（机械制造及其自动化专业论文）数控喷射电铸技术及应用的研究.pdf

摘要 i 电铸是门精密制造技术它利用金属离子阴极电沉积的原理制取产品，具有 极高的制造精度和独特的优点，在许多高新技术领域取得了成功的应用。但是，目前 电铸技术存在着加工时间长，铸层均匀性差，铸层易出现缺陷等缺点，这严重制约着 电铸技术的应用与发展。针对这些问题撵本文提出种新的电铸工艺方案数控喷 射电铸，并通过理论建模分析和试验对该工艺进行了基础性研究。 首先，我们建立了数控喷射电铸的理论模型，包括电铸区域的电场分布模型和 电铸液的流场分布模型。在此基础上从电化学机理的角度对导致电铸缺陷的主要原 因和提高铸层质量的方法进行了探讨，得出了一些初步结论，为下一步试验提供理论 指导并在试验中加以验证。 其次，我们开发了数控喷射电铸机床。该机床数控系统是基于p c 机的开放数控 体系，具有结构简单、成本低、可扩展性好的特点，较好满足了工艺试验的要求。 进行了数控喷射电铸的前期工艺试验。 最后，在前期工艺试验的基础上，对数控喷射电铸的应用进行了初步探索。主 要做了两方面的工作，数控喷射电铸与传统电铸相结合制作带深沟槽零件以及数控喷 射电铸与快速成型技术( r p ) 结合直接制作金属零件。 体文得到国家自然科学基金重点项目“面向快速制造的特种加工理论与技术研究” 资助。课题号：5 9 9 3 5 1 1 0 。 。 t一一l 关键词：电化学数控喷射电铸电铸缺陷微机数控工艺试验 快速成型深沟槽零件 、一、。 a b s t r a c t a sap r e c i s i o nm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y , e l e c t r o f o r m i n gu s i n ge l e c t r o d e p o s i t i o no f m e t a lo nac a t h o d em a n d r e lt om a k ep r o d u c t sh a ss u c c e s s f u l l y b e e na p p l i e di nm a n y a d v a n c e dt e c h n o l o g yf i e l d s h o w e v e r , i t sf u r t h e ra p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t h a v eb e e n l i m i t e db ys o m ep r o b l e m si np r a c t i c e s ，s u c ha st h el o n gp r o c e s s i n gt i m e ，t h ep o o rm e t a l d i s t r i b u f i o n ，s o m e d e f a u l t s e m e r g i n g i n d e p o s i t i o nl a y e r s a n ds oo n t oa v o i dt h e s e p r o b l e m s t h ep a p e rp r o p o s e s an e w t e c h n o l o g y - - - n u m e r i c a l c o n 廿o i j e te l e c t r o t b r m i n g f i r s t l y , w ee s t a b l i s h e dt h et h e o r e t i c a lm o d e l o ft h i st e c h n o l o g y , i n c l u d i n ge l e c t r i cf i e l d m o d e la n dh y d r o f i e l dm o d e lo ft h ee l e c t r o f o r m i n ga r e a b a s e d o nt h e s em o d e l s ，w e d i s c u s s e dt h em a i nr e a s o n sl e a d h a g t ot h ed e f a u l t so fe l e c t r o f o r m i n ga n dm e a s u r e s i m p r o v i n g t h eq u a l i t yo f e l e c t r o f o r m i n g s e c o n d l y ，n u m e r i c a lc o n t r o li e te l e c t r o f o t r u i n gm a c h i n e w a sb u i l tw h i c hs u c c e s s f u l l y s a t i s f i e dt h ed e m a n d so f te x p e r i m e n t a t i o n w ec a r r i e do u tp r e p h a s ee x p e r i m e n t a t i o n f i n