CN106245077B - 一种锥形磁场与电场复合的定域沉积加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锥形磁场与电场复合的定域沉积加工装置，通过在电沉积系统的阳极和阴极间施加一个倒圆锥形磁场，使沉积离子在受到电场力驱动向阴极运动过程中，同时受磁场作用产生洛伦兹力；沉积离子在电场和磁场的共同作用下沿磁感线方向做螺旋前进运动，从而提高电沉积的定域性。加入磁场后还可以加快液相传质，提高沉积速度，减少反应气泡停留在沉积表面的时间，细化晶粒，提高沉积质量。本发明适用于对微机械或微电子机械系统中微细金属零件的加工制造，也可用于微小型零件的修复和表面强化，属于微细快速成型加工领域。

Description

一种锥形磁场与电场复合的定域沉积加工装置

技术领域

本发明涉及特种加工技术中微细快速成型加工领域，尤其涉及到一种锥形磁场与电场复合的定域沉积装置，适用于微小金属零件的加工和制造。

背景技术

定域电沉积是一种将沉积反应控制在一定区域内的电化学沉积技术，通常以微细电极作为阳极，并将阳极和阴极浸入沉积溶液中，施加上一定的外部电压后，阳极尖端和阴极基板间产生强局部电场，以增材制造方式快速地沉积出所需的金属零件。在电沉积系统中添加磁场后，可以使沉积液的粘滞系数下降，电导率提高，促进电极附近的液相传质，增强带电粒子的传输，使得阴极表面的浓差极化降低，扩散层减薄，使电沉积在较高的过电位下进行，晶核形成速度加快，但是生长速度降低，导致晶核较小，表面晶粒细化。

关于磁场与电沉积复合的加工技术，国内外的学者已进行了初步研究。中国专利“磁电镀”，专利号CN102482791A提出：将电极定位在衬底的表面附近的位置处，可以利用磁体与衬底的表面相关联以产生与表面相关联的磁场，以改变镀覆材料在衬底上的沉积的动力学过程，然后跨表面向电极施加电信号，使得镀覆材料以期望图案沉积在衬底的表面上。中国专利“阴阳极同步频振式强磁辅助电沉积加工装置及方法”，专利号CN104746117A提出：电镀时在电极板的两侧放上两块超导永磁体，施加垂直于电极板的磁场，并使阴阳极与超导永磁体同步振动，可得到与阴极基体紧密结合的组织致密、晶粒细小、表面平整、性能优异的涂层。

在国内外对磁场与电沉积复合加工的研究中，磁场的作用主要是加快沉积速度，细化镀层晶粒，且都是平行磁场，对于磁场提高电沉积定域性的研究还很少。而在定域定沉积中，沉积的初始阶段定域性较差，沉积出的轮廓往往数倍于阳极直径。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种锥形磁场与电场复合的定域沉积加工装置，通过该装置利用倒锥形状的电磁铁和永磁铁组合构建一个锥形磁场的发生装置，且磁场强度可调，利用该装置对沉积液中的金属阳离子产生洛伦兹力作用，约束金属阳离子在沉积过程中的运动方向，提高局部电沉积的定域性和沉积零件的轮廓精度，可以有效解决由于阴阳极间电场分散带来的杂散沉积问题，提高电沉积的定域性，加快沉积速度，提高加工效率和质量。

本发明是通过如下技术方案得以实现的：

一种锥形磁场与电场复合的定域沉积加工装置，包括工件加工系统、磁场发生装置、工作液循环系统和控制系统；

所述工件加工系统包括X-Y-Z工作台、悬臂支架、阳极柱、阴极基板、工作槽、脉冲电源和示波器；所述悬臂支架一端固定在X-Y-Z工作台上，悬臂支架的另一端置于工作槽内，所述工作槽内设置有阴极基板，且阴极基板置于悬臂支架上；所述阴极基板连接脉冲电源的负极；所述脉冲电源的正极与阳极柱连接；阳极柱通过夹具固定在工作槽的上方，且阳极柱与阴极基板相垂直；所述脉冲电源通过插口与示波器相连；

所述磁场发生装置包括直流电源、电磁铁、永磁铁和电磁铁支架；所述永磁铁置于工作槽的底部；所述电磁铁设置在永磁铁正上方；且电磁铁固定在电磁铁支架上；所述电磁铁支架为L形；所述电磁铁支架一端固定在工作槽底部；所述电磁铁的线圈与直流电源相连；

