CN104593830A - 带测量反馈的电化学增材制造方法及装置 - Google Patents

带测量反馈的电化学增材制造方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了带测量反馈的电化学制造方法及实现装置，尤其是用于增材制造即三维打印领域的。本发明通过电化学溶解或电化学沉积的方式产生所需外形尺寸和成分的部件，工艺过程中包含反复循环交错排列的制造过程和测量过程，制造过程通过直流或单向重复脉冲大电流溶解或沉积材料，测量过程通过交流小电流测量阻抗来确定电极和工件之间的距离。将测量结果通过微处理器计算后用于确定制造过程中设定的电流电量的大小或工作进给的速度和距离。

Description

带测量反馈的电化学增材制造方法及装置
技术领域
本发明涉及电化学制造领域，尤其是采用电化学方法进行增材制造即三维打印的领域。 
背景技术
增材制造方法即三维打印容易与计算机辅助设计连接，适合于小批量制造具有复杂内外表面形状的部件。电化学制造方法在减材制造中适于加工高硬度高韧性或难熔金属，在增材制造中适于沉积熔点或密度差别大难于直接形成合金的金属。电化学增材制造适于得到特殊组成的功能性材料，且在光亮剂等药剂的配合下能得到良好的表面质量。但传统上电化学减材制造方法属于尺寸精度不高的加工方法，通过对电化学减材制造方法的不断改进，采用高精度的仿形工具电极，使工具电极以较高频率震动，在电极和工件间施加大幅值的脉冲电流可以显著提高加工的尺寸精度到切削加工的同等级别。但这种方法存在工具电极加工复杂，制造周期长的缺点。电化学增材制造方法已经得到广泛应用的领域是电铸光盘母盘，电镀加厚电路板，电镀修复磨损等。但电化学增材制造方法还难于直接加工生产机械零部件。主要障碍时电化学增材制造方法的尺寸精度难于控制。 
发明内容
本发明的目的是克服现有的在电化学加工过程中尺寸精度难于控制的问题。 
为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案是： 
在电化学加工过程中包含反复循环交错排列的制造过程和测量过程，制造过程通过直流或单向重复脉冲大电流溶解或沉积材料，测量过程通过交流小电流测量阻抗来确定电极和工件之间的距离。将测量结果通过微处理器计算后用于确定制造过程中设定的电流电量的大小或工作进给的速度和距离。
本发明的有益效果是： 
在制造的过程中不断测量电极和工件之间的距离，并通过反馈控制设定加工参数，从而使电化学加工变为一个闭环过程；本发明尤其适用于通过电化学的方法进行三维打印。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。 
图1带测量反馈控制的电化学增材加工装置示意图。 
图中101.计算机，102.步进电机驱动器，103.程控电解电源，104.X轴步进电机，105.绝缘连接板，106.电解液喷嘴，107.待标记工件，108.导电垫板，109.绝缘垫板，110.机架，111.机架固定处，112.管道，113.电解液吸入口，114.电解液收集槽，115.电解液，116.过滤器，117.泄压阀，118.电解液泵，119.挡板，120.流量计，121.压力表，122. 滑台移动板，123. Y轴步进电机，124.十字滑台固定处，125.交流阻抗测量仪。 
具体实施方式
实施例1 
电化学方法进行减材制造，采用80%饱和的氯化钠溶液为工作媒质。工作电极材质是表面涂覆二氧化铱的不溶性钛电极，工作电极为直径3毫米的细长圆柱体。工件为钨钢，因为硬度高，不适于采用传统的机加工方法进行表面雕铣。将工件接控制器正极，工作电极接控制器负极。工件和工作电极同时浸入工作媒质中，工作媒质装在工作容器中并通过泵将其在工作容器和散热器中循环散热以避免过热。采用10000安培每平方米的基准工作电流密度。在工作电流上叠加频率为3000赫兹，幅度为工作电流一百分之一的交流电流，将工作电极和工件之间的电压响应讯号通过隔直流通交流的滤波器然后进行采样和数模转换，所得电压值取绝对值然后进行平均。将电压值在微处理器中通过查表法转换为距离值。查表法所用的表格是预先标定的电压或电阻和距离对应的双列数组。算出距离值之后，由软件驱动Z轴进行工作电极的正向或负向运动，以保持工作电极和工件间的距离为0.2毫米。同时将工件表面的实际高度坐标和目标值比较，当差值在5毫米以内时，按照2000安培每毫米的比例降低工作电流。在Z轴进给的同时驱动X轴和Y轴带动工件，使工作电极扫描完工件的整个加工表面。三轴平台的结构和驱动是机加工行业公知的成熟技术，在此不加赘述。如果需要加工工件的多个表面，还可以加入第四轴使工件旋转，这也是机加工行业公知的成熟技术。在三轴平台的带动下，工作电极反复扫描完工件加工表面直至工件表面的实际高度坐标和目标值相差在设定偏差范围内。按照本实施例可以在工件表面精密加工出任意曲面，目标曲面表面曲率对应的直径最小值大于工作电极直径的2倍。
实施例2 
电化学方法进行增材制造，采用光亮镍电镀液为工作液。工作电极材质是表面涂覆二氧化铱的不溶性钛电极，工作电极为直径3毫米的细长圆柱体。工件基材为镍板。将工件基材接控制器负极，工作电极接控制器正极。工件基材和工作电极同时浸入工作液中，工作液装在工作容器中并通过泵将其在工作容器和散热器中循环散热以避免过热。采用1000安培每平方米的基准工作电流密度。在工作电流上叠加频率为3000赫兹，幅度为工作电流一百分之一的交流电流，将工作电极和工件之间的电压响应讯号通过隔直流通交流的滤波器然后进行采样和数模转换，所得电压值取绝对值然后进行平均。将电压值在微处理器中通过查表法转换为距离值。查表法所用的表格是预先标定的电压或电阻和距离对应的双列数组。算出距离值之后，由软件驱动Z轴进行工作电极的正向或负向运动，以保持工作电极和工件间的距离为0.2毫米。同时将工件表面的实际高度坐标和目标值比较，当差值在5毫米以内时，按照2000安培每毫米的比例降低工作电流。在Z轴进给的同时驱动X轴和Y轴带动工件，使工作电极扫描完工件的整个加工表面。三轴平台的结构和驱动是机加工行业公知的成熟技术，在此不加赘述。如果需要加工工件的多个表面，还可以加入第四轴使工件旋转，这也是机加工行业公知的成熟技术。在三轴平台的带动下，工作电极反复扫描完工件加工表面直至工件表面的实际高度坐标和目标值相差在设定偏差范围内。按照本实施例可以在工件基材表面通过沉积金属获得尺寸精密的任意形状曲面，只要曲面表面曲率对应的直径最小值大于工作电极直径的2倍。