a l l y , o n t h ef o u n d a t i o no f 也ep r e p h a s ee x p e r i m e n t a t i o n ，w ee x p l o r e d s o m e a p p l i c a t i o n o fn t t m e r i c a lc o n t r o lj e te l e c t r o f o r m i n g ，i n c l u d i n gt w om a i nd i r e c t i o n s m a k i n gp a r t sw i t hd e e pg r o o v e sa n dd i r e c t l yf o r m i n g m e t a lp a r t s k e y w o r d s ：e l e c t r o c h e m i s t r y n u m e r i c a lc o n t r o le l e c t r o f o r m i n gt e c h n o l o g y d e f a u l t s o f e l e c t r o f o r m i n g c n c e x p e r i m e n t a t i o n r pp a r t sw i t hd e e p g r o o v e 南蛊航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 制造技术同信息科学、材料科学、生物科学一道被认为是促进人类文明与发展 的四太关键领域，随着各个学科、各个领域内技术的不断发展，传统的制造技术必 然要适应并跟踪这发展趋势，将新技术、新材料、新工艺融入自身的发展。 近些年来，工业的迅速发展使得各种精密异型、复杂微细的金属零部件的需求 大幅增加，电铸作为一种精密制造技术受到了高度的重视：另一方面，电子、电化 学、材料等领域的新进展使得电铸技术发生了很大的变化，电铸工艺和设备的研制、 开发引起了国内外工程技术人员的广泛关注。 1 1 电铸技术的概况 电铸是一门历史悠久的精密制造技术，从其发明至今已有1 0 0 多年的时间。所 谓电铸就是依据金属电沉积的原理，在涂有脱模剂的金属芯模或经导电化处理的非 金属芯模表面进行金属的电沉积，然后将芯模从中分离从而得到金属壳体即获得所 需模具型腔的一种制造方法。 1 9 3 8 年俄国科学家耶可夫教授首先用电铸的方法把雕刻铜板上的微细刻痕精 确地再现到另一块铜板上。此后。电铸技术很快被应用于复制印刷纸钞的雕刻铜板 上。之后于1 8 4 2 年德国教授b o t t g e r 发明了电铸镍。在1 8 6 9 年俄国财政部印刷所 发明了电铸铁。 与其它加工技术相比，电铸具有下述优点：具有极高的复制精度。在电铸 工艺中，制品是靠离子“碓砌”而成，其工作表面与芯模之间从原理上讲不存在间 隙因此具有极高的复制精度。另一方面电铸过程对芯模无损耗作用因此它又 具有极高的重复精度。高制造精度是电铸工艺最重要的特征。 适用范围广。电铸 制品的尺寸可在很大范围内变化，外部尺寸可以从几十微米到几米。电铸可使很难 进行加工的精密内型面变成易加工的外型面，因此电铸广泛用于那些具有精密、复 杂内表面零件的制造。可控制电铸制品的性能。改变工艺参数，常可使制品的物 理性能在很大范围内变化，以适应不同的要求。 这些优点，尤其是它极高的制造精度，使得电铸技术自其发明以来就一直在 制造业中占据了一定的地位，主要用于制取各种难以用机械加工方法制得或即使能 够制取但加工成本很高的零件。电铸工艺早期主要应用于复制艺术品和印刷制版。 时至今日电铸技术的应用更加广泛，在许多领域都得到了重要应用： 数控喷射电铸及其应用的研究 传统应用的深化 制造精细、复杂的异型零件 在工程实践中，我们常会遇见一些薄壁、形状复杂、精度要求较高的零件，通过 采用组合式芯轴进行电铸可以快速而经济地制造出这些零件，并能够很好的满足零 件的精度要求。而且，薄壁且强度要求高的零件的制造尤其适合采用电铸技术。通 过对芯模材料和形式的选择，s a n d i an a t i o n a ll a b o r a t o r i e s 实验室成功地制取了薄 壁( 0 0 2 5 - - 0 0 5l m m ) 零件【l 】。 组合电铸 按照法拉第电解定理，电铸时金属的沉积速度正比于阴极电流密度电流密度 的分布决定了沉积的均匀性。电铸制品上的突起( 如筋片、凸台等) 对应着电铸时的 深槽。传统电铸对于深槽的沉积质量和效果是十分不理想的。在进行深槽电铸时， 电流密度的分布极其不均匀，槽底的电流密度远小于槽顶，导致铸层金属分布严重 不均匀，甚至不连续。组合式电铸技术的提出有效的解决了这一类问题。【2 】采用组 合式电铸可将这些部位作为独立件用常规的加工方法先行制造出来，和芯模组合在 一起进行电铸。在电铸时可以通过金属的沉积将它们与铸层有机的结合为一体，从 而达到制取产品的目的。 电铸连接 用电铸的方法在两个相同或不同材料的零件的结合部位进行金属沉积，从而将 两零件连接起来，可避免高温连接( 如焊接) 使零件产生很大内应力甚至变形的情况， 实现了真正意义上的连接。但其工艺复杂、周期较长。