所述永磁铁置于阴极基板的正下方；电磁铁置于阴极基板的正上方；所述电磁铁中心开设有圆孔；阳极柱穿过圆孔；所述永磁铁S极与电磁铁N极相对或者永磁铁N极与电磁铁S极相对；

所述工作液循环系统包括储液槽、微型泵、过滤器；所述微型泵置于储液槽内；所述微型泵的输出端通过管道与过滤器输入端相连接；所述过滤器的输出端通过管道将沉积液输入到工作槽；所述储液槽与工作槽通过管道相连通；

所述控制系统包括计算机和运动控制卡；所述计算机通过连接端口分别与直流电源、脉冲电源和运动控制卡相连接；所述运动控制卡分别与微型泵和X-Y-Z工作台连接。

进一步的，所述阳极柱最下端与阴极基板的距离为0.05mm～0.2mm，阴极基板上表面距离沉积液液面5mm～15mm。

进一步的，所述的永磁铁为圆锥形，锥度为50°～120°；所述电磁铁其铁芯底部形状为凹圆锥，锥度为100°～150°。

进一步的，所述的永磁铁顶部的锥度小于电磁铁底部锥度。

进一步的，所述的永磁铁与电磁铁距离相距50mm～80mm。

进一步的，所述过滤器输出端通过管道连接有节流阀A；工作槽与储液槽之间的管道上设置有节流阀B。

进一步的，所述永磁铁为铷铁硼永磁铁。

进一步的，所述的阳极柱直径为0.05mm～0.2mm的不溶性金属电极丝，侧面绝缘。

进一步的，所述电磁铁的匝数为2000～5000；电磁铁通电电流0.6A～4A。

进一步的，所述的脉冲电源的占空比为20％～80％，峰值电压为2V～5V、脉冲频率为0.5MHz～2MHz、脉冲宽度为30ns～500ns。

有益效果：

1.利用倒圆锥形磁场对金属阳离子产生的洛伦兹力，可以约束金属阳离子的运动方向，使其向磁场中心聚拢，有效地增强电沉积的定域性。同时，加入磁场后可以加快液相传质的速度，提高沉积效率，加快结晶速度，细化晶粒。

2.该磁场发生装置使用了永磁体和电磁铁的组合，既避免了电磁铁在溶液中发生漏电导致线圈匝数大大减小和安装困难的问题，又可使整个磁场的强度可调。

3.将磁场发生装置与阳极固定，且阳极金属丝位于圆锥磁场的中心，整个加工过程中控制阴极运动，结构简单，操作方便。

4.永磁铁顶部的锥度小于电磁铁底部的锥度，避免了磁场形状为细腰状，确保了工件的成型质量。

附图说明

图1是锥形磁场与电场复合的定域沉积加工系统示意图；

图2是倒圆锥磁场发生装置结构及原理图；

图3是金属阳离子运动轨迹图。

附图标记如下：

1.计算机；2.脉冲电源；3.直流电源；4.悬臂支架；5.X-Y-Z工作台；6.阳极柱；7.电磁铁；8.示波器；9.运动控制卡；10.阴极基板；11.工作槽；12.永磁体；13.电磁铁支架；14.储液槽；15.微型泵；16.过滤器；17.节流阀A；18.节流阀B。

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所示，计算机1分别与脉冲电源2、直流电源3和运动控制卡9相连。脉冲电源2的正极接阳极柱6，负极接阴极基板10为电沉积加工提供电能；直流电源3与电磁铁7的线圈相连，提供电流形成磁场；

直流电源3和脉冲电源2的电流参数均可由计算机1调控，运动控制卡9分别与微型泵15和X-Y-Z工作台5相连，运动控制卡9可控制微型泵15换液流量和X-Y-Z工作台5，X-Y-Z工作台5运动轨迹和速度通过计算机1编程传输到运动控制卡9；悬臂支架4与X-Y-Z工作台5相连，阴极基板10放置在悬臂支架4上，同时保证阴极基板10位于永磁铁12和电磁铁7中间，阳极柱6从电磁铁7中心通孔内穿入到距阴极基板10大概0.05～0.2毫米；电磁铁7中心通孔的直径为0.2毫米左右，储液槽14中的沉积液通过微型泵15、过滤器16、节流阀17输送到工作槽11中，工作槽11内的工作液通过管道又回流到储液槽14中。

