CN106521563B - 碳纤维增强金属的电铸制造装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及碳纤维增强金属的电铸制造装置及工艺。碳纤维在柔性受压的条件下缠绕在阴极芯模表面并电铸成型。在旋转电机和导向器的带动下，碳纤维不断缠绕并铺满整个阴极芯模上，同时金属镍在阴极芯模和碳纤维上不断沉积。在此过程中，一柔性压紧装置始终紧贴于阴极芯模表面。该柔性压紧装置表面的吸水材料可以将电铸液渗透入碳纤维束内部，提高制得的电铸层的致密度；柔性压紧装置对阴极芯模和碳纤维的挤压和摩擦作用可以去除反应生成的氢气泡以及其它杂质。上述工艺所需装置包括电铸系统、碳纤维缠绕系统和柔性受压系统。本发明可以显著降低碳纤维增强金属电铸层的内部孔隙以及表面缺陷，显著提高制得的碳纤维增强金属电铸层的质量和力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及电铸技术领域，特别涉及碳纤维增强金属的电铸制造工艺及装置。
背景技术
电铸技术作为一种精密特种加工方法，利用金属离子在阴极表面电沉积的原理进行零件的制造，具有复制精度高、重复精度高、适用范围广、制品可控性强、生产成本低等特点，广泛应用于航空宇航、精密模具以及兵器工业。
在传统电铸制造技术中还存在一些问题尚未解决。例如电铸层厚度均匀性较差、容易出现缺陷、力学性能不够理想。其中，力学性能对电铸制造技术的发展具有较大影响。为使电铸的零件满足力学性能要求，势必要增大其壁厚，这就导致电铸时间的延长，进而导致电铸层厚度均匀性持续变差，电铸层出现缺陷的可能性也越来越高。
为此，科研人员常使用细化晶粒、磨擦辅助、合金增强、颗粒增强、连续纤维增强方法来提高电铸层强度。其中，使用连续纤维增强电铸层的强度的效率最为显著。因为理论上来说，如果在电铸层受载方向上有序掺杂大量具有高强度的连续纤维，那么在电铸层受到拉伸时，这些高性能的连续纤维能够比电铸金属本身承受高得多的载荷，进而提高整个电铸层的强度。
与其它增强纤维相比，碳纤维具有更高的强度和比强度以及良好的耐高温性、耐酸碱性、耐疲劳性，并且价格便宜，因此碳纤维是一种优异的增强纤维。
市售碳纤维丝线为几百上千根碳纤维单丝构成的束状纤维，在电铸成型过程中，电铸液难以渗透入束状纤维内部使每根碳纤维单丝均与电铸液接触，导致制得的碳纤维增强电铸层内部有大量空隙且很多碳纤维单丝处于悬空状态，未起到增强作用。此外，如何将碳纤维大量、有序的加入电铸层中，也是一个难题。
发明内容
鉴于此，申请人进行研究及改进，提供一种提高电铸层强度特别是碳纤维增强电铸层强度的方法，提供碳纤维柔性受压条件下的电铸工艺和装置，可以制备致密度高、缺陷少、抗拉强度高的碳纤维增强电铸层。
为了解决上述问题，本发明采用如下方案：
一种碳纤维增强金属的电铸制造装置，包括电铸系统及碳纤维缠绕系统；所述电铸系统包括电铸液循环过滤系统、电铸液温控系统、电铸电源、安装于电铸槽中的带有旋转电机的阴极芯模、阳极镍，所述阴极芯模与电源负极连接，所述阳极镍与电源正极连接；所述电铸液循环过滤系统包括连接于电铸槽与加热槽之间的第一磁力泵及第二磁力泵，所述第一磁力泵将电铸液从电铸槽中抽入加热槽，第二磁力泵将加热槽中的电铸液抽入电铸槽；所述电铸液温控系统包括置于加热槽内的热电偶、加热丝及电铸槽外的温度控制器；所述碳纤维缠绕系统包括储丝筒、导辊、张紧辊及导向器，碳纤维绕接于导辊、张紧辊及导向器上，碳纤维的两端分别缠绕于所述储丝筒及阴极芯模上。
