CN105177639B - 离心式喷丸电铸制造方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种离心式喷丸电铸制造方法及装置，利用旋转叶盘产生的离心力使电铸液和球形硬质颗粒喷射、撞击电铸芯模表面，从而在电铸芯模的阴极表面发生还原反应，沉积成形制备出所需形状的零件，属于特种加工中的电化学加工领域。在离心力的作用下，硬质颗粒被一起甩出、击打在芯模表面，使铸造过程既实现了喷射电沉积的快速成形制造，又达到了表面喷丸强化处理的效果，将二者同步复合可有效防止沉积表面气泡吸附以及积瘤的产生，提高表面平整度和光洁度，又可对表面冲压产生残余压应力，改善铸层的抗疲劳强度。本发明可用于零件内表面缺陷修复和性能强化，功能材料的快速制备以及腔体类零件的表面涂镀。

Description

离心式喷丸电铸制造方法及装置

技术领域

本发明属于特种加工的电化学制造领域，尤其是离心式喷丸电铸制造方法及装置。

背景技术

电铸制造是一种精密特种加工方法，利用金属离子在阴极表面发生电化学还原反应，逐渐沉积成形实现零件的加工制造，具有很高的复制精度和重复精度，相对于其他精密加工技术，电铸制造还具有精度高、无切削力等优点。因此，电铸制造技术已被成功应用于各种精密异型、复杂金属零部件的制造和表面镀层改性，如：精密磨具、电加工电极、航空航天类机械构件等。

电铸制造技术虽然具有高制造精度等优点，但是和任何其他制造技术一样，也存在一定的局限和缺点。在电铸制造过程中，金属离子的沉积层易出现麻点、针孔等缺陷，使其物理、机械性能下降，沉积内应力可能会引起变形，甚至开裂。由于尖端放电效应和杂质的影响，电铸层的均匀性差，且生产周期较长。许多专家、学者在生产实践和试验研究中，采用了诸多方法来改善加工工艺，提高电铸加工质量。中国专利“阴极运动磨擦法精密电铸成形工艺及装置”提出(专利号：CN200410065123)：将电铸芯模埋在堆满硬粒子的电铸槽中，并进行旋转或平动，在电铸过程中硬粒子在芯模的带动下磨擦、挤压芯模表面，提高电铸速度，改善铸层质量。中国专利“回转体零件的高速射流喷射电铸加工方法及装置”提出(专利号：CN201010588837)：电铸芯模半埋在堆满硬质粒子的电铸槽中旋转运动，电铸射流喷嘴沿一定轨迹进行扫描，对裸露的电铸芯模表面进行选择性扫描电铸，逐层堆砌成所需的零件，硬质粒子或摩擦件对铸层表面进行磨擦，以去除沉积表面的积瘤、毛刺等缺陷。但是由于重力作用，埋在底层的芯模部分电铸层受到的挤压摩擦力大，埋在表层的芯模部分电铸层受到的挤压摩擦力小，仍会造成沉积层上下材质不均匀。

还有一些其他提高电沉积制造质量的方法，如中断沉积过程，通过机械加工去除表面积瘤和毛刺后，再进行二次沉积；或是选用添加剂改进电沉积液配方，提高电沉积液温度，改变搅拌速度和方式等，但是加工效果并不理想，得到的沉积层，往往存在裂缝、甚至分层等缺陷，使零件机械性能下降。

发明内容

针对上述电铸加工中所存在的问题，本发明提出了一种离心式喷丸电铸制造方法及装置，利用旋转离心力实现喷丸冲击与电铸沉积同步进行，能够制造组织均匀致密，壁厚可控的回转体零件。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种离心式喷丸电铸制造装置，其特征在于，主要由电铸槽、离心旋转系统、电沉积系统和溶液循环系统构成；所述溶液循环系统包括储液槽、磁力泵、球阀、溢流阀、电铸槽、收集板和螺旋提升器，所述电铸槽内壁上设有底板，所述收集板倾斜固定在电铸槽底部，储液槽与电铸槽之间设有循环管道，所述磁力泵、压力表、球阀设置在循环管道上，所述磁力泵并联有溢流阀，所述电铸槽的进液口位于电铸槽的顶面上，所述电铸槽的出液口处设置有过滤器；所述离心旋转系统包括电机、传动装置、转筒和叶盘，离心旋转系统固定在电铸槽顶端，所述转筒位于电铸槽内、通过传动装置与电机连接，叶盘固定在转筒外表面，且位于叶盘根部的转筒筒壁上设有通孔；所述螺旋提升器固定在转筒内部；所述电沉积系统包括电源、电流表、电压表、导电刷和芯模，芯模作阴极，所述电源的负极与芯模相连接，叶盘作阳极，电源的正极通过导电刷与叶盘接通，并在电路中串联电流表和并联电压表，所述芯模固定在底板上。

