一种选区射流电沉积表面改性装置

1.本发明属于零件表面精确改性技术领域，尤其应用于复杂结构表面电化学沉积，具体为一种选区射流电沉积表面改性装置。


背景技术：

2.目前，传统加工方法对复杂形状零件及微小零件的表面处理一直难以突破。对复杂零件表面进行改性可以有效降低零件磨损程度，提高使用性能，延长使用寿命。
3.电化学沉积技术作为表面改性的重要技术之一，在沉积层厚度可控，精确度高，适用范围广等方面的优势使其在涂层制备方面具备一定的实用价值。射流电沉积是将含有高浓度的镀层金属阳离子的电解液以喷射的方式向阴极表面进行电沉积的一种工艺技术，具有电流密度高大、电流效率高、金属结晶细化和沉积层致密等优点。
4.在一些个性化定制要求高的微小零部件局部或在不同区域内有不同镀层质量要求的情况下，将射流电沉积与快速成型技术相结合的选区射流电沉积还可以实现选区控制。


技术实现要素：

5.本发明目的是将快速成型技术与射流电沉积技术结合为选区射流电沉积技术，提供了一种选区射流电沉积表面改性装置。针对零件表面功能和强度不同的位置采用特种选区表面电沉积方式，从而实现一定区域内集中高效改性。同时射流电化学沉积技术能够使电镀过程更加精确化，实现在不同区域内制造不同镀层质量的电镀产品。
6.本发明是采用如下技术方案实现的：一种选区射流电沉积表面改性装置，包括施镀头和外框架，所述外框架顶部安装有四根滑轨，四根滑轨呈矩形布置。
7.所述施镀头沿其左右方向分别穿过x向滑轨和x向丝杠，所述施镀头通过x向套筒沿x向滑轨进行滑动，所述施镀头通过x向丝杠螺母与x向丝杠配合；所述x向滑轨两端分别安装x向固定卡扣，两个x向固定卡扣分别滑动安装于左右两侧的滑轨上；所述x向丝杠两端分别安装x向丝杠轴承支座，其中一端的x向丝杠轴承支座处安装有x向电机，所述x向丝杠轴承支座及x向电机分别滑动安装于左右两侧的滑轨上。
8.所述施镀头沿其前后方向分别穿过y向滑轨和y向丝杠，所述施镀头通过y向套筒沿y向滑轨进行滑动，所述施镀头通过y向丝杠螺母与y向丝杠配合；所述y向滑轨两端分别安装y向固定卡扣，两个y向固定卡扣分别滑动安装于前后两侧的滑轨上；所述y向丝杠两端分别安装y向丝杠轴承支座，其中一端的y向丝杠轴承支座处安装有y向电机，所述y向丝杠轴承支座及y向电机分别滑动安装于前后两侧的滑轨上。
9.所述施镀头内上部为空腔，所述施镀头内轴向固定有齿条导轨，所述齿条导轨上滑动安装有齿条，所述齿条与齿轮啮合，所述齿轮由行程电机驱动旋转；所述齿条内中央安装有阳极棒，所述阳极棒伸入施镀头下部的中央孔道内；所述施镀头底部安装镀液喷嘴，所
述镀液喷嘴的中央喷孔与施镀头下部的中央通孔连通。
10.所述外框架内安装有四根z向滑轨，每根z向滑轨底部套装有z向套筒，位于左侧的两个z向套筒安装于一根y向内支臂上，位于右侧的两个z向套筒安装于一根y向内支臂上；两根y向内支臂前端安装一根x向内支臂，两根y向内支臂后端安装一根x向内支臂；每根y向内支臂中部安装有一个z向丝杠螺母，两个z向丝杠螺母内分别安装有z向丝杠，所述z向丝杠下端连接z向电机输出端。
11.两根x向内支臂上通过四根短柱支撑安装升降平台，所述升降平台上放置有沉积槽，所述沉积槽内设有橡胶底座，所述橡胶底座上设有阴极板，所述阴极板位于镀液喷嘴正下方。
12.所述沉积槽内伸入蠕动泵进液管，所述蠕动泵进液管穿过外框架后连接蠕动泵进口，所述蠕动泵出口连接蠕动泵出液管，所述蠕动泵出液管密封连接于施镀头下部的循环孔，所述循环孔与施镀头的中央孔道连通。
