Сравнительный анализ автоматизации гальванической обработки в мелко - и крупносерийном производстве

УДК 658.512:621.77:62-52

В-19

Н. Г.ВАСИЛЬЕВА, Л. Н. ГРАЧЕВА

N. G.VASILEVA, L. N.GRACHEVA

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ АВТОМАТИЗАЦИИ ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ В МЕЛКО - И КРУПНОСЕРИЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

The COMPARATIVE ANALYSIS of AUTOMATION of GALVANIC TREATMENT In small - And bigseries PRODUCTION

В данной статье авторы выполнили сравнительный анализ автоматизации гальванической обработки в мелко - и крупносерийном производстве. Определили основные технологические параметры характеризующие, качество гальванических покрытий, а так же устройства и методы их регулирования. Выявили причины низкого уровня автоматизации мелкосерийного производства на машиностроительных предприятиях России.

Ключевые слова: гальваническая обработка; мелко - и крупносерийное производство; автоматизация гальванического производства.

In this article the authors have executed the comparative analysis of automation of galvanic treatment in a small - and bigseries production. They have Defined the basic technological parameters, characterizing the quality of galvanic coverages and also similarly devices and methods of their adjusting. There were Exposed the reasons of low level of the smallseries computer-aided manufacturing on the machine-building enterprises of Russia.

The Keywords: the galvanic treatment; the small - and bigseries production; the galvanic computer-aided manufacturing.

Отличительная особенность гальванического производства в том, что оно необычайно широко распространено – имеется практически на любом предприятии, связанном с изготовлением металлических деталей и изделий. Широкое применение гальванических покрытий вызывает большое разнообразие гальванических цехов, как по видам обработки, так и по производительности оборудования.

Если до начала 90-х годов особое внимание уделялось усилению специализации и интенсификации производства, то в настоящее время на первое место выходят гибкость и универсальность. Сейчас большинство гальванических производств с высокопроизводительными автоматами простаивает, а небольшие участки с механизированными линиями и линиями ручного обслуживания, составленными из стационарных ванн, все более и более развиваются. Одним из подобных примеров является гальванический цех Кумертауского авиационного производственного предприятия, представляющего собой механизированный участок стационарных гальванических ванн.

Применение такого участка оправдано в условиях многономенклатурного мелкосерийного производства при сравнительно небольших массогабаритных и количественных характеристиках обрабатываемых деталей, так как существуют:

- ряд специфических требований (локальная и временная изоляция поверхностей деталей, которая может возникнуть в процессе обработки);

- ограниченность видов технологических приспособлений (подвес, корзина);

- ограничения в материально-технических возможностях пользователя.

Сложность такой системы управления ограничивается сверху командой «от кнопки – на операцию», а снизу – простым ручным перемещением обрабатываемых деталей по технологическим агрегатам.

В тоже время качество гальванической обработки деталей, а следовательно, и их срок службы, зависят от точного выполнения требований, предписываемых технологическими документами, во время предварительной обработки (электро - и химического обезжиривания, декапирования, промывки и т. д.), основного процесса (осаждения, покрытия) и последующей обработки (промывка, сушка и др.), поэтому необходим условием нормального функционирования участков и линий является правильная работа механизмов и устройств регулирования параметров технологических режимов процессов электроосаждения и процессов предварительной и последующей обработки.

Параметры, характеризующие процесс гальванической обработки изделий в зависимости от возможности их измерения и регулирования в ходе процесса можно разделить на три группы:

- измеряемые и регулируемые (катодная плотность тока, кислотность электролита, температура и уровень электролитов, длительность процесса обработки, величина pH и др.);

- измеряемые, но не регулируемые параметры (например, прочность сцепления покрытия с основой);

- неизмеряемые и нерегулируемые (концентрация посторонних ионов в электролите, характер кристаллизации металла и др.).

Электролитический процесс осаждения металлов из растворов солей в гальванических ваннах под действием электрического тока в основном определяет свойства гальванических покрытий (прочность сцепления, степень равномерности покрытия на поверхности изделия, его пористость, а так же внутренние напряжение, существующие в покрытии).

Электрохимическая коррозия металлов, являющаяся результатом работы большого числа гальванических элементов, образующихся на поверхности изделий во время эксплуатации, значительно ускоряется при наличии электрохимической гетерогенности коррозируемой поверхности. Электрохимическая гетерогенность поверхности обусловлена в большой мере неоднородностью структуры, химическим составом, толщиной покрытия связанной с неравномерностью распределения электроосажденного металла на поверхности изделий, являющейся главной проблемой гальванотехники.

Решение этой проблемы является одной из сложнейших задач, так как равномерность распределения металла на изделии (катоде) зависит от очень многих одновременно действующих фактов: геометрических (форма и размер электролизера и электродов и их взаимное расположение); электрических и электрохимических (поляризация, электропроводность электролита и т. д.); природа и состояние поверхности покрываемого металла, предварительная обработка катодной поверхности, и др.

