（材料加工工程专业论文）基于sla原型和化学镀铜工艺的电火花加工电极制造技术研究.pdf

硕十学位论支 摘要 本文着巫研究了，基1 二s ia 原型和硅橡胶模具的电火花成形电极的制作工 艺，根掘实际零件足正型还是负型的要求，重点针对如何在s l a 原，丝表丽和 硅橡胶模具表面进行化学镀锕的工艺和方法进行了深入的研究。通过对化学 镀铜的机理，热力学条件、动力学问题的分析与研究，确定了在s l a 原4 9 表 面和磅橡胶模具表面进行化学镀铜的可行性。并运用雨交试验方法研究了化 学镀铜配另t ：i l 主盐、络合剂、稳定剂、添加剂对沉积速度和溶液稳定性的影 响，从而确定化学初始镀针可溶液和化学加速镀铜溶液的最优化配方使沉锕 速度和溶液的稳定性同步提高。 本文还对化学镀铜沉积铜层的降能如外观、金相组织结构、结合强度、均 镀能力、显微硬度、孔隙率以及窄门榴的化学镀铜效果进行了_ 详细的试验与 分析，并对选择性化学镀铜进行了初步的探讨和实验。 在s l a 原型表面和砖橡胶模具表面化学镀铜取得良好效果的蜒础一卜，通过 人量的试验新手解决扎a 原型和娃橡胶模其剥离工艺和方法。特别是针对 s i 。a 原型的剥离，运用极性相似原则和溶解度参数相近原则，确定了有效腐 蚀和破坏s ia 原型的有机溶剂，从而解决了s l ，a 原型化学镀钢后剥离的难题。 最后在化学镀铜和剥离i 。艺成熟的煨础上，通过实例洋细介绍r 试饩0 电 火花铜电极的j i ：艺方法，从而形成了一套比较完整制作电火花电极的技术 路线，为屯火花电极的加 一提供了种可以借鉴的疗法 关键词：s 1 快速成型，化学镀锕，f 皂火花e h 极 延于s 【 炽，“和化学镀锕r 艺的电火花加f 电极制造技术j l 开宄 a b s t r a c t i li sar e q u e s l0 ft h cs h o u l d c r i n gt y p co fl h cs ir a j g hc i y p ea c c o r d i n gi oi h er e a i p a r l ，m a k i n gt c c h n o l o g yo fi h cc l e c i r o d el h a li h i si c x ih a ss l u d i e di h ce l e c lr i cs p a r k b a s e do ns l a p r o t o l y p ea n ds i l i c o nr u b b e rm o u l da n dt a k e ns h a p ee m p h a l i c a l l y ，t o w h a lp r o i o l y p es ur f a c ca n ds i l j c o nf u b b e rm o u i ds u r f a c ei ns l at oc a r r yo nl h c c o p p e 卜p l a i e dc r a f lo fc h e m i s l r ya n dm e l h o da n dc ar r yo nd c e pr e s e a r c he s p c c i a l l y p a s st ol h ec o p p e 卜p i a l c dm c c h a n j s mo fc h c m i s l r y ，t h ea n a l y s isa n ds t u d y i n go f t h e r m o d y n a n l i c sc o n d j i j o n ，m o i i v cf o r c ck n o w l c d g eq u e s l i o n ，h a sc o n f i r m e di h a i c a r r i e so nt h ec o p p e 卜p l a i e df c a s i b i l i l yo fc h e m i scr yo n p r o t o t y p es u r f a c eo fs l a a n ds i l i c o nr u b b e rm o u l ds u r f a c e i si i p a y i e s tm c i h o ds i u d yc h e m i c a lc o p p er f d c i n gm a i ns a i ci j ll h cp r c s c r j p l j o n h o l dm i x l ur e ，s i a b l i z e r ，a d d i i i v ei np l a c ew i l ha n e ll o d c p o s i ls p c e da n di n f l u c n c c ，s o l u i i o no fs l a b i l i l yi ou s e ，c o n f i r mc h e m j s lr y i n i t i a l c o p p c rf a c i n gs o l u t i o n a n dc h e m is lr ya c c e l e r ac c c o p p c rf a