CN105817724B

CN105817724B - 一种基于木塑复合材料的电解加工用复杂电极的制备方法

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Publication number: CN105817724B
Application number: CN201510009235.1A
Authority: CN
Inventors: 李健; 郭艳玲; 张慧; 朱勋鹏
Original assignee: Northeast Forestry University
Current assignee: Northeast Forestry University
Priority date: 2015-01-08
Filing date: 2015-01-08
Publication date: 2019-01-18
Anticipated expiration: 2035-01-08
Also published as: CN105817724A

Abstract

一种基于木塑复合材料的电解加工用复杂电极的制备方法，本发明涉及在对木塑复合粉末材料进行选择性激光烧结的基础上，采用化学镀和电镀技术，对成型件进行金属化处理，从而可作为电解加工模具型腔所用的复杂成形工具电极。本发明要解决现有电解加工用复杂成形工具加工制造困难、成本高的问题。该方法步骤包括：(1)木塑复合粉末材料的制备；(2)基于成形电极形状的选择性激光烧结(3)对成型待处理件的化学镀(4)对成型待处理件的电镀。本发明具备工艺简单、加工效率较高、成本低的优点。

Description

一种基于木塑复合材料的电解加工用复杂电极的制备方法

技术领域

本发明涉及到一种电解加工用工具电极的制备方法，尤其是用于型腔加工的复杂成形工具电极。

背景技术

电解加工基于电化学作用原理，是对作为阳极的金属工件在电解液中进行阳极溶解而去除材料，实现工件加工成形的工艺过程。在电解加工机床上，控制工具阴极型面和工件阳极被加工面之间保持小间隙，随着工具向工件的进给运动，逐渐将工具的型面形状复制到工件上。电解加工适合用于难加工材料及复杂形状零件的加工，如模具型面、型腔等。电解加工属于冷态加工，工具电极无损耗，不存在机械切削力。对工具电极来说，要求其具备较好的导电性能即可。

现有的复杂电极制备方式以数控铣削加工为主，一方面存在传统加工中的材料浪费和成本较高的问题，另一方面铣削加工对一些微细结构和特殊结构无能为力。

选择性激光烧结技术(Selective laser sintering,SLS)，属于3D打印的一种，具有广泛的应用前景，采用逐层增加材料、分层加工的方式生成3D实体。其优点是：无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何复杂形状的三维模型，极大地缩短了产品的研制周期，提高了生产率和降低了生产成本，同时具有材料选择面广的优点。青岛建筑工程学院的王婉提出了用于电火花加工的复杂电极的快速制造方法，将选择性激光烧结技术与电铸技术相结合。但仍存在着被烧结材料均为金属粉末，制备困难、成本高的缺点。而单纯的树脂类材料经过激光烧结后，成型件比较致密，表面金属化处理后承受大电流的能力不足，无法作为电解加工中的电极使用。

发明内容

本发明要解决现有电解加工用复杂工具电极加工制造困难、成本高的问题。

为解决上述问题，本发明采用木塑复合材料作为工具电极的基体材料，首先利用选择性激光烧结技术对木塑复合粉末进行烧结成型，得到基本的电极形状，且烧结件本身孔隙率比较大，便于表面处理时金属原子的渗入。其次利用化学镀和电镀的方式对成型待处理件进行金属化处理，使其具备良好的导电性能而得到工具电极。具体是按以下步骤完成：

(1)木塑复合粉末材料制备：①将木粉放入超声波振动筛进行筛分，选出粒径大小均一的木粉颗粒；②将步骤①获得的木粉和塑料粉按照一定的质量比放入高速混合机以先低速后高速的转速进行混粉，加入少量的偶联剂和降粘剂并继续搅拌均匀，从而得到木塑复合粉末材料，混合过程中的物料温度不高于50℃，否则粉末容易粘结成块。

所采用的木粉种类广泛，可使用的木粉有杨木粉、桉木粉、松木粉、纤维素等。可所采用的塑料粉末有：尼龙粉末、经马来酸酐处理的聚丙烯粉末、聚醚砜树脂粉末、聚丙乙烯粉末等木粉占木塑复合材料的质量含量为20～30％，偶联剂和降粘剂的质量含量为2～5％。

(2)基于成形电极形状的选择性激光烧结：选择性激光烧结是一种无需夹具及模具利用计算机直接将三维模型转化为加工信息、逐层铺粉、逐层烧结加工零部件的先进制造技术。对于木塑复合粉末材料来说，塑料粉末起到粘结剂的作用，在激光的作用下，塑料粉末首先熔融成液相，充满木粉纤维颗粒的孔隙后形成相应的化学键，冷却后即可固结成型，使得颗粒彼此粘结，由于木粉颗粒本身的特点，导致烧结件存在较大的孔隙率。