Для улучшения равномерности толщины гальванических покрытий на практике применяется ряд искусственных приемов, важнейшими из которых являются:

- применение дополнительных анодов, примерно повторяющих форму покрываемых изделий;

- увеличение расстояния между анодными и катодными штангами;

- применение дополнительных защитных катодов;

- применение непроводящих щитов или экранов.

Однако, эти приемы трудоемки, нетехнологичны и ограничены номенклатурой изделий, что делает невозможным их использование на участках в условиях многономенклатурного мелкосерийного производства. В этой связи значительный интерес представляют методы управления равномерности толщины гальванических покрытий, включающие управление процессами электроосаждения на основе информации, поступающей от измерительных устройств, в качестве которых используются датчики плотности тока, поскольку величина плотности тока в гальванической ванне в основном определяет скорость процесса электоосаждения и многие качества покрытий.

Все же не смотря на большое многообразие методов и устройств управления равномерностью толщины гальванических покрытий, необходимо отметить ряд недостатков, затрудняющих их использование: известные методы управления равномерностью толщины гальванических покрытий применимы в основном для серийных деталей; использование датчиков для измерения плотности тока на деталях, ограничивается сравнительно высокой погрешностью измерений (до 10-15%) и тем обстоятельством, что распределение тока непосредственно на деталях не соответствует распределению тока в точке его измерения.

Температура технологических агрегатов так же является, важнейшим параметром, обеспечивающим качественную обработку деталей на участке или линии. Имеется связь между качеством гальванопокрытий и температурой электролитов ванн покрытий, растворов и воды ванн предварительно и последующей обработки и воздуха ванн сушки.

В современных подсистемах управления температурой, реализуемых на участках в качестве датчиков температуры используются, как правило, двойные платинное термометры сопротивления, один из выходов которых подключается к ЭВМ, а с другой – ко вторичному прибору измерения и регулирования температуры. Их выбор обусловлен в основном высокой агрессивной стойкостью и взаимозаменяемостью в процессе эксплуатации. В качестве вторичных приборов, включающих двух - или трехпозиционные регулирующие устройства, в подсистемах управления температурой используются уравновешенные автоматические мосты переменного тока, как правило, многоточечные, позволяющие измерять и регулировать температуру по нескольким каналам.

К недостаткам подсистем управления температурой необходимо отнести:

- отсутствие связи механизма функционирования подсистемы управления температурой с характером процесса поступления деталей на обработку, что приводит к непроизводительному расходу энергоресурсов используемых для поддержания температурных режимов технологических агрегатов;

- сравнительная низкая надежность исполнительных механизмов для регулирования температуры, вызванная их частым срабатыванием при реализации на участке или линии наиболее распространенных на настоящее время методов двух - или трехпозиционного регулирования температуры.

Уровень электролитов растворов является не менее важным параметром характеризующим состояние гальванических ванн. Его изменения вызваны испарениями электролитов и растворов в окружающую среду и их выносом из ванн деталями. Учитывать изменения уровня электролитов и растворов особенно важно при длительном времени обработки детали в гальванических ваннах, так как возможны случаи неполного погружения деталей, в результате чего ухудшается качество их обработки.

Кроме того, уровень электролита обуславливает электрический режим ванны, поскольку его изменения сказываются на величине его сопротивления.

Стабилизацию значения уровня электролитов и растворов с достаточной степенью точности обеспечивает входящая в состав большинства участков или линий, подсистема управления уровнем электролитов и растворов функционирующая в режиме локальной автоматики и централизованного контроля и реализуемая с помощью стандартных технических средств.

Однако, в условиях многономенклатурного мелкосерийного производства, при обработке на участках и линиях подвесок с различной степенью их заполнения деталями или при нагреве обрабатывающей среды ванн электрическим нагревателями, весьма актуальной становиться задача обеспечения оптимального уровня электролитов и растворов. Решение этой задачи позволит снизить затраты энергоресурсов и материалов, используемых для поддержания на заданном уровне температуры электролитов и параметров режимов электроосаждения, повысить надежность поддержания температурного режима, производительность и качество гальванопокрытий.

Обеспечение заданного по технологии состава электролитов и рас­творов и требуемого качества промывных операций является необходи­мым условием нормального функционирования любого гальванического процесса. В этой связи большое значение приобретают вопросы регу­лирования концентрации и кислотности электролитов и растворов, сте­пени загрязнённости воды и её подачи в промывные ванны, выбора ра­циональных метода и средств промывки.

Анализ основных работ показал, что при регу­лировании концентрации и кислотности, как правило, ограничиваются стабилизацией значения рН электролитов. Причинами являются:

-  сложность задачи регулирования концентрации многокомпонент­ных электролитов и растворов, наиболее часто используемых в ГП;

-  отсутствие, по крайней мере в России и СНГ, достаточно надёж­ных и вместе с тем сравнительно простых систем централизованной раздачи электролитов и растворов, позволяющих оперативно рассчиты­вать с помощью ЭВМ объём необходимых корректирующих добавок и управлять их подачей в гальванические ванны;

-  сравнительно большая длительность воспроизводимости резуль­татов процесса электролиза большинством встречаемых на практике электролитов.