优选地，所述储液槽中装有温控加热器和搅拌器。

优选地，所述电源为脉冲电源。

离心式喷丸电铸制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)储液槽中添加包含电沉积金属阳离子的电铸液，电铸槽中添加直径为1～4mm的硬质颗粒；

(2)开启磁力泵，储液槽中的电铸液在磁力泵的作用下抽出送入电铸槽的进液口进入的叶盘；开启电机，调节电机转速，带动传动装置、转筒转动，叶盘、螺旋提升器随转筒转动；在叶盘旋转作用下，电铸液受离心力作用被猛烈甩出，喷溅在圆筒形芯模表面，反应生成电铸层；同时，硬质颗粒由螺旋提升器送至转筒上方，落在高速旋转的叶盘上，随电铸液一起喷射、击打在芯模的表面，在电沉积反应过程中复合表面喷丸处理；

(3)冲击芯模后，电铸液、硬质颗粒落在收集板上，电铸液经电铸槽的出液口及过滤器流回储液槽中，硬质颗粒经收集板的倾斜导流作用沉淀至电铸槽底部，电铸液、硬质颗粒分别循环使用。

优选地，所述步骤(1)中还包括通过温控加热器控制电沉积液的温度保持在50℃～60℃，以及利用搅拌器搅拌电铸液的过程。

优选地，所添加的硬质颗粒中75％选用直径1～2.5毫米的绝缘陶瓷球丸，另有25％为所沉积金属的球丸，所沉积金属的球丸的直径为2～4毫米，所沉积金属的球丸逐渐溶解到所述电铸液中补充电铸液中所述金属阳离子的浓度。

优选地，所述转筒的转速为100～800r/min，硬质颗粒在溶液中的体积比为1/4～1/3。

本发明的方法和装置可以实现如下有益效果：

(1)在旋转离心力作用下电铸液和硬质颗粒一起喷射、击打在电铸芯模的内表面，在芯模的阴极表面金属阳离子发生电化学还原反应形成电铸层；同时复合了表面喷丸冲击处理，不仅可以有效的防止沉积表面吸附气泡，抑制积瘤和凹坑，还可以在沉积层材料中形成残余压应力层，改善其抗疲劳强度。

