（机械制造及其自动化专业论文）数控选区电化学沉积快速成型的轨迹路径规划.pdf

浙江理工大学硕十学位论文 摘要 金属零件快速成型的制造是当前快速成型领域的研究热点，本文通过电化学沉积技术 和快速成型技术的有机结合得到了一种针对金属零件的直接快速成型技术数控选区 电化学沉积快速成型技术。它通过计算机控制沉积头在电解液中按照预先得到的二维轨迹 运动和电流的通断，使溶液中金属离子在阴极板上有选择性的沉积，从而形成零件截面， 沉积头提高一个层后继续沉积而形成零件的另外一个截面，如此循环就可得到一个三维零 件。 本论文分析了沉积工艺的原理和数控选区电化学沉积快速成型的特点，研制了数控选 区电化学沉积快速成型的设备系统，研究了数控选区电化学沉积快速成型工艺的补偿量和 层厚值，规划了数控选区电化学沉积快速成型的轨迹路径，开发了切片分层软件，提出交 错间隙平行往复填充的填充方法，最后完成了快速成型工艺的成型系统，并通过实验验证 轨迹路径的合理性，研究内容如下： 1 ) 搭建了基于“p c 机+ 控制卡”数字控制系统的快速成型机，该机由支撑模块、运 动执行模块、电沉积模块、机床控制模块以及液体循环系统等构成，能够实现三轴联动， 可以满足数控选区电化学沉积快速成型的要求。 2 ) 在电解溶液、电解温度等其它外部条件一定的情况下，实验研究了三类沉积头在电 解液中的电力线分布情况，确定了包覆绝缘套的沉积头为最优沉积模型。实验研究了选区 电化学沉积快速成型补偿量的各类影响因素。在工艺允许的范围内，阳极头直径越大、阴 阳极间距离越小、电流密度越大、运动速度越快，则获得的补偿量越恒定且制件质量越高。 通过大量的实验，在分析成型斑点质量的基础上，得到较好的沉积电参数。 3 ) 本文研究的工艺轨迹规划的方法，可以表示为获取三维数据源、分层切片处理、交 叉间隙填充轮廓线、数控代码生成四个过程。实验结果证明，该轨迹产生方法适合数控选 区电化学沉积快速成型，能够制造出形状、尺寸满足一定精度的零件，本文所提出的交叉 间隙补偿的填充方式也能够在一定程度上削弱尖端效应。 4 ) 本文开发的快速成型软件具备读入实体文件、处理实体文件、显示成型零件、自动 生成加工轨迹路径、自动控制加工过程、手动控制机床运动等功能，软件基于w i n d o w sx p 环境的面对对象的用户界面设计，操作简单，运行稳定可靠。 关键词：数字控制；快速成型；电化学沉积；路径规划 浙江理工大学硕十学位论文 t r a j e c t o r yp l a n n i n gm e t h o df o rn u m e r i c a l c o n t r o ls e l e c t i v e e l e c t r o f o r m i n gr a p i dp r o t o t y p i n g a b s t r a c t d i r e c tm e t a lf o r m i n gh a sb e e nah o ts u b j e c ti nt o d a y sr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y n u m e r i c a lc o n t r o ls e l e c t i v ee l e c t r o f o r m i n gr a p i dp r o t o t y p i n gi san e wd i r e c tf o r m i n gw h i c hi s b a s e do nt h ei n t e g r a t i o no fe l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o na n dr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y t h e a n o d em o v e da c c o r d i n gt oap r e - - s o l v e dt w o - d i m e n s i o n a lt r a j e c t o r yi nt h ee l e c t r o l y t i cs o l u t i o n a n dt h eo o f fo ft h ec u r r e n tw h i c hw e r ec o n t r o l l e db yc o m p u t e r s ot h a tt h em e t a li o nw a s s e l e c t i v e l yd e p o s i t e do nt h ec a t h o d ew h i c hw a sm a d eo fp l a n es t a i n l e s ss t e e l ，a n dt h e nf o r m e d t h ep a r ts e c t i o n b ye n h a n c i n gt h eza x i s ，a n df o r m i n gt h en e x tp a r ts e c t i o nc i r c u l a r l y , t h e t h r e e d i m e