专利名称：回转体零件的高速射流喷射电铸加工方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电铸加工方法及装置，尤其是一种能连续产生致密性好的电铸零 件的加工方法及装置，具体地说是一种回转体零件的高速射流喷射电铸加工方法及装置。
背景技术：
众所周知，电铸技术作为一种具有很高复制精度和重复精度的精密特种加工方 法，在许多高技术领域得到成功的应用。利用电铸技术能制造出各种精密、异型、微细及传 统工艺难以加工的零件，并能保证很高的形状精度和尺寸精度。但电铸技术也存在一些缺陷和局限性，如铸层的质量不稳定，易出现麻点、针孔、 积瘤、毛刺、应力等缺陷，这些缺陷均会随着电铸过程的进行而逐渐加剧，使电铸层的物理、 机械性能下降，甚至出现铸件变形、开裂；铸层均勻性差，各部分电流密度不均勻，造成整体 沉积速度下降以及合金成分不均勻；由于受极限电流密度和上述缺陷的限制，电铸工艺必 须采用较低的电流密度和较长的生产周期来获得致密的电铸层和合格的金属零件，甚至需 反复中断电铸过程，采用二次加工的方法，通过机械加工去除表面积瘤和毛刺，抛光后进 行二次沉积，来维持电铸的持续进行。这些问题的存在，严重阻碍了电铸工艺技术整体水平 的提高以及电铸技术的应用和发展。
发明内容
本发明的目的是针对现有的电铸方法难以连续沉积出表面平整、组织致密的回转 体零件的问题，发明一种能有效提高电铸速度，改善铸层质量，并能拓宽电铸技术应用领域 的回转体零件的高速射流喷射电铸加工方法及装置。本发明的技术方案之一是
一种回转体零件的高速射流喷射电铸加工方法，其特征是它包括以下步骤 一种回转体零件的高速射流喷射电铸加工方法，其特征是它包括以下步骤
(1)首先使电铸芯模与一旋转驱动装置相连的同时与电源阴极相连，形成沉积阴极并 使沉积阴极在整个电铸过程中保持旋转状态；
(2)将沉积阴极半埋在电铸槽的磨粒中或使其与一磨擦件表面相接触；
(3)使电铸液喷嘴和电铸槽与一三维运动控制装置相连，以使电铸液喷嘴能相对于沉 积阴极作垂直方向、水平纵向和水平横向的三维运动；
(4)使电铸液以高速射流的形式喷向旋转运动中的沉积阴极表面，使阴极表面迅速补 充金属离子并以紊流形式流动以降低扩散层的厚度，紊流的速度越高越好，有效地降低浓 差极化，在高速射流的同时应使电铸液喷嘴在计算机控制下根据最终成形铸件的形状进行 水平面上的扫描仿形运动；
(5)调整电铸液喷嘴离开沉积阴极的距离，重复第四步的动作，直至沉积层的厚度达到 设计尺寸。所述的磨擦件与沉积表面滑动接触。
所述的电铸槽中的磨粒为密度大于电铸液的陶瓷球、玻璃球或金属磨粒；摩擦件 为密度大于电铸液的天然玉石或玛瑙石。所述的电铸液喷嘴为圆形、窄缝或阵列形式的喷嘴。本发明的技术方案之二是
一种回转体零件的高速射流喷射电铸加工装置，它包括电铸电源1、回液槽2、电铸芯 模5、机床工作台运动机构7、喷嘴9和计算机26，其特征是所述的电铸电源1的负极通过导 电装置4与电铸芯模5相连，电铸芯模5主体安装在电铸槽12中并连接有带动其旋转的电 机3，电铸槽12中安装有上表面不高出电铸芯模5的磨擦粒子11或与电铸芯模5相接触的 摩擦件24，电铸槽12和电铸芯模5均位于回液槽2中，电铸槽12通过回流口 23与回液槽 2连通，回液槽2通过回流管与储液槽18连通，储液槽18置于水浴槽19中；所述的电铸电 源1的正极与阳极6相连，阳极6安装在阳极腔8中，阳极腔8的进液口通过进液管和磁力 泵17与储液槽18相连通，阳极腔8的出液口上安装有喷嘴9，喷嘴9位于电铸模芯5的上 方，安装有喷嘴9的阳极腔6以及回液槽2安装在受控于计算机26的机床工作台运动机构 7上。