c i n gs o l u l i o n o p “m i z a l i o ni s i ti si ts i n kc o p p c rs p e c da n ds l a b i i i l yo fi h es o l u l i o nr a i s ei ns l e pt o m a k ci of i i l8p r e s c r i p l i o nm o s l 1 h cp c r f o r m a n c co fl a y c ro fc o p p c rt h a l l h i sl e x is l i i ld e p o s j t si oc h e m i c a l c o p p c rf d c i n gi sl i k el h cc x i cr 1 1 a la p p c a r a n c c ，m e t a l l ur g i c a ls l r u c i ur c b o n ds l r c n g l h c h e n l i c a l c o p p e rf a c i n gr c s u l lo fp l a i i n ga b i l i t y ，m i c r o h ，i r d n e s s ，p or o s i l ya n d n a r r o wg r o o v eh a v ec a f r i c d ) nd c t a i l c dt e s la n da n a l y s i s ，a n dh a sc ar r l e do n p r c l i m i n a r yd i s c u s s j o na n de x p e r i m e n t t ot h ec h e m i c a lc o p p er f a c i n g o fi h e aj i cr n a i i v e 0 nl h eb a s i so fi h el h i n gl h a lm a k cg 【) dr e u i li npr o i o l y p cs u r f a c co fs l a a n ds i l j c o nr u b b c rm o u l ds u r f a c ec h e m 汹r yc o p p erf a c j n g ，s c t 汕o u ls o l v i n gs i ，a p r o l ) i y p ca n ds i l i c o nr u b b c rm o u l da n ds l r j p p i n gi h cc r a f la n dm e l h o di h r o u g h8 l a r g en u m b e ro fl c s l s e s p c c j n l i yl ol h cs p p i n go fs l ap r o l o l y p c ，u s cl h cs i i n i l ar p r i n c i p l cs i m i l a r l os o l u b i l i c yp a r a m c i c ro fp r i n c j p l c ) fp o i ar i 【y ，h a v cc o n f ir m c d l h a lc or r ) d ea n dd e s i r o yi h eo r g a n i cs o l v e n to fs l ap r o l o t y p e ，l h u si h c ( i j c u l l pr o b l e l l ls p p c da f i crs o l v i n g i h cc h c m i c a l c o p p e rf a c l l l g 【) f s i 。a p ro l o i y p e c f f c c l j v e l y i ? i 1 1 a l l y ，a n ds 【r i po nt h ci o u n d a 【i n n 、v i t hr i p cc r ：l f i l nc h e m i c a ip l a i i n gc o p p er ， lr i a l - p 九l d u c et h ecrj l f in l e f h o do fl h ec o p p c rc l c c ir o d c ) fe 【) 1l hr o u g hl h cd e l a i l e ( 1 i n 【r u d u c ij o nori h clt 1s i a n c c ，i h i l sf 【) r i n cl 1f h ei e c h n o l o 娶i c t l i l ) u 【c ) fnk c i ) fn l t ) r e i 1 1 f a c lf t l d k i n 坚e i c c ir i c s p ar kc 1c c ir ( ) d c s hd ve ) f f cr c dak i l l ( 】o fn 1c f l l o d1 1 1 ac c a l lb e 颂 