（机械设计及理论专业论文）abs全自动塑料电镀生产线三维设计及关键结构优化研究.pdf

摘要 摘要 a b s 全自动塑料电镀生产线主要由机架、镀槽、管路、通风、行车、导电系统、阴 极移动及辅助设备组成。电镀生产线的研发是一项系统的工程，耗时长，资本投入大， 但其研究成果具有相当高的实用价值。 本文重点研究了电镀生产线的三维设计方法，运用u g 软件对电镀生产线的关键部 件进行了三维建模，并对生产线进行整体虚拟装配。文中详细阐述了三维建模及虚拟装 配的步骤和方法，提高了建模的效率，增加了模型创建的精确性。利用所述方法可以缩 短设计周期，提高设计精度，节省材料，消除生产线装配时发生空间布局干涉情况。为 进一步研究电镀生产线的三维设计方法提供了依据。 运用经典李维解对镀槽的侧壁模型进行理论分析，推导出静水压力作用下壁板弯曲 变形所产生的位移计算公式，为镀槽的优化分析提供了理论依据。运用a n s y s 软件分 析了镀槽在满载溶液情况下的侧壁位移量及应力值。分析了企业目前使用的硫酸铜塑料 电镀槽，其位移值为5 9 m m ，应力值为5 7 6 m p a ，满足镀槽的设计要求。 通过对不同加强筋结构的镀槽模型分析，提出了新的镀槽优化模型。优化后镀槽的 侧壁位移仅为1 6 m m ，应力值为3 1 3 m p a , 完全满足镀槽的设计要求。新的模型简化了镀 槽的制作程序，节省了制作材料。优化后矩形钢的使用量较优化前相比降低了1 8 ，材 料成本费节省约为4 4 0 元。 通过对生产线的机架结构的模态分析，分析出机架前1 0 阶的振型及固有频率。分 析发现，机架结构由于振动而产生的弯曲、扭转变形可能导致相关部件的疲劳破坏，甚 至在机架焊接处发生断裂等问题。分析结果显示在七阶八阶振型时，机架的振型以中间 立柱的弯曲变形为主，且位移最大。七阶时位移为7 9 0 5 5 m m ，频率为1 5 0 7 2 h z ；八阶 振型的位移为7 8 6 2 6 m m ，频率为1 5 2 1 5 h z 。因此，应避免机架及其相关部件在自振频 率为1 5 h z 时工作，以免机架结构因共振而发生破坏现象。分析得出的模态参数有助于 机架的结构改进以及机架截面尺寸参数的优化。 关键词：a b s 塑料电镀；电镀生产线；三维设计；结构优化 a b s t r a c t a b s t r a c t a b sa u t o m a t i cp l a s t i c se l e c t r o p l a t i n gl i n ei sc o m p o s e do ff r a m e ，t a n k ，p i p e ，v e n t i l a t i o n ， c o n d u c t i n gs y s t e m c a t h o d es w e e p i n ga n do t h e ra u x i l i a r ye q u i p m e n t s n ed e v e l o p m e n ta n d r e s e a r c hf o re l e c t r o p l a t i n gl i n ei sas y s t e m i cp r o j e c tw h i c hn e e d sal o to ft i m e ，p l e n t yo fc o s t ， b u t t h er e s e a r c ha c h i e v e m e n th a sg r e a tu s i n gv a l u e t h ep a p e re m p h a s i z e so nt h et h r e e - d i m e n s i o n a lw a yf o re l e c t r o p l a t i n gl i n ea n du s eu g s o f t w a r et od ot h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gf o rk e yc o m p o n e n t sa n dv i r t u a la s s e m b l yf o r w h o l el i n e i nt h ep a p e r , t h ep r o c e s s e sa n dm e t h o d sf o rt h r e e d i m e n s i o n a lw e r ee l a b o r a t e df o r m o d e l i n ga n dv i r t u a la s s e m b l y , w h i c hi m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o no fm o d e l i n g t h e m e t h o d sm e n t i o n e da b o v ea r ev e r yu s e f u lw h i c hc a nb eu s e dt os h o r t e nt h ed e s i g nc y