所述的电铸槽12安装在振动源13上，振动源13位于回液槽2中，所述的振动源 13为机械式或电磁式振动源。所述的进液管上安装有球阀14和过滤器16，过滤器16安装在磁力泵17的出口 侧，在过滤器16和球阀14之间旁接有溢流管路，溢流管路上安装有溢流阀15。所述的储液槽18中安装有搅拌器22。所述的水浴槽19中安装有加热器20，加热器20与温控装置21相连。所述的摩擦件24通过恒张力装置25与电铸芯模5相接触。本发明的有益效果
(1)本发明通过将含有高浓度铸层金属离子的电铸液以高速射流的形式，在计算机的 控制下喷向阴极进行有选择地电沉积。这种电铸液高速射流的形式使阴极表面迅速补充金 属离子，而且电铸液以强烈紊流形式流动，极大地降低了扩散层的厚度，有效地降低了浓差 极化，所以可以以远高于其他电铸工艺的电流密度进行电铸，从而克服了传统电铸方法存 在的加工时间长以及析氢带来的铸层缺陷等问题。同时，喷射电铸较高的电流密度可以产 生更高的电化学极化，有利于获得组织致密、晶粒细化的电铸层。(2)由于铸点的可选择性，即电铸液射流在计算机控制下对阴极表面进行扫描仿 形，对阴极表面上的每个电铸点来说，其电场强度和电流密度都是近似相等的，从而改善阴 极表面的电场分布，提高电铸质量，同时该技术甚至可以抛弃传统电铸复杂的阴极母模，从 而形成一种新颖的、低成本的成型高精度金属零件的新方法。(3)喷嘴与电铸芯模之间在垂直方向(ζ向)以及在水平面内横向和纵向(χ，y 向)的三个相对运动，分别由三个电机驱动。电铸过程实行计算机数控加工。计算机系统依 据数控加工文件产生控制信号控制驱动电机，使喷嘴与阴极产生X，y方向的相对运动， 实现射流对阴极表面的扫描仿形。喷嘴距电铸芯模的高度，在沉积过程中可以由计算机控 制，实时在线调节。另外，可以有圆形、窄缝、阵列等多种形式的喷嘴。(4)电铸芯模半埋在堆满硬质粒子的槽中或采用摩擦件与被镀阴极表面直接接 触。硬质粒子的密度要大于电铸液的密度，如陶瓷球、玻璃球、磨粒等。摩擦件可以选用天然玉石、玛瑙石等制作，与铸层表面接触滑动。计算机控制喷嘴沿指定的路径对裸露的电铸芯 模表面进行扫描电铸。电铸芯模在传动装置的带动下不停运动，通过硬质粒子或摩擦件在 对铸层表面进行磨擦，来有效去除沉积表面的积瘤、毛刺等缺陷，改善铸层质量，有利于获 得连续的、表面平整光亮的电铸层。当采用硬质粒子对铸层表面进行磨擦时，阴极的旋转运 动，可以带动硬质粒子不停运动，从而对芯模表面进行磨擦、冲击。另外，可以附加振动源， 如机械式或电磁式，使堆满硬质粒子在电铸槽中发生振动。两种运动的叠加，可以促使硬质 粒子作连续的复合运动，使其对电铸层表面的磨擦更均勻、有效。另外，还可以在硬质粒子 的表面放置压紧装置，通过其调节硬质粒子对铸层表面的作用力，使磨擦效果更好。(5)本发明利用特殊的液相传质方式，可以使沉积速率提高几十倍，乃至上百倍， 并有效地改善电沉积过程，使沉积层组织致密、晶粒细化。(6)本发明通过采用电铸液循环过滤系统，用于保证及时充足地向加工区供给电 铸液。由温控装置控制的加热器，用于保持电铸液的温度恒定。(7)本发明的装置结构简单，易于实现，它不仅能有效去除电铸层表面的麻点、气 孔和积瘤等缺陷，以较高的沉积速度制备出组织致密、均勻的铸层，甚至可以抛弃传统电铸 复杂的阴极母模，不间断地一次性成形不同形状和壁厚的回转体零件。