j w d i n i 等人用此法成功地 将一直径约l m 的6 0 6 1 - t 6 铝金属环与a m 3 6 3 不锈钢环连接成一整体，其界面处 强度可达4 6 7 5 2 0 m p a ，而a l 基体本身的强度仅约2 6 7 m p a ! ”。 在高新技术中的应用 微机械的制造 八十年代中期，德国的k a r i s r u h e 核能研究中心提出了l i g a 技术。l i g a 技术 是一门由深层同步辐射x 射线光刻与微细电铸有机的结合在一起的、正在发展中 的制造微细器械的生产技术。l i g a 是l i t h o g r a p h i c 、g a l v a n o f o r m i n g 和a b f o r m u n g 的缩写。l i g a 技术在制造微器械方面具有很大的灵活适用性，从微机械、传感器 到医药、生物设备均可应用。可制造出数百微米高、1 微米宽，形状精度达亚微米级 的微结构。美国w i s c o n s i n 大学在此基础上制造出最小外径为2 7 u m 、内径8 u m ， 形状精度达o 1 u m 的齿轮【4 1 。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 快速成型 快速原型制造是八十年代以来迅速发展起来的制造新技术，它的出现极大地缩 短了产品研制、开发周期。近年来，快速原型制造技术也逐渐被应用于快速工具的 制造之中，如快速制造电火花电极或塑料模具。用快速原型制造技术 s l ( s t e r e o l l t h o g r a p h y ) 审l j 造出母模，将该母模的工作表面进行导电化和脱模层处理， 再放入电铸槽中进行电沉积到1 - 2 m m 左右，取出、脱模、背衬后即可用作电火花 电极进行模具型腔的加工【6 】。利用电铸铜进行电火花电极的制造，可大大缩短模具 的制造周期，有着良好的经济效益和社会效益。 直接快速制取金属零件是快速成型领域内令人感兴趣的发展方向。日本东京农 业技术大学将电铸技术直接运用于金属零件的快速制造，利用电解液喷射的方式进 行选择性电铸，通过喷嘴( 直径约o 5 3 r n m ) 的x 、y 、z 方向的移动来完成金属零件 的制取【7 j 。由于喷射的电解液可减小阴极极化层的厚度，所以可采用较大的电流密 度进行沉积，从而使沉积速度大为提高，实现了金属零件的快速制造。 在航空宇航领域的应用 在欧美国家电铸技术已被应用于制造航空、航天领域的精密零件。如外径 0 6 m m 壁厚0 0 8 m m 的微型传感器件( 美s e v o m e t e r ) 、壁厚0 0 0 1 5 m m 的陀螺仪微 型接头( 英p l e s s e y ) 以及加速度管屏栅、太阳能板等( 日，安东光穗等) 、火箭喷 气发动机冷却室、太阳能储能飞轮等精密零件m 1 0 l 。南航特种加工实验室制作的某 型飞机油路系统中的一种微型滤网，在近5 m m 2 面积上加工出了数十个直径为 o 0 8 r a m 的小孔。 我国制造业对电铸技术也日益重视，很多单位对电铸进行了探索和研究，取得 了很多成功应用。如：波导管、手表零件、波纹管、精密模具、电加工电极。但是 国内的生产单位多局限于应用电铸技术及其特定产品进行开发生产，在工艺实施上 多是沿用电镀业的工艺规范和设备条件，缺乏对于电铸机理和应用的系统研究，其 工艺水平和发达国家相比存在着明显差距。 1 2 电铸过程中存在的问题及开展的研究 电铸作为一种精密制造技术具有极高的制造精度和复制精度，但是和其它许多 制造技术一样，它也存在着一些缺陷和局限性，主要表现在： 1 ) 线电沉积速度低 加工时间长。电铸过程中，金属离子的沉积速度受到多种因素的影响，如当阴 极极化过电位超过氢的析出电位时，在阴极上就会析出氢气。析氢降低了电流效率， 并使铸层质量变差。浓差极化的影响使得阴极的工作电流密度一般只能维持在每平 方分米数安培至数十安培，导致沉积速度慢，加工时间长。如欲获得l m m 厚的铸层 形状简单的要数小时，形状复杂的要数十小时。 墼堡墼墅皇璧墨苎堡旦墼堑壅 2 ) 铸层均匀性差 金属沉积速度一般正比于阴极电流密度，电流密度的分布也就是电沉积速度的 分布，决定着金属铸层的厚度分布。对于任何形状的阴极芯模而言，电场分布总是 不均匀的，在凸起的地方电流线集中，凹陷处则稀疏。随着零件形状复杂程度的提 高这种不均匀性更太，并且这种不均匀性会进行复制，随沉积时间的延长而加剧， 产生恶性循环，从而造成了沉积层厚度相差悬殊，严重降低了平均工作电流密度， 沉积速度随之降低。同时，这种铸层的严重不均匀常常会影响制品的物理性能，甚 至使制作的产品不能使用。 3 ) 铸层易出现缺陷 电沉积过程中铸层易出现麻点、针孔、结晶粗大、出现应力，使得铸层的物理 特性下降，过大的内应力可能会引起铸层变形，甚至于开裂。这主要是由于在电铸 过程中析出的氢气以及电流密度低( 主要是由于受到极限电流密度的限制) 所造成 的。 这些问题的存在限制和阻碍了电铸技术的应用和发展。解决这些问题，对提高 工艺水平非常重要。近些年来国内外许多专家、学者对电铸的机理和应用进行了深 入的研究，并在某些方面取得了比较满意的效果。 国内外大量研究和实验表明，采用脉冲电流进行电铸是提高铸层质量的有效手 段。