c l e i n c r e a s e d e s i g np r e c i s i o n ，s a v em a t e r i a la n de l i m i n a t ec o m p o n e n t si n t e r f e r e n c ed u r i n g a s s e m b l yp r o c e s s t h es t u d ya l s oo f f e r sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rf u r t h e rr e s e a r c ho nt h e t h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g nm e t h o d sf o re l e c t r o p l a t i n gl i n e t h ep a p e ra l s oh a sd o n et h e o r e t i c a la n a l y s i sf o rs i d es h e e tm o d e lo ft a n kw i t hc l a s s i c a l l e v ys o l u t i o n ，w h i c hc o n c l u d e st h ec o m p u t e de x p r e s s i o n so fd i s p l a c e m e n to fb e n d i n g d i s t o r t i o nu n d e rt h ep r e s s u r eo fs t a t i cw a t e r t h e o r e t i c a lb a s i sf o ro p t i m i z a t i o na n a l y s i si s o f f e r e df o rt a n k i ta l s oa n a l y z e st h ed i s p l a c e m e n ta n dv o n - m i s e ss t r e s so ft a n ku n d e rt h el o a d o ff u l lw a t e rw i t ha n s y ss o f t w a r e t h ec o p p e rs u l p h a t ep l a s t i c st a n kw h i c hi su s e di n c o m p a n yn o wh a sb e e na n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s p l a c e m e n ti s5 9 m ma n dt h e s t r e s si s5 7 6 m p aw h i c hm e e tt h eu s i n gr e q u i r e m e n t so fd e s i g nc r i t e r i ao ft a n k t h r o u g ht h ea n a l y s i sf o rt a n km o d e l so fd i f f e r e n ts t r u c t u r e sw i t hs t i f f e n e r s ，an e w o p t i m i z a t i o nm o d e lo ft a n kw a sp o i n t e do u t a f t e rt h ea n a l y s i sf o rt h eo p t i m i z a t i o nm o d e l t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ed i s p l a c e m e n ti so n l y1 6 m ma n dt h es t r e s si s31 3 m p aw h i c hm e e tt h e c r i t e r i ac o m p l e t e l y t h en e wm o d e ls i m p l i f i e st a n kp r o d u c t i o np r o c e s sa n ds a v e sm a t e r i a l t h eq u a n t i t yo fu s i n gr e c t a n g l es t e e li sd o w nb y18 t h a nt h et a n kw i t h o u to p t i m i z a t i o na n d t h ec o s th a sb e e ns a v e da b o u t4 4 0y u a n t h r o u g ht h em o d a la n a l y s i sf o rf r a m eo fe l e c t r o p l a t i n gl i n e ，i ts h o w st h