13.所述蠕动泵进液管上安装防腐蚀电液阀；所述施镀头底部安装有用于测量其中央孔道内液体压力的压力传感器，所述压力传感器输出信号至压力控制器，所述压力控制器控制防腐蚀电液阀动作。
14.所述施镀头下部安装用于检测阳极棒位置的位移传感器，所述位移传感器输出信号至位移控制器，所述位移控制器控制行程电机动作。
15.装配时，蠕动泵进液管道一端伸入沉积槽的镀液中，蠕动泵出液管道一端与施镀头的循环孔通过密封接头连接；施镀头上方安装有齿轮、齿轮轴系、行程电机，齿条与施镀头连接有齿条导轨，齿轮与齿条啮合，阳极棒穿过齿条内部的通孔，并与齿条通过紧定螺钉固定，阳极棒上方与电源正极相连，下方直通镀液喷嘴；施镀头中部x向穿入同向丝杠和滑轨，在施镀头左右两侧丝杆穿入和穿出的位置，通过螺栓固定丝杠螺母和滑轨套筒，丝杠两端连接带有轴承的支座和电机，x向滑轨和轴承支座分别与外支架通过滑轨连接。x向丝杠下方穿入y向同向丝杠和滑轨，在施镀头前后两侧丝杆穿入和穿出的位置，通过螺栓固定丝杠螺母和滑轨套筒，丝杠两端连接带有轴承的支座和电机，y向滑轨和轴承支座分别与外支架通过滑轨连接。镀液喷嘴自端部向上依次连有压力传感器及密封接头，位移传感器及密封接头。镀液喷嘴下方是与电源负极连通的阴极板，阴极板放置在橡胶底座上，沉积槽内放置镀液，镀液中设有恒温加热装置；沉积槽置于内支架上。
16.施镀头运动轨迹由主板控制系统，x、y向丝杠在x、y向电机驱动下控制施镀头进行x、y向移动，形成水平切片形状的沉积区域；镀液喷嘴的直径影响单位时间内沉积区域的大小，所选喷嘴直径越大，单位时间内沉积区域面积越大；z向丝杠控制施镀头与阴极板的间距，形成不同厚度的沉积层，在一定范围内，间距越大，沉积层越厚。
17.阳极棒固定在齿条上，与齿轮啮合，可随齿轮转动而上下移动，结合位移传感器的信号反馈，实现对阳极棒与镀液接触长度的控制，便于实时产生不同金属离子浓度的镀液，从而应对不同的工艺需求。
18.镀液流速控制单元包括压力传感器、电液阀和压力控制器，压力传感器置于镀液喷嘴附近，电液阀置于镀液输送管道上，两者间装有压力控制器。压力传感器将信号反馈给控制器，电液阀通过对液体压力的检测来控制镀液喷射速度，保证镀液恒压均匀喷射。
19.使用时，根据基体材料及镀层材料的性质，配置相应镀液，装入沉积槽中；对阴极
板进行镀前预处理；镀液从沉积槽中通过蠕动泵管道进入施镀头中，与通电阳极棒接触后通过喷嘴作用在阴极板上；施镀头在丝杠传动的作用下按照既定轨迹行走，在阴极板上形成电沉积区域。可实时控制阳极棒的进给长度，镀液流速及压强，以形成不同形貌及粗糙度的镀层；沉积结束后取出阴极板进行充分清洗及后处理，即得到了表面具有所设定区域镀层的产品。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果如下：1、阳极棒与镀液接触长度可控，可实时产生不同金属离子浓度的镀液。
21.2、利用镀液流速控制单元可保证镀液喷射时恒压且均匀。
22.3、镀液喷嘴内径可选，可进行单位时间不同区域面积的沉积。
23.4、对于选区沉积的基体材料、镀层材料没有限制，可根据具体工艺调整加工参数。
24.5、滚珠丝杠机构传动精度高，实现微进给，可用于对微小零部件局部进行选区沉积。
25.本发明设计合理，利用丝杠在电机驱动下控制施镀头x、y向移动形成水平切片形状的沉积区域，通过选择不同直径的镀液喷嘴来实现单位时间内不同面积的沉积区域，z向丝杠通过控制施镀头与阴极板的间距，形成不同厚度的沉积层；通过改变可移动阳极棒与镀液接触长度，实时控制镀液金属离子浓度；利用镀液流速控制调节镀液喷射流量，保证镀液喷射时恒压且均匀。针对零件表面功能和强度不同的位置，采用特定选区表面电沉积方式，可实现在不同区域内制造镀层质量具有差异性的电镀产品。