学沦殳 d r a w nl e s s o n sf r o mf o rp r o c e s s i n go fi h ce l e c i r j cs p ar ke l e cc r o d e i ( e yw o r d s ： r a p i dp r o t o i y p i n g ；c h e m i c a 】p l a l i n gc o p p er ：c o p p c rc l c c i t o d co f e i e c l f i cs p ar ke q u i p n l e n l 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：磁设日期：劢“年6 月7 日 兰州理工大学 学位论文版权使用授权书 本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 被套阅和借阅。本人授权兰州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e ：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 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：叛友 导师签乞：乃辜悫 日期：抽c 年月7f i 日期：知年，月7f | 硕士学位论文 1 1 快速成型技术概论 第1 章绪论 1 1 1快速成型技术简介 快速成型( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 技术是二十世纪八十年代末期开始逐步商品 化的一种制造技术，常简称为rp 【1 。它是将计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助 制造( c a m ) 、计算机数字控制( c n c ) 、激光、精密伺服驱动机构等先进技术和新 型材料集于一体，被认为是二十多年来制造领域的又一次重大突破，其对制造行 业的影响能与五六十年代的数控技术相媲美。r p 技术根据c a d 构造的产品三维模 型，对其进行分层切片，得到各层截面的轮廓数据。激光束依据每一层截面数据 有选择性的固化一层层液态树脂( 或切割一层层的纸、或烧结一层层的粉末材料、 或喷射源选择性地喷射一层层的粘结剂或热熔材料等) ，从而生成与该层截面轮廓 一致的薄片，这一过程反复进行逐层累加，直到最后“生长”出零件的实体模型”1 。 因此，严格的来说，r p 技术应该属于离散堆积成型技术。1 。与传统的去除成型 形成鲜明的对照。 现在，商品化的快速成型方法主要有立体印刷法又称液态光敏树脂选择性固 化法“3 ( s l a s t e r e ol i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ) 、分层实体制造又称薄型材料选择 性切割“1 ( l o m l a m i n a t e do b j e c t f a n u f a c t u r i n g ) 、选择性激光烧结“1 ( s l s s e l e c t e dl a s e rs i n t e r i n g ) 、熔化沉积成型又称丝状材料选择性熔覆”1 ( f d m f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) 、三维打印又称粉末材料选择性粘结。1 ( t d p t h r e ed i m e n s i o n a lp r i n t i n g ) 、固基光敏液相法。( s g c s o l i dg r o u n dc u r i n g ) 、 喷粒法“( b p m b a l l i s t i cp a r t ic l em a n u f a c t u r i n g ) 、以及热塑性材料选择性喷 撒3 等等。 1 1 2 快速成型技术的应用 现在，快速成型技术已经使用在许多制造领域，如汽车、建筑、家电、船舶、航 空、航天、工业设计、医疗、工艺品制作以及儿童玩具等方面“。并且随着r p 技 术的不断发展和完善，其应用的范围还会不断拓展。快速成型技术的应用主要体 现在如下几个方面”33 ： 基于s l a 原型和化学镀铜工艺的电火花加工电极制造技术研究 ( 1 ) 快速模具制造 以快速成型制作的实体原型，结合精密铸造、金属喷涂、电镀、化学镀及电火 花电极成型研磨等技术快速制造出企业产品所需要的各种模具或工艺装备，其制 造周期一般为传统的数控切削方法的1 5 1 1 0 ，而成本也仅为传统方法的1 3 1 5 【“。而且模具的几何形状复杂程度越高，这种效益就越显著。目前，国内 外根据模具材料、生产成本、r p 原型的材料、生产批量、模具的精度要求以开发 出多种多样的工艺方法。 ( 2 ) 产品设计的评估和审核 c a d 技术的出现使得产品设计变得更加快捷、直观，但是设计人员仍然不能直 观的评价所设计产品的效用、结构合理性及生产工艺的可行性。而快速成型技术 可在几个小时或几天内将设计人员的图纸或c a d 模型转化成现实的模型和样件。 