在脉冲电流的脉冲间隔时间内，阴极界面处的金属阳离子得以迅速补充从而 降低了扩散层的有效厚度，减小了浓差极化，因此可以采用高于常规直流电沉积的 电流密度，最终达到细化晶粒、提高铸层致密度的效果。另外，在晶核生长过程中， 由于间歇时间使晶体的增长受到限制，减弱了外延生长的趋势，避免了粗大晶粒产 生。此外，脉冲电铸还具有分散能力强、均镀效果好的优点。实践表明，脉冲电铸 可以获得致密、均匀的铸层，能显著提高铸层质量。 在提高铸层均匀性方面也进行了很多研究。在电解液配方方面，开展了添加剂 和溶液成分的研究，在铜电铸实践中采用了高酸低铜配方，这一方法可以较为显著 地提高分散能力；在镍电铸中，现多采用分散能力强、应力低的氨基磺酸类溶液。 在传统的周期换向电流改善金属均匀性的基础上，又进行了脉冲换向电流的研究， 以克服周期换向电流不能为有些镀种采用和降低生产率的缺点。 对于提高铸速的研究一直比较活跃。研究主要是从改善阴极扩散层状态、补 充离子入手以提高沉积速度，从而提高铸速。沉积速度正比于电流密度，但电流密 度受极限电流密度等许多因素制约不能随意提高。有文献认为，在沉积过程的四个 阶段( 液相传质步骤、前置转化步骤、电化学步骤和新相生成步骤) 中，一般认为 传质步骤为其瓶颈决定了整个沉积过程的速度。因此，电解液相对于阴极表面作 高速运动产生强烈对流迁移是提高沉积速度的有效途径。阴极移动、压缩空气搅拌、 4 机械搅拌等措施已经在实践中采用，对于更有效的搅拌冲刷一直在寻求之中。8 0 年代国外开展了激光强化电沉积技术的研究，将激光束照射在阴极上，使得电极 静态电位和电荷传递速度发生改变，从而大大提高金属的沉积速度，更进一步，将 激光强化电沉积与电解液喷射结合起来，使激光与电解液同步射向阴极表面，其传 质速度大大超过单由激光照射所引起的微观搅拌的传质速度，沉积速度还可以大为 提高。 另外，沉积复合材料【l l 】和复合电铸也是当代电铸技术的一个发展方向。电铸 复合材料是在电铸金属中夹杂弥散强化的粒子或纤维，使铸层金属的力学性能得到 提高川。电铸复合材料的主要形式有：交替沉积两种不同金属形成层状材料。当 交替沉积铜和镍至总厚度1 m m 时，复合层的强度随复合层数的增加而升高，但其塑 性并未降低。当然，这种强化不是简单的混合强化，要根据k o e h l e r 提出的强化理 论来选择搭配的金属和解释强化的机制。在电铸溶液中加入弥散的固体微粒，与 金属离子共沉积而形成含有固体微粒的金属层，可提高强度、硬度和耐磨性，如在 n i - p 的沉积中加入s i c 颗粒；或在芯模表面缠绕高强度纤维丝而获得镶嵌有纤维的 金属电铸层，从而达到强化电铸层的目的。 1 。3 数控喷射电铸的提出 针对导致电铸缺陷的上述原因，研究人员提出了各种解决方案 1 2 叫”。如对电解 液进行强烈搅拌、采用脉冲电铸工艺、象形阳极、组合电铸工艺等，从某种程度上 解决了电铸的一些问题缺陷。这里我们采用数控喷射电铸工艺来解决这些问题。所 谓数控喷射电铸就是将含有高浓度铸层金属离子的电解液以高速射流的形式，在计 算机的控制下有选择地喷向阴极进行电铸的一种数控电铸形式。实践证明，这种工 艺方法可以有效地解决前面提到的导致电铸缺陷的问题。 首先，电铸液以高速射流的形式喷向阴极表面，这就为提高金属离子迁移速度 提供了强大动力，使得阴极表面金属离子数量得到迅速补充，从而有效地降低了由 于金属离子迁移缓慢造成的浓差极化。同时铸点表面的电铸液以强烈紊流形式流动 也极大地减小了扩散层的厚度，使极限电流密度可以大幅度提高因此能以较高的 电流密度进行电铸，实现高速电铸。 其次，理论分析表明，当电铸液以很细的射流形式喷向阴极表面时，射流冲击 区的电场分布是近似均匀的。我们通过实验也证实了在小的喷嘴口径下可以得到令 人满意的铸斑形式。所以当以很细的射流对阴极表面进行扫描仿形电铸时，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可近似地被看作是相等的，从 而克服了传统电铸由于电场分布不均匀所造成的铸层厚度不均匀。另外，通过铸点 的可选择性，还可以实现对工件的局部电铸，例如可以先对芯模的电铸薄弱环节( 如 深槽结构等) 进行电铸，然后再普通电铸其它部位。 最后，阴极极化主要是由浓差极化和电化学极化共同引起的。在射流电铸中， 由于浓差极化被大幅度地减弱，所以阴极极化以电化学极化为主，极化过电位将显 著降低，使氢的析出比较困难从而抑制了氢气的析出，提高了电流效率。即便有少 量氢气析出，在高速液流的冲击下，微观氢气气泡也难以附着在阴极表面，于是降 低了铸层出现针孔和麻点的可能。另外，随着极化过电位的增长，金属沉积时电结 晶的临界尺寸减小晶核形成的几率增加，使得晶粒变细，铸层致密。由于射流电 铸可以采用远高于普通直流电铸的电流密度进行电沉积，从而可以产生更高的电化 学极化，达到细化晶粒、提高铸层致密度的效果。 1 4 本文的主要内容 在国家自然科学基金重点项目的资助下，我们在数控喷射电铸的理论建模、机 床试制、基础工艺试验及在工程中的应用等方面作了一些研究工作，主要包括以下 几个方面： 1 ) 从理论上分析数控喷射电铸的可行性。建立了喷射电铸的流体模型和电场 分布模型，并对所建立的流体模型和电场分布模型进行分析，得出了关于数控喷射 电铸的一些推论。 2 ) 数控喷射电铸机床的研制。