ef o r m e r10 m o d a lv i b r a t i o nm o d e sa n dn a t u r a lf r e q u e n c y t h ea n a l y s i sf i n d so u tt h a tt h eb e n d i n ga n d t w i s td i s t o r t i o no ff r a m ec a nr e s u l ti nf a t i g u eb r e a k a g eo fr e l a t e dc o m p o n e n t s ，e v e nb r i n go n t h er u p t u r eo nw e l d i n gp l a c e s t h er e s u l t sa l s os h o wt h a tt h eb e n d i n gd i s t o r t i o no fm i d d l e b e a m so c c u ro n7 t ha n d8 t hm o d a lv i b r a t i o nm o d e sw h i c ht h ed i s p l a c e m e n ti st h em a x i m u m t h ed i s p l a c e m e n ti s7 9 0 5 5 m ma n dt h ef r e q u e n c yi s15 0 7 2 h zw h e nt h ev i b r a t i o nm o d ei s7 t h w h e nt h ev i b r a t i o ni s8 t h ，t h ed i s p l a c e m e n ti s7 9 0 5 5 m m ，t h ef r e q u e n c yi s15 0 7 2 h z t h e r e f o r e ，w h e nf r a m ea n dr e l a t e dc o m p o n e n t sa r ew o r k i n g ，i ts h o u l da v o i dt h ef r e q u e n c y w h i c hi sl5 h zs ot h a ti tc a np r e v e n tt h eb r e a k a g ep h e n o m e n o nb e c a u s eo fs y m p a t h e t i c v i b r a t i o n t h em o d a lp a r a m e t e r sf r o ma n a l y s i sa r ec o n d u c i v et oi m p r o v et h ef r a m es t r u c t u r e a n do p t i m i z et h ep a r a m e t e r so fb e a mc r o s s - s e c t i o n k e y w o r d s ：a b sp l a s t i c se l e c t r o p l a t i n g ；e l e c t r o p l a t i n gl i n e ；t h r e e - d i m e n s i o n a ld e s i g n ； s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 期： 卿7 - 舌 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：二灶孝师签二i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 当前经济全球化和科技创新是国际社会的两大主流。经济全球化，产业结构的调整 已在全球范围内进行，我国己成为国际上发达国家产业转移的对象，不少发达国家的产 品直接转移到我国生产，我国已经成为国际生产大国。科技创新、技术进步促进了科学 技术迅猛发展，发达国家的电镀生产企业，广泛采用信息技术进行现代化管理。电镀工 艺己采用先进的纳米技术、代铬工艺、沙金雾金技术、枪色电镀及铝合金电镀。随着人 们对环保要求的提高，发达国家的电镀企业在生产中广泛使用新工艺、新技术、新材料， 应用先进的环保设备与“三废”治理技术，加强对环境的治理，减少对环境的污染，提 高资源利用率，提高产品质量，降低生产成本，提高经济效益，使企业在市场竞争中处 于优势【1 1 。 当今社会，自行车、摩托车和汽车日趋轻量化而且豪华美观，塑料电镀在其生产过 程中发挥了重要的作用。如方向盘、商标、车门拉手、反光镜、轮壳罩等装饰件，大量 采用了塑料电镀制品。增加塑料配件的用量将对减轻车体的重量将起到显著的效果，但 是如果没有电镀金属作为其表面的装饰和防护，是不现实的。除了汽车，在高级游轮、 高速列车、飞机上都不缺乏用塑料电镀制品做装饰，特别是那些造型独特的标志性商标 类雕塑制品，采用塑料成型工艺不但可以很方便地制作出其完美的造型，而且在其表面 可以呈现出各种高档的金属质感。