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七、电镀设备

钕铁硼电镀设备与普通电镀设备无本质区别,但因钕铁硼特殊的表面物理化学性质,钕铁硼电镀设备又有其自身的特殊性。

1.滚筒

滚筒是滚镀设备的核心部件,其实不仅仅钕铁硼,其他零件也一样,选用的滚筒是否合理对产品质量的影响至关重要。只是钕铁硼滚筒比普通零件滚筒的讲究更多一些,主要表现在滚筒尺寸(或大小)、滚筒转速及滚筒透水性等几方面。

(1)滚筒尺寸(或大小) 

滚筒尺寸(或大小)的选择主要受钕铁硼材质两种特性的影响:①钕铁硼零件极易氧化,因此施镀开始后应尽快上镀,以阻止其表面氧化进程,提高镀层结合力,从滚筒的角度讲,零件的混合周期越短,上镀速度就越快,所以钕铁硼滚筒应为零件提供尽可能短的混合周期;②钕铁硼材质脆性大,因此零件在滚筒内的翻动不能太强烈,否则表面容易受到不同程度的损伤。

由此不难看出,符合以上两点要求的其实是一种小滚筒。小滚筒可为零件提供短的混合周期,上镀速度快,则镀层结合力好。同时,小滚筒对零件的翻动强度小,则零件受损轻。实践证明,钕铁硼电镀采用小滚筒,可获得结合力及表面质量好的镀层,而采用大滚筒则相反。

但小滚筒产能低,生产效率低,所以钕铁硼滚筒尺寸(或大小)选择的关键,是在镀层品质与滚筒产能之间找到一种平衡,该平衡应同时满足钕铁硼电镀“质”和“量”的双重要求。从多年的生产实践看,钕铁硼滚筒的载重量以3~5kg(指标准零件重量,钕铁硼加钢球陪镀后可能超过此数)为宜。过大,镀层结合力差、零件容易磕角或磕边、品质差;过小,滚筒产能低。

选用小滚筒固然可以满足钕铁硼电镀高品质的要求,但3~5kg的滚筒若用于规模化生产,则恐怕问题很大。比如,某钕铁硼厂每天滚镀锌量在1t左右,用3~5kg的滚筒去满足1t/天的生产量(每滚筒的施镀时间约1.5~2h),则只有增加滚筒数量,一般需要五六十只甚至更多。区区1t滚镀锌活儿,却需要这么大数量的小滚筒,无疑没能较好地发挥滚镀劳动生产效率高的优势。而普通钢件同样滚镀1t活儿(普通钢件可以采用大滚筒),可能需要两三个滚筒就够。所以,钕铁硼电镀是靠滚筒尺寸小且数量多来满足其“质”和“量”的双重要求的,钕铁硼滚筒的“小”而“多”,构成了钕铁硼电镀的一大特色。

(2) 滚筒转速 

钕铁硼滚筒选择合适转速的难点在于,既希望转速快以缩短零件的混合周期,又希望转速慢以减轻零件表面的受损程度。这是一个两难的、矛盾的选择。使用直径小一些的滚筒可使该难题得到一定的解决。因为滚筒直径小,零件运行的线速度小,则在提高滚筒转速的同时,零件线速度未必比滚筒直径大、转速慢时加快,线速度不加快则零件受损不加重,因此可以达到滚筒转速高而零件受损轻的目的。

但滚筒直径小,载重量必然受到影响,设备产能低。这时可适当增加滚筒的长度,以尽可能增加滚筒载重量。这样,适合钕铁硼电镀的实际是一种细长型小滚筒。

(3) 滚筒透水性 

钕铁硼滚筒对透水性有更高的要求。因为钕铁硼比普通钢件容易氧化得多,透水性好可以使用大的电流密度,以加快上镀速度,提高镀层结合力。并且透水性好对深孔或复杂零件,还可提高孔内或深凹部位的镀覆能力。但要求滚筒透水性好,还应保证可靠性高。因为钕铁硼电镀量大,每筒施镀时间长,则滚筒使用时的疲劳强度大,若可靠性不佳,难以经受住钕铁硼电镀的高强度使用。

