一种射流电沉积喷头及其用于制造无缝金属管的方法与流程

本发明属于电化学加工技术领域，具体涉及一种射流电沉积喷头及基于它制备无缝金属管的方法。

背景技术：

无缝微细金属管是制造业的基础件，在现代消费电子，芯片，生物，医疗等领域均有广泛应用。目前，无缝金属管常规制备工艺是拉拔、轧制等，但这些工艺大都只能获得等径等壁厚的直管，且受成型模具及运动机构等方面制约，极难制取超小内径或变内径或变截面形状的无缝金属管。而这些非常规的无缝金属管在工业界有迫切需求。

电沉积加工（电铸加工）是一种利用电化学原理通过精密复制方式来制取零件、结构、型材（膜材、线材等）的常用加工方法。它因此也被选用来制备无缝金属微管。如专利号为wo2005/090645（对应申请号200480042540.0）的专利提出了一种微细电铸法制备金属微细管的工艺。它通过电沉积复制细长芯材的方式来获得无缝金属微细管，但这种基于槽镀模式的复制型电沉积工艺存在制备效率偏低、工艺环节多、脱模难度大、适应性差等不足，尤其是极难胜任超小内径或变内径或变截面形状等无缝金属管的制备工作。射流电沉积加工是一种具有高操作灵活度的特种加工技术，极易自由、高速地形成空间形状多变的线状结构体。基于此，本发明开发了一种射流电沉积喷头和射流电沉积无缝金属管新工艺，以能高效灵活地制备内径、横截面形状、空间几何形状等不受限的无缝金属管。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种射流电沉积喷头及基于它制备无缝金属管的方法，以实现高效制备非常规的微细无缝金属管。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：一种射流电沉积喷头，包括设有喷嘴的喷头主体，导电阳极，电解液、电沉积电源和阴极基底，其特征在于：它还包括电绝缘模芯；所述的电绝缘模芯与喷嘴同轴线地安设在喷头主体上；所述的电绝缘模芯一端伸出喷嘴1~5mm；所述的电解液从电绝缘模芯和喷嘴所形成的间隙高速流出；所述的导电阳极呈平面环状，固定安设在喷嘴的入口处。

优选的，电绝缘模芯安装在喷头主体的可调支撑架上，其与喷嘴同轴后固定；优选的，平面环状的导电阳极外径尺寸为内径尺寸的两倍以上，增大阳极与电解液的界面接触面积，减小阳极电流密度。

所述的电绝缘模芯的材质为耐酸碱腐蚀的高分子固体材料，其伸出端为平面，高分子固体材料优选为具有良好韧性的聚丙烯。

所述的导电阳极的材质为铂、钛等惰性金属，优选材料为不易发生阳极钝化的铂。

所述的导电阳极与电沉积电源的正极相连接，所述的阴极基底与电沉积电源的负极相连接。

一种射流电沉积喷头用于制造无缝金属管的方法，包含以下步骤：

s1、将电解液槽置于数控运动平台的xy平面上，再把阴极基底水平地固定于电解液槽内，然后调整固定在数控运动平台的z轴上的喷头主体的喷嘴与阴极基底间的距离为1~5mm，并使电绝缘模芯的伸出端与阴极基底紧密接触；

s2、接通电解液循环系统，使电解液流经电绝缘模芯和喷嘴所形成的间隙后高速流向阴极基底，此时，在电绝缘模芯表面形成了包裹电绝缘模芯且两端分别连接喷嘴和阴极基底的稳定的中空液流柱；

s3、把导电阳极和阴极基底分别与电沉积电源接通带电，此时，在电场与流场的共同作用下，中空液流柱中的特定金属离子被还原成原子后自阴极基底起环绕着电绝缘模芯表面逐层叠加向上生长以形成中空的电沉积金属管，与此同时，喷头主体和阴极基底在数控运动平台的多轴驱动与控制下作精密空间运动，并保持电绝缘模芯的伸出端位于电沉积金属管内1~2mm，且中空液流柱的形态稳定；

s4、当电沉积金属管的高度或长度和几何形状达到设计要求后，关断电沉积电源和电解液，移开射流电沉积喷头，把电沉积金属管与阴极基底分离，完成加工，形成最终的无缝金属管。