家庭用品、电子电器，将是塑料电镀技术的更大的应 用领域。从罩盖到商标、旋纽、家电外框、刻度板等都广泛采用了塑料电镀技术。流行 的u 盘、m p 3 、手机、笔记本电脑等外壳，都是采用了塑料电镀配件。通过塑料电镀， 不仅减轻了产品重量，降低了产品的成本，而且又具有金属装饰的效果，还兼有电磁屏 蔽、增加强度及散热性等特殊功能。此外，家庭用品，如水瓶壳、挂钟、家具把手、镜 框、台历板、卫浴用品等也都形成了专门加工产业，从模具制作到注塑成型，然后进行 电镀。某些生产厂家更是直接面对市场，使其生产成本进一步下降，提高市场竞争力1 2 j 。 电镀产业在整个制造业中具有重要的作用，是一个不可缺少的生产环节。与此同时， 也对环境带来了严重影响。电镀行业中大多数企业为中小企业，其中乡镇企业占4 0 ， 多为手工作坊式的加工业。行业中普遍存在技术落后、管理水平差、自动化程度低、资 源消耗高、产污量大、污染治理水平低等特点，污染事故时有发生。针对我国电镀行业 的现状，结合市场需求及未来电镀行业发展趋势，我国电镀行业环境无害技术方面主要 采用新工艺，节约原材料，合理利用资源，尽量利用低毒、无毒工艺控制污染源，减少 排放、节约能源；采用先进的三废处理技术，净化环境，回收资源，降低成本u j 。 为了节约资源，保护环境，提升产品在国内外的市场竞争力，开发研究新一代的环 保型塑料电镀自动生产线具有十分重要的意义。该课题是在无锡星亿涂装环保设备有限 公司现有技术理论基础上，对a b s 电镀生产线进行三维设计及关键结构优化研究。通过 理论研究、软件模拟和优化，对机架，槽体等机构进行分析，从而得出合理的机械结构， 江南大学硕士学位论文 开发出新一代绿色电镀涂装环保设备，更好地为用户服务，为清洁生产做贡献。 1 2 电镀生产线简介 电镀生产线根据自动化程度分为三种： ( 1 ) 手动型生产线：此类生产线通常适用于贵金属电镀，如镀金、镀银等，包括 整套工艺的电镀缸、水缸及生产线外围所有的电镀设备。 ( 2 ) 半自动生产线：此类生产线通常是在生产线上铺设导轨，行车在导轨上运行 从而输送工件在镀槽中进行电镀加工，由工人手控行车电钮进行操作。这种生产线生产 的产品质量稳定，镀层均匀性好，产量大，设计负荷系数达8 5 以上，适用于成批生产 和大量生产。 ( 3 ) 自动生产线：此类生产线是按一定电镀工艺过程要求将有关镀槽、镀件提升 传动装置、电器控制装置、过滤设备、检测仪器、电源设备、加热与冷却装置、滚筒驱 动装置、空气搅拌设备及线上污染控制设施等组合为一体的总称。电镀自动生产线通过 机械和电气装置自动完成电镀工序要求的全部过程，因而生产效率高，产品质量稳定、 劳动条件好；高速电镀自动线，此类生产线的特点：镀速快、效率高、自动化程度高， 产品质量稳定，适合各种电镀区域控制的要求，既可全镀，也可局部镀；符合环保控制 要求。是经济发展和电子电镀的进步的必然趋势。 电镀生产线根据生产线排列方式分为两种： ( 1 ) 直线式电镀自动生产线【4 】：如图卜1 ，该生产线是根据工艺流程要求，将工艺 槽以直线排列，在上面设有电动行车，运载阴极棒、挂具和镀件。按工艺顺序进行进退、 升降等动作，由自控设备控制行车，也可手动控制。直线型电镀生产线配备的行车采用 钢板折弯成型，外形美观，行车行走滚轮采用钢芯外包聚氨酯结构，保证了行车运行的 稳定性，同时消除了噪声。行车的运行速度采用变频器调速，使行车运行达到软起软落。 总体控制采用p l c 可编程控制。按电镀方式可分为滚镀和挂镀自动线，两者对行车的要 求基本相同。直线式自动生产线工艺比较灵活，起吊载荷最高可达2 t 。 ( 2 ) 环形电镀自动生产线【5 j ：如图卜2 ，该生产线的工艺槽典型排列方式为u 型， 因此又称其为u 形自动线。该自动线由许多宽度基本相同而长度不同的固定槽、推动挂 具水平前进和定点升降的机械装置、自动控制仪器等组成。它能使挂具带着工件按节拍 有规律地进行下降、上升、延时、前进等动作，它可以自动联合完成包括除油、酸洗、 清洗、电镀等数十道工序。该生产线自动化程度高，生产效率高，降低劳动强度，操作 人员少，外形美观；杠杆式垂直升降，镀槽容量利用率高；机械动作简单，设备维修费 用低；露空时间短，工件运行平稳，每臂时间约2 0 - - l o o s ，设备运转速度可调，并设有 缓冲装置，使镀件夹持稳定，运转周期短。该自动线适用于镀层质量要求高，大批量， 形状较为单一，工艺成熟的电镀。 2 圈卜1 直线式电镀自动生产线圈1 _ 2 环形电镀自动生产践 f i g 卜la u t o m a t ic f ig1 2h to m i t i c 1 in e a te l e c tr o p la t i n g1 l n ec ir c u la r c le c tr o p la t i n g1 i n e 1 3 国内外电镀生产线的研究现状 1 3 1 电镀的发展历史 ( 1 ) 初始阶段( 1 8 0 01 9 0 0 ) 。在电镀技术的初始阶段，备镀种相继被发明，但当 时的工业水平尚不发达，限制了电镀技术的广泛应用，大多数技术没有使用性。 ( 2 ) 1 9 0 0 2 0 0 0 年。