(2)所述电铸液的旋转离心力是由电机通过传动装置带动转筒转动产生，离心力大小可通过改变传动装置的传动比来控制、调节转速，从而有效地提高电铸沉积速度。

(3)通过溶液循环系统使电铸液循环，并且使电铸液自上而下流过阴极与阳极之间，保证及时向加工区供给充足的电铸液。

(4)通过螺旋提升器将硬质颗粒送入叶盘，在离心力作用喷射冲击芯模，之后又落入下面的电铸槽内，循环使用。

(5)在不加电铸电源的情况下，可预先对零件表面进行喷丸预处理，强化基体本身的机械性能，预处理后继续通电进行电铸过程。

附图说明

图1是本发明所述离心式喷丸电铸加工成形装置的结构示意图。

图2是离心式喷丸电铸加工的沉积示意图。

附图标记说明如下：

1-电机，2-传动装置，3-转筒，4-螺旋提升器，5-芯模，6-电铸槽，7-底板，8-压力表，9-球阀，10-溢流阀，11-磁力泵，12-储液槽，13-电铸液，14-搅拌器，15-温控加热器，16-过滤器，17-收集板，18-叶盘，19-电源，20-导电刷，21-硬质颗粒22-电铸层。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1、图2所示，本发明所述的离心式喷丸电铸制造装置，主要由电铸槽6、离心旋转系统、电沉积系统和溶液循环系统构成；所述溶液循环系统包括储液槽12、磁力泵11、球阀9、溢流阀10、电铸槽6、收集板17和螺旋提升器4，所述电铸槽6内壁上设有底板7，所述收集板17倾斜固定在电铸槽6底部，储液槽12与电铸槽6之间设有循环管道，所述磁力泵11、压力表8、球阀9设置在循环管道上，所述磁力泵11并联有溢流阀10，所述电铸槽6的进液口位于电铸槽6的顶面上，所述电铸槽6的出液口处设置有过滤器16，所述储液槽12中装有温控加热器15和搅拌器14。温控加热器15可维持电铸液13温度稳定在50℃～60℃之间，搅拌器14用于均匀混合溶液。所述离心旋转系统包括电机1、传动装置2、转筒3和叶盘18，离心旋转系统固定在电铸槽6顶端，所述转筒3位于电铸槽6内、通过传动装置2与电机1连接，叶盘18固定在转筒3外表面，且位于叶盘18根部的转筒3筒壁上设有通孔。所述螺旋提升器4固定在转筒3内部；所述电沉积系统包括电源19、电流表、电压表、导电刷和芯模5，芯模5作阴极，所述电源19的负极与芯模5相连接，叶盘18作阳极，电源19的正极通过导电刷与叶盘18接通，并在电路中串联电流表和并联电压表，所述芯模5固定在底板7上。通过电路中的电流表和电压表控制加工中的电流和工作电压，若采用脉冲电源19时，可根据需要选择输出波形。

作为阳极工具的转筒3，由电机1带动旋转；作为阴极工具的圆筒形沉积件芯模5，其内侧轮廓为所需零件形状。在储液槽12注入电铸液13，电铸液13中须含所沉积金属材料的阳离子，金属阳离子的浓度可根据实际加工速度需要适当调节。向电铸槽6中添加直径为1～4mm的硬质颗粒21。开启磁力泵11，储液槽12中的电铸液13在磁力泵11的作用下抽出送入电铸槽6的进液口进入的叶盘18；开启电机1转动，调节转速，由传动装置2带动转筒3转动，叶盘18、螺旋提升器4随转筒3转动。在叶盘18旋转作用下，电铸液13受离心力作用被猛烈甩出，喷溅在圆筒形芯模5表面，反应生成电铸层22。同时，硬质颗粒2121由螺旋提升器4提升送入叶盘18，在离心力的作用下高速冲击电铸层22，实现喷丸强化的作用。冲击芯模5后，电铸液13、硬质颗粒21落在收集板17上，电铸液13经电铸槽6的出液口及过滤器16流回储液槽12中，硬质颗粒21经收集板17的倾斜导流作用沉淀至电铸槽6底部，电铸液13、硬质颗粒21分别循环使用。

通过温控加热器15控制电铸液13的温度，保持电铸液13温度恒定在50℃～60℃，以确保反应的顺利进行。电铸22达到规定的厚度时，切断电源19，停止电沉积，将芯模5取出，清洗干燥后，分离金属沉积层，即可得到满足性能要求的电铸沉积材料。

图2是离心式喷丸电铸加工的沉积示意图。转筒3上叶盘18的形状为簸箕形状，有利于将电铸液13、硬质颗粒21转动甩出喷射。叶盘18的形状可根据加工零件的形状要求选择，以满足不同零件的性能要求。

由于旋转离心力作用，硬质颗粒21随电铸液13一起被高速甩出，喷射、击打在芯模5的内表面，在电铸沉积反应过程中复合了表面喷丸处理，不仅可以有效的防止沉积层吸附气泡以及产生积瘤，还可以在沉积材料中形成残余压应力，改善其抗疲劳强度；也可以通过调节电机1的转速控制离心力大小，从而有效地控制电沉积速率。