附图说明
26.图1表示本发明所述装置的结构示意图（主视图）。
27.图2表示图1的b向结构示意图（俯视图）。
28.图3表示图1的a向局部结构示意图。
29.图4表示图1中ⅰ部分密封接头处的放大结构示意图。
30.图5表示图1中ⅱ部分位移传感器接头处的放大结构示意图。
31.图6表示图1中ⅲ部分压力传感器接头处的放大结构示意图。
32.图中：1
‑
施镀头，2
‑
紧定螺钉，3
‑
密封圈ⅰ（共2件），4
‑
密封端盖（共2件），5
‑
蠕动泵出液管，6
‑
位移控制器，7
‑
位移传感器，8
‑
蠕动泵，9
‑
压力传感器，10
‑
压力控制器，11
‑
防腐蚀电液阀，12
‑
外框架，13
‑
沉积槽，14
‑
蠕动泵进液管，15
‑
过滤器，16
‑
升降平台，17
‑
x向内支臂，18
‑
橡胶底座，19
‑
加热棒，20
‑
阴极板，21
‑
镀液喷嘴，22
‑
喷嘴密封圈，23
‑
z向固定卡扣ⅰ，24
‑
滑轨（共4件），25
‑
行程电机，26
‑
齿轮，27
‑
齿条，28
‑
阳极棒，29
‑
齿条导轨，30
‑
施镀头上盖板，31
‑
阳极导线接头，32
‑
z向固定卡扣ⅱ（共3件），33
‑
x向套筒，34
‑
x向滑轨，35
‑
x向固定卡扣（共2件），36
‑
x向丝杠螺母，37
‑
x向丝杠，38
‑
x向丝杠轴承支座，38a
‑
x向电机，39
‑
y向丝杠螺母，40
‑
y向套筒，41
‑
y向滑轨，42
‑
y向丝杠，43
‑
y向丝杠轴承支座，43a
‑
y向电机，44
‑
y向固定卡扣（共2件），45
‑
主板，46
‑
z向套筒（共4件），47
‑
z向电机，48
‑
z向丝杠（共2件），49
‑
z向丝杠螺母（共2件），50
‑
y向内支臂，51
‑
z向滑轨（共4件）；52
‑
密封圈ⅱ，53
‑
密封圈ⅲ，54
‑
密封圈ⅳ，55
‑
密封圈
ⅴ
，56
‑
密封圈
ⅵ
，57
‑
密封圈
ⅶ
，58
‑
密封圈
ⅷ
，59
‑
密封圈
ⅸ
，60
‑
密封接头，61
‑
循环孔，62
‑
短柱。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
34.一种选区射流电沉积表面改性装置，包括脉冲电源、恒温加热棒、蠕动泵、镀液输送管道、沉积槽、阴极板、可移动阳极棒，设有位移传感器和压力传感器的可移动施镀头及各类密封装置。
35.如图1、2所示，外框架12顶部安装有四根滑轨24，外框架12整体为立方体形状，四根滑轨24呈矩形布置于外框架顶部。
36.如图1、2所示，施镀头1中部沿其左右方向分别穿过x向滑轨34和x向丝杠37，施镀头1通过x向套筒33沿x向滑轨34进行滑动，即在施镀头1左右外侧穿入和穿出处分别通过螺钉固定x向套筒33，x向滑轨34穿入两个x向套筒33内；x向滑轨34两端分别安装x向固定卡扣35，两个x向固定卡扣35分别滑动安装于左右两侧的滑轨24上，本实施例中，x向固定卡扣35通过滑槽配合吊装于滑轨下方，当然，x向固定卡扣35也可以滑动支撑于滑轨上方。施镀头1通过x向丝杠螺母36与x向丝杠37配合，即在施镀头1左右外侧穿入和穿出处分别通过螺钉固定x向丝杠螺母36，x向丝杠37螺纹穿过两个x向丝杠螺母36；x向丝杠37两端分别安装x向丝杠轴承支座38，本实施例中位于左端的x向丝杠轴承支座处连有x向电机38a，x向丝杠轴承支座38及x向电机38a滑动安装于左右两侧的滑轨24上；本实施例中，x向丝杠轴承支座38及x向电机38a通过滑槽配合吊装于滑轨下方，当然，也可以滑动支撑于滑轨上方。