Claims (4)

1.一种电化学加工方法，通过将工件和工具电极置于电解液中，工件连接电源正极，工具电极连接负极，通过电化学反应使工件上的部分材质溶解或变疏松从而被除去，其特征是:持续测量工件和工具电极之间电解液的阻值并换算为两者之间的距离，将工具电极尖端的位置加上距离值和被加工面的目标位置相比较，得到差值用于按比例控制加工电流的大小直至工件表面的实际高度坐标和目标值相差在设定偏差范围内。
2.一种电化学加工方法，通过将工件和工具电极置于电解液中，工件连接电源负极，工具电极连接正极，工具电极材质为在正极电位下不溶解的形状稳定材料，通过电化学反应使电解液中的部分离子沉积在工件上，其特征是:持续测量工件和工具电极之间电解液的阻值并换算为两者之间的距离，将工具电极尖端的位置加上距离值和被加工面的目标位置相比较，得到差值用于按比例控制加工电流的大小直至工件表面的实际高度坐标和目标值相差在设定偏差范围内。
3.根据权利要求1和2所述的电化学加工方法，其特征是：所述阻值和距离值的测量是通过在工作电流上叠加小幅度的交流电流，将工作电极和工件之间的电压响应讯号通过隔直流通交流的滤波器然后进行采样和数模转换，所得电压值取绝对值然后进行平均，将电压响应与标定值进行比较以得到阻值和距离值。
4.根据权利要求1和2所述的电化学加工方法，其特征是：所述阻值和距离值的测量是通过在工作电流上叠加小幅度的阶跃电流，将工作电极和工件之间的电压响应讯号通过隔直流通交流的滤波器然后进行采样和数模转换，将所得电压阶跃值与标定值进行比较以得到阻值和距离值。
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