优选的，所述的步骤s1中，喷头主体的喷嘴与阴极基底间的优选距离为2~3mm，相应的电绝缘芯模等长伸出喷嘴2~3mm与阴极基底紧密接触，此状态有利于电解液从电绝缘模芯和喷嘴间隙高速流出形成稳定的中空液流柱。

优选的，所述的步骤s3中，喷头主体和阴极基底在数控运动平台的多轴驱动与控制下作精密空间运动，此空间运动是基于无缝金属管的成型结构而预先设定的包括喷头主体的旋转运动、升降运动以及阴极基底的平面内水平移动，且优先采用计算机数控系统进行多轴驱动与控制。

基于本发明的工作原理和实施过程如下：

本发明基于射流电沉积技术，将电化学还原反应限定在稳定形态的中空液流柱作用的阴极基底表面，且内置在喷头中的电绝缘模芯作为无缝金属管的柔性型芯，使电沉积的金属层环绕电绝缘模芯表面逐层叠加，并在喷头出口处动态稳定的中空液流柱的诱导电沉积作用下，形成空间线状的无缝金属管。为制备内径、横截面形状、空间几何形状等不受限的无缝金属管，一方面通过改变喷嘴口径，采用微细非均匀截面的电绝缘模芯，设计不同的精密空间运动等方式以满足不同廓形和结构的无缝金属管成形；另一方面，在加工过程中适时调整电解液流速、中空液流柱长度或方向、电加工参数等加工过程参数，动态匹配中空液流柱直径、电沉积速率以及沉积结构形态，从而实现非常规无缝金属管的射流电沉积成型。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、柔性制造能力强。常规生产无缝金属管的工艺（轧制、拉拔成型等）受到模具和成型运动的制约，难以制备超小内径或非等壁厚或变截面形状的微细无缝金属管。而基于槽镀模式的复制型电沉积工艺以细长线材为芯，仅能电沉积制备等直径直线状无缝金属管，且加工时电流密度、沉积速率的工艺调整空间有限，自由制造能力受到极大制约。采用本发明进行射流电沉积无缝金属管时，无论是调整加工过程工艺参数，还是更换不同喷嘴和截面形状的射流电沉积喷头，操作都十分简便快捷，无需特殊工艺即可制备不同类型的无缝金属管。此外，结合数控运动平台的精密空间运动，利用喷嘴出口处动态稳定的中空液流柱诱导电沉积金属管持续环绕电绝缘模芯增长，能制备出如空间螺旋线结构或弯折扭曲的无缝金属管，无需其它工艺（例如机械弯折）便完成特殊空间结构的无缝金属管精确成型。因此，采用本发明具备自由灵活地制备内径、横截面形状、空间几何形状等不受限的无缝金属管的优异制造能力。

2、无需脱模。在细长芯材外表面电沉积形成无缝金属管的制备方法，当且仅当金属管壁厚定型后才可进行脱模。由于细长芯材与电沉积金属管全尺寸结合牢固且电沉积金属管壁厚微薄，难以采用机械剥离，通常采取复杂的物理或化学后处理工序才能有效脱模。本发明以弹性和韧性优良的电绝缘模芯为型芯，加工过程中仅一小段电绝缘模芯置于中空的电沉积金属管中，且随射流电沉积喷头运动始终处于自适应调整状态，因此电绝缘模芯与中空的金属管内壁间无紧密结合力。加工完毕后，移开射流电沉积喷头便可分离电绝缘模芯与无缝金属管。

3、生产成本低。采用本发明的电沉积喷头和方法制备无缝金属管时，无需特制精密工装夹具，工艺准备可采取程序自动控制，时间短且操作简单。此外射流电沉积速率显著高于一般槽液电沉积速率，制件品质和表面质量较好，可程序化精确控制无缝金属管一次成型而无需特殊后处理工艺，有利于缩短加工时间。为此，本发明制备无缝金属管不仅能节省专用的工艺装备，而且生产过程兼具电沉积速度快和数字化操控等特点，成型精度可靠且工艺成本低，便于实现高效生产。