37.如图1、2所示，施镀头1沿其前后方向分别穿过y向滑轨41和y向丝杠42；y向滑轨41和y向丝杠42位于x向滑轨34和x向丝杠37的上方或者下方均可。同理，施镀头1通过y向套筒40沿y向滑轨41进行滑动，即在施镀头1前后外侧穿入和穿出处分别通过螺钉固定y向套筒40，y向滑轨41穿入两个y向套筒40内；y向滑轨41两端分别安装y向固定卡扣44，两个y向固定卡扣44分别滑动安装于前后两侧的滑轨24上；本实施例中，y向固定卡扣44通过滑槽配合吊装于滑轨下方，当然，y向固定卡扣44也可以滑动支撑于滑轨上方。施镀头1通过y向丝杠螺母39与y向丝杠42配合；即在施镀头1前后外侧穿入和穿出处分别通过螺钉固定y向丝杠螺母39，y向丝杠42螺纹穿过两个y向丝杠螺母39；y向丝杠42两端分别安装y向丝杠轴承支座43，本实施例中位于前端的y向丝杠轴承支座处连有y向电机43a，y向丝杠轴承支座43及y向电机43a滑动安装于前后两侧的滑轨24上；本实施例中，y向丝杠支座43及y向电机43a通过滑槽配合吊装于滑轨下方，当然，也可以滑动支撑于滑轨上方。
38.如图1所示，施镀头1内上部为空腔，施镀头1内轴向固定有齿条导轨29，齿条导轨29上滑动安装有齿条27，齿条27与齿轮26啮合，齿轮26由行程电机25（可以采用步进电机）驱动旋转；齿条27的中央通孔内安装有阳极棒28，阳极棒28通过紧定螺钉2固定，随齿条27进行上下移动。施镀头1的施镀头上盖板30中央设有阳极导线接头31，阳极棒28与阳极导线接头31电连接，该阳极导线接头31连接脉冲电源的正极。阳极棒28伸入施镀头1下部的中央孔道内。施镀头1底部安装镀液喷嘴21，镀液喷嘴21的中央喷孔与施镀头1下部的中央通孔针对连通。具体为，镀液喷嘴21与施镀头1采用螺纹连接，并设有密封圈22，可根据工艺需求选择安装不同内径的镀液喷嘴。
39.如图1、2、3所示，外框架12内安装有四根z向滑轨51，四根z向滑轨51的底端均固定于外框架12底面，其中三根z向滑轨51的顶端分别通过z向固定卡扣ⅱ32固定，该z向固定卡扣ⅱ32固定安装于外框架12内侧壁；另一根z向滑轨51的顶端通过z向固定卡扣ⅰ23固定，该
z向固定卡扣ⅰ23也固定安装于外框架12内侧壁；区别在于该z向固定卡扣ⅰ23端部夹持安装加热棒19，加热棒19伸入沉积槽13内。
40.如图3所示，每根z向滑轨51底部套装有z向套筒46，位于左侧的两个z向套筒46安装于一根y向内支臂50上，位于右侧的两个z向套筒46安装于一根y向内支臂50上；两根y向内支臂50前端分别通过螺栓安装一根x向内支臂17，两根y向内支臂50后端分别通过螺栓安装一根x向内支臂17；这样两根x向内支臂17和两根y向内支臂50构成一个内支架，该内支架能够沿四根z向滑轨51进行上下移动。每根y向内支臂50中部安装有一个z向丝杠螺母49，两个z向丝杠螺母49内分别安装有z向丝杠48，z向丝杠48下端连接z向电机47输出端，z向丝杠48上端为自由端，当然也可以通过轴承及底座固定于外框架12内侧壁。
41.如图1所示，两根x向内支臂17上通过四根短柱62支撑安装升降平台16，升降平台16上放置有沉积槽13，沉积槽13内设有橡胶底座18，橡胶底座18上设有阴极板20，阴极板20位于镀液喷嘴21正下方，阴极板20连接脉冲电源的负极。