n s i o n a lp a r tw a sf i n a l l yf m i s h e d b ya n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo ft h ee l e c t r o f o r m i n gt e c h n o l o g ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i c o f n u m e r i c a lc o n t r o ls e l e c t i v ee l e c t r o f o r m i n g r a p i dp r o t o t y p i n g ，t h i s t h e s i s d e v e l o p e dt h e e q u i p m e n t a f t e rs t u d i e dt h ec o m p e n s a t i o nr a t ea n dt h et h i c k n e s so fl a y e ro ft h et e c h n o l o g y , t h e t r a j e c t o r yp l a n n i n gm e t h o dw a sp r o g r a m m e d i no r d e rt oc o n t r o lt h ep r o c e s sn u m e r i c a l l y , t h i s t h e s i se x p l o d e das l i c es o f t w a r e ，a n dc a r r i e do u ti n t e r l e a v i n gp a r a l l e lt o a n d f r of i l la saw a yt o f i l lt h ep a r ts e c t i o n s o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n sa l ep r e s e n t e db a s i n go nag r e a td e a lo f f o u n d a t i o n a le x p e r i m e n t so ft e s t i n gt h ep l a n n i n gt r a j e c t o r y 1 ) n u m e r i c a lc o n t r o ls e l e c t i v ee l e c t r o f o r m i n gr a p i dp r o t o t y p i n gm a c h i n ew h i c hc a na c h i e v e t h r e e a x i sm o t i o na n dr e a c ht h ea i mo ft h en u m e r i c a lc o n t r o ls e l e c t i v ee l e c t r o f o r m i n gr a p i d p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yw a sb a s e do n “p c + c o n t r o lc a r d ”，a n dc o n s t i t u t e dw i t hm a c h i n eb o d y , m o t i o nm o d u l e ，e l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o nm o d u l e ，n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，a n de l e c t r o l y t e c y c l em o d u l e 2 ) u n d e rt h es a m ec o n d i t i o no ft h et e m p e r a t u r e ，c o m p o n e n tp a r to fe l e c t r o l y t i cs o l u t i o na n d o t h e re x t e r n a lc o n d i t i o n s , t h et h e s i ss t u d i e dh o wt h ep o w e rl i n e so ft h et h r e et y p e so fa n o d e s d i s t r i b u t e d ，a n df i n a l l yf o u n dt h a tt h ea n o d ew h i c hw a sc o a t e d 谢me l e c t r i c i t yi n s u l a t i o nw a st h e o p t i m i z a t i o nm o u l df o rd e p o s i t i o n e x p e r i m e n t ss t u d