包括数控机床软、硬件的开发，电铸液循环及 加温等辅助系统的研制。 3 ) 数控喷射电铸基础工艺试验。主要作了前期基础工艺试验，对数控喷射电 铸的理论假设进行了验证，得出一组较优的工艺参数，包括提高数控喷射电铸的线 电铸速度和改善定域性的工艺参数，并对在镍体系下进行数控喷射电铸作了初步尝 试。 4 ) 数控喷射电铸技术在工程中应用的研究。主要作了两方面的工作，一是将 数控喷射电铸与常规电铸相结合，避短扬长，成功制作出了带深沟槽结构的零件。 另外，还在将数控喷射电铸与快速成型技术( r p ) 相结合制作金属零件方面进行 了初步探索。 数控喷射电铸基本上解决了目前电铸技术存在的主要问题，能实现高速电铸， 大大提高了电铸技术的灵活性和适应性，同时能得到高质量的铸件。与其他电铸方 法相比设备成本提高很少，而生产效率和产品质量可以大幅提高。另外，由于铸点 的可控性可以很容易地将其推广到其他应用领域，如电铸快速成型技术、局部电铸 技术、电铸焊接技术以及电铸修补技术掣。5 1 。 本文得到国家自然科学基金重点项目“面向快速制造的特种加工理论与技术研 究”资助。课题号：5 9 9 3 5 l l o 。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章数控喷射电铸理论分析 电铸技术是一门基于电沉积原理，使来自金属盐溶液的金属离子在电场力的 作用下迁移到阴极获得电子后还原成原子，并沉积于阴极母模表面来进行金属产品 制取的制造技术【。6 】。电沉积过程属于相界面上的交换过程，是物质世界的基本运动 形式之一，它涉及的是两相( 液相、固相) 交界面上物质基本粒子的运动和交换。 传统电铸存在的加工时间长、铸层分布不均匀、铸层易出现针孔和麻点等缺陷，这 些缺陷制约了电铸技术的广泛工业应用。为了更好地理解传统电铸缺陷产生的原 因。寻求合理的解决方案，有必要先对电化学的些基本理论进行分析与探讨。 2 1电化学的基本原理 亡 电铸是一种电化学加工工艺，电化学反应大多是在 各种化学电池和电解池中实现的。电解池的原理如图2 1 所示。当电流通过电解质溶液时，与电源正极相连的阳 极发生氧化反应，阳极金属失去电子而溶解；阳离子在 与电源负极相连的阴极上得到电子发生还原反应，铸层 金属在阴极沉积形成工件。电铸过程中某一粒子的电极 反应可表示为 m ”+ h p = m ( 2 - 1 ) 当有电流通过电极时，该粒子的电极电位会偏离其平衡 电位出现极化现象，电极反应的推动力是该粒子在菜一 电流密度下的电极过电位。所谓过电位就是电极电位伊与该粒子的平衡电位p 。的差 值，即 _ + = 尹+ 一伊。 ( 2 - 2 ) r = 妒日一妒( 2 - 3 ) 式中“+ 、”分别表示阳极反应和阴极反应。当极化过电位超过该粒子的析出 ( 或溶解) 过电位时，在该粒子便会在电极上还原析出( 或氧化溶解) 。所以合理 地控制电极电位和极化现象可以有效地提高电流密度和电流效率。 作为一个电化学过程，电铸包括阳极过程，液相中的传质过程以及阴极过程。 这三个过程是串联进行的。本文讨论涉及的主要是金属电沉积这一类阴极过程。金 属电沉积的阴极过程，一般由以下几个单元步骤串联组成： 7 鎏堡竖塾皇壁丝苎鏖里墼堑蜜 ( 1 ) 液相传质溶液中的反应粒子，如金属水化离子向电极表面迁移； ( 2 ) 前置转化迁移到电极表面的离子发生化学转化反应，如金属水化离子 水化程度降低和重排；金属络离子配位数降低等： ( 3 ) 电化学步骤反应粒子得电子、还原为吸附态金属离子： ( 4 ) 新相生成步骤新生的吸附态金属原子沿电极表面扩散到适当的位置 ( 生长点) 进入金属晶格生长，或与其他新生原子积聚而形成晶核并长大， 从而形成晶体。 上述各单元步骤中反应阻力最大、速度最慢的步骤则成为电沉积过程的速度控 制步骤。不同的工艺，因电沉积的条件不同，其速度控制步骤也不相同。 2 2 数控喷射电铸的流体模型 由孔v i 、管口、喷嘴和缝隙等出路靠压差或外力推动而流出的流体、气体和粉 末等流动介质且喷射成束的流动形态称为射流。射流是一种比较特殊的流动，在工 程实际中有着广泛的应用价值。当流体从喷嘴喷出，不受任何限制地流入静止流体 中时，会在静止流体中出现一股有界面的流动，称之为自由射流。在工程实践中 可近似地认为射流喷向自由空间时即可按自由射流处理。 1 7 1 图2 - - 2 理论模型的坐标系统 射流冲击区的液流原理图如图2 2 所示。这里我们把坐标原点设在射流的停滞 点( f o ) 。 按照流体理论，可以将射流可分为三个区域：即靠近喷嘴的自由射流区、处于 喷嘴和阴极之间的滞流区和阴极表面的沿壁射流区。当液体接近冲击区时，液流开 始减速并发生扩散偏移，从而液流开始进入沿壁射流区。当液体沿径向向外扩散进 入沿壁射流区时，由于液体的粘滞特性会在固体表面产生水力边界层。在非淹没 射流中，水力边界层将逐渐长厚，最终达到沿壁射流区的厚度。当到达这一数值时， 由于液流固有动量的减少，沿壁射流区的厚度会产生突然的增加，称之为“水力跳 跃”。这是非淹没型射流所特有的现象。当射流进入沿壁射流区后，液流向外扩散 8 南京航空航天大学硕士学位论文 的速度开始消减，同时，边界层的厚度则随着液流扩散径向距离的增加而增大。 通过后面的试验我们可以看出，在喷射电铸过程中，电铸电压和电流之间关 系基本符合欧姆定律。