随着工业化程度的不断发展，电镀技术在逐步成熟的基础上， 不仅快速地走向实用化，而且自动化、专业化技术越来越多的应用于电镀工业生产中。 相关先进的材料、技术( 如金属钛、纳米超虑膜、大容量开关式电镀电源等) 也越来越 多地应用于电镀工艺生产中。 ( 3 ) 2 0 0 0 年以后。电镀技术在其它相关技术的发展情况下，向更高水平发展，在 电子探针x 射线显微分析( e p m a ) 、x 射线电子光能谱( x p s ) 、俄歇电子能谱( a e s ) 、 扫描电子显微镜( s e m ) 等先进的高科技精密检测仪器的辅助下，人们对电镀技术的基 本原理、电镀工艺对镀层结构的影响、各种电镀添加剂对电镀层特性的改善等都有了更 细微深入的了解6 】。目前，电镀技术不仅趋向于提高电镀层质量、满足工件特殊功能要 求方向发展还趋向于清洁生产方向发展。 1 3 2 电镀设备的发展 随着我国整体科学技术的发展，电镀设备也获得了较大的进步f 】。 ( 1 ) 电源。蓄电池卣流发电机斗可控硅整流电源斗多波形脉冲电源及 不对称可调换向硅整流电源 开关式电镀电源。 ( 2 ) 电镀槽。钛电镀槽、塑料槽、铁槽等多种类型。 ( 3 ) 阳极。阳极板吊挂- 球形小块阳极( 使用钛篮) 。 ( 4 ) 搅拌。不搅拌呻机械阴极搅拌 气体搅拌加循环过滤- 高速电解 液对流。 操作工艺从原先的千_ 工操作吊镀发展为半手工操作( 机械搅拌，工件吊装机械化) ， 进一步发展为全自动电镀生产线，到现在发展为专业全自动电镀_ ：产线。 f 南人学硕| 学似沦义 1 3 3 国内外电镀生产线的研究现状 1331 国外电镀生产线的研究现状 困外电镀行业起步较早，从】8 4 0 年镀银专利申请以来至今己取得了显著的成果。 电镀不仅在其传统的机械制造和轻工业中扮演着重要的角色，而且在其电子、汽车、通 讯、航空等新兴领域中也发挥着越来越重要的作用。 国外对于电镀生产线的研究现状，相关文献介绍较少。绝大多数的文献集中于介绍 塑料电镀工艺的研究，如在陶瓷基上电镀铜制作特制的电容器，对于全塑封装的小型变 压器的外塑装塑料进行电镀来屏蔽电磁场等 i 。国外对于电镀工艺，电镀过程以及电镀 污染治理方面重视程度很高，研制出了许多新型工艺，颁布了许多指令来控制表面工程 行业所带来的环境问题。如欧盟颁布的e l v 指令( 关于报废汽车的指令) w e e e ( 关 于报废电子电器设备的指令) ，r o h s 指令( 关于电子、电气设各中限制使用某些有害物 质的指令) ，同本制定了电器产品循环再造法规、化学品管制法规 9 1 。这些政策与 表面工程业关系卜分密切。 对于电镀生产线的研究，由于在环保理念、制造水平和练合配套能力等方面明显优 于国内，所以其研究产品较为先进。国外生产的电镀生产线自动化程度高，结构布置合 理，稳定性强，镀层质量好，以德国生产的生产线为典型代表。研究手段主要利用c a e 软件对电镀生产线的结构及其相芙部件进行模拟分析，如对于电镀工件及其电镀挂具的 研究m ”j 。文献中还介绍关于电镀过程的软件模拟分析，如对于塑料电路板镀层的研究 分析，电镀电流密度的分析均采用三维软件进行模拟如图卜3 所示。这种设计方法有 助于提高镀层的表面质量，节省材料损耗，减少电镀循环周期，提高电路板的整体性能。 图1 _ 3 电镀电流密度分析模型 f jg1 - 3a e a l ys ism o d e lo fc u t r e n td e n s i t yo f itr o p la l i n g 1 33 2 目由电镀生产线的研究现状 我国电镀行业起步较晚，经历了由2 0 世纪8 0 年代初期的高峰跌入低谷，9 0 年代开 始回升，经过1 0 多年的恢复发展，随着世界制造业中心向我国转移，香港、台湾、东 南亚、韩国以及些发达国家和地区的电镀企业纷纷到我国设厂，我国已成为电镀大田， 但还不足电镀强罔。由于电镀加工给产品带来的装饰性和助能性，工艺技术的不断改进 第一章绍论 和发展，而且，电镀行业相对其它行业是以节省贵金属为目的的节约型行业，电镀行业 已成为我国国民经济发展过程中的个不可缺少，也不可替代，还有上升趋势的发展型 行业【14 1 。 国内对于电镀生产线的研究起步较晚，与国外电镀生产线相比，还存在一定的差距。 如我国目前设计和制造的电镀自动线与国外相比外观造型不够美观，主要设备特别是吊 运机显的太笨、太重、太大，加工精度不高，所以应在生产线的外形设计上、电镀设备 关键的结构及选材上有所改进【l 引。 对于电镀生产线的设计，国内绝大多数企业采用二维设计软件如a u t o c a d 对其进行 设计。由于电镀生产线结构庞大，零部件繁多，空间结构复杂，在设计过程中，尤其在 装配过程中经常出现错误。传统的设计方法明显满足不了电镀生产线的发展速度，将三 维设计方法引入到电镀生产线的研究开发过程中，将明显改变这一现状。 对于电镀生产线部件的设计，绝大多数企业缺乏合理的理论计算，如对镀槽、机架 的设计，基本依靠长期积累的设计经验来设计。因此，电镀生产线在使用过程中经常出 现强度不足、结构稳定性差等现象。对于电镀生产线的关键部件的软件模拟分析，国内 更是有很少文献提及。 