CN101643923B

CN101643923B - 利用超声波和激光共同作用的电铸方法和电铸设备

Info

Publication number: CN101643923B
Application number: CN2009103068170A
Authority: CN
Inventors: 刘红彬; 薛玉君; 司东宏; 库祥臣; 李济顺
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2029-09-09
Also published as: CN101643923A

Abstract

本发明涉及一种利用超声波和激光共同作用的电铸方法和电铸设备，其中电铸方法是，在紧邻原模的同一区域电铸液内同时施加超声波和激光波。超声波使得电铸液中的金属离子团不断被打碎，使得铸层致密性好，结晶细小。同时，超声波和激光波两种不同性质的波协同作用于电铸液，会在两种波共同作用区域产生两种能量的聚合，这样就会诱发新的声光特性产生，增大电铸金属离子的活性，有利于电铸金属离子的沉积和沉积层的均匀性。同时激光波可以加速空化泡崩溃，大大增强空化效果，超声作用产生的空化气泡对激光产生反射和折射，使原本直线传播的激光发生了光路的改变，增加了其作用的点位，提高了电铸的速度。

Description

利用超声波和激光共同作用的电铸方法和电铸设备

技术领域

本发明涉及一种利用超声波和激光共同作用的电铸方法及一种电铸设备，属于电铸技术领域。

背景技术

随着科学技术和现代工业的快速发展，工业产品的结构和形状设计越来越复杂，对加工精度的要求也变得越来越高，出现了很多新结构、新材料和复杂形状的零部件，因此需要加工出各种难切削材料、特殊复杂型面、超精密和光整零件或其它特殊零件。要解决这些加工问题，仅靠传统的加工方法很难实现。目前有很多特种加工技术，利用其特殊的加工机理和方法，可以实现特殊零件的精密加工和超精密加工。

电铸作为一种特种加工技术，它利用金属离子在阴极原模电沉积原理来获取金属零部件的精密铸造技术。电铸基本原理是根据需要加工的特定形状制作出原模作为阴极，用电铸材料作为阳极，一同放入与阳极材料相同的金属盐溶液中，通上电源。在电解作用下，原模表面逐渐沉积出金属电铸层，达到所需的厚度后从溶液中取出，将电铸层与原模分离，便获得与原模形状相对应的金属复制件。电铸成形的零件能够非常精确地复制原模形状及其细微结构，具有很高的形状精度和尺寸精度。电铸是增材加工，不存在切削力，原模损耗几乎可以忽略，在批量生产中可以保证很高的重复精度。近年来，电铸技术在很多工业部门得到广泛应用，从过滤金属网、拷贝CD的原盘、铭牌等日常用品，到航空航天、武器装备、精密模具和MEMS中的精密零件，都有电铸加工技术的应用。

在传统电铸技术中存在着一些关键问题难以解决，如电铸层外表面常出现针孔和结瘤等缺陷、厚度不均匀、电铸速度慢、材料性能差等。这些问题的存在会导致电铸零件性能下降、电铸生产率降低、甚至生产被迫中止和零件报废等后果，严重制约着电铸技术的发展。因此，有必要探索新的电铸技术和方法，来解决传统工艺中的关键问题。目前，人们尝试了许多方法措施，包括在电铸液中添加的有机添加剂、使用反向脉冲电流、复合超声等，这些方法在一定程度上改善电铸零件表面质量和材料性能，提高了电铸层的厚度均匀性。但这些方法中，有机添加剂使用量少且检测困难，在电铸过程中往往会夹杂在电铸层中被不断消耗，不仅使电铸液维护困难，还会影响电铸材料的纯度和性能；而反向脉冲电流会降低电流效率，影响电铸速度。显然，上述方法措施均不能很好的解决电铸层外表面出现针孔、结瘤、厚度不均匀、电铸速度慢及材料性能差的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用超声波和激光共同作用的电铸方法，同时还提供一种利用超声波和激光共同作用的电铸设备，用以解决现有电铸中存在的电铸层外表面存在针孔、结瘤、厚度不均匀、电铸速度慢、材料性能差的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种利用超声波和激光共同作用的电铸方法，在紧邻原模的同一区域电铸液内同时施加超声波和激光波。

