[分享] 航空航天零件硬鉻電鍍工藝專業仿真評估工具（格麟倍）

工業鍍硬鉻是一個相當復雜、漫長和勞動密集的過程：通常，鍍鉻槽的陰極電流效率較低，導致沉積速度有限，在任何尺寸的零件上沉積厚度為25μm的鍍層大約需要一個小時。在大多數情況下，硬鉻電鍍工藝要求使用輔助工裝，這使得工藝對操作員的依賴性很強，因此極易出錯。根據福克起落架BV團隊的期盼，供應商通過開發專用的仿真技術來實現獨立開發以及流程的簡化是他們所希望看到的。此外，在掛具及工裝設計過程中依靠電鍍模擬方法，可以減少傳統“經驗設計-現場試制-糾錯”的開發模式帶來的工裝設計迭代次數。

第四次工業革命（或工業4.0）的當前時代正在改變傳統的制造業和工業習慣。推動這一轉變的技術趨勢之一是決策和解決問題過程中的智能技術援助。工程師在日益復雜的工作中也越來越需求智能技術的支持，并且迄今為止，通過現代智能技術的實施，這一問題得到了很好的解決。計算機建模與仿真是智能技術中的一種，它可以在虛擬模型中反映物理世界。這種智能制造方法允許操作員在引入任何實際物理變化之前測試和優化虛擬世界中的工藝設置，從而降低對操作員的依賴性并簡化流程管理。

福克起落架公司的開發團隊在他們的硬鉻電鍍工藝開發過程中已經開始尋求計算機建模分析。這種智能制造技術的幫助有助于評估傳統的“經驗設計-現場試制-糾錯”開發模式帶來的工裝結構設計問題，以獲得更好的工裝性能。Elsyca公司內部開發的Elsyca PlatingManager電鍍模擬技術用于解決以下問題：

Elsyca PlatingManager是最先進的圖形模擬平臺，用于分析電鍍過程的生產性能和質量。根據實際電鍍線設置的虛擬實體模型進行模擬，包括待加工零件的三維模型、槽配置、工藝參數和所用的電鍍溶液。Elsyca PlatingManager模擬技術使用基于有限元分析（FEA）的技術來解決電流密度的分布，并根據法拉第定律計算金屬層厚度。關于金屬層厚度分布和質量結果的詳細信息（表面積不足和過鍍），可用于機架上的每個零件和考慮的每個電鍍步驟。與現場測量結果相比，模擬結果的高精度是通過對所用電鍍溶液的預先電化學表征實現的，這為工藝性能提供了無與倫比的洞察力。此外，還定義了最佳的工藝參數操作窗口，在保證表面質量的同時，避免了鉻燒傷等表面缺陷。

Elsyca PlatingManager仿真平臺是用于評估電鍍幾何復雜零件（如渦輪葉片、液壓驅動部件、噴嘴和導向閥）的專用工具。在福克起落架BV的項目中，Elsyca PlatingManager仿真軟件用于優化起落架軸零件的鍍硬鉻工藝，其中必須采用復雜的工裝設計。此外，實際的電鍍槽配置允許主槽陽極（數量、位置和長度）的多功能布置，增加了整個工藝配置的復雜性。為了在電鍍槽的虛擬實體模型中反映這種多功能性，Elsyca的軟件開發團隊定制了PlatingManager平臺，可以自動調整槽模型，使其朝向真實槽的實際（可調）陽極配置，而無需對內部的PlatingManager模型進行手動更改。

在福克公司的硬鍍鉻模擬項目中，通過對現場工裝結構進行多次現場試驗和誤差反復修改，首次對根據經驗開發的仿真概念進行了試運行。初始仿真模型考慮了最后評估的工裝設計，其中現場性能導致在軸部件的臨界直徑上出現“波浪狀”鉻沉積（圖1:A1和A2）。將PlatingManager模擬模型設置為相同的工藝和工裝配置，獲得的模擬結果表明類似的觀察結果：可以看到在零件臨界直徑周圍形成“波浪狀”的鉻沉積（圖1:B）。需要說明的是，Cr層的厚度分布是由顏色圖表示的，其中不同的顏色代表不同的厚度值。在本項目中，紅色表示高厚度區域（厚度過大），而藍色突出顯示低厚度區域（厚度不足）。這種直觀的評估方法直接指出了需要進一步解決的表面質量問題。為了解釋和消除 “波浪狀”鉻層的形成，現場進行了幾次工裝調整方案。同時，利用仿真模擬技術來解決相同的質量問題 ，從結果來看，傳統的“經驗設計-現場試制-糾錯”的開發模式可以解決“波浪狀”鉻沉積的問題，但是需要經過數輪的驗證，浪費了大量的時間和物力。然而，通過仿真技術，只需要幾個快速的計算就可以得出相同的結論： “波浪狀”的鉻沉積形成是由面向軸零件臨界直徑的工裝部件中存在的某些開口造成的。一旦開口關閉，并且面向直徑的模具部件呈實心形狀，就可以實現均勻的鉻沉積分布（圖1:C）。

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在第一次成功評估后，仿真計算模型隨后被用于改進剩余的工裝組件設計，然后分析影響鉻沉積在軸零件其他臨界直徑上的分布。如圖2所示，仿真結果顯示鉻層分布會發生以下變化：底部直徑（D1）現有的沉積特征具有向上過沖的趨勢，直徑2（D2）的沉積均勻性有所改善，而直徑3（D3）幾乎沒有觀察到過沖。利用這一仿真結果，對現有工裝設計方案進行優化，并將優化方案進行現場試制，同時將基于計算機建模開發的仿真計算結果與傳統的“經驗設計-現場試制-糾錯”開發獲得的結果進行比較。

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圖2：軸零件臨界直徑上的硬鉻沉積

• D1----直徑1；
• D2----直徑2；
• D3----直徑3。
• 不同的顏色代表不同的鉻層厚度，其中紅色表示膜厚過高的區域，藍色表示膜厚較低的區域。

圖3顯示了直接在電鍍零件上觀察到的Cr層分布的一些差異：值得注意的是，在傳統開發方法試制出的零件膜厚分布顯示，沉積的Cr層較差（圖3，左圖）----鉻層要么是過度沉積，從而減小了兩種直徑之間的電鍍間隙，要么是電鍍厚度不足，導致仍要電鍍的表面區域缺乏沉積。根據預測建模方法開發的工裝設計方案下的膜厚沉積結果顯示（圖3，右圖），電鍍間隙的尺寸得到了改進，并且朝邊緣點生長的鉻層具有更好的長度。盡管如此，由于邊緣點尚未完全接近，仍應進行一些有關工裝性能的小優化。

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圖3：傳統開發模式（左圖）和仿真優化工藝開發（右圖）的零件性能的比較。

根據所進行的分析，福克的開發團隊指出，仿真分析方法，特別是Elsyca PlatingManager仿真技術，可以顯著改善工裝設計過程：只需通過仿真軟件進行多次迭代，就可以得出最合適的工裝設計方案，這大大減少了現場試制及糾錯的次數，并且解決和消除沉積鉻層的質量問題（圖案和覆蓋不良）。另外，盡管后續有些小的工藝或工裝變更可能是不可避免的，但在設置實際電鍍工藝之前，依靠仿真技術可以為進一步的工藝和工裝調整提供了一個更好的起點。此外，通過仿真分析技術，工裝設計所需的時間以及相關的制造成本都減少了，這對資本支出（CAPEX）和運營費用（OPEX）有很大影響。