发动机活塞油环硬铬电镀车间的设计.docx
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发动机活塞油环硬铬电镀车间的设计
一、概述......................................................................4
1.1选题背景.................................................................4
1.2课题特点.................................................................4
二、电镀铬...................................................................4
2.1电镀原理................................................................4
2.2镀铬原理................................................................4
三、电镀铬车间设计任务.........................................................5
3.1设计题目.................................................................6
3.1.1活塞汽环工作条件分析..................................................6
3.1.2活塞汽环材料的选择....................................................6
3.2设计要求.................................................................6
四、生产工艺设计.............................................................6
4.1汽环零件的基本信息.......................................................6
4.2镀铬工艺流程设计.........................................................6
4.2.1镀前处理............................................................6
4.2.2镀铬................................................................7
4.2.3镀后处理.............................................................7
4.2.4不合格镀层的退镀.....................................................7
4.3镀铬工艺卡片.............................................................7
五、生产任务分析..............................................................8
5.1电镀时间分析.............................................................8
5.2生产产量分析.............................................................8
六、生产设备设计及选择.........................................................9
6.1挂具....................................................................9
6.1.1形式和结构...........................................................9
6.1.2外形尺寸.............................................................9
6.1.3挂具组成............................................................11
6.2镀槽....................................................................11
6.2.1外形尺寸............................................................11
6.2.2镀槽选材............................................................12
6.2.3镀槽的注意事项......................................................13
6.3直流电源.................................................................13