i e dt h ev a r i o u sf a c t o r st h a te f f e c t e d t h e c o m p e n s a t i o nf o rt h en u m e r i c a lc o n t r o ls e l e c t i v ee l e c t r o f o r m i n gr a p i dp r o t o t y p i n gs h o w i n gt h a t t h el a r g e rt h ed i a m e t e ro ft h ea n o d e ，t h es m a l l e rt h ed i s t a n c eo fc a t h o d ea n da n o d e ，t h et h i n n e r t h ec u r r e n td e n s i t y , a n dt h ef a s t e rt h es c a n n i n gv e l o c i t y , r e s u l tt h eb e t t e rt h ep r e c i s i o no f e l e c t r o d e p o s i t i o ns p o t s ot h eb e t t e rp o w e rd e p o s i t i o np a r a m e t e r sw e r er e a c h e dt h r o u g hal a r g e n u m b e ro fe x p e r i m e n t sa n dr e s u l t sa n a l y s i s i i 浙江理工人学硕士学位论文 3 ) i nt h i sp a p e r , t h et r a j e c t o r yp l a n n i n gf o rn u m e r i c a lc o n t r o ls e l e c t i v ee l e c t r o f o r m i n gr a p i d p r o t o t y p i n gc a l lb ed i v i d e di n t of o u rp r o g r e s s ：o b t a i n i n gt h r e e d i m e n s i o n a ld a t a , d e a l i n gw i t ht h e s l i c e s ，i n t e r l e a v i n gp a r a l l e l t o a n d - f r o f i l l i n gp r o g r e s s ，a n dn cc o d eg e n e r a t i o n t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v e dt h a tt h et r a j e c t o r yp l a n n i n gw a sf i tf o rn u m e r i c a lc o n t r o ls e l e c t i v e e l e c t r o f o r m i n gr a p i dp r o t o t y p i n gw h i c hc o u l dp r o d u c et h ep a r t st h a tm e e tt h es a t i s f a c t i o n 、航廿1 t h ed e s i g n e ds h a p ea n ds i z e ，a n dt h ei n t e r l e a v i n gp a r a l l e lt o - a n d - f r of i l l i n gc o u l dw e a k e nt h e e f f e c to fc u t t i n g - e d g e 4 ) ，i h sr a p i dp r o t o t y p i n gs o f t w a r ee q u i p p e d 谢t l lt h ef u n c t i o n so fr e a d i n gd o c u m e n t s ， d e a l i n g 诵t l ls l i c e s ，s h o w i n gf o r m e dp a r t s ，p r o d u c i n gn cc o d e s ，a u t o m a t i cc o n t r o l l i n gp r o c e s s ， m a n u a lm a c h i n em o t i o na n ds oo n s o f t w a r ew a sb a s e do nw i n d o w sx pa d o p t i n go o p ( o b j e e t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) m e t h o d i n d u s t r i a la p p l i c a t i o ns h o w e dt h a