图1是本发明的喷射电铸加工回转体零件的装置结构示意图。图2是使用硬质粒子时的沉积单元结构示意图。其中图2 (a)是沉积单元主视图，图2 (b)是沉积单元俯视图。图3是本发明的装置在使用摩擦件时的沉积单元结构示意图。图中1、电铸电源，2、回液槽，3、电机，4、导电装置，5、电铸芯模，6、阳极，7、机床工 作台运动机构，8、阳极腔，9、喷嘴，10、压紧装置，11、硬质粒子，12、电铸槽，13、振动源，14、 球阀，15、溢流阀，16、过滤器，17、磁力泵，18、储液槽，19、水浴槽，20、加热器，21、温控装置， 22、搅拌器，23、回流口，24、摩擦件，25、恒张力装置。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。实施例一。如图1所示。一种回转体零件的高速射流喷射电铸加工方法，它包括以下步骤
(1)首先使电铸芯模与一旋转驱动装置相连的同时与电源阴极相连，形成沉积阴极并 使沉积阴极在整个电铸过程中保持旋转状态；
(2)将沉积阴极半埋在电铸槽的磨粒(磨粒应采用密度大于电铸层的陶瓷球、玻璃球或 金属磨粒)中或使其与一磨擦件(可采用天然玉石或玛瑙石)表面滑动接触；
(3)使电铸液喷嘴(可为圆形、窄缝或阵列形式的喷嘴)和电铸槽与一三维运动控制 装置相连，以使电铸液喷嘴能相对于沉积阴极作垂直方向、水平纵向和水平横向的三维运 动；
(4)使电铸液以高速射流的形式喷向旋转运动中的沉积阴极表面，使阴极表面迅速补充金属离子并以紊流形式流动以降低扩散层的厚度(紊流的强度与速度越大越好)，有效 地降低浓差极化(电极上有电流通过时，电极表面附近的反应物或产物浓度变化引起的极 化)，在高速射流的同时应使电铸液喷嘴在计算机控制下根据最终成形铸件的形状进行水 平面上的扫描仿形运动；
(5)调整电铸液喷嘴离开沉积阴极的距离，重复第四步的动作，直至沉积层的厚度达到 设计尺寸。详述如下
一种回转体零件的高速射流喷射电铸加工方法
(1)采用喷射电铸技术将含有高浓度铸层金属离子的电铸液以高速射流的形式，在计 算机的控制下喷向阴极进行有选择地电沉积。这种电铸液高速射流的形式使阴极表面能迅 速补充金属离子，而且电铸液以强烈紊流形式流动极大地降低了扩散层的厚度，有效地降 低了浓差极化，所以可以以远高于其他电铸工艺的电流密度进行电铸，从而克服了传统电 铸方法存在的加工时间长以及析氢带来的铸层缺陷等问题。同时，喷射电铸较高的电流密 度可以产生更高的电化学极化，有利于获得组织致密、晶粒细化的电铸层；
(2)由于铸点的可选择性，即电铸液射流在计算机控制下对阴极表面进行扫描仿形，对 阴极表面上的每个电铸点来说，其电场强度和电流密度都是近似相等的，从而改善阴极表 面的电场分布，提高电铸质量，同时该技术甚至可以抛弃传统电铸复杂的阴极母模，从而形 成一种新颖的、低成本的成型高精度金属零件的新方法；