42.如图1所示，沉积槽13内伸入蠕动泵进液管14，蠕动泵进液管14进口安装过滤器15，蠕动泵进液管14穿过外框架12后连接蠕动泵8进口，蠕动泵8出口连接蠕动泵出液管5，蠕动泵出液管5密封连接于施镀头1下部的循环孔61，循环孔61与施镀头1的中央孔道连通；如图4所示，蠕动泵出液管5的出液口端部通过密封接头60和密封圈ⅱ52、密封圈ⅲ53、密封圈ⅳ54、密封圈
ⅴ
55进行密封安装。在循环孔61旁边可以设置观察孔，观察孔通过密封端盖4和密封圈ⅰ3实现密封，密封端盖4可以是透明的。
43.如图1所示，蠕动泵进液管14上安装防腐蚀电液阀11；施镀头1底部安装有用于测量其中央孔道内液体压力的压力传感器9，如图6所示，压力传感器9通过密封接头60和密封圈
ⅷ
58、密封圈
ⅸ
59进行密封安装。压力传感器9输出信号至压力控制器10，压力控制器10控制防腐蚀电液阀11动作。
44.如图1所示，施镀头1下部安装用于检测阳极棒28位置的位移传感器7，如图5所示，位移传感器7通过密封接头60和密封圈
ⅵ
56、密封圈
ⅶ
57进行密封安装。位移传感器7输出信号至位移控制器6，位移控制器6控制行程电机25动作。
45.具体实施方式，电源采用脉冲电源，为激活阴极，同时降低阴极浓度极化效应的影响，有利于制备出更加致密的镀层。
46.镀层金属离子浓度控制单元包括位移传感器7、可移动阳极棒28和位移控制器6。可移动阳极棒28固定在齿条27上，齿条27与齿轮26啮合可随齿轮26转动而上下移动，结合位移传感器7的信号反馈，实现对可移动阳极棒28与镀液接触长度的控制，便于实时产生不同金属离子浓度的镀液，从而满足不同的工艺需求。
47.镀液流速控制单元包括压力传感器9、电液阀11和压力控制器10，压力传感器9置于镀液喷嘴21附近，电液阀11置于镀液输送管道14上，两者间装有压力控制器10。压力传感器9将信号反馈给压力控制器10，压力控制器10控制电液阀11调节镀液喷射流量，保证镀液喷射时恒压且均匀。压力控制器10可以设置单片机，控制器中用于实现上述功能的程序是现有程序，为本领域技术人员所熟知的。
48.施镀头1运动机构单元选择滚珠丝杠传动，其精度高的特性使施镀头实现微进给，从而使选区沉积行为更加精准，有效提高镀层工艺水平。
49.沉积过程中少量氢气析出并附着在阴极表面，最终形成的沉积层存在气孔或缺
陷，影响镀件表面完整性，实验证明，除采用加压的方式使高速液体从镀液喷嘴21喷射向阴极板20，降低气泡附着的可能性之外，镀液喷嘴21旁边单设有一个辅助喷嘴，也可部分消除气泡对镀层质量的影响。
50.为便于循环孔的加工，镀液入口处分别设有一个横孔和一个纵孔，并配有密封端盖，进液管道与镀液喷嘴连通；当然循环孔根据实际情况也可以具有多种加工方式。
51.具体使用时，施镀头运动轨迹由主板控制，x、y向丝杠在相应的x、y向电机驱动下控制施镀头进行x、y向移动，形成水平切片形状的沉积区域；镀液喷嘴的直径影响单位时间内沉积区域的大小，所选喷嘴直径越大，单位时间内沉积区域面积越大；z向丝杠控制施镀头与阴极板的间距，形成不同厚度的沉积层，在一定范围内，间距越大，沉积层越厚。
52.根据基体材料及镀层材料的性质，配置相应镀液，装入沉积槽13中；对阴极板20进行镀前预处理；镀液从沉积槽13中通过蠕动泵进入施镀头1中，与通电可移动阳极棒28接触后通过喷嘴21作用在阴极板20上，施镀头1在丝杠传动的作用下按照既定轨迹行走，在阴极板20上形成电沉积区域。可实时控制可移动阳极棒28的进给长度，镀液流速及压强；沉积结束后取出阴极镀件进行充分清洗及后处理，即得到了表面具有所设定区域镀层的产品。
53.最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。