如图2所示，磁场发生装置由直流电源3，电磁铁7，永磁铁12，电磁铁支架13组成，其中，永磁体12通过紧定螺钉固定在工作槽11底部，工作槽11底部留有特殊的安装位，该安装为使得电磁铁支架13一端与工作槽11相连，电磁铁支架13为L形，电磁铁7通过螺钉固定在电磁铁支架13另一端上，且该端与工作槽11相平行，电磁铁线圈与直流电源3相连，所述的永磁铁12是顶部为圆锥形的铷铁硼永磁铁，其锥度为50°～120°，表面镀层，厚度充磁，所述电磁铁7，其铁芯底部形状为凹圆锥，锥度为100°～150°铁芯中心有0.2mm左右的通孔，匝数为2000～5000，所述的永磁铁12顶部的锥度应小于所述电磁铁7底部锥度，所述的永磁铁12与电磁铁7位于同一条轴线上，其上下相距50mm～80mm，永磁铁12的S级与电磁铁7的N极相对，或永磁铁12的N级与电磁铁7的S极相对。

当直流电源3阳极和阴极通电时，阳极柱6末端与阴极基板10之间会形成如图2所示的电场，金属阳离子受电场力的作用向阴极基板10运动，但该电场向边缘扩散，电场直径会远大于阳极直径，使得沉积零件边缘出现杂散沉积。加入倒圆锥的锥形磁场后，由于金属阳离子运动方向与磁感线方向存在夹角，因此会受到垂直于磁场方向的洛伦兹力，在洛伦兹力和电场力的共同作用下，金属阳离子会沿磁感线做螺旋前进运动，运动轨迹如图3所示，又因为磁感线是呈倒圆锥形向中心聚拢，从而可以有效地提高电沉积的定域性。

一种锥形磁场与电场复合的定域沉积加工方法，利用特殊形状的磁场提高电沉积的定域性，具体步骤如下：

(1)阳极柱6末端与阴极基板10同时浸入沉积液中，阳极柱6接脉冲电源2正极，阴极基板10接脉冲电源负极；

(2)利用磁场发生装置形成倒圆锥形的特殊磁场，阴极基板10置于磁场发生装置的中间，阳极柱6位于磁场发生装置的中心轴线位置；

(3)沉积液中的金属阳离子在沉积过程中受到电场和磁场的共同作用，沿磁感线方向做螺旋前进运动，从而提高电沉积的定域性。

(4)通过运动控制卡9控制阴极基板10实现三轴运动，以沉积不同形状的零件；

(5)使用微型泵15进行循环换液，保证工作槽11中溶液的浓度。

本发明具体实施方法如下：

1.本发明采用的阳极柱6是一根不溶性金属电极丝，直径0.05mm～0.2mm，先对其侧面绝缘，底部打磨平整。阴极基板10是30mm x 40mm厚度1mm的不锈钢片，先对其进行研磨→除油→水洗→弱侵蚀→水洗的处理方式。

2.利用软件在计算机1编写控制程序，以保证得到需要的零件。

3.配制电化学沉积所需的溶液。选择电沉积的镀液种类，用纯净蒸馏水配置溶液，并加入少量能显著改善镀层性能和沉积速度的添加剂，包括能促进阳极活化的阳极活化剂，以提高阳极开始钝化的电流密度，从而保证阳极处于活化状态能正常地溶解；能提高沉积层材料质量的光亮剂、整平剂等；以及用于提高沉积液导电性的碱金属或碱土金属盐类。

4.将阴极基板10放置于悬臂支架4上，阴极基板10底面位于永磁体12尖端2mm～5mm左右，将阳极柱6从电磁铁7通孔中穿入，手动调节阳极柱6高度并将其固定，阳极柱6与阴极基板10应接触，利用万用表测量其短路情况，短路则说明已接触。

5.连接计算机1与直流电源3，计算机1与脉冲电源2，计算机1与运动控制卡9，运动控制卡9与X-Y-Z工作台5工作台，运动控制卡9与微型泵15，直流电源3与电磁铁线圈。

6.利用计算机上1的控制软件控制X-Y-Z工作台5向下运动50微米，以保证加工的初始间隙。将配比好的沉积液倒入工作槽11和储液槽14，应保证工作槽14中的沉积液液面高出阴极基板10上表面5mm～15mm，加热沉积液至40℃～50℃。

7.开启直流电源3，静置10min左右，目的是使磁场稳定，同时溶液在磁场的影响下增强其顺磁性，使其粘滞系数下降，电导率提高，扩散层减薄，增强电极附近的带电粒子的传输能力。

8.脉冲电源2接示波器8，其中示波器8用来显示脉冲电源2的各个参数，通过计算机1调节脉冲电源参数，其使得脉冲电源的参数：峰值电压为2V～5V、脉冲频率为0.5MHz～2MHz、脉冲宽度为30ns～500ns。