tt h es o f t w a r es y s t e mw a s r e l i a b l ea n dc o n v e n i e n t k e y w o r d ：n u m e r i c a lc o n t r o l ；r a p i dp r o t o t y p i n g ；e l e c t r o f o r m i n g ；t r a j e c t o r yp l a n n i n g i i i 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的 内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名： 嗍：1 ”月 趴 ) 犬 涿舯 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权浙江理工大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密口。 琢灭扶 月彤日 日期： 年解密后使用本版权书。 力柳芝 t l 、1 7 t ：月 名、， 签 o 师年 巧 浙江理工人学硕士学位论文 1 1 快速成型技术及发展概况 第一章绪论 随着现代科学技术的进步，尤其是计算机技术和网络通讯技术的快速发展，高新技术 已经成为推动经济增长的重要因素。市场竞争同趋激烈，产品更新换代加快。现代化的生 产要求企业采取多品种、小批量、按定单组织生产的现代生产方式。因此，制造业为了保 持产品的市场竞争力，必须能够做到快速提供高性能、高性价比的产品。快速成型制造 ( r a p i dp r o t o t y p i n g ，简称r p ) 是先进制造技术的重要分支，无论在制造思想上还是实现方法 上都有很大的突破，利用快速成型技术可对产品实际进行迅速评价、修改，并自动快速地 将设计转化为具有相应结构和功能的原型产品或直接制造出零件，从而大大缩短新产品的 开发周期，降低产品的开发成本，使企业能够快速响应市场需求，提高产品的市场竞争力 和企业的综合实力。 快速成型技术是一种涉及多学科的新型综合制造技术，它集计算机技术、计算机数字 控制技术、激光技术、精密机械技术和新材料技术等多项技术于一体，是各种高新技术的 综合和交叉。快速成型技术区别于传统的去除材料的加工思想，是增加材料的加工方法。 它从成型原理上提出了一个全新的思维模式，即将计算机上制作的三维零件模型，对其进 行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息自动生成加工路径，由成 型头在控制系统的控制下，选择性地固化或切割一层层的成型材料，形成各个截面薄片， 并逐步顺序叠加成三维胚件，然后进行坯件的后处理，形成零件，其系统工作原理见图1 1 ： 图1 1 快速成型加丁机理图 快速成型技术具有明显的技术特点。它将一个十分复杂的三维制造过程简化为二维过 程的叠加，可以制造任意复杂的三维几何实体，而且越是复杂的零件越能显示r p 技术的优 越性。快速制造过程无需任何专用夹具即可完成复杂的制造过程，它可以在几个小时或者 l 浙江理工人学硕士学位论文 几十个小时就可以制造出零件。它与反求工程、c a d 技术、网络技术、虚拟现实等相结合， 成为了产品快速开发的有利工具。 快速成型是制造技术上的一次飞跃，它在成型原理上提出了一个全新的思维模式，也 为工业制造技术的发展创造了一个新的机遇，并逐渐成为现代先进工业制造的组成部分。 1 9 7 9 年，东京大学的中川威雄教授利用分层技术制造了金属冲裁模、成型模和注塑模。 2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初，美国3 m 公司的a l a n j h e b e r t ( 1 9 7 8 年) 、日本的小玉秀男( 1 9 8 0 年) 、美m u v a 公司的c h a r l e sw h u l l ( 1 9 8 2 年) 船1 和只本的丸谷洋- - ( 1 9 8 3 年) 口1 ，各自独立地 首次提出了r p 的概念，即利用连续层的选区固化制作三维实体的新思想。c h a r l e sw h u l l 在u v p 的资助下，完成了第1 个r p 系统s t e r e ol i t h o g r a p h y a p p a r a t u s ( s l a ) ，并于1 9 8 6 年获得 专利，这是r p 发展的一个里程碑h 1 。随后许多快速成型概念、技术及相应的成型机也相继 出现。熔融沉积成型工艺( f d m ，f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) 陆1 、立体印刷( s l a ， s t e r e o l i t h g r a p h ya p p a r a t u s ) 嗍、分层实体制造( l o m ，l a m i n a t e do b j e c tm a n u f 棚f i n g ) 口1 、选 择性激光烧结( s l s ，s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ) 便是随后几年发展起来的。