(3)喷嘴与电铸芯模之间在垂直方向(ζ向)以及在水平面内横向和纵向(χ，y向)的 三个相对运动，分别由三个电机驱动。电铸过程实行计算机数控加工。选择性射流电铸装 置的计算机系统依据数控加工文件产生控制信号控制驱动电机，使喷嘴与阴极产生χ，y 方向的相对运动，实现射流对阴极表面的扫描仿形。喷嘴距电铸芯模的高度，在沉积过程中 可以由计算机控制，实时在线调节。另外，可以有圆形、窄缝、阵列等多种形式的喷嘴；
(4)电铸芯模半埋在堆满硬质粒子的电铸槽中或采用摩擦件与被镀阴极表面直接接 触。硬质粒子的密度要大于电铸液的密度，如陶瓷球、玻璃球、磨粒等。摩擦件可以选用天然 玉石、玛瑙石等制作，与铸层表面接触滑动。计算机控制喷嘴沿指定的路径对裸露的电铸芯 模表面进行的扫描电铸。电铸芯模在传动装置的带动下不停运动，通过硬粒子或摩擦件在 对铸层表面进行磨擦，来有效去除沉积表面的积瘤、毛刺等缺陷，改善铸层质量，有利于获 得连续的、表面平整光亮的电铸层。当采用硬质粒子对铸层表面进行磨擦时，阴极的旋转运 动，可以带动硬质粒子不停运动，从而对铸层表面进行磨擦、冲击。同时，可以附加振动源， 如机械式或电磁式，使堆满硬质粒子在电铸槽中发生振动。两种运动的叠加，可以促使硬质 粒子作连续的复合运动，使其对电铸层表面的磨擦更均勻、有效。另外，还可以在硬质粒子 的表面放置压紧装置，通过其调节硬质粒子对铸层表面的作用力，使磨擦效果更好。(5)通过电铸液循环过滤系统，使电铸液从喷嘴流出喷射到电铸芯模后，经回收、 过滤，然后进行再循环。电铸液的温度由温控系统控制。电铸装置如图1所示。实施例二。如图1-3所示。一种回转体零件的高速射流喷射电铸加工装置，它包括电铸电源1、回液槽2、电铸芯模5、机床工作台运动机构7、喷嘴9和计算机26，所述的电铸电源1的负极通过导电 装置4 (可采用电刷或类似的滑动式导电装置)与电铸芯模5相连，电铸芯模5主体安装在 电铸槽12中并连接有带动其旋转的电机3，为了提高电铸效率，可在电铸槽12的下部安装 一个振动源13 (可采用振动电机、摆动式冲击装置等加以实现)，电铸槽12中安装有上表面 不高出电铸芯模5的磨擦粒子11 (如图2所示)或与电铸芯模5相接触的摩擦件24 (如图 3所示)，采用摩擦件24时，最好使摩擦件24通过恒张力装置25 (如弹簧)与电铸芯模5相 接触；电铸槽12和电铸芯模5均位于回液槽2中，电铸槽12通过回流口 23与回液槽2连 通，回液槽2通过回流管与储液槽18连通，储液槽18置于水浴槽19中；所述的电铸电源1 的正极与电铸头的阳极6相连，阳极6安装在阳极腔8中，阳极腔8的进液口通过进液管和 磁力泵17与储液槽18相连通，为了便于控制进液量和防止杂质进入，可在进液管上安装球 阀14和过滤器16，过滤器16安装在磁力泵17的出口侧，在过滤器16和球阀14之间旁接 有溢流管路，溢流管路上安装有溢流阀15，同时为了防止储液槽18中电解液的沉淀，可在 储液槽18中安装搅拌器22，为了防止温度过低影响电铸效果，可在水浴槽19中安装加热 器20 (可采用类似于电热水器中的电加棒或丝进行加热)，加热器20与温控装置21 (可采 用现有常规温控技术加以实现)相连。阳极腔8的出液口上安装有喷嘴9，喷嘴9位于电铸 模芯5的上方，安装有喷嘴9的阳极腔6以及回液槽2安装在受控于计算机26的机床工作 台运动机构7 (可采用数控机床上常见的三维运动机构加以实现)上。如图1所示。