所以,钕铁硼滚筒既要透水性好,又要皮实、耐用、可靠性高,应做到透水性与可靠性的和谐统一。一般,应根据零件尺寸(或大小)来选择滚筒的开孔方式。滚镀普通零件可选择开孔率30%左右的注塑方孔滚筒,比如2×2.5mm方孔,可满足透水性与可靠性的双重要求。普通零件若选择圆孔滚筒,孔的密度应尽量大一些,比如孔径¢2mm或¢2.5mm、开孔率22%~26%的圆孔滚筒。滚镀小点儿的零件可选择开孔率17%左右的长条孔滚筒,比如0.7×5.5mm长条孔,而不宜选择小孔径的圆孔滚筒,因为滚镀同样的零件,小孔径圆孔滚筒可能比长条孔滚筒开孔率低3~5倍,开孔率低电流不易开大,则可能影响镀层结合力。滚镀更小的零件可选择开孔率40%~50%的网孔滚筒,网孔滚筒透水性极好,可开大电流以降低对镀层结合力的影响,此时不宜选择开孔率较低的长条孔滚筒,尤其不宜选择为迎合零件尺寸而开孔率极低的小孔径圆孔滚筒。但网孔滚筒可靠性稍差(网孔易被钢球陪镀上沉积的粗晶划破),滚筒寿命相对会短一些,滚筒售价也会较高,诚然,这就是鱼和熊掌的问题了。

一种方孔滚筒

2.自驱动滚镀机 


早期的时候,钕铁硼电镀多采用自带电机的自驱动滚镀机,量小时三、五台,量大时可能三、五十台。一般,不按工艺流程排成流水线全部采用滚筒生产,而是电镀工序上滚筒,其他工序在滚筒外操作。滚筒运送方式采用手工。这种形式操作时受生产线流程的影响小、灵活性强,只要选择合适规格的滚筒,一般均能获得比较理想的镀层质量。之所以采用这种形式,是因为钕铁硼电镀起步较晚,大概在上世纪八十年代末、九十年代初的样子,而当时并没有专门为钕铁硼电镀量身定做的滚镀设备,就只能什么现成用什么了。

自驱动滚镀机

但自驱动滚镀机的电机与滚筒连在一起,滚镀机自重较重,装零件后更重,且滚筒非行车运送而是手工运送。因此规模化电镀生产时工人劳动强度大,并同时造成生产效率低、产量难以保证等问题。可以说,这是一种高质但不高产的生产形式。另外,电机在滚筒上方,生产时受腐蚀的机会多,电机损坏率高,稳定生产容易受到影响。所以,随着钕铁硼生产规模的不断扩大,这种形式越来越不适应钕铁硼电镀的生产,以至于目前顶多用于实验室做试验,或极个别的小批量生产。


早期的自驱动滚镀机一般采用220V交流电机,除滚镀机自重较重外,操作时需要频繁地插拔电源,繁琐且不安全。后来出现了自带低压直流电机的形式。这种形式只需将低压直流电信号输至镀槽边,滚镀机落至镀槽后接受信号即可转动,操作简单且低压电安全系数高。但若滚镀机数量较多,不配备运送行车的话,工人劳动强度一样很大,且因直流电机成本高,滚镀机数量越多就越不经济。


3. 多头滚镀机 


钕铁硼多头滚镀机,顾名思义,是一只镀槽配多只滚筒,多只滚筒共用一套电机驱动装置,并通过链条或总传动轴带动各个工位的滚筒转动。一般,以一个镀槽配四只滚筒的形式较多,俗称四头机。也可根据产量调整为两头机或五头机等。

四头机

这种形式源自韩国,一般认为由自驱动滚镀机演变而来,国内最早出现于1999年末至2000年初。优点是滚筒与电机分开,滚筒自重减轻,工人劳动强度降低。其次,滚筒驱动及传动装置等设置在镀槽边,可靠性大大提高,稳定生产得以保证。


另外,每台四头机可配置一台集成化电气控制柜,简称配电柜,配电柜将电镀电源设备及四头机、过滤机、温控器、自动加液机等的电气控制部分集成在一起。这样的话,四头机、配电柜及过滤机、温控器、自动加液机等其他周边设备共同组成一套完整的系统。采用这种系统生产时,虽然滚筒操作方式为手工,但设备整齐、简洁、不失档次,且可多点实现自动化控制(如控温、加液、PH值等)。可根据产量确定每个镀种所需系统的套数。每个镀种由一套或多套这样的系统组成,即单镀种生产线。多镀种生产线则由多个这样的单镀种生产线组成,如预镀镍线、镀铜线、亮镍线共同组成镍-铜-镍滚镀生产线。目前,这种方式在国内钕铁硼电镀行业应用较为广泛。


这种方式属于手工生产线,除电镀工序外,其他操作(如水洗、活化等)均在滚筒外进行,且每个镀种的滚筒专用,不混用。优点是清洗彻底,不会造成各镀种溶液交叉污染,且操作灵活,生产效率高,产品质量有保障。缺点是工人劳动强度大,难以满足清洁生产要求,人为因素有时会对产品质量带来一定的影响等。