所述超声波与激光波的传播方向相互垂直。

所述超声波沿竖直方向传播；所述激光波沿水平方向传播。

所述超声波的振动频率大于20KHz。

所述激光波长为1064nm。

一种利用超声波和激光共同作用的电铸设备，包括电铸槽，还包括激光发生器和三维工作台，所述电铸槽设置于三维工作台上，所述激光发生器设置于电铸槽的外侧，且该激光发生器的激光镜头朝向电铸槽，所述电铸槽至少靠近激光镜头的槽壁为透光槽壁；所述电铸槽上设置有向电铸槽内提供超声波的换能器装置，该换能器装置包括相互导电连接的换能器和超声波发生器。

所述换能器沿竖直方向设置于电铸槽的底部，换能器产生的超声波沿竖直方向向上传播；所述激光镜头的轴线处于水平方向上，从激光镜头发出的激光波沿水平方向传播。

所述电铸槽内设置有电铸液搅拌器。

还包括温度控制单元，该温度控制单元由温度控制器、测量温度的热电偶及加热器组成，所述热电偶及加热器均与温度控制器导电控制连接，热电偶及加热器均设置于电铸槽内。

所述超声波发生器为频率可调超声波发生器。

本发明的利用超声波和激光共同作用的电铸方法，采用在紧邻原模的同一电铸液区域内同时施加超声波和激光波。超声波使得电铸液中的金属离子团不断被打碎，使得铸层致密性好，结晶细小。同时，超声波和激光波两种不同性质的波协同作用于电铸液，会在两种波共同作用区域产生两种能量的聚合，这样就会诱发新的声光特性产生，增大电铸金属离子的活性，有利于电铸金属离子的沉积和沉积层的均匀性。同时激光波可以加速空化泡崩溃，大大增强空化效果，超声作用产生的空化气泡对激光产生反射和折射，使原本直线传播的激光发生了光路的改变，增加了其作用的点位，提高了电铸的速度。

同时，超声波与激光波的传播方向相互垂直，可以使得超声波与激光波有效的叠加，增强了能量的聚合，实现了对电流密度的有效控制，有效的提高了电铸速度，改善了铸件的铸层质量。

本发明的利用超声波和激光共同作用的电铸设备具有激光发生器和超声波发生装置，在电铸时，激光发生器和超声波发生装置分别向紧邻原模的同一区域内的电解液中施加激光波和差声波，使得电铸过程速度加快，铸件外表面不存在针孔、结瘤、厚度不均匀、及材料性能差的问题。

另外，电铸槽设置在三维工作台上，这样可以根据电铸原模和激光光源的相对位置，微调三维工作台的坐标位置，保证激光点作用于合适的电铸液的区域位置，使超声波与激光波作用于同一区域电铸液时，该区域电铸液内产生纵向传播的机械波和横向传播的电磁波的叠加效应，增强电铸性能。

附图说明

图1是本发明利用超声波和激光共同作用的电铸设备的结构示意图。

具体实施方式

本发明的利用超声波和激光共同作用的电铸方法是：电铸时在紧邻原模的同一电铸液区域内同时施加超声波和激光波，超声波沿竖直方向向上传播，激光波沿水平方向传播。超声波和激光波在紧邻原模处的电铸液内进行叠加，实现对铸件表层电铸液的协同作用。本实施例中采用的超声波发生装置的功率为950瓦，超声波的振动频率大于20KHz；所用的激光发生器为Nd:YA G连续激光发生器，额定输出功率为50W，激光波长为1064nm。