这样就为设计的评定提供了良好的基础，迅速的取得用户对设计的反馈意见。同 时也有利于产品制造者加深对产品的理解，从而提高了设计质量，缩短了产品的 试制周期。为下一步合理的确定生产方式和工艺流程提供了可靠的依据。由此可 见，在新产品的快速开发己成为企业生存与发展的瓶颈的市场环境下，快速成型 技术已成为企业新产品开发的必要环节。 ( 3 ) 与客户或订购商的交流手段 迄今为止，r p 原型的制作正在成为某些制造厂商争夺订单的手段。而从另一 个角度看，客户总是更喜欢对实物原型“指手划脚”，并且能直观的对产品提出更 多的修改批评意见，因此快速成型技术制作的模型正在成为产品制造商与客户交 流沟通的基本手段。 ( 4 ) 产品的性能试验 由于快速成型制作的原型已经具有一定的强度，可用于传热、流体力学试验， 也可用于产品受载应力应变的实验分析。 综上所述，我们可以看出，快速成型技术在企业新产品的快速开发中有着愈来 愈重要的作用，它可以极大地缩短新产品的开发周期，降低开发阶段的成本，减少 开发的市场风险。 1 。1 3 快速成型技术的发展 ( 1 ) 技术与设备的开发 在过去的十几年内，快速成型技术取得了迅速的发展，已形成为一种新的制造 行业。有提供快速成型系统设备的制造商、有提供快速成型服务的服务商( s b s e r v e rb u r e a u ) 以及为r p 技术提供支持的零部件的供应商( 如软件、各种快速 成型原材料、激光器等等) 。r p 制造商主要集中在美国、欧洲、同本，如提供s l a 工艺快速成型设备的美国3 d 系统公司、a a r o f l e x 公司和r 本的c m e t 公司，提供 硕士学位论文 f d m 工艺快速成型设备的美国s t r a t a s y s 公司，提供s l s 工艺快速成型设备的美国 d t m 公司，提供l o m 工艺快速成型设备的美国h e l i s y s 公司，提供t d p 工艺快速成 型设备的美国的m i t ( m a ss a c h u s e t t si n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y ) 公司等。提供专 业快速成型软件系统的主要有美国的s o l idc o n c e p t 公司的b r i d g e w o r k s 软件产 品、软件工程师b r o o n e y 的b r o c k w a r e 软件、b e l g i a n 公司的m a g i c s 和 c t m o d e l l e r 软件、d e s k a r t e s 公司的r a p i dt 0 0 1 s 软件等。而在欧洲大多数国家 主要集中于r p 的应用研究，德国e 0 s 公司和f o c k e l s c h w a r z e 公司在开发和销售 r p 系统。 在我国，目前己有清华大学生产的l o i l 和f d m 系列快速成型机、西安交通大 学开发的s p s 系列的s l a 快速成型机、华中科技大学开发的l o m 工艺的快速成型 设备、北京隆源自动成型系统有限公司开发的a f s 系列s l s 快速成型机、中北大 学开发的变长线扫描s l sr p t 系统和高功率激光二极管线阵能量源s l sr p t 等。 同时浙江大学、西北工业大学等对光敏树脂的成型性能和利用高功率激光器直接 烧结金属粉成型结构零件进行了许多相关研究。 ( 2 ) 快速成型与制造( r p m r a p i dp r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r i n g ) 技术应用 虽然快速成型技术问世时间不长，但由于它对制造业带来的巨大效益，使得 这一技术的应用也日益广泛。据近几年的的统计( 见图1 1 ) ，从1 9 9 6 年至2 0 0 1 年间，全世界的快速成型机的拥有量己从2 2 4 3 台猛增至7 5 7 7 台，快速成型机与 快速成型服务的总产值也从4 2 1 亿美元增加到6 0 1 亿美元。美国、日本、及德国、 英国和法国等，对快速成型的运用非常重视，已经取得了明显的效果。欧洲国家 为了加速快速成型技术的研究、开发与运用，在1 9 9 2 年成立了合作组织一e u r o p e a n a c t i o n i nr a p i dp r o t o t y p i n g ( 简称e a r p ) ，该组织已拥有6 0 多个成员，进行了许多 卓有成效的工作。我国有关快速成型技术的研究与开发起步于2 0 世纪9 0 年代初 期，经过近十多年的巨大努力，不仅引进、自行研制了一批先进的快速成型机， 而且在其应用上取得了可喜的进展。科技部已在不同地区批准了5 家快速成型生 9 9 71 9 9 82 0 0 02 0 0 图1 1 全球快速成型机的拥有量 f i g 1 1o w n i n ga m o u n to ft h er a p idp r o t o t y p j n gm a c h i n ei nt h ew h 0 1 ew o r l d 基于s l a 原型和化学镀铜工艺的电火花加工电极制造技术研究 ( 3 ) r p m 的远程网络化制造 由于快速成型技术设备成本高、人员技术水平要求高，一般的中小企业很难 自己投资建立本企业自己的快速开发系统，而且由于企业与快速成型中心的地域 限制，使传统的异地开发模式( 人员流动、图纸流动、产品流动) 不具有快速成 型的快速、低成本的优点。