4. 半自动/自动生产线


钕铁硼半自动/自动生产线可在四头机手工生产线的基础上,增加辅助工位、机架、半自动/自动行车等组成。钕铁硼选用这种形式,主要目的是在减轻工人劳动强度的同时,减少人为因素,提高产品质量,并且提高劳动生产效率,即实现钕铁硼电镀高质高产的双重目的。目前来看,这种形式的优点是工人劳动强度降低,容易满足清洁生产要求,自动线一定程度上解决了手工线、半自动线人为因素对产品质量带来的影响等。

半自动/自动生产线

但实际上,由于钕铁硼主要使用小尺寸滚筒,数量较多,半自动/自动行车运送滚筒并没有手工线效率更高、更快捷。尤其镍-铜-镍组合滚镀生产线,为了清洗彻底、不产生交叉污染,需要增加数量较多的辅助工位,这相应限制了电镀工位的增加,生产线产能降低。所以,钕铁硼半自动/自动线的生产效率并不高。另外,钕铁硼零件品种多、批量大,但单一品种可能批量小,且品种不同,对镀层的装饰、防腐、磁屏蔽等要求也多有不同。所以,指望灵活性不足的半自动/自动线包揽钕铁硼全部产品的滚镀,显然是不现实的。


钕铁硼半自动/自动线可以参考手工线的每个镀种单独成线(辅助工位也可不上线)的形式,这样可以将半自动/自动线的降低工人劳动强度、手工线的灵活性、不产生交叉污染等优势综合在一起。另外,尤其自动线比较适于品种单一、批量大、工艺成熟的零件,钕铁硼自动线应有选择性,而不宜针对太多的零件。所以,钕铁硼生产线应是手工线、半自动线和自动线的配合使用,而不是要么全是手工线、要么全是自动线的两个极端。


另外,自动线投资大,周期长,维护费用高,操作人员难以灵活使用和熟练掌握,管理难度大等,这一点应该有充足的认识。


5.电镀电源


钕铁硼电镀要求整流电源应满足两个条件:(1)(尤其打底或直接镀时)能够提供连续、平稳、低纹波的电流;(2)皮实、耐用、可靠性高。因为打底或直接镀时,施镀开始后零件表面同时进行着上镀与氧化两个过程。上镀快,氧化就慢,则镀层与基体的结合力好;上镀慢则相反。连续、平稳、低纹波的电流利于上镀不利于氧化,因而利于提高镀层结合力。非打底或非直接镀时,则可按常规滚镀选择整流电源,比如滚镀焦铜若选择纹波系数较大或断续的电流可能更利于镀层结晶(前提是底镍必须足够好)。要求整流电源可靠性高,是因为钕铁硼电镀施镀时间长、疲劳强度大、质量要求高、材料昂贵。否则,可能因设备损坏使整滚筒零件报废,而一滚筒(高档次)钕铁硼产品不会比一台电源便宜多少。


三相桥式硅整流电源波形连续、平稳、纹波系数小,设备可靠性高,前些年在钕铁硼电镀行业应用较为广泛。但近些年应用在逐年减少。原因有二:(1)硅整流体积大、费电,所以逐渐不为人们所接受,也有地区因不符合清洁生产要求而强制禁用的;(2)硅整流因无稳压功能,在一台硅整流带动四头机的四个滚筒时(即一台硅整流同时为四个滚筒提供电流,俗称“一对四”),电流不能随滚筒数量的增减按比例增减,有时需要对电流进行调整,增加了操作上的繁琐。


开关电源波形好、体积小、省电,符合清洁生产要求,具备稳压、稳流功能(尤其稳压功能),所以越来越为人们所接受。但设备可靠性相对于硅整流稍差,尤其前些年开关电源故障率较高,曾给钕铁硼电镀带来不少麻烦。近些年开关电源比较成熟,尤其在设备防腐上做得比较到位,电源故障率降低,寿命也提高。所以,至少质量好的开关电源可以放心选用,而劣质开关电源仍应慎选。


脉冲电源虽然能获得结晶细致、孔隙率低的镀层,但因脉冲电流是断续的,若用于钕铁硼打底或直接镀,在脉冲关断期内,上镀过程停止而氧化过程加快,且这样的过程周期性地进行,结果必然得到结合力不佳的镀层。压力锅试验证明,钕铁硼采用脉冲电源打底,镀层结合力明显不如普通直流电源好。另外,脉冲电源若用于钕铁硼镀层加厚,虽然可得到防腐性能有所提升的镀层,但因脉冲电源价格昂贵,恐怕得不偿失。

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