年产量400万辆自行车车圈电镀车间设计论文DOC 41页.docx

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年产量400万辆自行车车圈电镀车间设计论文DOC41页

年产量400万辆自行车车圈电镀车间设计论文（DOC41页）

年产量400万辆永久牌自行车车圈电镀车间设计

学院：

专业：

姓名：

指导老师：

化工与材料学院

应用化学（电化学方向）

学号：

职称：

汪烈焰

工程师

中国·珠海

二○一二年十二月

诚信承诺书

本人郑重承诺：

本人承诺呈交的毕业设计《年产量400万辆永久牌自行车车圈的电镀车间设计》是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。

本人签名：

日期：

年月日

年产量400万辆永久牌自行车车圈电镀车间设计

摘要

本文针对自行车的车圈电镀车间的设计，主要包括了工艺过程的拟定和相应工艺规范，生产设备设计和计算，工艺流程设计和计算，生产用物料的计算，生产用水、电、气的消耗量等进行阐述，同时还包括了工作人员的数目的确定和三废处理等，其中重点在介绍工艺设计和设备设计以及物料衡算，包括工作时间，镀槽规格，各个物料的消耗量。

关键词：

生产设备设计；工艺流程设计；物料衡算；车间设计

北京理工大学珠海学院

课程设计任务书

2012～2013学年第2学期

学生姓名：

专业班级：

应用化学2班

指导教师：

汪烈焰工作部门：

实验中心

一、课程设计题目：

年产量400万辆永久牌自行车车圈电镀车间设计

二、课程设计主要内容（含技术指标）

1．工艺流程全图并对选定的工艺流程、主要设备的型式进行简要的论述或叙述，以列表的方式给出主要工艺卡片（内容包括：

序号、工序名称、工作液组成及工艺参数、工作地点等），设备一览表。

2．设计计算主要内容有生产纲领（年生产量及各镀种面积），原辅材料消耗量，单位产品电耗、水耗，电镀工序的电镀时间以及主要设备的数量计算。

3.简要叙述或论述“三废”处理方案。

4.绘制电镀车间平面布置图（CAD），并在图中标注车间所在地的主导风向。

5.参考文献格式要求

[编号]作者．书名．出版单位，出版年份：

第几页～第几页

[编号]作者．文章题目．刊名，年，卷（期）：

第几页～第几页

三、基本要求

1．内容完整

正文中应包括：

概述、工艺设计、生产任务、生产设备设计及选择、产品质量检验和环保要求设计、车间设计等

2.重点突出

电镀车间工艺设计的物料衡算、能量计算、主要设备计算等。

3.格式规范

4.符合实际

教研室主任签名：

年月日

1概述：

自行车是人类发明的最成功的一种人力机械之一，是由许多简单机械组成的复杂机械。

自行车，又称脚踏车或单车，通常是二轮的小型陆上车辆。

人骑上车后，以脚踩踏板为动力，是一种简单的绿色的环保的代步工具。

中国人口众多，交通压力大，自行车是解决人口压力的一个重要工具，是符合中国国情的交通工具，具有美好的前景。

1.1选题背景

自行车的前轮和后轮分别是导向系统和驱动系统的重要组成部分，同时车圈又与刹车系统直接相关联，在整辆车的的结构组成中起连接车体与轮胎接触和支撑作用。

实际应用中车圈的工作环境相对恶劣，既要支撑车体与骑行者的重量，又要承受转向与崎岖路面带来的额外压力，还要直接面对泥泞，雨水，和日晒风吹的考验。

1.2课题特点

电镀是自行车生产的重要工艺之一。

兼有防护、装饰与耐磨的不同要求。

车圈的电镀应具有很高的耐磨性、耐蚀性、导热性和疲劳强度，还必须具有一定强度。

实践表明，自行车骑行时容易引起车圈的颤振，刹车时，刹车胶与自行车车圈的强摩擦会引起高温和磨损。

为此。

对车圈材料的疲劳强度和耐磨度提出了更高的要求。

2镀种﹑镀层和原理

2.1电镀的金属种类

铜是一种呈紫红色光泽的一种金属，相对原子质量63.546，密度8.92g/cm3，熔点为1083.4±0.2℃，标准电极电位为，是最好的纯金属之一，稍硬、极坚韧、耐磨损。