因此可以认为电流在喷嘴和冲击区之间的分布是均匀的， 这样在高度z 方向上由于欧姆压降的存在就使得电压发生变化：与之对应，在沿壁 射流区，由于液层非常薄，电压在r 方向呈现出显著的电压梯度变化。因此，可以 把图2 2 中的射流模型划分为两个区域。在每个区域中电压仅沿一个方向变化。 1 8 【t 9 3 2 0 电解液从喷嘴喷出后，由于周围是空气介质，可以近似认为在电解液进入沿壁 射流区以前，液流没有扩散、沿z 方向的速度不变，设为v 。为了建立喷射电铸 沿壁射流区的边界层的厚度模型，我们对图2 2 的流体模型做以下简化：r 方向的 速度处处相等，设为v 珀。下面我们推导沿壁射流区边界层的厚度h 和r 之间的关 系式。 单位时间内流过任一截面的流体质量相同，设电解液的密度为p ，电解液喷向 阴极表面的流量为q ，喷嘴的直径为d ，则在单位时间t 内，在皿区，应有下式成 立： q t p 2 2 盯+ h ( r ) v m a t p( 2 4 ) 得到 又在i 区 代入( 2 - 5 ) 得到 0 = 土7 d d 2 v 、4 h f r ) ：j l 一2 m y m ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 峙彘2 甏 由上式可以看出，h ( r ) 除了和r 有关外，还与喷嘴1 ：3 径和流速有关。r 越小 ( 即距离喷嘴越近的阴极表面) 、喷嘴1 ：3 径和流速越大，h ( r ) 越大即沿壁射流 区的边界层的厚度越厚；反之，h ( r ) 越小，沿壁射流区的边界层的厚度越薄；离 喷嘴中心的距离比较远时，沿壁射流区的边界层的厚度就变得很薄了，这时喷嘴中 心点的厚度最厚。因此从流场的角度出发，在数控喷射电铸过程中，除喷嘴周围的 阴极表面能够电铸到以外，其它远离喷嘴中心的阴极表面基本就电铸不上【2 1 l 。 由于电铸液扩散现象的存在，使得在喷射电沉积时，铸件的生长不会完全按照 喷嘴的大小进行，金属沉积的区域往往比喷嘴的面积要大，即在射流电铸中存在着 定域性的问题。从上面我们推导出的公式可以看出，定域性和离中心点的距离r 以 及电铸液流速v 有关。但是，最重要的影响因素是电流的分布，可以这样说，在 喷射电铸的定域性问题中，起决定作用的因素是电铸时沉积区的电场分布。下面我 9 墼垄堡墼皇堑墨苎鏖星墼堡塞 们就讨论喷射电铸过程中电场的分布问题，主要研究和喷射电铸密切相关的电流密 度的分布。 2 3 数控喷射电铸的电场分布模型 电场的分布直接影响喷射电铸铸斑的大小和形貌，电解液从喷嘴口到阴极表面 间的电场分布更为重要，因为这一部位直接进行金属的电沉积。为了建立喷射电铸 的电场分布模型，首先应该讨论喷射电铸过程中电压和电流之间的关系。根据喷射 电铸的流体模型和电化学的原理我们可以设想在电沉积区内，电压和电流的关系 应该符合欧姆定律，通过进一步的试验也确认了基本是这样。 2 3 1 电压和电流之间的关系 图2 3 就是我们根据实验结果绘制出的电铸电压与电流之间的关系曲线。实 验条件为：喷嘴口径1 5 r a m ，流速1 7 0 m h ，温度为3 0 摄氏度。从该关系曲线我们 可以看出，电压和电流之间呈现性关系，即电铸电压和电流符合欧姆定律。 圈2 - 3 喷射电铸电压与电流之间的关系曲线 2 ，3 2 电流密度和流量、喷嘴口径、h 之间的关系 假设在距喷嘴h 处的电流密度为i 。由于电铸电流与电铸电压之间关系符台欧 姆定律，所以可以认为电流在离开喷嘴后是恒定的，这里设为i 。通过一定的数学 推导，我们可以容易看出：在距离喷嘴中心r 处的电流密度j 和r 的平方成反比， 所以说，在远离喷嘴中心的地方，不但沿壁射流区的边界层的厚度就变得很薄，而 且电流密度也很小。 在喷射电铸过程中。电解液的冲刷接触和一定太小的电流密度两个条件缺一不 可，否则就不可能发生金属的沉积。通过上面对喷射电铸流体模型和电场模型的分 析，我们可以看出，电铸液喷出后主要集中在喷嘴中心附近，并且此处的电流密度 也为最大，因此能够沉积上金属；而在远离喷嘴中心的区域电铸液稀薄，电流密度 也很小，这样在此处金属无法沉积上，这也是数控喷射电铸为什么有较好定域性的 南京航空航天大学硕士学位论文 理论依据，通过后面的实验我们也能验证这一点。 2 4 数控喷射电铸能实现高速电铸 2 4 1 影响电铸电沉积速度的因素 电铸过程中，金属阳离子在阴极上的沉积大致可分为以下四个过程1 2 2 】： n 水溶液中的金属离子到达阴极表面的过程物质迁移。 2 ) 离子在阴极表面与电子结合，放电成为金属原子的过程电荷迁移 ( 即放电过程) 。 3 1 金属原子在阴极表面扩散到晶格位置的过程表面扩散。 4 1 参与晶格组织，成为结晶的过程参与晶格。 其中3 ) 4 ) 为形成结晶的过程。 可见，形成电铸层，包括物质迁移、电荷迁移、晶格化三个主要过程。在电铸 过程中，电源不断地把电子从阳极输送到阴极，假如任一过程进行得慢，都会造成 阴极上电子的积累使阴极电位变负，造成阴极极化。其中，速度最慢的一步决定 了整个电极反应的速度，表现为极限电流密度。 根据法拉第定律，电铸电沉积的速度主要受电流密度的影响，所以提高电流密 度不但可以减少沉积时间，提高电铸电沉积效率，而且可以改变铸层的物理特性， 但电流密度不能无限制地提高它还要受到极限电流密度的限制。