目前，我国有武汉大学、天津大学、厦门大学、哈尔滨工业大学、复旦大学、北京 航天航空大学、武汉材料保护研究所、国家机械工业局第七设计研究院等2 0 0 多所大学 和研究所从事电镀生产线的研究工作，每年都有许多新成果问世，但关键是转化率还不 够高，应加强产、学、研的结合，积极推广先进技术引。 1 4 课题的提出与研究内容 1 4 1 课题提出 本课题所研究的塑料电镀生产线是按照“江阴道达汽车饰件有限公司”制定和提供 的“塑料电镀生产线生产工艺”及对设备的具体要求进行设计、制造，并着重对电镀生 产线的机械结构部分进行三维设计及关键结构优化研究，并将研究成果积极推广到其它 电镀生产线的设计过程中。 针对于所要研究的电镀生产线，该自动线工艺流程如下：上挂一化学除蜡一热水洗 一化学除油一喷淋水洗( 移动小车) 一水洗一水洗一膨胀一水洗一水洗一粗化( 6 t 位， 3 只槽，配粗化液再生槽) 一回收一回收一回收一喷淋水洗一全入水洗一全入水洗一喷 淋水洗一还原一全入水洗一喷淋水洗一纯水洗一盐酸预浸一钯活化一水洗一水洗一水 洗一解胶一水洗一水洗一水洗一化学镍( 4 工位，2 只槽) 一水洗一水洗一活化一水洗一 水洗一预镀镍( 2 工位，2 只槽，配循环槽) 一回收一水洗一水洗一活化一水洗一水洗一 镀酸铜( 1 5 工位，6 只槽，配循环槽3 只) 一回收一水洗一水洗一喷淋水洗( 移动小车) 一活化一水洗一水洗一半亮镍( 1 0 工位，5 只槽，配循环槽) 一高硫镍( 1 3 2 位，配循环 槽) 一亮镍( 6 工位，2 只槽，配循环槽) 一回收一喷淋水洗( 移动小车) 。 本课题所研究的a b s 全自动塑料电镀生产线，充分考虑到生产线在之前设计过程 中所遇到的材料浪费，结构稳定性差，强度不足等问题。三维软件的应用成为了该行业 新的设计手段，对于关键部件的理论研究及软件模拟分析将是课题研究的重点。 江南大学硕士学位论文 1 4 2 课题的研究内容 a b s 全自动塑料电镀生产线的研发是一项系统的工程，耗时长，资本投入大，但其 研究成果具有相当高的实用价值。其机械部分由支架平台、行车、镀槽、管路、阴极移 动、通风、槽面及配套设备等部分组成。 本论文侧重于塑料电镀生产线的三维设计及关键结构的设计和优化，研究的主要内 容如下： ( 1 ) 生产线：国内的电镀生产线的设计工具基本上是通过二维软件进行设计如 a u t o c a d 。由于本课题所研究的塑料电镀生产线工程庞大，零部件繁多，尤其是管路的 设计安装更是复杂，这样会导致在安装过程中材料的浪费现象严重，安装精度误差大， 直接影响整个生产线的电镀质量。鉴于二维软件设计的缺陷，本课题着手从u g 软件全 方位的对电镀生产线进行零部件及整体结构设计，三维造型设计，从而缩短设计周期， 提高设计质量，方便安装施工，增强该产品的同行竞争力。 ( 2 ) 镀槽：其研究方法主要为通过理论分析，推导出槽体侧壁在静水压力下的位 移；根据不同工艺，槽液的要求，设计出不同结构的槽体，并基于u g 软件对其进行三 维建模；运用a n s y s 软件硫酸铜镀槽结构进行分析，依据其工艺要求，对槽体的厚度， 槽四周的加强筋优化设计，并改善其结构。在满足其工艺要求、强度、安全性的条件下， 尽可能的减少其材料成本。 ( 3 ) 机架：电镀生产线机架为整体框架式，由辅导轨、门式框架、操作平台、信 号板架、滑线导轨等组成，主体材料为q 2 3 5 。研究方法主要为：基于a n s y s 软件对电镀 生产线机架结构关键部分进行建模，通过模态分析确定机架的振型及固有频率，找出机 架变形的类型，避免机架在共振频率范围内工作。得出的模态参数为机架结构的改进及 截面尺寸参数的优化提供参考。 第二章塑料电镀生产线关键零部件结构设计 第二章塑料电镀生产线关键零部件结构设计 塑料电镀自动生产线的成本不仅与镀种的要求、工艺流程的长短、镀槽的尺寸等 密切相关，而且与所需类型组成部件的需求资料及需求辅助设备有关。电镀生产线机械 部分主要由机架、镀槽、管路、通风、行车、导电系统、阴极移动及辅助设备组成【l7 1 。 2 1 电镀生产线的基本组成部分 2 1 1 机架 机架的主要作用是用来支撑导轨及其承担的行车、工件等负载。机架可采用立柱式 ( 固定于基础上，多用于p p 槽体) 、框架式( 多用于悬臂式行车及p p 槽体) 、悬梁式( 固 定于厂房的梁柱上) 和槽边式( 固定于槽边，多用于q 2 3 5 板槽体) 。立柱式、悬梁式机 架稳固性最好，特别适用于行车跨距大及起吊重量大的场合，但是其基建工程较大；框 架式机架虽然可以简化基础设施，但其用料较多，特别适用于采用塑料槽体的场合；槽 边式机架是最为简单、经济实惠的一种，已经得到广泛应用，但要求生产线的槽体必须 牢固、可靠。引导龙门式行车作水平运行的需双轨( 悬臂式行车只需单轨) ，多采用矩 形管制作。按导轨的高低可分为低轨、中轨、高轨三种形式。低轨在行车运行过后无遮 挡，但行车重心过高，稳定性不高；中、高轨的重心虽然有所改善，但由于高架而影响 了视察和美观。若采用悬挂结构将使基建成本大幅增加，因而也出现了混合制的导轨， 但行车的结构也随之较为复杂。机架的材料用q 2 3 5 矩形管或工字钢，也可采用不锈钢( 或 仅是导轨采用不锈钢) 。机架应包括合金钢滑线导轨即信号板导轨、滑线小车、上下料 架等部分。