还有很好的延展性。

导热和导电性能较好。

铜和它的一些合金有较好的耐腐蚀能力，其本身也与各种金属的结合力最好。

可溶于硝酸和热浓硫酸，略溶于盐酸。

容易被碱侵蚀。

镍是一种银白色金属，密度8.9g/cm3,熔点1455℃，沸点2730℃。

质坚硬，具有磁性和良好的可塑性。

有好的耐腐蚀性，在空气中不被氧化，又耐强碱。

在稀酸中可缓慢溶解，是良好的过渡金属，可增加镀层硬度和强度[1]。

铬是一种微带蓝色的银白色金属，相对原子质量51.99，密度6.98～7.21g/cm3，熔点为1875～1920℃，标准电极电位为负0.74V，金属铬在空气中极易钝化，表面形成一层极薄的钝化膜，从而显示出贵金属的性质。

镀铬层具有很高的硬度，镀铬层有较好的耐热性，镀铬层的摩擦系数小，特别是干摩擦系数，在所有的金属中是最低的。

2.2电镀的镀层

多层电镀是利用电解的方式使金属或合金沉积在工件表面，以形成均匀、致密、结合力良好的金属层的过程。

由于本工艺的镀层不是单层电镀，是多个电镀层的相互叠加，所得的总镀层与各镀层的不同性质有关，它的性能更好是各镀层的特性的叠加。

铜层：

延展性好，有缓冲作用；镍层：

质地坚硬，增加强度；铬层：

硬度很高，耐磨，耐腐蚀。

在设计的时侯，如果产品是具有耐磨性的功能，一般都是会选择多层电镀，自行车的基材是铝合金，电镀时候，是先镀碱铜，再电镀酸铜，接着电镀镍，最后是加镀一层耐磨性的铬，厚度一般是碱性电镀镀铜厚度为2µm，酸性电镀铜厚度为6µm，酸性电镀镍厚度为8µm，电镀铬的厚度为5µm。

