基于電化學沉積原理的確定性修復裝置的設計與研制

李 丹 袁建虎 沈新民 殷 勤 段海欽

（1.陸軍工程大學，南京 210001；2.32526部隊，南京 210046）

工程裝備是軍隊專門用于工程保障的裝備，是戰場建設、作戰工程保障和非戰爭軍事行動的物質基礎[1]。隨著新技術在工程裝備中的運用，工程裝備精確化、智能化以及綜合程度不斷提高。工程裝備經常在各種惡劣自然環境和復雜條件下作業，使用強度高，因此大大增加了故障率和損壞率。修理損壞的工程裝備使其“再生”，具有顯著的軍事效益和經濟效益[2]。液壓系統是工程裝備的重要組成部分，在工程裝備中所占的比例越來越大。液壓精密件是液壓系統的重要部件，其好壞會影響工作裝備的性能。工程裝備液壓精密件的常見故障是磨損。提高工程裝備受損液壓精密件修復的效率和精度，是提高裝備保障能力、維持其作業效能以及促進戰場掌控能力的重要保證[3]。隨著工程裝備精密程度的提高，液壓精密件的加工精度要求越來越高，使得工程裝備維修保障的要求也越來越高。

目前，工程裝備磨損零部件的修復主要是通過電槽鍍或電刷鍍的方法，在磨損零部件表面制備具有耐磨性、耐蝕性和不粘性等優良性能的復合鍍層[4-5]。電槽鍍鍍層的形狀、位置和厚度無法控制，電刷鍍無法精確控制鍍層的形狀和精度[6-7]，難以滿足工程裝備確定性修復的需求。本文基于電化學沉積原理的確定性修復技術，設計研制了基于電化學沉積原理的精密件確定性修復裝置，克服了電槽鍍和電刷鍍后還要對鍍層進行二次加工的難題。

1 裝置結構設計

確定性修復裝置結合電化學沉積的特性，通過光譜分析準確測量和控制沉積液成分濃度，利用運動平臺控制沉積區域、路徑和時間。通過對鍍層成分、厚度以及形狀的精確控制，實現工程精密件的高質、快速修復[8]。修復裝置結構，如圖1所示。先將特定配比成分的電化學沉積液盛放入沉積液容器，再由蠕動泵將電化學沉積液送至自吸式沉積噴嘴。電化學沉積液自中心部位的噴嘴噴出，觸及精密件表面，結合電源電極形成電化學沉積效應，其余廢液通過噴嘴的循環系統循環至沉積液容器里。確定性裝置包括沉積液組分控制模塊、沉積液循環控制模塊、材料夾持模塊以及三自由度運動模塊。各模塊的具體組成如圖2所示。

圖1 修復裝置結構示意圖

圖2 修復裝置的組成

2 關鍵模塊設計

2.1 沉積液組分控制模塊

沉積液組分控制模塊將沉積液裝在容器內，激光接收器將從沉積液中透射過來的激光連接至光譜分析儀，計算沉積液中成分的含量配比，再由編程控制模塊（Programmable Logic Controller，PLC）控制電化學沉積容器流量閥的開關，控制電路調節滴液瓶中補充液的流動速度，進而穩定沉積過程中沉積液內各組分的濃度，保證沉積效率恒定。沉積液組分控制模塊的結構如圖3所示。

圖3 沉積液組分控制模塊示意圖

2.2 3自由度運動模塊

3自由度運動系統是將噴嘴固定在運動平臺上，通過確定性表面成形理論的三維運動實現不同位置的沉積。系統主要由箱體、X軸線性模組、Y軸線性模組、Z軸線性模組、PLC控制系統、行程開關以及LED防水工作燈等組成，如圖4所示。系統將程序轉化成脈沖信號，通過步進電機驅動器控制脈沖信號的頻率實現速度的穩定進給，通過步進電機驅動滾珠絲杠線性模組，采用PLC脈沖獨立控制X軸、Y軸和Z軸的運動，由脈沖的數量控制各軸的位移量，從而實現3個自由度的運動。

圖4 3自由度運動系統實物圖

確定性修復3自由度運動控制系統主要有自動和手動2種工作模式。手動模式可以手動控制X軸、Y軸和Z軸的移動。自動模式可以實現程序的自動控制，提高工作效率。它的電氣接線圖，如圖5所示。

圖5 電氣接線圖

2.3 沉積液循環控制模塊

2.3.1 循環系統

沉積液循環系統通過蠕動泵將容器內的沉積液送至噴嘴內腔。阻尼器能夠消除蠕動泵帶來的液體流速波動，保證沉積液流動的平穩性。真空泵能夠降低容器內壓強，使沉積液可以通過噴嘴外腔被吸回容器，進而實現沉積液的循環。沉積液循環系統實物圖，如圖6所示。

圖6 循環系統

2.3.2 噴嘴

自吸式沉積噴嘴的功能是使電沉積液保持一定的壓力并接觸到被修工件表面，且能夠實時回收金屬基體表面的剩余沉積液，在噴頭的內部形成電化學沉積所需的陽極電位。針對不同形狀的工件可以選擇不同形狀的噴嘴，以保證沉積效率和沉積形狀。常用噴嘴形狀及用途，如表1所示。

表1 噴嘴形狀及用圖

根據實際需要研制的噴嘴，如圖7所示。其中：圓形噴嘴外腔內壁尺寸規格有Φ9 mm、Φ11 mm、Φ13 mm、Φ15 mm；正方形噴嘴的外腔內壁尺寸規格有9 mm×9 mm、11 mm×11 mm、13 mm×13 mm、15 mm×15 mm；長方形噴嘴的外腔內壁尺寸規格有9 mm×12 mm、11 mm×16 mm、13 mm×20 mm、15 mm×24 mm。

圖7 噴嘴實物圖

3 結語

基于電化學沉積原理的確定性修復技術，設計研制了基于電化學沉積原理的確定性修復裝置。將復合顆粒均勻懸浮在基質金屬沉積液中，利用電化學陰極還原方法，使基質金屬與復合顆粒沉積于工件表面形成復合鍍層。測試結果表明，該裝置可以通過調節沉積液成分與配比控制鍍層的成分和性能，并通過調節噴嘴運動控制沉積區域與鍍層厚度，直接完成對液壓精密件磨損部位的高質、快速修復。利用該裝置可對受損液壓精密件進行快速確定性修復，節約時間和經濟成本，提高了工程裝備的修復率和使用率，對提高工程裝備保障能力具有重要意義。