9.关闭脉冲电源2，脉冲电源2正极接阳极柱6，负极接阴极基板10。将编写好的控制程序写入控制软件中，点击运行，于此同时开启脉冲电源2，运动控制卡9将控制X-Y-Z工作台5带动阴极基板10运动，沉积出所需微细零件。

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 (9)

1.一种锥形磁场与电场复合的定域沉积加工装置，其特征在于：包括工件加工系统、磁场发生装置、工作液循环系统和控制系统；

所述工件加工系统包括X-Y-Z工作台(5)、悬臂支架(4)、阳极柱(6)、阴极基板(10)、工作槽(11)、脉冲电源(2)和示波器(8)；所述悬臂支架(4)一端固定在X-Y-Z工作台(5)上，悬臂支架(4)的另一端置于工作槽(11)内，所述工作槽(11)内设置有阴极基板(10)，且阴极基板(10)置于悬臂支架(4)上；所述阴极基板(10)连接脉冲电源(2)的负极；所述脉冲电源(2)的正极与阳极柱(6)连接；阳极柱(6)通过夹具固定在工作槽(11)的上方，且阳极柱(6)与阴极基板(10)相垂直；所述脉冲电源(2)通过插口与示波器(8)相连；

所述磁场发生装置包括直流电源(3)、电磁铁(7)、永磁铁(12)和电磁铁支架(13)；所述永磁铁(12)置于工作槽(11)的底部；所述电磁铁(7)设置在永磁铁(12)正上方；且电磁铁(7)固定在电磁铁支架(13)上；所述电磁铁支架(13)一端固定在工作槽(11)底部；所述电磁铁(7)的线圈与直流电源(3)相连；所述的永磁铁(12)为圆锥形，锥度为50°～120°；所述电磁铁(7)其铁芯底部形状为凹圆锥，锥度为100°～150°；

所述永磁铁(12)置于阴极基板(10)的正下方；电磁铁(7)置于阴极基板(10)的正上方；所述电磁铁(7)中心开设有圆孔；阳极柱(6)穿过圆孔；所述永磁铁(12)S极与电磁铁(7)N极相对或者永磁铁(12)N极与电磁铁(7)S极相对；

所述工作液循环系统包括储液槽(14)、微型泵(15)、过滤器(16)；所述微型泵(15)输入端与储液槽(14)内设置的管道连接；所述微型泵(15)的输出端通过管道与过滤器(16)输入端相连接；所述过滤器(16)的输出端通过管道将沉积液输入到工作槽(11)；所述储液槽(14)与工作槽(11)通过管道相连通；

所述控制系统包括计算机(1)和运动控制卡(9)；所述计算机(1)通过连接端口分别与直流电源(3)、脉冲电源(2)和运动控制卡(9)相连接；所述运动控制卡(9)分别与微型泵(15)和X-Y-Z工作台(5)连接。

2.根据权利要求1所述的锥形磁场与电场复合的定域沉积加工装置，其特征在于：所述阳极柱(6)最下端与阴极基板(10)的距离为0.05mm～0.2mm，阴极基板(10)上表面距离沉积液液面5mm～15mm。

3.根据权利要求1所述的锥形磁场与电场复合的定域沉积加工装置，其特征在于：所述的永磁铁(12)顶部的锥度小于电磁铁(7)底部锥度。

4.根据权利要求1所述的锥形磁场与电场复合的定域沉积加工装置，其特征在于：所述的永磁铁(12)与电磁铁(7)距离相距50mm～80mm。

5.根据权利要求1所述的锥形磁场与电场复合的定域沉积加工装置，其特征在于：所述过滤器(16)输出端通过管道连接有节流阀A(17)；工作槽(11)与储液槽(14)之间的管道上设置有节流阀B(18)。

6.根据权利要求1所述的锥形磁场与电场复合的定域沉积加工装置，其特征在于：所述永磁铁(12)为铷铁硼永磁铁。

7.根据权利要求1所述的锥形磁场与电场复合的定域沉积加工装置，其特征在于：所述的阳极柱(6)直径为0.05mm～0.2mm的不溶性金属电极丝，侧面绝缘。

8.根据权利要求1所述的锥形磁场与电场复合的定域沉积加工装置，其特征在于：所述电磁铁(7)的匝数为2000～5000；电磁铁(7)通电电流0.6A～4A。

9.根据权利要求1所述的锥形磁场与电场复合的定域沉积加工装置，其特征在于：所述的脉冲电源(2)的占空比为20％～80％，峰值电压为2V～5V、脉冲频率为0.5MHz～2MHz、脉冲宽度为30ns～500ns。