快速成型技术发展 到现在，已有各种工艺1 0 余种，其中较先进的有多种材料组织的熔积成型、气相沉积成型、 侵入式光成型、层扫描光固化法、轮廓成型工艺、直接光成形、三维焊接成型、光成型 表面光顺工艺等。 1 2 快速成型技术国内外研究现状及趋势 伴随着r p 工业的兴起，国外进行快速成型技术研究的科研机构和公司很多。如美国的 3 d 系统公司、代顿大学、麻省理工学院、斯坦福大学、德克萨斯大学、密西根大学、桑地 亚国家实验室、俄亥俄州立大学国家实验室、挪威技术学院、日本东京大学、新加坡国立 大学和南洋理工大学等。美国的s a n d i a , l o sa l a m o s 国家实验室、a r e o m e tc o 平以及包括 s t a n f o r du 和m i t 等对金属零件的直接快速成型技术已有所进展，a e r o m e t 已成功地直接成 型出钛合金的金属零件，并应用到飞机上阳1 。美i 雪m i c h i g a n 大学的m a n z u m d 采用大功率激 光器进行金属焊接直接成型钢模具蹲1 。国内也有多所高校自2 0 世纪9 0 年代初开始进行r p 技 术的研究开发。清华大学主要研究r p 方面的现代成形学理论，s s m ( s l i c i n gs o l i d m a n u f a c t u r i n g ) 、f d m i 艺n 训，并开展了基于s l ( s t e r e o l i t h o g r a p h y , 光固化) 工艺的金属模具 的研究；华中科技大研究l o m i 艺，推出了h r p 系列成型机和成型材料n ；西安交通大学 开发出l p s 和c p s 系列的光固化成型系统及其相应树脂，c p s 系统采用紫外灯作为光源，成 型精度为0 2 m m n 2 1 。 2 浙江理工人学硕士学位论文 快速原型技术的研究趋势主要集中在快速原型技术开发和快速原型技术应用两方面。 快速成型技术方面的研究，主要有以下几个方面： 1 ) c a d 数据处理 c a d 数据处理的研究，主要集中在对s t l 等间接导出的数据处理、分层计算以及对三 维实体零件的直接分层计算上。 2 ) 改善成型工艺 为改善r p 原型制作质量，研究者在扫描方式以及工艺参数进行了较多的探索，如3 d 系统公司提出的w e a v e 、s t a r w e a v e 、a c e s 和西安交通大学提出的y l s f 制作方式，使 得翘曲变形得到很大程度的改善。为加快r p 的原型制作的速度、提高制作效率和表面质量， 提出了自适应分层处理、优化分层方向等技术。 3 ) 开发新的成型工艺方法 快速成型技术主要围绕树脂、塑料、纸、蜡等较易成型材料，由于材料所限，其应用 难以进一步拓展。在现有的r p 基础上，研究金属、陶瓷等材料的直接成型及多种材料复合 成型技术并开发新的工艺是快速成型技术的一个研究热点。 1 3 数控选区电化学沉积快速成型技术 1 3 1 电化学沉积技术发展概况 数控选区电化学沉积快速成型技术建立在电化学沉积的基础上。电化学沉积技术发展 到现在，其涵盖的技术有电解、电镀、电铸。其中人们对电解的了解为最早，1 8 8 6 年美国 化学家h a l l n3 1 ，首先电解制备了几粒小铝粒，从而为电解沉积技术打开了一扇门。最早的 电镀始于1 8 4 1 年，所用的镀液是硫酸镍铵和氯化镍铵组成的复盐n 4 1 。电铸的最早应用是在 1 8 3 8 的俄国，q c o b u 教授成功发明了电铸铜技术n5 1 ，以各类材料为依托的电铸技术大量涌 现。 伴随着快速成型技术的出现，研究者也开始了基于电沉积的快速成型技术的研究。 1 9 8 2 年，a l k i r e 等首先开展了选择性电铸的实验研究，结果表明选择性电铸能以高于常规 电铸的电流密度进行局部电铸，但在实验结果只能获得点状的沉积薄层n 6 1 。( b o c k y , d o v e r ) 进一步的研究将此项技术与e d m 电极的快速制造结合在一起，但在实验中均未取得高度大 于0 5 m m 的金属样件。后续的研究则继续发展这一设想，努力寻找可以改善成型性和准确 性的工艺技术，1 9 9 7 年，k u n i e d a 等的实验表明：在喷射电铸过程中，有规律的插入整平过 程可以提高沉积层的均匀性和稳定性。实验中生成的高2 m m 的金属样件，但耗时高达2 0 个 3 浙江理t 大学硕+ 学位论文 小时，跟快速成型技术的要求相差较远n 7 培1 。 国内南京航天航空大学也成功地研制了射流电铸技术。将快速成型技术与电铸技术结 合起来，在计算机的控制下将含有铸层金属离子的电解液以高速射流方式有选择性的喷射 到阴极形成一个沉积层，如此逐层堆积成型金属制件口引。 1 3 2 数控选区电化学沉积快速成型提出 目前的直接快速制造方法主要有3 d p 技术( t h r e e d i m e n s i o n a lp r i n t i n g ) 、s l s 技术、l e n s 技术、等离子弧喷涂技术啪1 等。3 d p 技术采用金属粉末为原料，数字控制粘结剂的喷洒， 从而使有粘结剂的金属粉术相互粘结而成型零件乜1 1 。