本发明还提供了一种所述碳纤维增强金属的电铸制造装置的制造工艺，包括：
将碳纤维从储丝筒中抽出，依次绕接在导辊、张紧辊、导向器上，最后与阴极芯模相连；
开启第一磁力泵、第二磁力泵及各自管路上的阀门，使得电铸液实现循环过滤；
开启温度控制器，控制电铸液温度在电铸全过程保持在43±2℃；
设置旋转电机的转速，设置导向器14的移动速度；
开动旋转电机、导向器、电铸电源，整个装置开始运转；
当碳纤维加入量达到所需值时，关闭旋转电机和导向器；
当电铸金属将碳纤维完全包裹并达到预定厚度后，切断所有电源，停止电铸，去除阴极芯模，清洗干燥，脱模处理后，得到碳纤维增强电铸层。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述电铸槽中还设置有位于所述阴极芯模一侧的柔性受压装置，所述柔性受压装置包括柔性压紧辊、安装于柔性压紧辊上的微压力传感器，所述柔性压紧辊通过受压运动机构调节与阴极芯模之间的间距；所述受压运动机构包括导轨及导轨控制器，所述微压力传感器与所述导轨控制器连接。
所述柔性压辊紧贴阴极芯模的一侧具有吸水性能的弹性物质。
进一步地，由于设置有柔性受压装置，本发明的制造工艺，还包括：
设置压电传感器的参数并开启导轨控制器电源，使得柔性压紧辊与阴极芯模之间的压力保持恒定。
作为上述制造工艺的进一步改进：
电铸与碳纤维缠绕可以同时进行。
所述碳纤维的形态为连续纱线。
向电铸槽中喷射电铸液的出液速度不小于1m/s。
阴极芯模旋转速度为0～120rad/min之间。
本发明的技术效果在于：
1、利用柔性受压装置中的吸水弹性材料将电铸液补充入碳纤维束内部，防止制得的电铸层内部出现孔洞；
2、利用碳纤维缠绕系统将碳纤维高效、有序地铺设在阴极芯模表面；
3、利用柔性受压装置将碳纤维以恒定力将碳纤维紧贴于阴极芯模表面，防止电铸过程中碳纤维断裂；
4、利用柔性受压装置与阴极芯模之间相对的摩擦、挤压，有效地将副反应生成的吸附在碳纤维和阴极芯模上的氢气泡以及其他杂质剥离，从而避免制得的电铸层表面缺陷的形成；
5、柔性受压装置的应用可以加快液相传质过程，减薄扩散层厚度，减小浓差极化，从而使得电沉积在高电流密度下可以正常进行，获得晶粒细小的电铸层。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中柔性受压装置的结构图。
图中：1、15-导辊；2、储丝筒；3、加热丝；4、热电偶；5、阳极镍珠；6、柔性压紧装置；7、冲液装置；8、阴极芯模；9、电铸槽；10、电铸电源；11、20-阀门；12、过滤器；13、第一磁力泵；14、导向器；16、碳纤维；17、张紧辊；18、温度控制器；19、第二磁力泵；21微压电传感器；22、碳纤维增强电铸层；23、导电环；24、旋转电机控制盒；25、旋转电机；26、导轨；27、导轨控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。