电铸时，用直流或脉冲电源通电，原模运动的同时，通过超声波和激光波协同作用增强电铸液的空化效应，提高电铸速度，改善晶体生长，获得晶粒细化的电铸层。当电铸层达到规定厚度后，可以通过计算机控制激光晶振镜头对芯模表层电铸液的作用位置按照既定图案循环扫描，变换激光波协同作用的区域，变化对电铸零件表层形貌的影响位置，形成一定电铸零件形貌。完成电铸零件加工之后，切断电源，停止电铸，将芯模取出，清洗干燥后，分离出电铸零件。

图1所示，本发明的利用超声波和激光共同作用的电铸设备包括一个激光机，该激光机具有激光发生器和三维工作台1，三维工作台1上通过一个支座安装有一个电铸槽3，根据电铸原模10和激光光源的相对位置，微调三维工作台1的坐标位置，保证激光点作用于合适的电铸液4的区域位置，电铸槽3内用来盛放电铸液4。激光发生器的激光镜头12朝向电铸槽3，电铸槽3靠近激光镜头的槽壁具有透光壁面，这样是为了使激光可以顺利的传播到电铸槽3内作用到紧邻原模10的电铸液区域。电铸槽3的底部安装有换能器装置，换能器装置包括导电连接的换能器2和频率可调的超声波发生器，换能器2沿竖直方向设置，用于产生沿竖直方向向上传播的超声波，使得超声振动沿竖直方向作用于电铸原模10。该电铸设备上还设置有温度控制单元，温度控制单元由温度控制器7、测量温度的热电偶5及加热器6组成，所述热电偶5及加热器6均与温度控制器7导电控制连接。其中，热电偶5及加热器6均设置于电铸槽内且浸于电铸液内。设置温度控制单元可以很好的控制电铸液4的温度，使得电铸的整个过程均处于一个较为理想的温度下，有利于提高电铸的质量及速度。同时，电铸槽3内还设置有电铸液搅拌器8，电铸时电铸液搅拌器8处于搅拌状态，使得电铸槽内电铸液的浓度分布比较均一，避免出现原模10位置处金属盐溶液浓度降低，而影响电铸效果的问题。三维工作台1及激光器发生器13分别通过工作台控制系统16及激光控制系统14与一计算机15控制连接。计算机15用来控制激光器发生器13发射激光波，并控制三维工作台1进行相应的移动，用来确保激光作用点处于电铸原模附近位置。

Claims

1.一种利用超声波和激光共同作用的电铸方法，其特征在于：在紧邻原模的同一区域电铸液内同时施加超声波和激光波；所述超声波与激光波的传播方向相互垂直；所述超声波沿竖直方向传播；所述激光波沿水平方向传播；所述超声波的振动频率大于20KHz；所述激光波长为1064nm。

2.一种利用超声波和激光共同作用的电铸设备，包括电铸槽，其特征在于：还包括激光发生器和三维工作台，所述电铸槽设置于三维工作台上，所述激光发生器设置于电铸槽的外侧，且该激光发生器的激光镜头朝向电铸槽，所述电铸槽至少靠近激光镜头的槽壁为透光槽壁；所述电铸槽上设置有向电铸槽内提供超声波的换能器装置，该换能器装置包括相互导电连接的换能器和超声波发生器；所述换能器沿竖直方向设置于电铸槽的底部，换能器产生的超声波沿竖直方向向上传播；所述激光镜头的轴线处于水平方向上，从激光镜头发出的激光波沿水平方向传播。

3.根据权利要求2所述的电铸设备，其特征在于：所述电铸槽内设置有电铸液搅拌器。

4.根据权利要求3所述的电铸设备，其特征在于：还包括温度控制单元，该温度控制单元由温度控制器、测量温度的热电偶及加热器组成，所述热电偶及加热器均与温度控制器导电控制连接，热电偶及加热器均设置于电铸槽内。

5.根据权利要求4所述的电铸设备，其特征在于：所述超声波发生器为频率可调超声波发生器。