附图说明

图1是本发明无电解液时的射流电沉积喷头示意图。

图2是本发明射流电沉积喷头制备空间结构无缝金属管的工作示意图。

图3是本发明射流电沉积喷头制备的空间结构的无缝金属管。

图中标号及名称：1、电解液；2、喷头主体；3、电绝缘模芯；4、喷嘴；5、中空液流柱；6、电沉积金属管；7、阴极基底；8、电解液槽；9、电沉积电源；10、导电阳极；11、支撑架；12、数控运动平台；13、无缝金属管。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明。

本发明所述的射流电沉积喷头，喷头主体2采用有机玻璃（pmma）制成，喷头主体2上设有连通电解液1的直径1mm的喷嘴4，喷头主体内部的支撑架11上安装直径0.3mm的聚丙烯圆棒作为电绝缘模芯3，支撑架上的调节机构能使电绝缘模芯3与喷嘴4中心同轴，且电绝缘模芯3的伸出端平面超出喷嘴出口3mm。外径为3mm内径1mm的环状铂片作为导电阳极10同轴地固定在喷嘴4的入口处。阴极基底7为厚度1mm的方形黄铜片，与喷嘴4正对放置在电解液槽8中。电沉积电源9正极连接环状铂片，负极连接方形黄铜片。电解液1为含氨基磺酸镍（350g/l）、氯化镍（10g/l）、硼酸（40g/l）的电解质溶液。采用磁力泵和过滤器组合过滤电解液向射流电沉积喷头供液，并使电解液循环工作。

采用本发明射流电沉积喷头制备无缝金属管的实施方法如下：

数控运动平台12的xy平面上安装电解液槽8以及水平固定的阴极基底7，z轴上竖直安置射流电沉积喷头，调整喷头主体2上的喷嘴4距离阴极基底7的高度为3mm，并保持电绝缘模芯3的伸出端平面与阴极基底7表面紧密接触（图1）。随后开启电解液循环系统，一定压力的电解液1进入射流电沉积喷头，从电绝缘模芯3和喷嘴4的环状间隙喷出形成包裹电绝缘模芯3的中空液流柱5至阴极基底7。电解液沿阴极基底表面扩散成极薄的液膜，并最终汇集于电解液槽8中循环使用。

电沉积电源9正极接通射流电沉积喷头内部的导电阳极10，负极接通阴极基底7，开启电沉积电源后，导电阳极10和阴极基底7间的中空液流柱5内产生电场，使阴极基底表面的镍离子发生电化学还原反应，自阴极基底7形成环绕电绝缘模芯3的逐层叠加向上生长的电沉积金属管6。同时，高速流动的中空液流柱5将镍沉积限定在一定的范围内。当电沉积金属高度达到1.5mm~2mm时，喷头主体2按照预定程序缓慢提升高度，此时，电绝缘模芯3伸出端虽脱离阴极基底，但仍有长约1~1.5mm的电绝缘模芯伸出端始终处于中空的电沉积金属管中。电沉积金属管随喷头主体2的缓慢提升运动而不断沉积增长，形成高度超过4mm的竖直线状无缝金属管。此后，在预设轨迹的控制下，数控运动平台12上的喷头主体2沿顺时针方向缓慢旋转，同时阴极基底7沿xy方向做匹配运动。这样，射流电沉积喷头与电沉积金属管6之间不仅维持中空液流柱5的动态稳定地改变方位，并且诱导电沉积金属始终沿中空液流柱5的方向不断增长。在数控运动平台12的多轴运动控制下，形成了与预定轨迹一致、空间弯折状的电沉积金属管6。当电沉积金属管长度和几何形状达到设计要求后，关断电沉积电源和电解液，移开射流电沉积喷头，把电沉积金属管与阴极基底分离，完成加工，形成最终无缝金属管13。

本发明的保护范围并不限于上述描述的实施方案。在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变化均属于本发明的保护范围。