总厚度为是21µm，这是我们设计的前提要求，从而满足我们对产品的性能要求[2]。

2.3电镀原理

2.3.1碱性电镀铜原理

阴极反应：

[Cu（CN）3]2-+e→Cu+3CN-；2H++2e→H2↑

阳极溶解形成铜氰络离子：

Cu+3CN--e→[Cu（CN）3]2-

如发生阳极钝化：

4OH--4e→2H2O+O2↑

2.3.2酸性电镀铜原理

酸性电镀铜液主要是由硫酸铜和硫酸组成。

溶液中存在大量的二价铜离子在外电流的作用下，在阴极上放电而获得铜镀层[3]。

阳极的铜不断溶解来补充消耗的二价铜离子。

Cu2++2e→Cu在该过程中还可能存在阳极铜溶解生成一价铜离子，Cu+Cu2+→2Cu+

2.3.3酸性电镀镍原理

酸性电镀镍液主要是由硫酸镍和氯化镍组成。

溶液中存在大量的二价镍离子在外电流的作用下，在阴极上放电而获得镍镀层。

阳极的镍不断溶解来补充消耗的二价镍离子，Ni2++2e→Ni

2.3.4镀铬原理

阴极反应：

Cr2O72-+6e+14H+=2Cr3++7H2O；2H++2e=H2↑

在电解的过程中由于氢气的放出，溶液的pH值的升高，H2Cr2O7变成H2CrO4，H2CrO4放电形成金属铬。

CrO42-+6e+4H+=Cr+4OH-

阳极反应：

镀铬工艺中采用不溶性阳极，因此不发生阳极溶解反应

阴极反应2Cr3+-6e+7H2O=Cr2O72-+14H+；2H2O-4e=O2↑+4H+

2.3.5电镀液主要组分功能原理

（1）主盐：

指镀液中能在阴极上沉积出所要求镀层金属的盐，用于提供金属离子。

（2）导电盐：

指提高溶液的电导率，对放电金属离子起络合作用的碱金属的盐类。

（3）络合剂：

能络合主盐中的金属离子形成络合物的物质。

（4）缓冲剂：

一般由弱酸弱碱的酸式盐组成。

用来稳定溶液酸碱度的物质。

（5）添加剂：

为了改善镀层性能的物质。

可包括光亮剂、整平剂、润湿剂和抑雾剂。

3车间的分类和生产纲领和计算过程

3.1车间的分类

电镀车间工艺设计是体现出车间生产工作要求，反应出车间的工艺水平及其配套设施的选用是否合理。

根据我们的流程图我们可以大致地将三类，即：

前处理车间、电镀车间和后处理车间。

3.2生产纲领

表1：

电镀车间车圈加工表

产品名称

永久牌自行车

处理种类

镀层厚度/µm

部件名称

车圈规格

材料

外直径/mm

表面积/mm2

自行车车圈

不锈钢金属

600

151000

电镀加工

21

表2：

年生产纲领表

产品名称

处理种类

单件产品电镀量

年生产纲领

材料

表面积/m2

件数（万）

表面积/m2

车圈

电镀加工

不锈钢金属

0.151

800

1208000

3.3生产纲领的计算过程

我们设计是控制槽与槽的距离为500mm，工件从一个槽到另一个槽的用时大概为30s，第一列（五个工件）工件加工结束总共用时间

t=5+0.33+5+0.25+0.25+0.5+0.25+0.25+5+0.25+5+0.25+0.25+3+0.25+2.25+0.75+6.75+0.25+0.25+6+0.25+2.07+0.25+5+0.5+12.5

=58.15

第二列（五个工件）工件加工结束是在第一列工件结束后的42s后，

t=（工件直径+工件间的距离）/速度v=（600+100）/17=42s（式3.1）

所以一天一条生产线的生产量为=5*（一天的工作总的时间-第一列产品的时间）/42

=5*（24*3600-58.15*60）/42

=9870件

由于我们年产800万件，年工作天数为300天，一天一条生产线9870件工件，所以生产线的条数=8000000/（300*9870）=2.7条实际设计为三条生产线。

4工作制度和时间基数

4.1工作制度

工作制度；我们的生产要求是年产800万个自行车车圈，年工作天数为300天，每天工作24个小时，三班倒。

4.2时间基数

年时基数=年工作天数*每天工作时间（式4.1）

=300*24

=7200h

5工艺过程的拟定和相应工艺规范和工艺配方

5.1工艺过程的拟定

加工成型—机械磨光（5min）—上挂具（20s）—化学除油（5min）—水洗（15s）—水洗（15s）—酸洗（30s）—水洗（15s）—水洗（15s）—阴极电解除油（5min）—水洗（15s）—阳极电解除油（5min）—水洗（15s）—水洗（15s）—活化（3min）—水洗（15s）—碱性电镀镀铜—三级水洗（45s）—酸性电镀镀铜—水洗（15s）—水洗（15s）—酸性电镀镀镍—水洗（15s）—电镀铬—水洗（15s）—烘干（5min）—下挂具（30s）—检验[5]