如图1所示，本实施例的碳纤维增强金属的电铸制造装置，包括电铸系统及碳纤维缠绕系统；电铸系统包括电铸液循环过滤系统、电铸液温控系统、电铸电源10、安装于电铸槽9中的带有旋转电机25的阴极芯模8、阳极镍5，阴极芯模8与电源负极连接，阳极镍5与电源正极连接；电铸液循环过滤系统包括连接于电铸槽9与加热槽之间的第一磁力泵13及第二磁力泵19，第一磁力泵13将电铸液从电铸槽9中抽入加热槽，第二磁力泵19将加热槽中的电铸液抽入电铸槽9；电铸液温控系统包括置于加热槽内的热电偶4、加热丝3及电铸槽9外的温度控制器18；如图1、图2所示，碳纤维缠绕系统包括储丝筒2、导辊1、张紧辊17及导向器14，碳纤维16绕接于导辊1、张紧辊17及导向器14上，碳纤维16的两端分别缠绕于储丝筒2及阴极芯模8上。导向器14可以在水平方向(图1中所示为前后方向)往返移动，带动碳纤维16缠绕并铺满整个阴极芯模8表面。
如图1、图2所示，电铸槽9中还设置有位于阴极芯模8一侧的柔性受压装置，柔性受压装置包括柔性压紧辊6、安装于柔性压紧辊6上的微压力传感器21，柔性压辊6紧贴阴极芯模8的一侧具有吸水性能的弹性物质。柔性压紧辊6通过受压运动机构调节与阴极芯模8之间的间距；受压运动机构包括导轨26及导轨控制器27，微压力传感器21与导轨控制器27连接。随着电铸的进行，电铸层越来越厚，柔性压紧辊6对碳纤维的压力越来越大。为了防止碳纤维断裂，在柔性压紧辊6表面布置微压电传感器21，当柔性压紧辊6与阴极芯模8之间的压力值高于设定值时，导轨26在导轨控制器27的带动下向左移动，保证碳纤维始终在设定的压力下不断缠绕并铺满整个阴极芯模8，防止碳纤维被拉断。电铸系统中的阴极芯模8通过轴与旋转电机25相连，导电环23穿在轴上与电铸电源负极相连，起到引电的作用。
本实施例的利用碳纤维增强金属的电铸制造装置的制造工艺，包括以下过程：
将碳纤维16从储丝筒2中抽出，依次绕接在导辊1、张紧辊17、导向器14上，最后与阴极芯模8相连；
开启第一磁力泵13、第二磁力泵19及各自管路上的阀门11、20，使得电铸液实现循环过滤；
开启温度控制器18，控制电铸液温度在电铸全过程保持在43±2℃；
通过旋转电机控制盒24设置旋转电机25的转速，设置导向器14的移动速度；
开动旋转电机25、导向器14、电铸电源10，整个装置开始运转；
当碳纤维16加入量达到所需值时，关闭旋转电机25和导向器14；
当电铸金属将碳纤维16完全包裹并达到预定厚度后，切断所有电源，停止电铸，去除阴极芯模8，清洗干燥，脱模处理后，得到碳纤维增强电铸层22。
由于本发明中增设了柔性受压装置，故在上述实施例中，在开启旋转电机25、导向器14、电铸电源10之前，需设置压电传感器21的参数并开启导轨控制器电源，使得柔性压紧辊6与阴极芯模8之间的压力保持恒定。
上述制造工艺中，电铸与碳纤维缠绕可以同时进行，碳纤维16的形态为连续纱线。
向电铸槽9中喷射电铸液的出液速度不小于1m/s，可有效地将电铸反应产生的气体和溶液中的杂质冲走，防止气泡和杂质进入沉积的金属中。
阴极芯模8旋转速度为0～120rad/min之间，在保证纤维丝不被拉断的前提下，可尽可能提高阴极芯模8的旋转速度，从而保证较高的工作效率。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部改动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。
Claims (8)