Последнее обстоятельство становится особенно очевидным при осуществлении на линиях операций промывки, являющихся неотъемле­мой частью процессов предварительной и последующей обработки из­делий. Анализ требований, например, к анодным покрытиям показыва­ет, что замену воды в промывных ваннах линий анодного оксидирования необходимо производить с кратностью, не менее одного-двух объёмов в час, в то время, как электролиты и растворы других методов подготовки поверхности (электрохимическое обезжиривание, травление, декапиро­вание, химическое и электрохимическое полирование) могут длительное ёмкими (большинство процессов протекают при температуре порядка 15...30° С) и замена их производится несколько раз в месяц.

В настоящее время наиболее эффективным методом оптимизации водоиспользования на участках и линиях является введение в их состав системы автоматического управления подачей воды, позволяющей кон­тролировать концентрацию загрязняющих примесей (чистоту воды) в нескольких промывных ваннах.

Анализ современных систем автоматического управления подачей воды и технических средств, реализующих из­вестные способы промывки, выявил их серьёзные недостатки:

- отсутствие возможности качественной промывки деталей высшей группы сложности (например, корпусных деталей, имеющих глухие от­верстия, пазы и углубления), что не позволяет осуществлять процессы гальванической обработки таких деталей на линиях;

- необходимость наличия однозначной зависимости между концен­трацией загрязняющих воду примесей и её электропроводностью, что ограничивает функциональные возможности систем автоматического управления подачей воды;

- сравнительно большие расход промывной воды, объём сточных вод и низкая достоверность результатов измерения величины концен­трации загрязняющих воду примесей;

- отсутствие возможности прогнозирования степени загрязнения воды в промывных ваннах, что увеличивает вероятность получения не­качественной промывки и снижает производительность участков и линий.

Таким образом, результаты сравнения уровня автоматизации гальванической обработки мелко - и крупносерийного производства можно представить в виде таблицы 1:

Таблица 1 - Уровень автоматизации гальванической обработки мелко - и крупносерийного производства

Параметры	Устройства управления и регулирования параметров технологического процесса нанесения гальванических покрытий
Крупносерийное производство	Мелкосерийное производство
1.Толщина гальванических покрытий	- применение дополнительных анодов, примерно повторяющих форму покрываемых изделий; - увеличение расстояния между анодными и катодными штангами; - применение дополнительных защитных катодов; - применение непроводящих щитов или экранов.	- датчики плотности тока
2. Температура агрегатов	- платиновые термометры сопротивления; - уравновешивающие автоматические мосты переменного тока.	- цифровые термометры
3. Концентрация электролита (pH- фактор)	- pH - метры	- цифровые ареометры

В последнее время области нанесения электрохимических, химических и анодизационных покрытий наметилась устойчивая тенденция по разработке и внедрению малоотходных, бессточных и высокопроизводительных комплексных автоматических линий гальванопокрытий и технологий, обеспечивающих частичное или полное улавливание токсичных компонентов и возврат их в производство.

Реализация этого направления значительно усложняется в условиях многономенклатурного и мелкосерийного производства, характерного для более 70 % предприятий приборо - и машиностроении России. Проблема усугуляется относительно высокой стоимостью производственной площади, повышенными требованиями к концентрации вредных выделений гальванических ванн в атмосфере цеха и качеству обработки деталей различной сложности при стохастическом характере их поступления на обработку и ограничениями, как по времени обработки, так и по используемым энергоресурсам, химикатам и материалам.

Поэтому до настоящего времени, по крайней мере в России и странах СНГ, гальваническое производство остается ресурсо - и энергоемким, экологически опасным и сравнительно слабо автоматизированным с большой долей ручного труда и ограниченными функционально - технологическими возможностями.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. повышение эффективности технологических операций и функционирования оборудования гальванохимической обработки в условиях автоматизированного гальванического производства. М.: Изд-во журнала «Новые промышленные технологии» Минатом РФ, 1997.

2. организация гальванического производства. Оборудование, расчет производства, нормирование. /Под ред. ; «Глобус» . М., 2002.-208 с.

3.Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник. В 2-х томах/Под ред. , . – М.: Машиностроение, 1985. – Т.с., ил.

Уфимский государственный авиационный технический университет, Кумертауский филиал, г. Кумертау

Ассистент кафедры «Промышленная автоматика»

Тел: 8-42

E-mail: *****@***ru

Уфимский государственный авиационный технический университет, Кумертауский филиал, г. Кумертау

К. т.н., доцент, зав. кафедрой «Промышленная автоматика»

Тел: 6-12