但随着i n t e r n e t 技术的发展，使快速成型异地分散网 络化制造成为可能，改变传统的异地开发模式为基于i n t e r n e t 的异地协同开发制 造模式( 信息流动) ，使各个快速成型中心能快速为全国范围内的企业全方位服务 成为可能”“。 通过上面的论述，我们可以看出r p m 技术一经产生，就以其广泛的应用和给 企业带来的巨大的经济效益而受到制造业界的青睐，与网络化制造技术的结合使 其获得了更快的发展速度，相信它在给制造技术带来革命性变革的同时，自身也 必将得到广阔的发展前景。 1 2 快速模具制造技术及其应用现状 目前，应用快速成型方法制造模具已经成为快速成型技术发展的主要推动力 之一。快速制模技术可分为直接制模和间接制模，主要用于制造注塑模和铸模等。 把熔模铸造、喷涂法、化学镀、陶瓷模法、研磨法、电铸法等转换技术与快速原 型制造结合起来就可以方便、快捷的制造出各种简易模具和永久性金属模具。 1 2 1 直接制模技术 ( 1 ) 直接制造非金属模具 采用各种快速成型技术包括s l a 、s l s 、l o m ，可直接将c a d 模型转换为有一定 机械性能的非金属模具，在许多场合可作为简易模具使用，特别适用于小批量塑 料零件的生产“。如3 d 系统公司开发出种可以直接用于发泡工艺的环氧树脂 模具，称为a c e s ( a c c u r a t ec l e a re p o x ys o l i d ) 其寿命可达1 0 0 0 件1 。但 由于构成模具的材料成本很高，如s l a 光敏树脂为2 0 一6 0 元克，使直接制造非 金属模具的应用范围有限”。 ( 2 ) 直接制造金属模具 利用s l s 制造金属模具是现在最有前途的快速成型方法，但目前最大的缺点 尺寸精度低，与其它快速成型方法的加工精度还有一定差距。新的l o m 工艺采用 金属箔作为成型材料，可以制造出铸造用e p s 汽化模，批量生产金属铸件。另外， 用f d m 将不锈钢粉末制成金属型后，经过烧结、渗铜等工艺制成了具有复杂冷却 流道的注塑模“。 1 2 2 间接制模技术 硕士学位论文 ( 1 ) 硅橡胶模具 s l a 原型翻制硅橡胶模具是现在运用最为广泛的技术。由于硅橡胶具有良好的 柔性和弹性，对于结构复杂、花纹精细、无拔模斜度或有倒拔模斜度及具有深凹 槽的模具来说，制作浇注完成后均可直接取出，这是相对其他材料制造模具的独 特之处2 。 ( 2 ) 金属树脂模具 利用s l a 、l o m 、f d m 、s l s 等制作原型，把原型作为母模，根据分型面用金属 树脂进行浇注，然后脱出母模，形成中空树脂模具。金属树脂模具最大的优点就 是强韧性较好，制模速度快，但只能用于小批量生产”“。s l a 制做树脂模具还存在 s l a 原型脱模困难的问题。 ( 3 ) 金属喷涂模具 以原型为母模，将低熔点金属充分雾化后以一定的速度喷射到母模表面，背 衬充填铝与环氧树脂或硅橡胶复合材料作为支撑，将壳与原型分离得到精密的金 属模具。但是金属喷涂模具由于不能使涂层完全均匀，所以它不能制作精度要求 很高的金属模具”“。 ( 4 ) 陶瓷型精密铸造法 根据由s l a 原型制作的硅橡胶、金属树脂、聚氨酯模腔，浇注化学粘结陶瓷、 石膏等，或者直接在原型上涂挂陶瓷浆料形成陶瓷壳型，高温烧结后用工具钢作 为材质进行铸造，即可得到模具的型芯和型腔。在单件生产或小批量生产钢模可 采用此法”。 ( 5 ) 快速成型熔模铸造用蜡模或树脂消失模 利用f d m 、s l s 分别采用蜡丝或蜡粉，可以直接制作出合格的精铸用蜡模。也 可以根据原型翻制的硅橡胶、金属树脂、聚氨酯制成蜡模的压型，批量生产蜡消 失模，结合熔模精铸工艺制做钢模具。利用s l a 原型树脂模必须采用高温燃烧法， 才能将树脂分解脱去，目前用s l a 原型作消失模还有待进一步研究开发。“。 ( 6 ) 快速成型电火花电极制造模具 快速成型电火花电极制造模具己成功应用已石墨电极和铜、镍电极的制作。 石墨电极利用原型( 阳模) 直接复制出的研磨工具( 阴模) 运用振动研磨法制备 工具电极，石墨电极不仅具有良好的导电性和化学稳定性而且具有耐腐蚀、热膨 胀系数小等优点。铜、镍电极就是在原型表面电铸金属如镍、铜等，得到金属壳， 用环氧树脂或锡进行背衬，并连接一根铜棒，就完成了电极的制备，一般从c a d 基于s l a 原型和化学镀铜工艺的电火花加工电极制造技术研究 设计到完成电极的制做仅需一周时间。k e l t 0 0 1 方法主要用来制造长寿命注塑模和 电火花加工用电极，其制造的铜电火花电极的耐磨性要比石墨电极高4 1 0 倍， 但加工速度却下降了近1 倍【25 1 。它的方法就是用金属基复合材料填充根据零件制 作的负形中，然后高温烧结，在渗入熔化的铜填补空隙，就得到了高密度模具， 这种方法的缺点主要是加工精度随着尺寸的增大而下降1 2 “。现在广泛运用的是在 s l a 原型表面电铸镍、铜等加背衬的方法。 