当电流密度过大 时，由于阴极与电铸液界面处缺乏足够的金属离子会产生海绵状稀疏铸层。 2 4 2 提高极限电流密度的理论分析 为了简单起见，只考虑了电铸液的扩散控制、对流控制和阳离子迁移速度等三 种因素对极限电流密度的影响，下面就对这三种情况逐一加以讨论吲。 1 )物质迁移仅由扩散控制的情况 此时的扩散极限电流密度为： h - - - n f d t 皂( d t = u t r t ，f i = 扛i ) ( 2 - 8 ) d f l a _ k 式可以看出，若要使极限电流密度i d 增大，就应增大金属阳离子的扩散系 数d t 及溶液里金属阳离子的浓度c t 、减小扩散层厚度5 ，而d t 随温度增加而增 加，d ，的增加也会使占增加，由于占的增加又会使i d 减小，因此可以采用如下措 施： a 尽可能提高电铸液的温度。 b 采用高浓度的电铸液。 c 采用其他方法使占值减小。 2 )物质迁移仅由对流控制的情况 此时的对流极限电流密度为： i a = 击n f c t 。笋v 1 ：2 v - 1 1 6 x 。1 坨( 2 9 ) 要使l d 增大，可增大c t 、d t 、沿铸件切线方向电铸液的流速v 数v 影响较小。因此可采用如下措施： a 尽可能提高电铸液温度。 b 采用高浓度的电解液。 c 强烈搅拌溶液以增加切向流速v 。 3 )阳离子迁移速度的影响因素 阳离子迁移速度的方程为： v y _ e y 等c t 而动粘性系 ( 2 1 0 ) 可见，要提高阳离子的电迁移速度可以提高垂直于芯模方向的电场强度日、d t 、 c t 。因此可以尽量采用浓度高的电铸液，并且采用扩散系数大的盐类。 综合上面三种情况，我们在电铸中可以采用下面的途径提高极限电流密度，从 而提高电沉积速度： 1 ) 选择扩散系数大的盐类。 2 1 尽可能提高电铸液的温度。 3 ) 采用高浓度的电解液。 4 ) 进行强烈搅拌。 5 1 尽量缩小阴阳极间的距离。 6 ) 采用特殊机械方法消除或减小扩散层厚度。 采用上述措施，可以采提高阴极极限电流密度，而不至于降低阴极电流效率。 南京航空航天大学硕士学位论文 实际情况中，在特定的加工条件下，电解液的扩散系数、温度和浓度不会有较 大的选择余地，故而进行强烈搅拌或缩小阴阳极间距离便成为提高电流密度普遍采 用的手段。在常规电铸中，为了提高电铸速度，也常常采用电铸液加温的方法，同 时采用浓度高的电铸液但过高的浓度在温度降低时，电解质易结晶析出，且铸液 的带出损耗增加，因而虽然对铸速有所改善，但仍不理想。关键是减少扩散层厚度。 为了减少扩散层厚度j ，在电铸时可采用硬粒子振动法，其原理是用炭化硅或玻璃 球之类的磨料靠近阴极表面进行磨削，从而限制扩散层的形成。 上述提出的提高电铸速度的许多方法，主要出发点在于设法减小阴极表面扩散 层的有效厚度来提高极限电流密度i d 。由于极限电流密度i d 与沿铸件切线方向电铸 液的流速v 的1 2 次方成正比，因而当电铸液流速提高时，扩散层厚度将急剧减小 使极限电流密度急剧提高，电铸电沉积速度也将提高很多。 数控喷射电铸技术有效地将上述几种提高极限电流密度的措施结合在一起，能 显著的提高电沉积的速度。 在喷射电铸过程中，含高浓度金属离子的电铸液被以强制的方式喷向阴极表 面，迅速补充阴极表面金属离子数量，大大提高了物质迁移速度：而且电铸液以强 烈紊流的形式流动，这样极大地降低扩散层的厚度有效地降低了浓差极化，因此， 喷射电铸也就提高了极限电流密度，所以在加工中可以采用远高于其他电铸工艺的 电流密度进行电沉积。在现有的试验条件下，可以获得的最高阴极电流密度是普通 电铸的极限电流密度的几十倍甚至更高，这样，喷射式电铸的极限电流密度远远大 于普通电铸的极限电流密度，使得喷射式电铸的线电铸速度大大高于普通电铸的线 电铸速度口3 l 【2 4 l 【2 5 1 1 2 6 1 。 同时，由于液流的截面积小，阴极到喷嘴之间的歇姆损耗很大，所以实验中必 须采用比普通电铸高很多的电源电压，我们这里的电源电压可调范围在：0 1 8 0 v ， 而常规电铸中所用电压仅为几伏到十几伏。 2 5 本章小结 本章主要是为以后的基础实验作理论上的准备，结合电化学、电场及流体学的 有关原理，从理论上证明了数控喷射电铸的可行性，并对喷射电铸能提高铸速的原 理得出了一些初步的结论： 1 )建立了喷射电铸的流体模型和电场分布模型，讨论了喷射电铸过程中定 域性的影响因素，从理论上证明喷射电铸具有良好的定域性，这说明喷射 电铸在理论上是可行的。 2 )从理论上论述了喷射电铸方法很好地结合了提高铸速的多项措施能显 著提高阴极电流密度，从而提高铸速。 l j 数控喷射电铸及其应用的研究 第三章数控喷射电铸机床的研制 3 1 机床概述 数控喷射电铸是将快速成型原理( r p ) 和电铸技术结合在一起而成的一种新的 加工方法。喷射电铸机床是基于p c 机的三轴开放式控制数控机床，由于其工艺的 特殊性，该数控机床具有不同于普通数控机床的特点： 1 ) 数控系统能进行特殊的c a d 几何信息处理。数控系统软件在接受零件c a d 三维模型所提供的点、线、面等几何信息后经过特殊的数据处理，即采用快速成型 技( r p ) 的原理，对c a d 模型进行分层切片处理，将三维实体在高度方向离散化， 然后根据得到的层面信息自动生成数控代码驱动机床运动机构进行扫描电铸。 