来延长其使用寿命。

长久以来普遍是采用传统的普通电镀硬铬工艺，镀铬槽液存在分散能力和覆盖能力差的缺点。圆柱、深管、深槽、内孔等长径比大的零件由于其本身结构的特性，注定了其电镀铬技术难点大[3-7]。为了获得高质量、均匀度高的铬镀层，这与筒状零件内腔电镀工装夹具的设计合理性有着直接的关系[3-5]。因此为了适应高速发展的机械加工能力，满足各类外形的筒状零件内腔镀铬的要求，有必要对筒状类零件内腔镀铬专用装挂夹具的优化选择进行研讨。

1.装夹方式优化

1.1装挂方式选择

由于普通铜丝、铁丝等传统导电方式捆绑导电会产生局部熔断的风险，因此改善零件的装夹方式是工装优化改进的一方面。装夹方式往往选择一体焊接式的结构，可分为螺纹接触式和抱箍组合式。螺纹接触式是借鉴零件的内、外螺纹等其他特殊部位来进行导电和固定作用，如图1所示。但此装夹方式存在点接触的可能。为规避点接触导电带来的局部电击伤的风险，装夹前应当保障夹具与零件接触区域干净、清洁，导电良好。

图1螺纹接触式装挂方式示意图

而抱箍组合式装夹方式将挂钩单面先焊接在箍上，通过螺栓旋紧将零件外筒面紧紧贴合导电箍，适用于大多数筒状零件，可依据零件的外筒形状、自身重量选择合适的抱箍方式装挂起零件，具体情况如图2所示，抱箍组合式a适用于无复杂外形、重量轻的一般筒状零件装夹，抱箍组合式b适用于存在多处异性面的大型筒状区域内腔电镀装夹。

选择合适的装夹方式可以起到零件导电及支撑作用，挂具适用性广、装卸轻松、长久耐用。

图2 抱箍组合式装挂方式示意图

1.2导电接触面积

两种形式的装夹方式，挂具与零件之间应当形成了导电通路，接触面积是依据施镀区域大小、挂具容流量综合考虑的，要保证应有足够的截面积和良好的导电接触[8]，电镀铬过程不发热、不能发生熔断。若使用铜连接，导电截面电流负荷不超过3 A/mm2；若使用黄铜连接，导电截面电流负荷不超过2.5 A/mm2；若使用铝连接，导电截面电流负荷不超过2 A/mm2；若使用钢连接，导电截面电流负荷不超过1.5 A/mm2 [1]。电镀铬一般使用紫铜夹具装夹，计算挂具接触零件的截面面积mm2=(施镀区域面积mm2×电流密度A/ mm2)÷导电截面积电流负荷3 A/mm2。

1.3装夹使用维护

一般镀铬挂具装夹材料选用紫铜及铁制作[1]。使用过程中，铜、铁离子等杂质离子会污染镀铬槽液，对镀层质量有影响。因此将挂具的非施镀区域进行绝缘处理，减少槽液污染和能源损耗，每次使用前要保持干净，防止装挂夹具锈蚀问题影响后续使用[1,5]。

2.阳极定位优化

内腔电镀铬时，阳极应保证在零件内腔中心。阳极位置偏差大、电力线分布不均，直接导致镀层厚度不均匀，内腔尺寸偏心、椭圆镀，严重时有短路风险，因此阳极定位是专用装挂夹具优化关键[6]。阳极定位方式往往是借助零件外形特点，引入定位销的方向思考。定位销多为绝缘材质，可阻隔阳极与零件阴极。具体可分为以下几种情况，如图3所示。

此阳极定位装置具有以下优点：

（1）固定阳极，保持与零件同心同轴，装卸方便；

（2）可靠的绝缘措施，杜绝了短路现象；

（3）电镀时气体易排出；

（4）使槽液正常流通交换，稳定电镀时零件内外浓度差，并减小了温度梯度；

（5）减少了镀液的带出量。

图3 阳极定位组合方式

由图3中可知，若筒状零件本身存在装配（内、外）螺纹，可以很好地利用起来，设计定位销设置匹配的螺纹，装配在零件上，使阳极定位在圆筒中心。若零件无可以借助特性结构，可两端设置定位销，用连接杆将定位销串联使用，将阳极固定在内腔中心位置。

定位销交换槽液结构也可根据筒内内径的大小选择适宜结构，有孔型和槽型，如图4中结构所示，有效的槽液交换及定位销的牢固性能提升内筒电镀硬铬的稳定性。

图4 定位销交换槽液结构

3.阳极形状与摆放位置优化

阳极形状应根据镀铬零件形状和电力线的分布特点进行设计和选择，保证阴阳极之间各对应位置间的距离近似相等。根据筒状零件的内外构型，设计出象形阳极为棒状结构。在棒状结构的基础上，可以进行均匀打孔或者截断的方式（图5所示），使电镀过程中阳极产生的氧气停留在阳极表面时间较短，加快气体释放增加槽液搅拌、有效交换。

图5 阳极形状

筒状零件镀内腔要考虑足够的阳极面积，增加阳极面积对镀铬件来说可以防止三价铬过快累积，但也不宜过大，否则阴极、阳极之间的间距过近，电力线过于集中易烧坏镀层，电镀时气体也难以自由排放。而过小阴、阳极距离远，电力线难以分布，工件上无法获得镀层。为防止此类事故的发生，将内腔镀铬时阴极面积∶阳极面积调至2～3:1为最佳[1]。考虑图5阳极结构，不仅能让气体自由排出，又能让阳极减重、增大阴阳极面积配比。

4. 设置保护阴极装置

根据筒状零件的外性特点，零件内腔电镀铬时两端应当设置保护阴极块，避免端面烧焦起刺及中间镀层薄的现象[3]。根据所述零件两端尺寸设计阴极保护块，尽量选用与零件相近的材料制作。将阴极保护块与定位销配合使用，分别组装在零件两端，紧密贴合在零件表面，可有效地避免端口电镀过程中出现积铬现象。

5. 结论

针对筒状零件内腔电镀铬的技术要求，通过专用装挂夹具的优化设计，采用合理装夹方式、采取适当的阳极定位、选择阳极形状、设置阴极保护装置，成功解决了筒状零件内腔电镀铬过程中镀层不均匀、偏心镀、端口积铬等困境，杜绝零件短路，减少零件镀覆个体差异化，保障了筒状零件内腔尺寸镀铬的铬层质量，减小生产辅料的消耗，提高了零件电镀生产效率。

参考文献

[1] 张允诚.电镀手册（上册）[M].北京:国防工业出版社，1997.246-274.

[2] 翟敏，圆柱形零件镀铬均匀性的优化研究[J].科技创新导报，2020,13:77-79

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[5] 熊劲松，刘真，皮华辉，一种用于圆柱形工件镀铬的新型挂具[J]，2002,21(4):54-55

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