5.2相应工艺规范

（1）镀层的种类与厚度音符和产品的技术要求；

（2）镀层的质量应适应零件的使用条件和工作环境；

（3）整个工艺过程的加工费用低廉，原料供应保证能够得到保证；

（4）电镀液的性能适应零件的特征；

（5）各种溶液性能稳定，调整维护方便，尽可能做到无毒，低污染；

（6）预处理及电沉积速度快。

5.3工艺配方

根据生产要求和设计要求选择合适的配方指定如下表所示的工艺配方：

电镀工作液组成及其工艺条件：

表5-1各种工艺配方

工序名称

工作液

工艺条件

车间位置

1

化学除油

组成g/L

碳酸钠25

氢氧化钠50

磷酸三钠60

水玻璃8

温度：

80~90℃

时间：

油除尽为止

前处理

车间

续上表表5-1各种工艺配方

2

阴极电解除油

组成g/L

碳酸钠25

氢氧化钠50

磷酸三钠60

水玻璃8

温度：

70~80℃

电流密度：

3.5A/dm2

槽电压：

4V

除油时间：

5min

3

阳极电解除油

组成g/L

碳酸钠25

氢氧化钠50

磷酸三钠60

水玻璃8

温度：

70~80℃

电流密度：

3.5A/dm2

槽电压：

4V

除油时间：

5min

4

活化

组成g/L

PdCl20.5

盐酸（mL/L）10

pH：

1.5~2.5

温度：

15~25℃

时间:

0.5~5

5

碱性电镀铜

组成g/L

氰化亚铜90

铜53

氰化铜93

游离氰化物15

氰化钾115

氢氧化钠30

氢氧化钾42

铜:

游离氰化物=1:

0.2

温度：

60~80℃

阴极电流密度：

3.0A/dm2

阳极电流密度：

2.7A/dm2

阳极面积比=3:

2

槽电压：

2.4V

阴极效率：

99%

搅拌方式：

机械搅拌

续上表表5-1各种工艺配方

6

酸性电镀铜

组成g/L

硫酸铜200

硫酸60

氯离子（mg/L）70

醇硫基丙烷磺酸5（mL/L）

二甲基甲酰胺基磺酸钠0.4（mL/L）

温度：

10~40℃

阴极电流密度：

3A/dm2

阳极：

磷铜板

搅拌：

空气搅拌

槽电压:

4V

7

酸性镀镍

组成g/L

硫酸镍250

氯化镍60

硼酸40

丙烷磺酸吡啶嗡盐0.5

2-丙氧基丁炔二醇8

十二烷基硫酸钠1

pH：

4.0~5.0

温度：

45~65℃

电流密度：

4A/dm2

搅拌：

空气搅拌或阴极搅拌

槽电压:

4.0V

8

镀铬

组成g/L

氯化铬110

甲酸钾80

氯化铵53

氯化钾75

溴化铵15

醋酸钠25

硼酸49

十二烷基苯磺酸钠1

pH:

2.5~3.3

阴极电流密度：

5.5A/dm2

温度：

20~25℃

槽电压:

3.0V

6生产设备的设计和计算、工艺流程设计和计算

6.1生产设备的设计和计算

（1）槽高H的计算

H=H1+H2+H3+H4（式6.1）

H1是挂具工作部位的高度，有车圈直径决定，H1=600mm；

H2是挂具下端距离槽底的高度，在100-150mm之间，计算时取H2=150mm

H3是挂具上端距离液面的高度，不少于50mm，计算时取H3=100mm

H4是液面至槽沿的距离，一般在100-150mm之间，计算时取H4=150mm

所以槽高H=H1+H2+H3+H4=600+150+100+150=1000mm

（2）槽宽B的确定:

B=nKB1+2nKB2+2B3+naδ（式6.2）

nK是挂具或阳极列数，计算时取nK=5

B1是槽宽方向的挂具宽度，就是车圈的宽度，B1=40mm

B2是挂具边缘与阳极的距离，一般在150-250mm之间，计算时取B2=200mm

B3是阳极距离槽壁的距离，一般是30-50mm之间，计算时取B3=30mm

na是阳极设在精宽方向的列数，设计是阳极列数为na=2

δ是阳极的厚度，设计阳极为铜片，镍片，铬片，厚度为20mm

所以槽宽B=nkB1+2nKB2+2B3+naδ=5*40+2*5*200+2*30+2*20=2300mm

（3）槽长L的确定:

槽长L（起始）=mL1+（m-1）L2+2L3（式6.3）

m是槽长方向的挂具数；我们设计是2列挂具，m=2

L1是槽长方向挂具的宽度，由车圈的直径决定，L1=600mm

L2是槽长方向挂具间的距离，我们设计的距离为L2=100mm

L3是挂具边缘与槽壁的距离，一般大于100mm，我们取L3=100mm，

所以，槽长L（起始）=mL1+（m-1）L2+2L3=2*600+100+2*100=1500mm

我们采取的是自动的工艺，控制运行速度v为17mm/s，所以槽长还有加上运行路程的槽长。

碱性电镀铜的时间t=2.25min，所以碱性电镀铜槽的槽长

L=L（起始）+t*v=1500+2.25*17*60=3795mm

酸性电镀铜的时间t=6.75min，所以酸性电镀铜槽的槽长

L=L（起始）+t*v=1500+6.75*17*60=8385mm

酸性电镀镍的时间t=6min，所以酸性电镀镍槽的槽长

L=L（起始）+t*v=1500+6*17*60=7620mm

电镀铬的时间t=2.07min，所以电镀铬槽的槽长

L=L（起始）+t*v=1500+2.07*17*60=3612mm

化学除油和电话除油的时间t=5min，化学除油和电化学除油槽的槽长

L=L（起始）+t*v=1500+5*17*60=6600mm

活化的时间t=3min，所以活化槽的槽长

L=L（起始）+t*v=1500+3*17*60=4560mm

酸洗的时间t=30s，所以酸洗槽的槽长

L=L（起始）+t*v=1500+30*17=2010mm

水洗的时间都是t=15s，所以水洗槽的槽长

L=L（起始）+t*v=1500+15*17=1755mm

（4）镀槽容积可以根据下式计算：

V=LBH（式6.4）

式中，V是镀槽容积（mm3），L是镀槽长（mm），B是槽宽（mm），H是槽高（mm）

碱性电镀铜槽的容积V=LBH=3795*2300*1000=8.73*10^9mm3

酸性电镀铜槽的容积V=LBH=8385*2300*1000=1.93*10^10mm3

酸性电镀镍槽的容积V=LBH=7620*2300*1000=1.73*10^10mm3

电镀铬槽的容积V=LBH=3612*2300*1000=8.31*10^9mm3

6.2工艺流程的设计和计算

电镀时间的确定根据法拉第一定律，可以计算电镀所需时间的公式：

t=（1000*60*δ*d）/（DK*K*µK）（式6.5）δ是镀层厚度，mm

d是沉积层的密度，g/cm3

DK是阴极电流密度，A/cm2

K是电化学摩尔质量，g/（A·h）

µK是阴极电流效率，%

t是电镀时间

碱性电镀镀铜厚度为2µm，酸性电镀铜厚度为6µm，酸性电镀镍厚度为8µm，电镀铬的厚度为5µm。

铜的密度是8.93g/cm3，电化学当量是1.086g/（A·h），工艺中阴极电流密度是5*100A/cm2，电流效率以80%来计算。

碱性电镀铜的时间t=（1000*60*0.002*8.93）/（5*100*1.186*0.8）

=2.25min

酸性电镀铜的时间t=（1000*60*0.006*8.93）/（5*100*1.186*0.8）

=6.75min

镍的密度是8.90g/cm3，电化学当量是1.095g/（A·h），工艺中阴极电流密度是8*100A/cm2，电流效率以80%来计算。

酸性电镀镍的时间t=（1000*60*0.008*8.9）/（8*100*1.095*0.8）

=6min

铬的密度是7.138g/cm3，电化学当量是0.647g/（A·h），工艺中阴极电流密度是20*100A/cm2，电流效率以80%来计算

电镀铬的时间t=（1000*60*0.005*7.138）/（20*100*0.647*0.8）

=2.07min

7工作人员数目的确定和分工

（1）生产工人

a.准备处理和化学处理一般为1-4人，由于考虑到生产数量大的问题，我们取2人，三条生产线就是6个人。

b.碱性和酸性镀铜，镀镍各一个人，三条线就是9个人。

c.镀铬一个人，三条线就是3个人

d.阳极氧化2个人，三天线就是6个人

e.由于我们采用自动流水生产线，每条生产线设司机1个人，溶液维护调整1人，总共是6个人。

所以，生产工人的总人数就是30人

（2）辅助工人

辅助工人，包括零件首发共，挂具制造修理工，设备维修工，运输工，工地卫生工，污水处理工，检验工，材料保管工和工具保管工，一般为生产工人的总数的0.3-0.5，我们，取0.3计算，就是9个人。