2 ) 电铸电路、电铸液循环管路、加温等辅助系统。独特的阳极腔设计，阳极 腔内安装了小口径喷咀及阳极，能使电铸液以极细的液流高速喷向阴极，同时阳极 氧化溶解，及时补充电铸液的金属离子浓度。电铸液循环、加温系统能对电铸液进 行增压、过滤，并能对流速及温度参数方便调节，满足实验要求。为了解决实验中 实时测量铸件厚度的困难，开发了电量计。通过测试加工中实际消耗的电量，间接 换算出铸层的厚度。 3 ) 机床耐腐蚀性要求较高。由于电铸液中含有硫酸等腐蚀性化学成分，因此 机床的工装，管路等与电铸液接触的零部件均由p v c 塑料或有机玻璃等耐腐蚀材 料制造。 4 ) 机床密封性的要求。由于实验的需要，电铸液要以很高的速度喷出，因此 管路系统中加入了增压泵，并且由于电铸液的腐蚀性，因此对整个管路循环系统有 较高的密封性要求。 我们根据机床的以上特点，在立式c 型结构机床的基础上，成功地研制出用于 数控喷射电铸的数控机床。图3 一l 、3 2 分别是机床的实物照片及结构简图。 南京航空航天大学硕士学位论文 图3 - i 数控喷射电铸机床实物 塑堡堕墅塞篁堡茎蜜里墼堑蜜 9 876 54 32 1 0 1 11 2 1 31 4 l 、阳极腔2 、芯模( 阴极) 3 、工作台运动机构4 、喷嘴5 、电沉 积室6 、流量计7 、截流阀8 、压力表9 、溢流阀1 0 、过 滤器1 1 、循环泵1 2 、储液槽1 3 、加热器1 4 、阳极、 计算机控制系统p c 、电源f 、电量计h 图3 2 数控喷射电铸机床结构简图 3 2 机床数控系统软、硬件结构 开放式微机数控是近年来计算机数控( c n c ) 发展的一个重要方向，许多现代数 控系统都为m n c 系统。本机床的数控系统采用了在w i n d o w s 9 8 平台下基于p c 机 南京航空航天大学硕士学位论文 的开发式数控结构，结合数控系统的实时性要求和w 血d o w s 的抢占式事件驱动方 式与多任务处理的特点，我们采用了单c p u 控制方式，整个系统硬件由一台计算 机外加一个控制卡模块组成，结构简单，成本低。整个系统充分利用了w i n d o w s 丰富的资源并可满足实时性的要求。同时具有很好的机动性和可扩展性，可以方便 地将新地算法采纳进来。 机床本体采用立式c 型结构，x 、y 、z 三个数控轴用步进电机驱动，开环控 制。 驱动器采用迅捷科技有限公司生产的三相六拍驱动器，型号为x j 一3 b f 0 4 。 控制计算机采用p e n t i u ml6 6 m m x 型p c 机。 3 2 1 数控系统硬件结构2 卜嘲 3 2 1 1 硬件总体结构 微机数控装置可以采用单微处理器结构和多微处理器结构。多微处理器c n c 装置多采用模块化结构，每个微处理器负责一定任务，完成特定功能。采用模块化 结构有利于用积木方式组成c n c 装置使其具有良好的适应性扩展性及紧凑的 结构。又由于插件模块更换方便，因此可使故障对系统的影响降到最低限度。与单 微处理器c n c 装置相比，多微处理器c n c 装置的运算速度有很大提高，更适于多 轴控制，高进给速度，高精度，高效率的数控要求。单微处理器c n c 装置使用一 个微处理器，因此多采用集中控制分时处理方式完成数控的多项任务。 本文设计的数控喷射电铸数控系统采用基于工业p c 的单处理器控制结构，如 图3 3 所示。 数控喷射电铸及其应用的研究 图3 - 3 控制系统硬件总体结构 系统主要包括喷嘴水平扫描运动控制单元( 即x 和y 轴方向的运动控制) ，阴 极在垂直方向上的运动控制( z 轴电机的运动控制) 。喷嘴水平扫描控制单元根据 数控指令控制x y 电机执行水平扫描操作，同时在扫描过程中，计算机根据数控指 令地要求控制电铸电源开关的通断，实现选择性扫描电铸。三台电机的驱动控制信 号及电源开关控制信号均由数控接口卡输出，机床电气部分和控制计算机之间由控 制卡上的光耦元件进行隔离，避免了干扰并保证工控机的安全。 数控接口卡上有两片8 2 5 4 芯片，两片i s p l s l l 0 0 0 e 系列的在系统可编程( i s p ) 芯片( 保存口地址译码电路及其它硬件设置信息) 。可编程逻辑器件i s p l s l l 0 0 0 e 系列芯片为通用器件，其集成度在2 0 0 0 门到8 0 0 0 门之间，p i n t o - p i n 最大延迟只 有7 5 n s ，系统速度可达1 2 5 m h z ，1 1 0 资源十分丰富，性能价格比高，适于一般数 字系统使用。i s p 芯片具有较高集成度，系统的大部分功能集成到i s p 芯片内实现， 提高了控制系统的可靠性及电路板级集成度。数控接口卡的结构如图3 - 4 所示。 图- 3 4 接口卡结构 3 2 1 2 x 和y 电机的扫描控制与z 电机的控制 系统软件首先对s t l 文件进行切片等一系列数据处理与转换并自动生成数控 指令，数控系统按照数控指令控制喷嘴在阴极表面进行选择性扫描电铸，铸到一定 层厚时z 轴自动抬高一段距离( 参数可根据实验要求自行设置) 。 对x y 电机位置与速度的控制采用软件计长硬件计频的工作方式。系统软件先 读入操作者的设置参数。其中速度参