基于成型电极待处理件的选择性激光烧结按照以下步骤完成：①用计算机三维造型软件对所要制备的成型电极进行三维建模，由于后续金属化处理的厚度不超过0.1mm，对电解加工来说，对精度的影响不大，所以无需给三维模型预留余量；②利用计算机软件三维模型进行分层扫描，将其转化为相应的加工信息；③在选择性激光烧结设备上，根据计算机提供的信息采用合适的工艺参数逐层铺粉，逐层烧结木塑复合材料，以增材制造方式获得所需要的复杂工具电极的成型待处理件。

木塑复合材料激光烧结加工过程中所采用的工艺参数为预热温度70～85℃，激光功率为7.7～13.2w，扫描速率为1800～2200mm/s，烧结间距为0.1～0.2mm，单层厚度为0.1～0.2mm，扫描方式为逐行扫描或者分组变相方式。

(3)对成型待处理件的化学镀：化学镀是在不通电的情况下，利用氧化还原反应在具有催化表面的镀件上获得金属合金的方法，其工艺简单、节能、环保。

对木塑成型待处理件的化学镀包括除油-清洗，敏化，活化和化学镀的过程，化学镀的金属材料可以是镍、铜等。由于木塑烧结成型件本身表面粗糙，省去了粗化的工艺环节。同时采用木塑烧结成型件进行化学镀的优势在于：木塑复合材料成型件的孔隙率为50％左右，木塑制件“多孔隙”的特点使得对其进行的化学镀不仅仅停留在表面，金属原子能够渗透到制件中填充孔隙，大大地提高了成型件的导电性。

(4)对成型件的电镀：电镀是通过电化学反应将导电体或者经过特殊处理的部件铺上一层金属的方法。成型件化学镀处理后，具备了一定的导电性，但是金属层厚度较薄，约为5-20μm，而电解加工中电流较大，所以需要对成型件进行电镀处理来提高金属层的厚度，电镀材料为铜，镀层约为20-50μm。经过电镀后的成型件导电性提高，可作为电解加工的成型电极。

与现有技术相比，本发明具备材料具备易获得、成本低、环境友好的特点，选择性激光烧结、化学镀、电镀等工艺简单、成型精度高，制造周期短、成本低。成型件化学镀、电镀的过程中，金属材料可以通过孔隙进入到成型件内部，镀层致密，导电性能优异，具备了做电解加工工具电极的条件。同时电解加工对电极的力学强度基本无要求，木塑成型件的力学性能劣势不会产生负面影响。

具体实施方式

木塑复合材料制备

木塑复合材料制备具体方式：原材料所用的木粉材料为松木粉，粒径45～120μm；塑料粉末采用经马来酸酐改性的聚丙烯(pp)粉末，粒径58～80μm，添加剂包括少量降黏剂、偶联剂，含量各为2～5wt％。所用混粉设备主要包括超声波振动筛、高速混合机、电热恒温鼓风烘箱。混粉按照以下步骤完成：一、将木粉置于超声波振动筛中进行筛选，获得颗粒粒径120,160～325目之间的且大小均匀的木粉；二、将改性的PP粉末与筛选后的木粉按照1:4～3：7的质量比放于高速混合机并以1200r/min的转速高速混合15分钟，加入少量的降粘剂和偶联剂并继续高速混合直至均匀，从而得到基料，混合物料温度不高于50℃。

基于成形电极形状的选择性激光烧结

基于成形电极形状的选择性激光烧结加工具体实施方式：采用采用华中科技大学快速制造中心研制的HRPS-ⅢA型快速成型机设备以混合后的木塑复合材料为原料加工复杂形状的制件，首先利用三维建模软件建立复杂成电极三维模型(如图1所示的方形阵列电极)，计算机软件通过分层扫描电极的三维模型形式将其转化为相应的加工信息，然后根据计算机提供的信息逐层铺粉，逐层烧结，最终以增材制造方式获得木塑成型待处理件。所采用的工艺参数为预热温度70～85℃，激光功率为7.7～13.2w，扫描速率为1800～2200mm/s，烧结间距为0.1～0.2mm，单层厚度为0.1～0.2mm，扫描方式为逐行扫描或者分组变相方式。