s l s 技术也采用金属粉末为原料，而 金属粉末上面包裹有高分子粘结剂，激光选择性扫描使得粘结剂熔融粘结，从而成型金属 零件；还有一种s l s 技术是利用低熔点金属粉末作为粘结剂，选择性激光扫描成型所需形 状的金属零件。使用高分子粘结剂的成型方法成型的零件，还必须经过一些后续处理( 包 括脱脂、熔渗、抛光等) 才能完成真正的金属零件制造。而l e n s 技术和等离子弧喷涂技 术则是需要对粉末选择性地加热溶化或者加热溶化后选择性地堆积成型。这些技术都采用 粉末为材料，采用粘结技术或者加热溶化技术来制造金属零件，是颗粒级的累加成型技术， 而数控选区电化学沉积快速沉积技术，在制造原理上也属于直接金属快速成型，但与上述 技术原理有较大的不同，数控选区电化学沉积快速成型技术是属于分子级、离子级的累加 成型技术，在一定程度上将极大提高快速制造的表面光洁度。 相对于电化学沉积技术而言，数控选区电化学沉积快速成型技术融合了数字控制的移 动电极技术和选择性沉积技术。传统的电化学沉积无法对沉积几何实现精确控制，更不能 实现三维几何形状的沉积。该技术可以实现任意三维几何形状的制造，具有更广阔的应用 前景，并且可以实现直接从计算机模型到三维实物产品的快速转换。 1 3 3 数控选区电化学沉积快速成型机理 数控选区电化学沉积快速成型是将电化学沉积和快速成型工艺相结合的一种新型加 工工艺。该工艺克服了快速成型难以加工高质量金属零件和电铸必须依赖母模的缺点胁阁1 。 其成型基本原理是：首先通过c a d 软件设计零件三维实体模型，并输出s t l 文件，然后用 切片软件进行分层切片处理，并生成控制信息，包括x 、y 、z = - 轴的运动代码指令，以及 电源的通、断指令。沉积时，电解质经耐腐蚀离心泵以一定速度喷射在阴极上，为沉积零 件提供金属离子。阳极沉积头在计算机的控制下根据扫描轨迹控制沉积头完成二维截面的 扫描，并在实体处通电，非实体处断电，从而实现电化学沉积的可选择性。沉积完一层后 4 浙江理工大学硕士学位论文 z 轴上升一层，继续沉积，以此逐层叠加逐渐形成一个空间三维实体。图1 2 为数控选区电 化学沉积快速成型工艺示意图。 1 4 论文主要研究的内容 x 图1 2 数控选区电化学沉积快速成型工艺图 本文分析了数控选区电化学沉积快速成型的特点，提出适于电化学沉积的路径规划方 案和工艺方法，并建立一套适合数控选区电化学沉积快速成型的轨迹编程软件。该轨迹编 程软件建立在v c + + 6 0 、o p e n g l 等开发平台上，能够完整的实现工艺沉积的过程控制，并 实现了对成型零件的图形显示。 本课题主要完成以下几方面的工作： 1 ) 数控选区电化学沉积快速成型机床及辅助设备平台搭建 首先查阅相关资料，分析了工艺成型的机理以及成型机床的特点，提出机床及辅助设 备总体方案，并对方案进行论证、修改，最后设计并制造机床。 2 ) 数控选区电化学沉积快速成型控制系统设计 通过对国内外数控系统和快速成型系统的比较，本文选择近年来发展迅速、技术较为 成熟的“p c 机+ 控制卡”的控制模式，为工艺开发了相应的控制系统。 3 ) 电化学沉积工艺基础的研究 在常用电解液配比的基础上，分析确定本工艺的液体配比，通过实验论证该工艺配比 的可行性。阳极头材料的选择是选区电化学沉积快速成型能否获得精确的零件的一大关 键，本课题也对阳极材料的选择进行了一些研究。 4 ) 轨迹规划研究 5 浙江理- t 大学硕士学位论文 分析快速成型的原理，依据选区电化学沉积快速成型的特点，制定轨迹规划的总体方 案和具体实施细节。 5 ) 轨迹自动编程软件的开发 自动编程软件是实现本工艺的核心，针对快速成型系统软件的不通用性，本课题开发 了相应的控制软件。软件具备读入实体文件、处理实体文件、显示成型零件、自动生成加 工轨迹路径、自动控制加工过程、手动控制机床运动等功能。 论文各章的主要内容如下： 第一章：阐述快速成型技术的发展概况，提出并介绍数控选区电化学快速成型技术， 分析其重要原理及其发展状况，并介绍课题及论文完成的工作。 第二章：本章重点分析数控选区电化学沉积快速成型工艺补偿量以及层厚值。电极在 溶液中沉积的斑点难以控制，为得到理想的沉积效果，论文根据理论及试验找到包覆绝缘 套的沉积头在电解液中的沉积斑点能够得到有效的控制并以此建立相应的沉积模型。并发 现在电解溶液、电解温度等其它外部条件一定的情况下，选区电化学沉积快速成型补偿量 与包覆绝缘套的沉积头面积、阴阳极间距、电流大小、沉积头运动速度等密切相关。 第三章：分析沉积工艺的原理以及数控选区电化学沉积快速成型的特点。提出轨迹规 划的要求，明确并设计了工艺轨迹规划的方案。详细说明设计制造的机床的支撑模块、运 动执行模块、电沉积模块、机床控制模块以及液体循环系统。 第四章：介绍层轮廓线的生成机理，建立适合切片软件的数据拓扑结构，并详细阐述 实体分层的具体算法，最终实现切片轮廓线的生成。标志轮廓线数据项，并结合工艺要求， 详细分析偏置算法，最终得到能够用于填充的轮廓线。 第五章：详细分析常用的快速成型填充方式及其优缺点，并结合数控选区电化学沉积 快速成型工艺的要求，规划适合工艺的轨迹路径填充方式。 第六章：基于上述建立的控制软件以及试验机，本章提出实验的目的，详细描述了数 控选区电化学沉积快速成型的试验过程，并根据试验结果验证轨迹规划的j 下确性。 