6.4电镀槽必备附件...........................................................13
6.5过滤循环设备.............................................................13
6.6对开门热风循环烘箱.......................................................13
6.7设备清单.................................................................13
七、产品质量检验和环保要求设计...............................................13
7.1镀层质量检测.........................................................13
7.1.1镀层外观检测........................................................14
7.1.2镀层结合力测试......................................................14
7.1.3镀层厚度测试........................................................14
7.1.4镀层孔隙度的测定....................................................14
7.1.5镀层显微硬度的测定..................................................14
7.1.6镀层耐蚀性检测......................................................14
7.2环保措施................................................................14
八、车间设计.................................................................15
8.1车间工艺设计............................................................15
8.2车间组成及平面布局......................................................15
8.3车间注意事项............................................................16
参考文献....................................................................16
一、概述
1.1选题背景
汽车的节能、环保、安全是全球研究的重点，而汽车节能和排放与发动机密切相关。
发动机是汽车的心脏，是汽车关键部件。
汽车发动机发展趋势向高转速、高功率、高耐久性、高环保性以及电子化方向发展。
活塞连杆组由活塞、连杆、活塞环、活塞销和连杆等组成，其中活塞环是燃油发动机内部的核心部件，它和汽缸，活塞，汽缸壁等一起完成燃油气体的密封，活塞环的工作环境十分恶劣，加上对其功能要求又很高，因此，活塞环的材料应具有很高的耐磨性、抗刮伤性、耐蚀性、导热性、贮油性、密封性、弹性和疲劳强度，还必须具有很低的摩擦系数。
实践表明，提高发动机的转速容易引起活塞环的颤振。
为此，对活塞环材料的疲劳强度提出了更高的要求。
1.2课题特点
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℃，标准电极电位为一0．74V，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。
所以镀铬层具有很好的耐磨性，铬镀层具有良好的化学稳定性。
本次课题选择的是对汽油发动机的活塞油环进行硬铬电镀。
二、电镀铬
2.1电镀原理
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。
电镀装置示意图
电镀液：
（1）主盐：
是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。
主盐浓度应在一个适当的范围，同一条件下浓度升高，电流效率增高，沉积速度加快，镀层晶粒较粗，溶液分散能力下降。
（2）导电盐：
是指提高溶液的电导率，对放电金属离子不起络合作用的碱金属或碱土金属的盐类。
还会提高阴极极化，使镀层致密。
（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。
2.2镀铬原理
铬是微带蓝色的银白色金属，在大气中很稳定，能长期保持其光泽，在碱、硝酸、硫化物、碳酸盐的溶液中及有机酸中非常稳定，但溶于盐酸等氢卤酸和热的浓硫酸中。
镀铬层硬度高、耐磨性好、反光能力强、有较好的耐热性（480-500℃时开始氧化变色）。
镀铬工艺的特点：
从常用的铬酸电解液中电镀铬，其工艺特点如下：
镀铬电解液的主要成分不是金属铬盐，而是铬酸；镀铬电解液中必须加入少量具有催化作用的阴离子，如硫酸根、氟硅酸根等，才能使电镀过程正常进行；电解液的分散能力很低，不易得到均匀的镀层；镀铬使用的电流密度和电压较高，而电流效率低；阳极采用铅、铅-锑合金或铅-锡合金等不溶性阳极。