对成型件的化学镀

对成型件的化学镀具体实施方式一：①碱性除油，目的是使表面清洁，提高镀层的结合力，配置(25g/L碳酸钠+25g/L磷酸三钠)溶液，60℃处理5min；②敏化，目的是使木塑成型件吸附一层还原性物质Sn2+，有利于下一步骤的氧化还原反应，配制：10g/L SnCl2+40mL/L浓盐酸，室温下处理10-15min；③活化，目的是使木塑成型件具有活性，诱发其化学镀反应，镀铜活化剂的配置为0.5～5g/L硝酸银+10～30mL/L氨水，室温下处理5～10min；④化学镀，镀铜试剂配置为30～100g/L无水硫酸铜+15～35g/L酒石酸钾钠+20～60g/L+1～-5g/L亚铁氰化钾+适量的甲醛、氢氧化钠，处理温度为70℃。

对成型件的化学镀具体实施方式二：①碱性除油，目的是使表面清洁，提高镀层的结合力，配置(25g/L碳酸钠+25g/L磷酸三钠)溶液，60℃处理5min；②敏化，目的是使木塑成型件吸附一层还原性物质Sn2+，有利于下一步骤的氧化还原反应，配制：10g/L SnCl2+40mL/L浓盐酸，室温下处理10-15min；③活化，目的是使木塑成型件具有活性，诱发其化学镀反应，镀镍活化处理分为两步，先将木塑成型件放入A液中室温下处理5～10min，再将沥干的木塑成型件放入B液中室温处理30～60min。其中A液配置为15g/L硫酸镍+30wt/L盐酸溶液，B液配置为15g/L硼氢化钠+30wt/L盐酸溶液。④化学镀，镀镍试剂配置为30g/L硫酸镍+30g/L次磷酸钠+9g/L柠檬酸钠+7g/L乳酸；处理温度为70℃，PH为5.5。

对成型件的电镀

对成型件的电镀具体实施方式一：①酸性除油；②微蚀；③浸酸；④电镀铜：酸性配置溶液为150～200g/L硫酸铜+47～65g/L硫酸+0.5～2mL/L添加剂，温度控制在20℃左右，阳极电流密度为0.5～1.5A/dm2，采用磷铜作为阳极。

对成型件的电镀具体实施方式二：①表面除油；②微蚀；③电镀铜：碱性配置溶液为80～100g/L焦磷酸铜+260～320g/L焦磷酸钾+3～6mL/L氨水，温度控制在40℃左右，阴极电流密度为0.3～1A/dm2，PH值为8～9。

附图说明图1为方形阵列成型电极。

Claims

1.一种基于木塑复合材料的电解加工用复杂电极的制备方法，其特征在于电解加工用复杂工具电极的制备方法具体是按照以下步骤完成的：

(1)木塑复合粉末材料制备：①将木粉放入超声波振动筛进行筛分，选出粒径大小均一的木粉颗粒；②将步骤①获得的木粉和塑料粉按照一定的质量比放入高速混合机以先低速后高速的转速进行混粉，加入少量的偶联剂和降粘剂并继续搅拌均匀，从而得到木塑复合粉末材料，混合过程中的物料温度不高于50℃，否则粉末容易粘结成块；

步骤(1)②中所述的一定的质量比为木粉占木塑复合材料的质量含量为20～30％；

(2)基于成形电极形状的选择性激光烧结：①用计算机三维造型软件对所要制备的成型电极进行三维建模；②利用计算机软件对三维模型进行分层扫描，将其转化为相应的加工信息；③在选择性激光烧结设备上，根据计算机提供的信息采用合适的工艺参数，逐层铺粉并逐层烧结木塑复合材料，以增材制造方式获得所需要的复杂工具电极的成型待处理件；

(3)对成型待处理件的化学镀：

包括除油-清洗，敏化，活化和化学镀的过程，化学镀的金属材料可以是镍或铜；由于木塑烧结成型件本身表面粗糙，省去了粗化的环节；

(4)对成型待处理件的电镀：经过步骤(3)化学镀之后需要对木塑成型件进行电镀以增厚镀层提高木塑成型件的导电性，电镀材料为铜。

2.根据权利要求1中所述的一种基于木塑复合材料的电解加工用复杂电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)①所采用的木粉种类广泛，可使用的木粉有杨木粉、桉木粉、松木粉或纤维素；所采用的塑料粉末有：尼龙粉末、经马来酸酐处理的PP粉末、PES粉末或PS粉末。

3.根据权利要求1中所述的一种基于木塑复合材料的电解加工用复杂电极的制备方法，其特征在于：步骤(1)②偶联剂和降粘剂的质量含量为2～5％。

4.根据权利要求1中所述的一种基于木塑复合材料的电解加工用复杂电极的制备方法，其特征在于：步骤(2)③木塑复合材料激光烧结加工过程中所采用的工艺参数为预热温度70～85℃，激光功率为7.7～13.2w，扫描速率为1800～2200mm/s，烧结间距为0.1～0.2mm，单层厚度为0.1～0.2mm，扫描方式为逐行扫描或者分组变相方式。