第七章：总结本文的主要工作，并对需要进一步研究的问题进行分析和展望。 6 浙江理工人学硕士学位论文 第二章数控选区电化学沉积快速成型工艺基础 2 1 数控选区电化学沉积快速成型沉积模型 数控选区电化学沉积快速成型轨迹规划的关键是确定适合工艺的补偿量及层厚增长 量，并由此得到最优的沉积参数。为研究沉积补偿量的影响因素，首先需要建立一个沉积 头在液体中沉积的模型。电化学沉积是金属离子从阴极持续获得电子，还原为金属原子， 然后再结合成金属晶体的过程乜钔。当阴阳两极上加载直流电源时，电解液中的正负离子将 受电力线影响按照一定的轨迹运动，电力线越规则，则离子运动也越规则。电力线分布与 沉积头在液体中的相对位置相关。沉积头在电解液体中按以下两种方式分布： 1 ) 阳极头完全切过电解液面，电力线相互平行且垂直于电极表面，电流在阴极表面分 布均匀( 如图2 1 ( a ) ) 。补偿量就是阳极头的半径值。此种情况下获得的沉积补偿量适合选 区电化学沉积快速成型工艺，由于阳极头是数字控制并按照预定轨迹运动，且电解液是循 环流动的，实现难度大，故不适用于数控选区电化学沉积工艺。 2 ) 阳极头平行于阴极头但不完全切过电解液，也即悬挂在电解液中，电极上有多余的 电解液体，除了有平行的电力线外，还有通过多余电解液而向电极的边缘分散的电力线( 见 图2 1 ( b ) ) 。此种电力线的分布与电流大小、阴阳极间距密切相关，且在阴极表面分布不均， 导致沉积金属薄厚不一，严重影响成型零件表面精度。因此也不适用于数控选区电化学沉 积工艺。 ( a ) 完全切过( b ) 平行悬挂( c ) 包覆绝缘套 图2 1 沉积头在液体中离子运动轨迹示意图 综合考虑上述两种沉积模型，为尽可能的获得平行电力线，减少边缘效应的影响，数 控选区电化学沉积快速成型选择将阳极头包覆以绝缘套并悬挂于液体中，其电力线分布 ( 见图2 1 ( c ) ) 。在阳极头范围内电力线相互平行，超出阳极头部分电力线分布明显缩小， 且其分布范围可通过改变沉积参数来控制。 7 浙江理工大学硕士学位论文 2 2 工艺沉积影响因素 2 2 1 数控选区电化学沉积快速成型补偿量影响因素 各类机械加工工艺的加工刀具都具有一定的大小，为保证成型零件的尺寸精度，实际 的加工轨迹需补偿一个值( 补偿量) 。选区电化学沉积快速成型工艺也不例外。各类机械 加工的补偿值一般都是固定的值，直接测量即可得到。选区电化学沉积快速成型工艺在阴 极的沉积区域与阳极头的面积不等，而且沉积斑点的面积受到许多因素的影响。为保证工 艺的尺寸精度，必须对影响补偿量的各类因素进行详细分析。本文建立了相应的实验，研 究了影响沉积斑点大小的各类因素。实验采用酸性硫酸铜电铸液，它具有成分简单、镀液 稳定和可以在高电流密度下工作的优点，附助以有机添加剂，以获得高速、平整性好和结 晶细致的光亮镀层，并在一定程度上改善内应力和硬度。 具体配方与各组分的作用如下： 硫酸铜2 5 0 9 - l d硫酸铜是电铸铜溶液中提供铜金属离子的主盐。 硫酸在电铸铜溶液中的主要作用是增加镀液的导电性和分 硫酸 5 0g l 。1散能力，同时可以防止碱式铜盐的产生和降低阴极和阳极的 极化，并善镀层的性能。 1 0 m u 8 m 1 l 1作为开缸剂，在开缸转缸及添加硫酸时使用。 2 1 0 a0 6m l l 1 作为铺光剂，使电流区电镀良好。 2 1 0 b 0 6m l l q作为主光剂，使高电位区获得高填平的光亮镀层。 氯离子 7 0m 1 l - 1 有效提高光亮剂的效果。 实验采用可调式直流稳压稳流电源，阴极采用不锈钢平板，阳极沉积头采用难溶铂丝 电极。 2 2 1 1 沉积头面积 从理论上说，阳极头面积越大，其平行电力线分布的面积越大，金属在阴极上沉积的 范围也越大。在电解溶液、电解温度等其它外部条件一定的情况下，电流密度为 6 1 1 1 5 5 a d m 五，两极间隙为0 3 m m 情况下，取得不同直径下的沉积斑点大小如图2 2 所示。 由图2 2 可以得出阳极头直径越大，得到的沉积斑点也越大，而且斑点尺寸总是略大于阳极 头直径。 8 浙江理1 二大学硕士学位论文 昌 g b 眨 密 释 炼 2 2 1 2 阴阳两极间隙 图2 2 沉积头面积对沉积斑点的影响图 阴阳两极之间的间隙大小是影响沉积面域的另一个因素。间隙大小只能影响边缘效应 产生的沉积，但不影响平行电力线产生的沉积范围。在电解液工艺确定，电流密度为 6 1 1 1 5 5 a d m 。2 ，沉积尺寸大小与阴、阳极之间距离之间的关系见图2 3 。 i 亭 眨 磺 娶 蜉 图2 3 两极问隙对沉积斑点的影响图 由图可得出，沉积斑点尺寸随着阴阳两极之间的增大而增大，而且都大于阳极头直径。 但当问隙达到一定值时，沉积斑点尺寸趋于稳定。因此，在其它工艺参数一定时，阳极头 到阴极板的距离越小，沉积尺寸越小。但是间隙不能小于短时沉积的厚度，一旦过小，工 艺将产生“烧焦”颗粒，直接影响零件质量。 9 浙江理工大学硕士学位论文 2 2 1 3 电流密度大小 电流密度越大，两极间电阻基本不变，这种情况下加载在两极问的电压就越大，使得 在阴极表面上的电位越负，极化越强，阴极附近金属越容易析出。而由于电力线分布存在 边缘效应，电压越负边缘效应越明显，得到的沉积斑点尺寸也就越大。