1 3 金属沉积层加背衬的制模技术应用现状 ( 1 ) 电铸镍壳一陶瓷背衬模( n c c ) 电铸镍壳一陶瓷背衬模( n i c k e lc e r aj i l i cc o m p o s i t e ) ，是一种正式批量生产 用模具，它指的是用电铸在原型表面形成镍壳，在用化学粘结陶瓷( c b c ) 作为背 衬而构成的模具。其中，电铸的镍壳作为模具的硬工作面，高强度化学粘结陶瓷 作为支撑背衬，标准的钢模架作为外壳。上述三种都相当硬，并且有近似相同的 热膨胀系数。所以，在构成镍壳与陶瓷背衬的过程中，只有很小的尺寸变化。n c c 模对于小型模具，可高于4 5 0 0 0 件，对于大型、复杂的注塑模，也已经超过1 0 0 0 0 件”1 。 ( 2 ) 气相沉积镍壳一背衬模( n v d ) 羰基镍气相沉积镍壳一背衬模( n i c k e lc a r b o n y lv a p o r d e p o s i t i o n ) ，可简 称为气相沉积镍壳一背衬模。它使用化学蒸发工艺将镍沉积在原型表面，形成镍 壳。羰基镍气相沉积同电铸相比的优点就是无论原型表面的形状、尺寸如何都能 在任何部位形成均匀壁厚的镍层，而且镍壳组织更密实，只有很少的孔隙，易于 抛光，韧性明显提高，从而清晰的复制原型表面上的精细特征。但羰基镍气相沉 积中c o 与n i ( c o ) ；都是毒性很大的气体，另一方面昂贵、复杂的仪器与设备也 阻碍了羰基镍气相沉积镍壳一背衬模的广泛运用”“。 ( 3 ) 具有共形冷却水道的电铸镍一铜壳一背衬模( e x p r e s s t 0 0 1 ) 具有共形冷却水道的电铸镍一铜壳一背衬模就是在原型表面电铸镍壳，然后 设置共形冷却水道，在电镀铜壳，并浇注背衬而构成的模具。其核心就是采用了 电铸镍一铜复合壳，以及共形冷却水道。镍一铜复合壳的热导率大大高于任何品 种的模具钢，能够快速冷却。而共形冷却水道的布置与注塑件的主轮廓形状近似， 不仅明显提高冷却效率，缩短注塑循环周期，而且可显著缩小模面上的温差，减 小工件中的内应力和翘曲变形，提高工件的质量。目前，具有共形冷却水道的电 铸镍一铜壳背衬模还在逐步推广的阶段，模具寿命还有待进一步检验”。 硕士学位论文 1 4 选题意义 自从拉扎连柯夫妇于1 9 4 3 年研发出世界上第一台实用化电火花加工( e d m ) 机床以来，电火花加工技术作为一种先进制造技术得到了飞速发展，目前已广泛应 用于航空航天、机械、电子、仪器仪表和汽车等行业。然而，随着新型刀具材料的 出现和多轴数控铣削加工技术的发展，电火花加工技术也面临着新的挑战。高速铣 削在模具加工尤其是锻模、注塑模、压铸模的加工中发挥着愈来愈重要的作用，几 乎可以满足任意复杂曲面和超硬材料的加工，且速度快、成本低，大有取代e d m 之 势。所以，面对日益缩小的传统应用市场，我们应该运用高新科技成果，针对电火花 加工的工艺特点，充分发挥其特有的优势，使其在制造领域发挥更大的作用。e d m 技术在加工具有窄缝、深槽的精密、复杂模具型腔时具有独特的优势，这也正是高 速铣削无法办到的”。因此，我们必须发挥e d m 技术在这方面的长处，以适应日益 激烈的市场竞争。 而精密、复杂模具型腔的e d m 加工关键在于电极的制造。而s l a 技术具有尺 寸精度高、加工时间短，表面粗糙度质量较好，已经在快速零件原型制造上获得 了成功应用。但是现在的沉积金属加背衬的制模方法，主要以电铸为基础，可电 铸最大的缺点是在窄、深凹槽的口部会发生过量沉积，使金属层沉积不均匀，这 是由于口部的电场强度较高，而槽内的电场强度较弱，并且槽越深，这种缺陷越 严重。虽然气相沉积可以解决这一难题，但设备技术成本太高，而化学镀的工艺 方法可以解决上述电铸的缺陷，因此用化学镀铜加背衬快速制作铜电极是一个重 要的研究方向。 因此，将s l a 技术与化学镀铜结合，再通过相应的背衬处理，即可得到电火花 电极，从而从根本上解决电火花电极的加工，为复杂电极的快速经济快速制造提供 新的有效途径，并大大缩短复杂电极的加工时间。使电极的加工不再成为瓶颈问 题。 1 5 技术路线 基于s l a 制作电火花成型电极有两条工艺技术路线，下图为工艺技术路线1 ： 当我们最后制作的零件为原型的负型，应该采用工艺技术路线1 ，所谓负型， 就是说如果s l a 是凸型，则采取工艺技术路线1 ，则零件为凹型，反之若s l a 为凹 型，则零件为凸型。 基于s l a 原型和化学镀铜工艺的电火花加工电极制造技术研究 图l _ 2 制作电火花电极工艺技术路线l 下图为工艺技术路线2 ： 当我们最后制作的零件为原型的正型，应该采用工艺技术路线2 ，所谓正型， 就是说如果s l a 是凸型，则采取工艺技术路线2 ，则零件为凸型，反之若s l a 为凹 型，则零件为凹型。 图13 制作电火花电极工艺技术路线2 硕士学位论文 1 6 本文的主要工作 本文就是在运用s l a 的基础上，着重研究了从s l a 原型件或硅胶模到电火花 电极的过程中所遇到的相关技术问题，并确定了与之相关的加工工艺。具体的研 究内容如下： ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 根据两种工艺路线，论述了s l a 原型和硅橡胶模具的制作工艺过程。 