较佳地，所述转筒3的转速为100～500r/min，硬质颗粒21在溶液中的体积比为1/4～1/3。所添加的硬质颗粒21中75％选用直径1～2.5毫米的绝缘陶瓷球丸，另有25％为所沉积金属的球丸，所沉积金属的球丸的直径为2～4毫米，所沉积金属的球丸逐渐溶解到所述电铸液13中补充电铸液13中所述金属阳离子的浓度，硬质颗粒21的含量需根据实际加工零件面积大小适量添加。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种离心式喷丸电铸制造装置，其特征在于，主要由电铸槽(6)、离心旋转系统、电沉积系统和溶液循环系统构成；所述溶液循环系统包括储液槽(12)、磁力泵(11)、球阀(9)、溢流阀(10)、电铸槽(6)、收集板(17)和螺旋提升器(4)，所述电铸槽(6)内壁上设有底板(7)，所述收集板(17)倾斜固定在电铸槽(6)底部，储液槽(12)与电铸槽(6)之间设有循环管道，所述磁力泵(11)、压力表(8)、球阀(9)设置在循环管道上，所述磁力泵(11)并联有溢流阀(10)，所述电铸槽(6)的进液口位于电铸槽(6)的顶面上，所述电铸槽(6)的出液口处设置有过滤器(16)；所述离心旋转系统包括电机(1)、传动装置(2)、转筒(3)和叶盘(18)，离心旋转系统固定在电铸槽(6)顶端，所述转筒(3)位于电铸槽(6)内、通过传动装置(2)与电机(1)连接，叶盘(18)固定在转筒(3)外表面，且位于叶盘(18)根部的转筒(3)筒壁上设有通孔；所述螺旋提升器(4)固定在转筒(3)内部；所述电沉积系统包括电源(19)、电流表、电压表、导电刷和芯模(5)，芯模(5)作阴极，所述电源(19)的负极与芯模(5)相连接，叶盘(18)作阳极，电源(19)的正极通过导电刷与叶盘(18)接通，并在电路中串联电流表和并联电压表，所述芯模(5)固定在底板(7)上。

2.根据权利要求1所述的离心式喷丸电铸制造装置，其特征在于，所述储液槽(12)中装有温控加热器(15)和搅拌器(14)。

3.根据权利要求1所述的离心式喷丸电铸制造装置，其特征在于，所述电源(19)为脉冲电源(19)。

4.离心式喷丸电铸制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)储液槽(12)中添加包含电沉积金属阳离子的电铸液(13)，电铸槽(6)中添加直径为1-4mm的硬质颗粒(21)；

(2)开启磁力泵(11)，储液槽(12)中的电铸液(13)在磁力泵(11)的作用下抽出送入电铸槽(6)的进液口进入的叶盘(18)；开启电机(1)，调节电机(1)转速，传动装置(2)带动转筒(3)转动，叶盘(18)、螺旋提升器(4)随转筒(3)转动；在叶盘(18)旋转作用下，电铸液(13)受离心力作用被猛烈甩出，喷溅在圆筒形芯模(5)表面，反应生成电铸层(22)；同时，硬质颗粒(21)由螺旋提升器(4)提升至一定高度，通过转筒(3)壁上的通孔送至转筒(3)上高速旋转的叶盘(18)，随电铸液(13)一起喷射、击打在芯模(5)的表面，在电沉积反应过程中复合表面喷丸处理；

(3)冲击芯模(5)后，电铸液(13)、硬质颗粒(21)落在收集板(17)上，电铸液(13)经电铸槽(6)的出液口及过滤器(16)流回储液槽(12)中，硬质颗粒(21)经收集板(17)的倾斜导流作用沉淀至电铸槽(6)底部，电铸液(13)、硬质颗粒(21)分别循环使用。

5.根据权利要求4所述的离心式喷丸电铸制造方法，其特征在于，所述步骤(1)中还包括通过温控加热器(15)控制电沉积液的温度保持在50℃～60℃，以及利用搅拌器(14)搅拌电铸液(13)的过程。

6.根据权利要求4所述的离心式喷丸电铸制造方法，其特征在于，所添加的硬质颗粒(21)中75％选用直径1～2.5mm的绝缘陶瓷球丸，另有25％为所沉积金属的球丸，所沉积金属的球丸的直径为2～4mm，所沉积金属的球丸逐渐溶解到所述电铸液(13)中补充电铸液(13)中所述金属阳离子的浓度。

7.根据权利要求4所述的离心式喷丸电铸制造方法，其特征在于，所述转筒(3)的转速为100～800r/min，硬质颗粒(21)在溶液中的体积比为1/4～1/3。