镀铬原理：
目前工业上广泛使用铬酐（CrO3）和少量局外阴离子（SO42-或F-）组成的电解液，因此电镀铬的电极过程主要是铬酸电解液的电镀铬电极过程。
电极反应：
CrO3+H2O→Cr+H2↑+2O2↑（2-1）
电镀过程中铬的存在形式一般为铬酸和重铬酸：
2CrO3+H2O→H2Cr2O7CrO3+H2O→H2CrO4
铬酸在水溶液中分二步电离：
H2CrO4⇋HCrO4—+H+（2-2）HCrO4—⇋CrO24—+H+（2-3）
阴极过程:
2H++2e→H2（2-4）
HCrO4—+3H++6e→Cr+4OH—（2-5）
Cr2O72-+14H++6e→2Cr3++7H2O（2-6）
阳极过程：
2H2O-4e→4H++O2↑（2-7）
2Cr3++7H2O-6e→CrO24—+14H+（2-8）
三、电镀铬车间设计任务
3.1设计题目
本课程设计的题目为《年产万件的活塞油环表面镀铬生产工艺设计》，其零件型号为：
JASO6606油环100×5.0×4.5,其中外径：
100mm，油环高度：
5.0mm，径向厚度：
4.5mm；
对给定尺寸和生产任务的零件进行表面电镀处理，得到厚度约为100um的电镀层。
3.1.1活塞油环工作条件分析
活塞环分为汽环和油环两种，其中，油环（又叫刮油环）的作用：
将汽缸壁上多余的机油刮去，防止润滑油窜入燃烧室，并使气缸壁上的机油膜均匀分布，改善润滑条件；
故其服役条件应满足的要求为：
1在高温下具有足够高的机械强度；2耐磨且摩擦系数小；3不易产生粘着，容易磨合；4加工方便，价格便宜。
综上所述：
活塞油环材料应具有一定的强度、硬度、弹性、耐磨性（包括贮油性）、耐蚀性、热稳定性和工艺性等。
3.1.2活塞油环材料的选择
铸铁的弹性模量一般在80～160GPa之间，能满足活塞油环对材料弹性模量的要求。
铸铁材料的另一个优点是贮油性好，而摩擦表面保存良好的润滑油膜，则是抗磨损的重要手段。
加上铸铁的成本较低，工艺性良好．故目前发动机上使用量极大的活塞油环多采用铸铁来制造。
本次课程设计选择合金铸铁（型号为ZQB或ZQM）制成的活塞油环进行硬铬电镀工艺。
3.2设计要求
（1）根据设计内容制定出相应的生产工艺流程，要求每个环节中所用的电镀生产原料和设备类型必须确定，完成生产工艺卡片。
（2）根据产品的尺寸和生产纲领，计算出所需的电镀设备的尺寸规格。
（3）在以上工作的基础上，参阅车间设计的相关要求完成车间平面简图的绘制，其中，设备的顺序、间距、环保设施等必须通过计算制定。
（4）完成设计说明书，其中包括相关的计算和分析过程。
四、生产工艺设计
4.1汽环零件的基本信息
油环的有效电镀面积S:
S=2
（502-45.52）+2
（50+45.5）×5=0.57dm2
油环的体积V:
V=
×（502-45.52）×5=6.75cm3
油环的质量m:
（ρ=7.85g/cm3）m=ρV=7.85×6.75=308.11g=0.053kg
4.2镀铬工艺流程设计
根据设计任务要求：
在合金铸铁为基材的汽环上镀100um镀铬层。
利用含30%锡的铅锡合金作为不溶性阳极。
活塞环作为一个特殊要求的零件，镀铬时有其特定的工艺要求。
其流程为：
其流程为：
挂装—化学抛光—水洗—化学除油—热水洗—冷水洗—阳极电解除油—热水洗—冷水洗—浸酸—水洗—镀铬—水洗—烘干除氢—卸装—包装。
4.2.1镀前处理
抛光：
化学抛光为了去除零件加工过程中产生的毛刺和卷边，利用抛光使电镀表面能达到要求。
对于油环而言，零件外形简单并且没有尖锐的棱角，故为了充分利用机械自动化流水过程而采用化学抛光，零件一旦挂装后即可进行流水生产。
除油：
化学除油和阳极电解除油确保镀层的均匀和与基体的完全结合，采用除油处理，以产生十分清洁的表面，能使电镀溶液完整的润湿被镀表面，而不致使镀层架在薄油膜上或被局部绝缘；为了彻底清除表面的油污，化学除油后须采用电解除油。
除锈活化：
酸浸蚀在机械加工和除油过程易在表面产生薄氧化层或钝化层，为了使基体金属的新鲜表面完全暴露以便电镀的电沉积和传质的进行，采用酸浸蚀，因酸蚀后表面较为敏感故不宜在空气中久留。
4.2.2电镀
镀铬的工艺过程是电流的操作过程，活塞油环放入镀铬槽内通电147min，在整个通电时间中，电流的操作有预热电流、阳极处理电流、冲击电流处理和额定电流处理，按相关操作进行。
4.2.3镀后处理
镀铬层的耐蚀性较好，在室温的大气环境中的不易产生腐蚀，故不须采用钝化处理，但镀铬零件易产生氢脆现象，因而必须采取除氢处理。
采用烘烤箱处理不仅可以加快零件的烘干速度，还可以在一定的温度下除去零件中的氢。
一般工作温度达到250℃的电热鼓风干燥箱可以干燥和进行除氢处理。
4.2.4不合格镀层的退镀
电镀过程中不可避免出现残次品，因而必须对不合格镀件进行退镀处理，使零件可以回收使用。
一般采用化学退镀的方法。
其配方如表所示：
化学退镀配方
盐酸：
水1:
1
温度：
室温
时间：
退净为止
4.3镀铬工艺卡片
根据设计要求及生产要求选择合适的配方指定如所示的工艺卡片
功能性硬铬电镀工艺卡片
序号
工序名称
配方及其他（温度、时间、配方）
1
化学抛光
组分g/l
30%H2O235-40
苯甲酸0.5-1.0
NH4HF210
CO（NH2）220
6501洗净剂0.2-0.4
pH2.1
温度15-30℃
时间1-2.5min
2
冷水洗
H2O
温度室温
时间0.3min
3
化学除油
组分g/l
NaOH20-30
Na3PO4.12H2O30-40
Na2CO330-40
OP-乳化剂2-4