系统的阐述s l a 原型和硅胶模表面的导电化的机理，并用正交试验 法确定了化学初始镀铜和加速镀铜的配方，镀层的组织和性能也作 了测试。 通过分析s l a 光敏树腊的成分和与之相关的腐蚀机理，找到了s l a 原型的剥离工艺，并通过实验验证。 阐述了电火花电极的试制工艺。 基于s l a 原型和化学镀铜工艺的电火花加工电极制造技术研究 第2 章面向电极制作的s l a 原型和硅橡胶模的制作工艺 2 1 引言 无论是在s l a 原型，还是在硅橡胶模表面化学镀铜加金属树脂背衬，制作电 火花电极的最基本的前提就是要有s l a 原型，本章先详细论述了s l a 原型的制作 过程。基于s l a 原型可以根据第一种工艺路线制作电火花电极，但是如果采用第 二种工艺路线，就还需要基于s l a 原型的中间过渡模一硅橡胶模j 本章也对硅橡 胶模具的制作工艺进行了详细的论述。 2 2s l a 原型的制作 2 2 1s l a 快速成型技术原理与发展现状 s l a 成型工艺的成型过程如图2 1 所示，液槽中盛满液态光敏树脂，氦一镉 激光器或氩离子激光器发生的紫外激光束在控制系统的控制下按零件的各分层截 面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描。被扫描区域的树脂薄层产生光聚合反应而 固化，形成零件的一个薄层，一层固化完毕后，工作台下降一个层厚距离，以使 在新固化的树脂表面再敷上一层新的树脂，然后刮板将黏度较大的树腊液面刮平， 进行下一层的扫描加工。新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个 零件制作完毕。 s l a 快速成型的优点就是精度高、表面质量较好、原材料的利用率较高，能 成形形状极其复杂的零件( 如空心零件等) 、和特别精细的零件。 激t jl 捌i 图2 1s l a 工作原理图 硕士学位论文 但是s l a 快速成型的缺点也是明显的，如需要设计支撑结构，才能确保在成 型过程中制件的每一个结构部分都能可靠定位、成型过程中有物相变化，有一定 的翘曲变形、原材料光敏树脂有污染，对皮肤有一定的影响”“。 s l a 快速成型是目前公认的众多基于材料累加法快速成型中最为广泛使用的 一种方法。迄今为止，据不完全统计，全世界有超过6 0 的快速成型机为s l a 。 现在，除美国的3 d 公司外，日本的三菱，索尼、德国的e o s 公司也在生产s l a 快 速成型机。在国内，s l a 快速成型机的技术发展也已经比较成熟，如西安交通大学、 华中科技大学都有s l a 快速成型机的设计和生产“。 s l a 原型的制作工艺流程如下所示： 怿薹耋引筹吣夸 数据处理( 分层、轮 廓编辑、添加支撑) 逐层扫描固化并叠 篙、吲巍篡茹 - - - - - 八 加成三维零件 图2 ，2s l a 原型的制作工艺流程 f i 9 2 2m a k i n gt e c h n o l o g i c a lp r o c e s so fs l ap r o t o t y p e 2 2 2c a d 文件的处理 当我们在p r o e 、s o i l dw o r k s 、u g 、i d e a s 、a u t oc a d 等等的三维设计软件 上设计好所需的模型，接下来的工作就是把此模型转换为s t l 模型，如下图的例 子所示： 基于s l a 原型和化学镀铜工艺的电火花加工电极制造技术研究 图2 3s t l 格式文件示例 从图中我们可以看出s t l 文件格式就是将实体用三角面片进行拟合。快速成 型机可直接根据用户提供的s t l 文件格式进行数据处理。最重要的是快速成型机 可以同时加载不同的s t l 格式文件。 2 2 3s t l 文件的数据处理 当快速成型机得到模型的s t l 文件后，我们还要根据用户的要求以及可制作 性，要对零件的制作比例、方向、零件的复制、多个模型摆放位置进行设定、同 时也针对加工环境设定零件制作信息。在这里最重要的一步工作是模型的定向。 因为定向方式的不同，直接影响到添加支撑的形式和数量的多少，而且对加工时 的稳定性也有很大影响，此其一。其二，由于分层制造时，有不可避免的梯形效 应，层厚越大，梯形效应的影响就越大，从而使得s l a 原型件的表面粗糙，而合 适定向选择可以最大限度的减小梯形效应，如存在大平面的造型，应该考虑采用 倾斜的定向方式。 三角面片文件信息( s t l 文件) 还不能够直接使用，必须对加工的模型进行分 层，分层过程是自动的。通过分层使三维模型转化为两维层片零件的轮廓信息。 每一层的轮廓资料都是一系列的结点连结成折线而构成的，当s t l 文件有缺陷就 可能造成分层后的不封闭，因此就要运用轮廓编辑对病态轮廓进行检查和编辑， 去除孤立点、孤立线段、双连线段、冗余点和开口轮廓等。 在轮廓编辑完成后，为了保证零件制作时的稳定性，防止零件在加工过程中 引起翘曲变形，需要对制作零件进行添加支撑的设计，其等同于传统机械加工的 夹具设计，但是在s l a 快速成型中，支撑是与零件同时被加工出来。在添加支撑 时，基础支撑由零件管理和资料准备系统自动加卜，基础支撑是许多十字状支撑 和点状支撑呈网格状分布，是连接托板与制件的部分，主要目的是便于制件从托 硕士学位论文 寝土毅下。