（3）行政管理及工程技术人员。

表7.1生产车间人员分配表

序号

岗位名称

管理人员

技术人员

工作人员

小计

备注

1

厂长

1

1

白班

2

行政、技术人员

1

　1

5

7

白班

3

生产线人员

3

　3

84

90

三班倒

4

辅助、维修人员

27

27

三班倒

合计

5

2

116

125

8车间平面布置图

车间平面布置图，可以很直接向我们展现厂房的俯视图，下图就是设计的车间平面布置图。

图8.1车圈电镀车间工艺设备平面布置图单位：

cm

其中，途中的I-钳工及挂具存放间；II-材料间；III-前处理间；IV-电镀间；V-工艺测试分析间；VI-三废处理间；VII-生活间

9生产用物料的计算

以下物料衡算是以一条生产线中单个槽一次使用的量进行衡算的，三条生产线要乘以3。

我们主要以一条生产线的物料衡算为准。

9.1碱性镀铜的物料衡算

由于镀液不可能全部装满镀槽，真实的液面高度是槽高H-是液面至槽沿的距离H4=1000-150=850mm，体积V=液面高度*槽宽*槽长=850*2300*3795=7.42*10^9mm3

表9.1碱性镀铜物料衡算表

物料名称

物料浓度（10^-6g/mm3）

物料用量（g）

氰化亚铜

90

667800

铜

53

371000

氰化铜

93

690060

游离氰化物

15

111300

氰化钾

115

853300

氢氧化钠

30

222600

氢氧化钾

42

311640

9.2酸性电镀铜的物料衡算

酸性电镀铜镀液的体积V=液面高度*槽宽*槽长=850*2300*8385=1.63*10^10mm3

表9.2酸性电镀铜的物料衡算表

物料名称

物料浓度

物料用量

硫酸铜

200*10^-6g/mm3

3260000g

硫酸

60*10^-6g/mm3

978000g

氯离子

70*10^-6mL/mm3

11410000mL

醇硫基丙烷磺酸钠

5*10^-6mL/mm3

81500mL

二甲基甲酰胺基磺酸钠

0.4*10^-6mL/mm3

6520mL

9.3酸性电镀镍的物料衡算

同理可得酸性电镀镍镀液的体积

V=液面高度*槽宽*槽长=850*2300*7620=1.49*10^10mm3

表9.3酸性电镀镍的物料衡算

物料名称

物料浓度

物料用量

硫酸镍

250*10^-6g/mm3

3725000g

氯化镍

60*10^-6g/mm3

894000g

硼酸

40*10^-6g/mm3

596000g

丙烷磺酸吡啶嗡盐（光亮剂）

0.5*10^-6mL/mm3

7450mL

2-丙氧基丁炔二醇（走位水）

8*10^-6mL/mm3

119200mL

十二烷基硫酸钠（润湿剂）

1*10^-6mL/mm3

14900mL

9.4电镀铬的物料衡算

同理可得电镀铬镀液的体积

V=液面高度*槽宽*槽长=850*2300*3612=7.07*10^9mm3

表9.4电镀铬的物料衡算

物料名称

物料浓度

物料用量

氯化铬

110*10^-6g/mm3

777700g

甲酸钾

80*10^-6g/mm3

565600g

氯化铵

53*10^-6g/mm3

374710g

氯化钾

75*10^-6g/mm3

530250g

溴化铵

15*10^-6g/mm3

106050g

醋酸钠

25*10^-6g/mm3

176750g

硼酸

49*10^-6g/mm3

346430g

十二烷基苯磺酸钠

1*10^-6mL/mm3

7070mL

9.5化学除油和电化学