温度80-90℃
时间10min
4
热水洗
H2O
温度70-90℃
时间0.5min
5
冷水洗
H2O
温度室温
时间0.3min
6
阳极电解除油
组分g/l
NaOH40-60
Na3PO4.12H2O15-30
Na2CO350
Na2SiO33-5
温度70-80℃
电流密度2-5A/dm2
时间5-10min
7
热水洗
H2O
温度70-90℃
时间0.5min
8
冷水洗
H2O
温度室温
时间0.3min
9
浸酸
组分ml/l
98%H2SO423037%HCl270磺化煤焦油10g/l
温度50-60℃
时间1min
10
冷水洗
H2O
温度室温
时间0.5min
13
镀铬
组分g/l
铬酐（CrO2）250
H2SO4（r=1.84g/cm3）1.5
氟硅酸（H2SiF8）0.75
硒酸钠（NaSeO4）0.015
温度55℃
电流密度50A/dm2
电流效率18%
时间29min
14
冷水洗
H2O
温度室温
时间0.5min
15
空气中加热法
电阻炉加热100℃
加热时间2.5h
五、生产任务分析
5.1电镀时间分析
根据电镀的镀液计算电镀的时间，其计算公式如下：
（4-1）
（4-2）
式中:
d—镀层厚度（μm）;
一阴极电流密度（A/dm2）；
—电流效率（%）；
K—析出金属的电化当量（g／（A•h））；M―析出金属的摩尔质量；
z—得失电子数；F—法拉第常数;
根据电镀配方的要求，镀铬过程中：
=50A/dm2，
=18%,
其中，M=51.996g，z=6,F=96500,根据公式（4-1）可知：
电化当量K=51.996/（6*96500*60）=0.323g／（A•h）
其中，
=50A/dm2，
=18%，铬密度p=6.9g/cm3,d=100um,根据公式（4-2）可知：
镀铬时间t=60*6.9*100/（100*0.323*0.18*50）=142.4min
5.2生产产量分析
根据生产设计要求设计生产批次和班次以及生产线数目。
每批次的时间：
由于镀件较小，则零件的装卸较简单，一般为2-5min,而镀液的更换每班次更换一次，期间对镀液进行药品添加，其时间为3-5min。
t=t镀铬+t装卸+t镀液更换=142.4+2+3=147min
每天生产批次：
按照三班制，每班8小时,每班交接设备检修10min,每班交接时第一次镀前处理所有时间为21min，21min为前处理时间，37min为前处理工艺操作延长时间，其他前处理时间可以与电镀过程同步;
n=（24×60-20-21-37）/147=9（批）
每批次生产数目:
根据挂具设计中每个挂具挂24个零件，电镀槽2个，每个镀槽两个挂具，则一批次电镀零件数n=96（件）
根据国家规定，正常上班与加班时间可达306天。
则年产量N=306*96*9=264384（件）
六、生产设备设计
电镀设备是电镀过程的必需条件，其结构和性能与电镀生产的产量、质量和经济效益有直接的关系。
因此选用合适的电镀设备是电镀生产中必备的条件。
电镀设备包括各种镀槽及其辅助设备（加热、冷却、导电装置）、电源设备和其他辅助设备（通风、过滤设备）、挂具、电镀自动生产线等。
6.1挂具
挂具的作用是将零件悬挂到电镀液中，并和电极相连接，使电流较均匀地传递到零件表面上而进行电镀。
6.1.1形式和结构
电镀挂具的形式是根据零件的形状、镀层技术要求、电镀工艺和设备大小来决定的。
挂具的形式应具有悬挂稳定、较坚固、不易变形、使用与手工和机械操作。
挂具的结构较为简单，由吊钩、主杆、支杆、提杆、挂钩五个部分组成。
其形式如下图所示:
6.1.2外形尺寸
挂具的外形尺寸应根据零件和电镀工艺要求确定，合理的挂具尺寸有利于提高生产效率及保证电镀质量。
挂具的材料根据镀层性质选择，一般镀铬工艺中选用紫铜作为主杆和支杆的材料。
一批次零件个数n：
n=48一个镀槽两个挂具，每个挂具24个两件；
一批次零件总质量M：
M=48×m=14.88kg，则每个挂具承担零件重量7.44kg；
挂具主杆的横截面积
（4-1）
（4-2）
A—挂具主杆的横截面积，mm2
S—零件的有效电镀米面积，dm2
—电流密度，A/dm2，
=50A/dm2
m—主杆数目,m=1
n—零件数目,n=16
K—常数，一般紫铜为6
D—主杆的直径
根据公式可知，挂具主杆的直径：
A=114mm2D=12.05mm
由于紫铜的允许电流与其截面尺寸有关，则必须考虑紫铜的尺寸与导电能力的关系,其如下表所示。
紫铜挂具材料的最大电流密度范围
材料名称
挂具横截面积/mm2
最大允许电流密度范围/（A/mm2
最大许用电流（A）
10-150
5.0-2.5
镀铬的电流值
I=S
（4-3）
—电流密度，A/dm2；I—电流；S—截面积
则I=50×0.57×24=684A，
根据上述公式：
取D=14mm，A=153.86mm2的紫铜材料。
则实际提供电流I=153.86×4.5=692A>684A,满足要求，在实际范围内。
挂具形状如图6-1所示：
挂具外形尺寸设计参考数据如下表所示:
挂具外形尺寸设计参考数据
参考条件
参考数据（mm）
挂具底部离槽底
150
溶液面距离槽口部
150
溶液面距电镀零件
50
挂钩纵向间距
80
挂具和槽壁的距离
60
挂具装载重量
1-3kg
零件间距离
150
挂具两侧零件与阳极距离
100
提杆距液面间距
120
挂钩横向间距
150
挂钩与主杆间距
100
支杆与支杆间距
100
6.1.3挂具组成
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