瓷辩准蓉系统静支撑设诗簸 孚撬供竣下基本支撵类銎，瘸户哥豢据支 撑的对象选择任何一种形式作为当前支撑： ( 1 ) 十字支撑：适用于棱点褥征及酝域肉部j 真充支撵。 ( 2 ) 三角形支撑：多边形支撑，具鹰较好的稳定憾及强度。 ( 3 ) 正方形支撑：多边形支撵，具肖较好的稳定性及强度。 ( 4 ) 五逮形交谭：多途形交撵，其裔较爵的稳定魏及强度。 ( 5 ) 斜式支撑；适用于高悬臂结构零件的悬臀支撑，节省制作时间， 鼹高支撵的可靠性。 ( 6 ) 手绘支撑：用户可根据褥要生成 壬意彩状支撑，适熙予对轮辩边界的 支撑。 ( 7 ) 轮露支搭：可妻接继承屡轮露壤惑，生戒与轮薅耀重会戆支撵结孛驽。 ( 8 ) 单墙支撑：适用于棱边特征及细长的区域。 添舰支撑韵基本原刚如下： ( 1 ) 出现鲍无关联鲍分屡锻嚣必绥添翅支撑。 ( 2 ) 减少变形。 ( 3 ) 就简避繁。 ( 4 ) 便于去除支撑。 圈2 4 显示了添加了人工支撑厝的校馓实例。 蚕2 ，经鼗摄整理嚣r p 矮嚣文尊示锅 f i g 2 4 g i v e nad e m o n s t r a t i o nb yr pp r o j o c tf i l oo fd a t ap r o c e 8 s i n g 叠2 ，4 分瑟舔翻毒瘟或懿 计算援开始控割激光扫然嚣於运动实现激光束觞二缝据搂；饲鼹电撰驱动， 基予s l 矗愿型窭化学镀铜工艺静电火花趣工奄援制造薤末磷究 丝杠传动实现工作台的升降运动。液态光敏树脂被激光束扫描而发生聚合固化， 并形成所需第一层嗣态截面轮廓后，工作台在升降臂的带动下，下降层高度， 滚疆中戆滚态竞敏聚合浆滚逑瑟露纯豹截纛辁癣屡，裁刀在渡瑟上徽横囊运动， 刮平液态光敏树脂液体，激光褥对新铺上的一层液态聚合物进行扫黼固化，形成 第二层所需固态截面轮廓，新固化的一层能够牢固地粘结在前一层上，如此重复 壹至l 熬个覆型或制孛藏形完毕，从嚣垒自动宠藏覆型臀鹩裁 乍。其热王参数翅下 所示： u v 光束功率： 2 2 6m w 填充麴攒速度： 5 5 礤礓s 壤充向量游距： o 。lm l l l 支撵扫描速度： 1 5 5 0m m s 跳跨速度： 1 。0 0 0m m s 轮潞扫攒速疫：1 5 嘲s 补偿直径： o 1 6m m 工作台升降速度： 5 m m s 点支撵扫攒霹闯： 1 。3 5 孺s 绞结构扫描时间： 1 3 5m s 2 。2 ，5 原型件的腊处理 螽箍瑾就是整个藤鍪零俘锈幸仁完成后群逶行懿疆鼙簸遴工艺，馁据支撑黪去 除、用乙醇或丙酮对原型件进行清洗、用紫外线灯进行加速固化、打磨、抛光、 表面处理等等。图2 5 就是经打磨抛光完成的原型件示例。若采用第一种工艺路 线，藏邑经哥戳遴蟹诧学镀键懿穗关工彦了。 图2 ，5s l a 原型件示例阉 f i 9 2 + 5p r o t 。t y 登eo n e 。fs 乙ag v e s ad e m o n s t r a t i o nt op u r s u e 2 6 校徽的浇注框 f i g 。2 8 p o 强rf r a m eo ft h es e h o o l b 甜g e 硕士学位论文 图2 6 的是根据第二种工艺路线进行的c a d 设计。可以使完成的s l a 原型就 具有浇注框，这样就可以直接浇注形成硅橡胶凹模，从而加快电火花成型电极制作 速度。 2 3 硅橡胶制模技术 硅橡胶模具制造工艺已经是一种比较普及的快速模具制造方法。由于硅橡胶 模具具有良好的柔性和弹性，良好的仿真性、强度和极低的收缩率，能够制造结 构复杂、花纹精细、无拔模斜度以及具有深凹槽类的零件，并且制作周期短，制 件质量高。更重要的是硅橡胶制造弹性模具简单易行，无需特殊的技术及设备， 能经受重复使用和粗劣操作，能批量生产，产品的尺寸精密o “。此外，由于硅橡 胶模具具有很好的弹性，对凸凹部分浇注成型后无需分模面也可直接取出零件， 这是硅橡胶的独到之处。 在电火花成型电极的制作过程中，硅橡胶模的制作有很重要的意义。首先， 从电极的制作工艺上来看，如果s l a 原型的形状和实际的零件形状一致，则根据 第二种工艺路线，要获得零件正型的模具，就必然需要一个中间的过渡模，而硅 橡胶模是最好的选择。还有更重要的是硅橡胶模非常容易从化学镀铜层上剥离， 而且剥离后的硅橡胶模不发生破坏并保持完整。而s l a 原型在化学镀铜后的剥离 是破坏性的。也就是说，每一个铜电极都意味着s l a 原型的损坏。从这个角度来 看，从硅橡胶模得到电火花电极的工艺路线具有很大的优越性。 目前，制模用硅橡胶为双组分液体硅橡胶，分为缩合型和加成型两类。缩合 型模具硅橡胶的主要组分包括：端基和部分侧基为羟基的聚硅氧烷( 生胶) 、填料、 交联剂和硫化促进剂。 加成型模具硅橡胶的主要组分包括：端基和部分侧基为乙烯基的聚硅氧烷( 生 胶) 、含氢硅油( 交联剂) 、铂触媒( 催化剂) 、白碳黑( 填料) ”“。 现在，这两种模具硅橡胶材料己在国内外许多行业获得了广泛应用。一般来 说，缩合型模具硅橡胶的撕裂强度较低，在模具制造与使用过程中易被撕破，因 此很难适用于花纹深且形状复杂的模具。在用缩合型模具胶制造厚模具的过程中， 由于缩合交联过程中产生的