1.一种碳纤维增强金属的电铸制造装置，其特征在于：包括电铸系统及碳纤维缠绕系统；所述电铸系统包括电铸液循环过滤系统、电铸液温控系统、电铸电源(10)、安装于电铸槽(9)中的带有旋转电机(25)的阴极芯模(8)、阳极镍(5)，所述阴极芯模(8)与电源负极连接，所述阳极镍(5)与电源正极连接；所述电铸液循环过滤系统包括连接于电铸槽(9)与加热槽之间的第一磁力泵(13)及第二磁力泵(19)，所述第一磁力泵(13)将电铸液从电铸槽(9)中抽入加热槽，第二磁力泵(19)将加热槽中的电铸液抽入电铸槽(9)；所述电铸液温控系统包括置于加热槽内的热电偶(4)、加热丝(3)及电铸槽(9)外的温度控制器(18)；所述碳纤维缠绕系统包括储丝筒(2)、导辊(1)、张紧辊(17)及导向器(14)，碳纤维(16)绕接于导辊(1)、张紧辊(17)及导向器(14)上，碳纤维(16)的两端分别缠绕于所述储丝筒(2)及阴极芯模(8)上；所述电铸槽(9)中还设置有位于所述阴极芯模(8)一侧的柔性受压装置，所述柔性受压装置包括柔性压紧辊(6)、安装于柔性压紧辊(6)上的微压力传感器(21)，所述柔性压紧辊(6)通过受压运动机构调节与阴极芯模(8)之间的间距；所述受压运动机构包括导轨(26)及导轨控制器(27)，所述微压力传感器(21)与所述导轨控制器(27)连接。
2.根据权利要求1所述的碳纤维增强金属的电铸制造装置，其特征在于：所述柔性压辊(6)紧贴阴极芯模(8)的一侧具有吸水性能的弹性物质。
3.一种利用权利要求1所述碳纤维增强金属的电铸制造装置的制造工艺，其特征在于包括：
将碳纤维(16)从储丝筒(2)中抽出，依次绕接在导辊(1)、张紧辊(17)、导向器(14)上，最后与阴极芯模(8)相连；
开启第一磁力泵(13)、第二磁力泵(19)及各自管路上的阀门，使得电铸液实现循环过滤；
开启温度控制器(18)，控制电铸液温度在电铸全过程保持在43±2℃；
设置旋转电机(25)的转速，设置导向器14的移动速度；
开动旋转电机(25)、导向器(14)、电铸电源(10)，整个装置开始运转；
当碳纤维(16)加入量达到所需值时，关闭旋转电机(25)和导向器(14)；
当电铸金属将碳纤维(16)完全包裹并达到预定厚度后，切断所有电源，停止电铸，去除阴极芯模(8)，清洗干燥，脱模处理后，得到碳纤维增强电铸层(22)。
4.一种利用权利要求1所述碳纤维增强金属的电铸制造装置的制造工艺，其特征在于包括：
将碳纤维(16)从储丝筒(2)中抽出，依次绕接在导辊(1)、张紧辊(17)、导向器(14)上，最后与阴极芯模(8)相连；
开启第一磁力泵(13)、第二磁力泵(19)及各自管路上的阀门，使得电铸液实现循环过滤；
开启温度控制器(18)，控制电铸液温度在电铸全过程保持在43±2℃；
设置压电传感器(21)的参数并开启导轨控制器电源，使得柔性压紧辊(6)与阴极芯模(8)之间的压力保持恒定；
设置旋转电机(25)的转速，设置导向器14的移动速度；
开动旋转电机25、导向器(14)、电铸电源(10)，整个装置开始运转；
当碳纤维(16)加入量达到所需值时，关闭旋转电机(25)和导向器(14)；
当电铸金属将碳纤维(16)完全包裹并达到预定厚度后，切断所有电源，停止电铸，去除阴极芯模(8)，清洗干燥，脱模处理后，得到碳纤维增强电铸层(22)。
5.根据权利要求3或4所述的制造工艺，其特征在于：电铸与碳纤维缠绕可以同时进行。
6.根据权利要求3或4所述的制造工艺，其特征在于：所述碳纤维(16)的形态为连续纱线。
7.根据权利要求3或4所述的制造工艺，其特征在于：向电铸槽(9)中喷射电铸液的出液速度不小于1m/s。
8.根据权利要求3或4所述的制造工艺，其特征在于：阴极芯模(8)旋转速度为0～120rad/min之间。
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