李 丹 袁建虎 沈新民 殷 勤 段海欽

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

工程裝備是軍隊(duì)專門用于工程保障的裝備，是戰(zhàn)場(chǎng)建設(shè)、作戰(zhàn)工程保障和非戰(zhàn)爭(zhēng)軍事行動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。隨著新技術(shù)在工程裝備中的運(yùn)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(jīng)常在各種惡劣自然環(huán)境和復(fù)雜條件下作業(yè)，使用強(qiáng)度高，因此大大增加了故障率和損壞率。修理?yè)p壞的工程裝備使其“再生”，具有顯著的軍事效益和經(jīng)濟(jì)效益[2]。液壓系統(tǒng)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(tǒng)的重要部件，其好壞會(huì)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(fù)的效率和精度，是提高裝備保障能力、維持其作業(yè)效能以及促進(jìn)戰(zhàn)場(chǎng)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(fù)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(yōu)良性能的復(fù)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(fù)的需求。本文基于電化學(xué)沉積原理的確定性修復(fù)技術(shù)，設(shè)計(jì)研制了基于電化學(xué)沉積原理的精密件確定性修復(fù)裝置，克服了電槽鍍和電刷鍍后還要對(duì)鍍層進(jìn)行二次加工的難題。

1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

確定性修復(fù)裝置結(jié)合電化學(xué)沉積的特性，通過光譜分析準(zhǔn)確測(cè)量和控制沉積液成分濃度，利用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制沉積區(qū)域、路徑和時(shí)間。通過對(duì)鍍層成分、厚度以及形狀的精確控制，實(shí)現(xiàn)工程精密件的高質(zhì)、快速修復(fù)[8]。修復(fù)裝置結(jié)構(gòu)，如圖1所示。先將特定配比成分的電化學(xué)沉積液盛放入沉積液容器，再由蠕動(dòng)泵將電化學(xué)沉積液送至自吸式沉積噴嘴。電化學(xué)沉積液自中心部位的噴嘴噴出，觸及精密件表面，結(jié)合電源電極形成電化學(xué)沉積效應(yīng)，其余廢液通過噴嘴的循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)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(huán)控制模塊、材料夾持模塊以及三自由度運(yùn)動(dòng)模塊。各模塊的具體組成如圖2所示。

圖1 修復(fù)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 修復(fù)裝置的組成

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

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(nèi)，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(jì)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(xué)沉積容器流量閥的開關(guān)，控制電路調(diào)節(jié)滴液瓶中補(bǔ)充液的流動(dòng)速度，進(jìn)而穩(wěn)定沉積過程中沉積液內(nèi)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(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)模塊

3自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是將噴嘴固定在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，通過確定性表面成形理論的三維運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同位置的沉積。系統(tǒng)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(tǒng)、行程開關(guān)以及LED防水工作燈等組成，如圖4所示。系統(tǒng)將程序轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制脈沖信號(hào)的頻率實(shí)現(xiàn)速度的穩(wěn)定進(jìn)給，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠線性模組，采用PLC脈沖獨(dú)立控制X軸、Y軸和Z軸的運(yùn)動(dòng)，由脈沖的數(shù)量控制各軸的位移量，從而實(shí)現(xiàn)3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。

圖4 3自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)物圖

確定性修復(fù)3自由度運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要有自動(dòng)和手動(dòng)2種工作模式。手動(dòng)模式可以手動(dòng)控制X軸、Y軸和Z軸的移動(dòng)。自動(dòng)模式可以實(shí)現(xiàn)程序的自動(dòng)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(huán)控制模塊

2.3.1 循環(huán)系統(tǒng)

沉積液循環(huán)系統(tǒng)通過蠕動(dòng)泵將容器內(nèi)的沉積液送至噴嘴內(nèi)腔。阻尼器能夠消除蠕動(dòng)泵帶來的液體流速波動(dòng)，保證沉積液流動(dòng)的平穩(wěn)性。真空泵能夠降低容器內(nèi)壓強(qiáng)，使沉積液可以通過噴嘴外腔被吸回容器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)沉積液的循環(huán)。沉積液循環(huán)系統(tǒng)實(shí)物圖，如圖6所示。

圖6 循環(huán)系統(tǒng)

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?qū)崟r(shí)回收金屬基體表面的剩余沉積液，在噴頭的內(nèi)部形成電化學(xué)沉積所需的陽(yáng)極電位。針對(duì)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(jù)實(shí)際需要研制的噴嘴，如圖7所示。其中：圓形噴嘴外腔內(nèi)壁尺寸規(guī)格有Φ9 mm、Φ11 mm、Φ13 mm、Φ15 mm；正方形噴嘴的外腔內(nèi)壁尺寸規(guī)格有9 mm×9 mm、11 mm×11 mm、13 mm×13 mm、15 mm×15 mm；長(zhǎng)方形噴嘴的外腔內(nèi)壁尺寸規(guī)格有9 mm×12 mm、11 mm×16 mm、13 mm×20 mm、15 mm×24 mm。

圖7 噴嘴實(shí)物圖

3 結(jié)語

基于電化學(xué)沉積原理的確定性修復(fù)技術(shù)，設(shè)計(jì)研制了基于電化學(xué)沉積原理的確定性修復(fù)裝置。將復(fù)合顆粒均勻懸浮在基質(zhì)金屬沉積液中，利用電化學(xué)陰極還原方法，使基質(zhì)金屬與復(fù)合顆粒沉積于工件表面形成復(fù)合鍍層。測(cè)試結(jié)果表明，該裝置可以通過調(diào)節(jié)沉積液成分與配比控制鍍層的成分和性能，并通過調(diào)節(jié)噴嘴運(yùn)動(dòng)控制沉積區(qū)域與鍍層厚度，直接完成對(duì)液壓精密件磨損部位的高質(zhì)、快速修復(fù)。利用該裝置可對(duì)受損液壓精密件進(jìn)行快速確定性修復(fù)，節(jié)約時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，提高了工程裝備的修復(fù)率和使用率，對(duì)提高工程裝備保障能力具有重要意義。