机架的成本取决于所采用的型式、所选材料及全线总长。 2 1 2 镀槽 镀槽的主要部件包括槽体、衬里、冷却装置、导电装置、加热装置和搅拌装置，是 电镀车间的主要设备。槽体尺寸的大小直接影响到车间的生产能力及技术经济指标，其 长、宽、高均需能容纳下最大的镀件并留有适当余地。槽体常用材料有低碳钢q 2 3 5 内 敷p v c ( 聚氯乙稀) 或p p ( 聚丙烯) 、s u s ( 日本标准中不锈钢代号) ；材质来源于进 口、合资或国产。其厚度根据所选材料、主体还是内衬、用户要求而各有所异。槽体应 包含所需的逆流漂洗、溢流1 2 1 、放液1 5 1 等。q 2 3 5 内敷p v c 的槽体是企业较常采用的， 其优点是槽体能承受较高温度且槽身强度高( 适合长宽高尺寸较大的槽体及多联槽) ， 其机架可设置为槽边式，最为经济实惠；其缺点是槽体易产生锈蚀。为检测内衬p v c 是否泄漏，每只槽的底部应留有简陋孔。全p p 板制作的槽体是近年来较为广泛采用的， 其优点是能保持“永不生锈”，不需内衬，外形美观；其缺点是强度差、难以承受水压、 易变形，因此较大的槽体多为单个制作，槽身用型钢加强后在采用p p 板封住。高温槽 还得另外考虑所用材质，机架也需采用其它形式。 槽体的成本取决于槽体的大小、材料、厚度、数量、是否需要保温层及其辅槽的要 求等。烘干槽可设置于自动生产线的末端，加热可为电、蒸汽或燃油；为使内部温度均 匀，一般均采用热风循环并设置保温层；根据需要可决定是否需要自动开合盖和自动温 7 江南大学硕士学位论文 控。其数量( 工位数) 需根据零件烘干所需的时间及节拍时间来决定。其成本取决于烘 干槽的大小、数量、材料、温度和要求的自动化程度。超声波可大大提高前处理的清洗 效果，它由槽体( 含加热管路) 、振子、振波发生器等部件组成。超声波的槽体材料一 般为s u s ，为了便于检修，在自动生产线上，振板最好与槽体分开。超声波槽的成本除 与槽体的尺寸有关外，主要决定于振子数量的多少，所需振子的数量与零件的复杂程度 和在槽内能够停留的时间相关。 2 1 3 行车 直线式的行车有龙门式和悬臂式两种，主要以电机为动力。前者起吊重量大，适用 于大、中型镀件且槽体宽的场合；后者轻巧、美观，机架一般为框架式结构( 对基础要 求较为简单) ，工作面无遮挡，故工作状况一目了然，适用于中小型镀件且槽体不宽的 场合。龙门式行车的跨距一般要比槽体宽度大8 0 0 m m ( 小的为6 0 0 m m ) 。行车采用钢板 或不锈钢板成型框架，滚轮外缘压注聚氨酯橡胶，抗震、耐磨、噪声低，提高了行车走 位的准确率。 悬臂式行车多采用单钩形式。由于其吊具靠悬臂支撑，故槽体不宜太宽，起吊重量 不宜太大( 一般、 ( j 1 i 1 ) 或为薄膜 c 去一志p 害。 对于薄板小挠度理论，普遍采用以下基本假定【3 2 】： ( 1 ) 变形前垂直于中面的任一直线段，变形后，仍为直线，并垂直于变形后的弹 性曲面，且长度不变。 ( 2 ) 垂直于板中面方向的应力较小，可忽略不及。 对于第一项假定中的直法线长度不变可表示为 s ：塑：0 ( 4 - - 1 ) 6 一一一 1 比 由此可得 c o = c o ( x ，y ) ( 4 2 ) 即板中面的挠度是x , y 的函数。 第二项假定给出仃：= 0 ，由此连同第一项假定中的y 。= ) ，。= s ：= 0 便可得到薄板 弯曲的下列本构关系： 薄板弯曲的平衡方程为： q = i 1 ( q u q ) s y = 面i ( 仃y u q ) 1 2 石勺 塑+ 2 1 生+ 塑：旦 叙4 苏2 却2 却4 d ( 4 3 ) ( 4 4 ) 江南火学硕十学位论文 或改写成 d v 2 v 2 = g ( 4 5 ) v z ：罢+ 篓 其中： 叙2 a y 2 为拉普拉斯算子； d ： 丝： 1 2 ( 1 一u 2 ) 为薄板的抗弯刚度。 薄板弯曲的准确解必须同时满足平衡微分方程( 4 - - 4 ) 和给定的边界条件。由于 ( 4 - - 4 ) 为一四阶偏微分方程，因而，在每个边界上应给出两个边界条件。边界条件分 为三类： ( 1 ) 几何边界条件，即在边界上给定边界挠度历和边界切向转角等，j i 七女_ ft 为边界 切线方向。 ( 2 ) 静力边界条件，即在边界上给定横向剪力q ，和弯矩m 。 ( 3 ) 混合边界条件，即在边界上同时给定广义力和广义位移。对于弹性支承边， 则除给定边界剪力q 外，还给定弹性反力一c 历，此处c o 为弹性系数，面为边界己知挠度。 一 ，a 除给定的边界弯矩m 。外，还给定了弹性反力矩。锄，此处，2 为边界的法线方向。 以下是常见的边界支撑情况和其相应的边界条件。 ( 1 ) 固定边界：在固定边，显然有位移与转角为零的几何条件，即在x = o 边 ( ) x ：o = 0l 吼。2o m 6 ， ( 2 ) 简支边界：板在简支边不能有竖向的位移，但可以有微小的转动。故边界上 挠度等于零( 几何条件) 和弯矩等于零( 边界条件) ，即x = 0 边 ( ) 脚= 0 i ( 鸭) 捌20 j ( 4 7 ) 由于 在x = o 时， 鸠讪( 等+ u 雾) i 等= 害= 。 = 一= i j 鲫洲 黼0 卅 吼= o = o 卅8 ) 3 0 或者转化为： 第四章镀槽结构优化分析 ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) 4 1 2 矩形板受横向载荷作用下的基本方程 如图4 1 所示为一矩形薄板，薄板两边长度分别为a 和b ，厚度为t ，直角坐标系建在板 的中面上。薄板的上表面承受集中载荷q 的压力，薄板在z 轴方向上所产生的挠度为， 则矩形板弯曲的平衡方程为：d v 2 v 2 c o = q 薄板内任意一点的应力为： 弯矩为： e z 1 一u 2 e z 1 一u 2 m l = - d m y = - d _ - ( 1 - u ) 。舄 图4 - 1 矩形薄板 ( 4 1 1 ) ( 4 1 2 ) o 0 ， “ = 加 ：钳鼍口 、厶、砂 = ! ：a l 4 彳 ，“ 朋m q o 塔 i | 司k 一易钳喀 如一酽陲塑w =广11 ：口 = 如一矿一掰 如一酽如一矿 工 工 仃 仃 塑均 旦 一 = 一矿渤一酽 u u 一酽渤一矿 厚壁出倒推以 可 式 达表 力 应 据根 o 大 最 力 应处面表f上的板薄即时 f 2 = z 当中其 江南人学硕十学位论文 t ，或者对应力进行校核。 4 1 3 液体静压作用下镀槽侧壁的应力与位移分析 镀槽的壁板可视为三边简支一边自由，承受液体静压力的矩形板，其壁板的力学模 型如图4 - 2 所示。其中液体的静压力为： g = p g ( y + ) ( 4 1 3 ) ：b 2 x b 2 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j v f i g 4 - 2m e c h a n i c a lm o d e lo fs h e e tp l a t eo ft a n k 按照李维( l e v ym ) 所提出的级数形式的解【3 3 1 ，设 = 芝匕( y ) s i n 孚 ( 4 1 4 ) 其中，y m ( y ) y 的函数。x 寸x = o n x = a 的边为简支板的边界条件= o ，鼍；= o ，式 ( 4 1 4 ) 都满足。为了满足d v 2 v 2 = g ，其中的匕( 少) 应满足： 等_ 2 ( 等) 2 等+ ( 等心= 去r 删n 争( 4 - - 1 5 ， 将( 4 - - 1 3 ) 式带入( 4 - - 1 5 ) 右端，得 铲历2r 硝b ) s i n 了m ；t x 出：掣( s i n 争z ( 4 - - 1 6 ) ( 4 一】5 ) 式的一个特解厶( y ) 为 肋，= ( 翥) 4 4 p g ( y + i b ) z z d m陋小m 2 z ，) 2 _ 4 a 4 兀p ，g 砌( y + ，b 2 ) 心i n 等，z 。4 州， 因此，( 4 - - 1 5 ) 式的解可表示为 匕( y ) ：a m c hm z y + 吃竺鲨鼢兰型+ c , s hm z y + d m z y c hm z y + 厶( y )( 4 18 ) a 口口口口a 当y 2 一经时，即壁板的上端，为自由边界；当少2 及时，即壁板的底段，为简支边界。当，2 时，即壁板的上端，为自由边界；当，2 时，即壁板的底段，为简支边界。 由其边界条件可确定( 4 1 8 ) 式中的4 ，、吃、g 和珑。 第四章镀槽结构优化分析 y - - b 2 自由边时，有 ( 噱一u 乱2 。 ( 啦一2 训甜乒。 ( 4 1 9 ) 将( 4 - - 1 4 ) 式代入( 4 - - 1 8 ) ，得 粉u ( 等) 2 一。l 2 。，2 桃) _ ( 2 _ u ) ( 等) 踟) _ oj y = 简支边时，有 = o m 嘣一。引叫- o 2 1 ) 将( 4 - - 1 4 ) 式代入( 4 - - 2 0 ) ，得 匕) = 0i 砭”吖竺k ) ：o 1 2 将( 4 2 0 ) 式及( 4 2 2 ) 式联立起来，可解得4 ，、吃、c 卅和巩。由此，可以得出 镀槽侧壁在静水压力作用下所发生的最大挠度，从而为设计镀槽的加强结构提供依据。 4 2 有限元概述 4 2 1 有限元法的基本思想 有限元法是近似求解一般连续场问题的数值方法。它先应用于机械、建筑结构的应 力场和位移场分析，后又广泛应用于求解热传学中的温度场、电磁学中的电磁场、流体 力学中的流体场等连续问题。 有限元法的基本思想可归纳为：首先，将表示结构的连续体离散为若干个子域( 单 元) ，单元之间通过其边界上的节点连接成组合体。其次，将每个单元内所假设的近似函 数分片地表示全求解域内待求的未知场变量。每个单元内的近似函数用未知场变量函数 在单元各个节点上的数值和与其对应的插值函数表示。由于在连接相邻单元的节点上， 场变量函数应具有相同的数值，因而将它们作为数值求解的基本未知量，将求解原函数 的无穷多自由度问题转换为求解场变量函数节点值的有限自由度问题。最后，通过和原 问题数学模型( 基本方程、边界条件) 等效的变分原理或加权余量法，建立求解基本未 知量( 场变量函数的节点值) 的代数方程组或常微