图1是本发明的装置，从图1中可看出，它包括电铸电源1、回液槽2、电机3、导电 装置4、电铸芯模5、阳极6、机床工作台运动机构7、阳极腔8、喷嘴9、压紧装置10、硬质粒子 11、电铸槽12、振动源13、球阀14、溢流阀15、过滤器16、磁力泵17、储液槽18、水浴槽19、 加热器20、温控装置21、搅拌器22、回流口 23、摩擦件24、恒张力装置25。计算机依据数控 加工文件，控制机床工作台运动机构7，使喷嘴9和电铸芯模5发生相对运动，实现电铸液射 流对阴极表面的扫描；喷嘴9可以有圆形喷嘴、窄缝喷嘴、阵列喷嘴等多种形式；电铸芯模5 半埋在堆满硬质粒子的电铸槽12中或采用摩擦件24与被镀阴极表面直接接触，两种方式 对铸层表面进行磨擦；可以由电铸芯模5的旋转运动和外加振动源13，一起促使硬质粒子 11作连续的复合运动，对电铸层表面进行均勻的磨擦和扰动。图2是使用硬质粒子时沉积单元结构示意图。硬质粒子11充满电铸槽12，覆盖 大半个阴极表面。计算机控制喷嘴9沿指定的路径对裸露的阴极表面进行的扫描电铸，能 适用于不同轮廓和壁厚的零件。本发明的原理和过程如下电铸芯模5采用可导电的材料，如石墨、不锈钢、纯铁、 铝合金等加工而成；其外形可以与电铸零件的内腔尺寸一致，也可以为简单的圆柱状，其尺 寸为电铸零件内腔的最小尺寸；由计算机控制喷嘴9沿一定轨迹进行扫描，同时配合电铸 芯模5的旋转运动，进行选择性电铸，逐层堆砌成所需零件；采用硬质粒子11或摩擦件24 对铸层表面进行磨擦，同时可以利用振动源13带动电铸槽12振动，对电铸层表面进行磨 擦，去除沉积表面的积瘤、毛刺等缺陷，改善铸层质量；电铸液通过温控加热装置20、21保 持温度恒定，利用搅拌器22进行搅拌，通过磁力泵17实现循环过滤；电铸层达到规定厚度 后，切断直流或脉冲电源1，停止电铸，将芯模5取出，清洗干燥后，分离金属沉积层，即可 得到高性能、高质量的电铸零件或毛坯件。本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求
一种回转体零件的高速射流喷射电铸加工方法，其特征是它包括以下步骤(1)首先使电铸芯模与一旋转驱动装置相连的同时与电源阴极相连，形成沉积阴极并使沉积阴极在整个电铸过程中保持旋转状态；(2)将沉积阴极半埋在电铸槽的磨粒中或使其与一磨擦件表面相接触；(3)使电铸液喷嘴和电铸槽与一三维运动控制装置相连，以使电铸液喷嘴能相对于沉积阴极作垂直方向、水平纵向和水平横向的三维运动；(4)使电铸液以高速射流的形式喷向旋转运动中的沉积阴极表面，使阴极表面迅速补充金属离子并以紊流形式流动以降低扩散层的厚度，有效地降低浓差极化，在高速射流的同时应使电铸液喷嘴在计算机控制下根据最终成形铸件的形状进行水平面上的扫描仿形运动；(5)调整电铸液喷嘴离开沉积阴极的距离，重复第四步的动作，直至沉积层的厚度达到设计尺寸。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的电铸槽为振动型电铸槽，其特征是所 述的磨擦件与沉积表面滑动接触。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的电铸槽中的磨粒为密度大于电铸液的 陶瓷球、玻璃球或金属磨粒；摩擦件为密度大于电铸液的天然玉石或玛瑙石。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的电铸液喷嘴为圆形、窄缝或阵列形式 的喷嘴。