图2 4 说明在间隙等 其它条件一定时，不同直径沉积头随电流密度增大而变化的情况。当电流密度小于 3 0 a d m ，其对沉积斑点的影响不大：一旦电流密度上升，沉积尺寸明显增加，并呈现一 定的线性关系。但当电流密度上升使得边缘效应最大化后，沉积斑点尺寸将保持恒定。 g 亭 眨 勰 器 蜉 2 2 1 4 沉积头运动速度 电流密度( a d m - 2 ) 图2 4 电流密度对沉积斑点的影响图 运动速度决定有效沉积时间，时间越长则沉积量越多。阴极金属的沉积厚度与有效沉 积时间相关，用公式2 一( 1 ) 表示嘶3 。 h ：坠望翌f n pn _ 2 - ( 1 ) 式2 - ( 1 ) 中h 为沉积厚度，肛为铜分子量，为沉积时间，d 为电流密度，p 为金属密度， 为金属原子价数，m 为阿伏加德罗常数。式2 一( 1 ) 表明，一旦溶液确定，沉积厚度与有效 沉积时间成正比。 沉积头按照轨迹运动时，对应点处有效的沉积时间将随运动速度的变化而变化，而且 在线宽方向上的沉积时间也不一致。图2 5 为沉积头运动示意图，经历时间t ，圆形沉积头 以速度v 从实线位置运动到虚线位置处，a c 线上有效沉积时间分布见图2 6 ，a c 线中b 点获 得的沉积时间最充裕，而两边最少。 1 0 浙江理工大学硕+ 学位论文 f ：堑圃 v f ：堑亚 1 ， x o - o 5 l 】 2 - ( 2 ) x 【0 5 l 三】 2 一( 3 ) 三为沉积宽度，x 为沉积宽度线上某点，r 为沉积头半径，v 为运动速度。根据式2 ( 1 卜 式2 一( 3 ) ，在三宽度的范围内，沉积金属厚度情况如下：中间沉积相对较厚，两边缘越来越 薄。一旦运动速度过快，沉积金属得不到必要的沉积时间，那么金属将无法沉积，即边缘 最有可能得不到有效的沉积时间而无金属沉积。实验结果( 图2 7 ) 说明沉积头运动速度值 介于3 5 7 0 舢咀m i n 1 之间时，沉积斑点尺寸小于阳极头直径。也即在三宽度的范围内只沉 积了中间一部分，边缘位置并没有金属沉积。速度值介于0 2 0r a n l m i n1 之间时，有足够的 时间保证沉积，所以三宽度的范围内都有金属沉积。为最大程度保证沉积层的厚度分布均 匀以及零件的尺寸精度，速度应选择一个较大的值。 图2 5 沉积头运动示意图图2 6 线宽方向上的时间分布函数图 根据上述实验研究能够得到，在电解溶液、电解温度等其它外部条件一定的情况下， 选区电化学沉积快速成型补偿量与包覆绝缘套的沉积头面积、阴阳极间距、电流大小、沉 积头运动速度等密切相关。在工艺允许的范围内，阳极头直径越大、阴阳极间距离越小、 电流密度越大、运动速度越快，则获得的补偿量越恒定且制件质量越高。 2 2 2 数控选区电化学沉积单层高度值因素 确定层厚高度值是保证成型零件高度方向尺寸精度的关键。电沉积所需金属原子个数 为： ：p s h n a 2-(4)t = 一 p 式2 ( 4 ) 中，? 为电沉积所需金属原子个数，s 为面积，单位为m 2 。 11 浙江理工大学硕士学位论文 g 寇 悄 暑 c i 器 5 s 图2 7 沉积运动速度对沉积斑点的影响图 在实际电沉积过程中，可以发现，所消耗的电量并不是都用来沉积我们需要的金属层， 还会有一些副反应发生，比如氢的析出式者其他非主盐金属离子的还原或其他杂质离子的 还原。这些副反应也会消耗电能，使通过电极的电量不能完全用在电沉积上。 因此，用于沉积的电量【2 5 1 就为 o = i t r l2 一( 5 ) 式中瞒电流：j 7 为电沉积的电流效率。 另外，电沉积金属所需要的电量为 q ：n n ：n p s h n a p 2 一( 6 ) 联合2 一( 5 ) 2 一( 6 ) 两式，可得 日：唑旦 n p s n 4 2 一( 7 ) 电沉积过程中是以电流密度为参数的，为方便计算，令d ：l ，且电沉积时间一般以 s m i l l 为单位，因此，上式又可改写为2 一( 1 ) 式。 由式2 一( 5 ) 2 ( 6 ) 可知，所要电沉积金属层的厚度与其分子量、电沉积时的电流密度、电 沉积时间及效率成正比，与金属价数及密度成反比。对于特定的金属而言，通过严格控制 电铸电流密度和电铸时间便可达到精确控制厚度的目的。研究所用的阳极为微细电极丝， 因此即使电流比较小，电流密度也非常大，从而大大提高了电沉积速度。 实践证明，实际沉积厚度与理论沉积厚度基本一致，但沉积一定厚度后，沉积层厚度 1 2 3 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 0 0 浙江理- t 大学硕：卜学位论文 不再增加。零件累积沉积效果如图2 8 所示，刚开始沉积时如a 图所示，中间沉积高度最高， 在边缘也会有沉积产生，但依次降低；继续沉积时，过程如图b 样，直至c 图所示，因为已 经形成尖点，所以无法在上面继续沉积，这就是单相扫描时高度的极限高度。 b 图2 8 零件累积沉积效果图 为获得较厚的层厚，论文建立了交错问隙的填充方式。此填充方式在一定程度上能削 弱尖端效应。 2 3 数控选区电化学沉积快速成型参数 综合考虑电流密度、阴阳两极间隙、运动速度等方面的因素，结合以上试验结果，在 大量实验的基础上，得到一组适合