[分享] 航空航天零件硬铬电镀工艺专业仿真评估工具（格麟倍）

工业镀硬铬是一个相当复杂、漫长和劳动密集的过程：通常，镀铬槽的阴极电流效率较低，导致沉积速度有限，在任何尺寸的零件上沉积厚度为25μm的镀层大约需要一个小时。在大多数情况下，硬铬电镀工艺要求使用辅助工装，这使得工艺对操作员的依赖性很强，因此极易出错。根据福克起落架BV团队的期盼，供应商通过开发专用的仿真技术来实现独立开发以及流程的简化是他们所希望看到的。此外，在挂具及工装设计过程中依靠电镀模拟方法，可以减少传统“经验设计-现场试制-纠错”的开发模式带来的工装设计迭代次数。

第四次工业革命（或工业4.0）的当前时代正在改变传统的制造业和工业习惯。推动这一转变的技术趋势之一是决策和解决问题过程中的智能技术援助。工程师在日益复杂的工作中也越来越需求智能技术的支持，并且迄今为止，通过现代智能技术的实施，这一问题得到了很好的解决。计算机建模与仿真是智能技术中的一种，它可以在虚拟模型中反映物理世界。这种智能制造方法允许操作员在引入任何实际物理变化之前测试和优化虚拟世界中的工艺设置，从而降低对操作员的依赖性并简化流程管理。

福克起落架公司的开发团队在他们的硬铬电镀工艺开发过程中已经开始寻求计算机建模分析。这种智能制造技术的帮助有助于评估传统的“经验设计-现场试制-纠错”开发模式带来的工装结构设计问题，以获得更好的工装性能。Elsyca公司内部开发的Elsyca PlatingManager电镀模拟技术用于解决以下问题：

Elsyca PlatingManager是最先进的图形模拟平台，用于分析电镀过程的生产性能和质量。根据实际电镀线设置的虚拟实体模型进行模拟，包括待加工零件的三维模型、槽配置、工艺参数和所用的电镀溶液。Elsyca PlatingManager模拟技术使用基于有限元分析（FEA）的技术来解决电流密度的分布，并根据法拉第定律计算金属层厚度。关于金属层厚度分布和质量结果的详细信息（表面积不足和过镀），可用于机架上的每个零件和考虑的每个电镀步骤。与现场测量结果相比，模拟结果的高精度是通过对所用电镀溶液的预先电化学表征实现的，这为工艺性能提供了无与伦比的洞察力。此外，还定义了最佳的工艺参数操作窗口，在保证表面质量的同时，避免了铬烧伤等表面缺陷。

Elsyca PlatingManager仿真平台是用于评估电镀几何复杂零件（如涡轮叶片、液压驱动部件、喷嘴和导向阀）的专用工具。在福克起落架BV的项目中，Elsyca PlatingManager仿真软件用于优化起落架轴零件的镀硬铬工艺，其中必须采用复杂的工装设计。此外，实际的电镀槽配置允许主槽阳极（数量、位置和长度）的多功能布置，增加了整个工艺配置的复杂性。为了在电镀槽的虚拟实体模型中反映这种多功能性，Elsyca的软件开发团队定制了PlatingManager平台，可以自动调整槽模型，使其朝向真实槽的实际（可调）阳极配置，而无需对内部的PlatingManager模型进行手动更改。

在福克公司的硬镀铬模拟项目中，通过对现场工装结构进行多次现场试验和误差反复修改，首次对根据经验开发的仿真概念进行了试运行。初始仿真模型考虑了最后评估的工装设计，其中现场性能导致在轴部件的临界直径上出现“波浪状”铬沉积（图1:A1和A2）。将PlatingManager模拟模型设置为相同的工艺和工装配置，获得的模拟结果表明类似的观察结果：可以看到在零件临界直径周围形成“波浪状”的铬沉积（图1:B）。需要说明的是，Cr层的厚度分布是由颜色图表示的，其中不同的颜色代表不同的厚度值。在本项目中，红色表示高厚度区域（厚度过大），而蓝色突出显示低厚度区域（厚度不足）。这种直观的评估方法直接指出了需要进一步解决的表面质量问题。为了解释和消除 “波浪状”铬层的形成，现场进行了几次工装调整方案。同时，利用仿真模拟技术来解决相同的质量问题 ，从结果来看，传统的“经验设计-现场试制-纠错”的开发模式可以解决“波浪状”铬沉积的问题，但是需要经过数轮的验证，浪费了大量的时间和物力。然而，通过仿真技术，只需要几个快速的计算就可以得出相同的结论： “波浪状”的铬沉积形成是由面向轴零件临界直径的工装部件中存在的某些开口造成的。一旦开口关闭，并且面向直径的模具部件呈实心形状，就可以实现均匀的铬沉积分布（图1:C）。

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在第一次成功评估后，仿真计算模型随后被用于改进剩余的工装组件设计，然后分析影响铬沉积在轴零件其他临界直径上的分布。如图2所示，仿真结果显示铬层分布会发生以下变化：底部直径（D1）现有的沉积特征具有向上过冲的趋势，直径2（D2）的沉积均匀性有所改善，而直径3（D3）几乎没有观察到过冲。利用这一仿真结果，对现有工装设计方案进行优化，并将优化方案进行现场试制，同时将基于计算机建模开发的仿真计算结果与传统的“经验设计-现场试制-纠错”开发获得的结果进行比较。

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图2：轴零件临界直径上的硬铬沉积

• D1----直径1；
• D2----直径2；
• D3----直径3。
• 不同的颜色代表不同的铬层厚度，其中红色表示膜厚过高的区域，蓝色表示膜厚较低的区域。

图3显示了直接在电镀零件上观察到的Cr层分布的一些差异：值得注意的是，在传统开发方法试制出的零件膜厚分布显示，沉积的Cr层较差（图3，左图）----铬层要么是过度沉积，从而减小了两种直径之间的电镀间隙，要么是电镀厚度不足，导致仍要电镀的表面区域缺乏沉积。根据预测建模方法开发的工装设计方案下的膜厚沉积结果显示（图3，右图），电镀间隙的尺寸得到了改进，并且朝边缘点生长的铬层具有更好的长度。尽管如此，由于边缘点尚未完全接近，仍应进行一些有关工装性能的小优化。

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图3：传统开发模式（左图）和仿真优化工艺开发（右图）的零件性能的比较。

根据所进行的分析，福克的开发团队指出，仿真分析方法，特别是Elsyca PlatingManager仿真技术，可以显著改善工装设计过程：只需通过仿真软件进行多次迭代，就可以得出最合适的工装设计方案，这大大减少了现场试制及纠错的次数，并且解决和消除沉积铬层的质量问题（图案和覆盖不良）。另外，尽管后续有些小的工艺或工装变更可能是不可避免的，但在设置实际电镀工艺之前，依靠仿真技术可以为进一步的工艺和工装调整提供了一个更好的起点。此外，通过仿真分析技术，工装设计所需的时间以及相关的制造成本都减少了，这对资本支出（CAPEX）和运营费用（OPEX）有很大影响。