5.一种回转体零件的高速射流喷射电铸加工装置，它包括电铸电源(1)、回液槽(2)、 电铸芯模(5)、机床工作台运动机构(7)、喷嘴(9)和计算机(26)，其特征是所述的电铸电源 (1)的负极通过导电装置(4)与电铸芯模(5)相连，电铸芯模(5)主体安装在电铸槽(12)中 并连接有带动其旋转的电机(3)，电铸槽(12)中安装有上表面不高出电铸芯模(5)的磨擦 粒子(11)或与电铸芯模(5)相接触的摩擦件(24)，电铸槽(12)和电铸芯模(5)均位于回 液槽(2)中，电铸槽(12)通过回流口(23)与回液槽(2)连通，回液槽(2)通过回流管与储 液槽(18)连通，储液槽(18)置于水浴槽(19)中；所述的电铸电源(1)的正极与阳极(6)相 连，阳极(6)安装在阳极腔(8)中，阳极腔(8)的进液口通过进液管和磁力泵(17)与储液槽 (18)相连通，阳极腔(8)的出液口上安装有喷嘴(9)，喷嘴(9)位于电铸模芯(5)的上方，安 装有喷嘴(9)的阳极腔(6)以及回液槽(2)安装在受控于计算机(26)的机床工作台运动机 构(7)上。
6.根据权利要求5所述的回转体零件的高速射流喷射电铸加工装置，其特征是所述的 电铸槽(12)安装在振动源(13)上，振动源(13)位于回液槽(2)中，所述的振动源(13)为 机械式或电磁式振动源。
7.根据权利要求5所述的回转体零件的高速射流喷射电铸加工装置，其特征是所述的 进液管上安装有球阀(14)和过滤器(16)，过滤器(16)安装在磁力泵(17)的出口侧，在过滤 器(16)和球阀(14)之间旁接有溢流管路，溢流管路上安装有溢流阀(15)。
8.根据权利要求5所述的回转体零件的高速射流喷射电铸加工装置，其特征是所述的 储液槽(18)中安装有搅拌器(22)。
9.根据权利要求5所述的回转体零件的高速射流喷射电铸加工装置，其特征是所述的 水浴槽(19 )中安装有加热器(20 )，加热器(20 )与温控装置(21)相连。
10.根据权利要求5所述的回转体零件的高速射流喷射电铸加工装置，其特征是所述 的摩擦件(24 )通过恒张力装置(25 )与电铸芯模(5 )相接触。
全文摘要
一种回转体零件的高速射流喷射电铸加工方法及装置，其特征是电铸芯模半埋在堆满硬质粒子的电铸槽中或采用摩擦件与被镀阴极表面直接接触，通过硬质粒子或摩擦件对铸层表面进行磨擦，来有效去除沉积表面的积瘤、毛刺等缺陷；计算机控制喷嘴沿一定轨迹进行扫描，同时配合电铸芯模的旋转运动，对裸露的电铸芯模表面进行选择性扫描电铸，逐层堆砌成所需的零件。本发明的装置，主要包括工作台运动机构、阴极旋转驱动装置、控制系统、温控装置、电铸液循环过滤系统等。采用本发明的喷射电铸加工回转体零件的方法及装置，不仅能有效去除电铸层表面的麻点、气孔和积瘤等缺陷，以较高的沉积速度制备出组织致密、均匀的铸层，而且可以抛弃传统电铸复杂的阴极母模，快速、高效地一次性成形不同形状和壁厚的回转体零件。
文档编号C25D1/00GK101994137SQ20101058883
公开日2011年3月30日 申请日期2010年12月15日 优先权日2010年12月15日
发明者刘志东, 沈理达, 王桂峰, 田宗军, 黄因慧 申请人:南京航空航天大学