CN106964854A - 一种用于电化学成型加工的复杂电极制备方法 - Google Patents

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李健
郭艳玲
孙宇
于跃强
张慧
庄煜
刘佳鑫
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23H—WORKING OF METAL BY THE ACTION OF A HIGH CONCENTRATION OF ELECTRIC CURRENT ON A WORKPIECE USING AN ELECTRODE WHICH TAKES THE PLACE OF A TOOL; SUCH WORKING COMBINED WITH OTHER FORMS OF WORKING OF METAL
    • B23H1/00—Electrical discharge machining, i.e. removing metal with a series of rapidly recurring electrical discharges between an electrode and a workpiece in the presence of a fluid dielectric
    • B23H1/04—Electrodes specially adapted therefor or their manufacture

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Abstract

本发明涉及一种用于电化学成型加工的复杂电极制备方法。本发明首先对所需复杂电极三维模型进行多孔化处理，处理后不影响模型的整体形态，随后以能用于3D打印的各种非金属材料作为基体材料将模型加工出来，最后通过化学镀和电镀技术对模型进行金属化处理进而得到可用于电化学成型加工的复杂电极。这种电极制备方法的主要优点在于：电极制备快速、简便且价格低廉，电极的物理强度和化学性质都非常稳定，不易变形。用于电化学加工时由于多个小孔的存在有利于电解液的循环流动。

Description

一种用于电化学成型加工的复杂电极制备方法
技术领域
本发明涉及一种用于电化学成型加工的复杂电极制备方法。
背景技术
电化学加工是一种以电解原理为基础的加工技术。加工时，工具作为阴极和直流电源的负极连接，工件则作为阳极和电源正极相连，在电解液中阴极和工件之间发生电荷交换，阳极工件被溶解，这样不用接触工件便可对其进行定点加工。电化学成型加工采用的工具电极为成型电极，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，无毛刺，过渡圆滑，表面光洁度高。对工具电极来说，要求其具备较好的导电性能即可。
现有的电化学成型加工用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。随着3D打印技术的发展和应用，直接利用金属粉末将复杂电极打印出来成为了可能，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，材料制备困难、设备要求高、成本高的缺点。
发明内容
本发明要解决现有电化学成型加工用复杂电极加工制造困难、成本高的问题，提供一种以非金属材料为基体，结合3D打印技术和化学镀技术的电化学成型加工用复杂电极的制备方法。
上述用于电化学成型加工的复杂电极制备方法按以下具体步骤制备：
(1)对复杂电极的三维CAD模型进行多孔化处理，即在该模型上沿着成型进给方向开一系列通孔，根据模型尺寸的大小，孔径最小为0.4mm，孔间距最小为1.5mm，以开孔后基本不影响模型的力学性能和形态为准。多孔化处理的目的是增大后期的金属化镀层面积，使得镀层能够深入到电极内部，增强电极承载电流的能力。
(2)对多孔化处理后的模型进行3D打印，打印精度不低于0.1mm。所采用的3D打印方式可以为光固化、选择性激光烧结、熔丝沉积等，所采用的材料可以为尼龙、PLA、光敏树脂或石塑、木塑复合材料等非金属。
(3)对打印出来的模型进行化学镀处理，镀层可以选择为铜或者镍材料，控制化学镀层厚度为1微米以上。
(4)对化学镀后的电极进行电镀处理，电镀材料为铜，目的为增厚镀层，提升电极的导电能力，控制电镀层厚度为10微米以上。电镀之后即可得到能满足电化学成型加工大电流要求的复杂成型电极。
本发明用于电化学成型加工的复杂电极制备方法以非金属为基体材料，价格低廉，易获取；以3D打印为成型手段，成型速度快，节约材料；以化学镀和电镀的方式使得成型件具备导电性能，并通过多孔化处理增强了其电流承载能力。所制备的复杂成型电极具备成型精度高、价格低廉、易于获取、制造速度快等特点。电极在实际电化学加工中，电极上的多个小孔还增强了排液能力，提升了电化学加工的速度。
附图说明
图1为半球电极初始及多孔化后的模型示意图
图2为电极经过化学镀和电镀进行表面金属化后的示意图
具体实施方式：
下面通过实施例对本发明作进一步举例描述。
以一个半球状的复杂电极制备为例，如图1所示，可用于电化学加工时可加工出半球状的凹坑。该电极的制备步骤为：
(1)建立半球状电极的三维CAD模型，该模型上部为夹持端，用于安装在电化学加工机床上。随后对该模型进行多孔化处理，处理的方式为在成型面上沿着成型方向开若干小的通孔。该半球模型直径为100mm，小孔直径为2.5mm，共开有111个小孔，不影响电极的整体形态。
(2)对多孔化处理后的模型进行3D打印，打印精度不低于0.1mm。所采用的3D打印方式可以为光固化、选择性激光烧结、熔丝沉积等，所采用的材料可以为尼龙、PLA、光敏树脂或石塑、木塑复合材料等非金属。本实施方式中采用了尼龙粉末材料，在选择性激光烧结设备上进行了电极的打印。所采用的工艺参数为预热温度70～85℃，激光功率为20W，激光直径0.3mm，扫描速率为1800～2200mm/s，烧结间距为0.1mm，单层厚度为0.1mm，扫描方式为逐行扫描。
(3)对打印出来的模型进行化学镀处理，镀层可以选择为铜或者镍材料，控制化学镀层厚度为1微米以上。本实施方案为对成型件表面进行化学镀铜，具体过程为：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℃。
(4)对化学镀后的电极进行电镀处理，电镀材料为铜，目的为增厚镀层，提升电极的导电能力，控制电镀层厚度为10微米以上。电镀之后即可得到能满足电化学成型加工大电流要求的复杂成型电极，图2为电极经过化学镀和电镀进行表面金属化后的示意图。

Claims (5)

1.用于电化学成型加工的复杂电极制备方法按以下具体步骤制备：
(1)对复杂电极的三维CAD模型进行多孔化处理；
(2)对多孔化处理后的模型进行3D打印，打印精度不低于0.1mm；
(3)对打印出来的模型进行化学镀处理，控制化学镀层厚度为1微米以上；
(4)对化学镀后的电极进行电镀处理，控制电镀层厚度为10微米以上。
2.根据权利要求1中所述的用于电化学成型加工的复杂电极制备方法，其特征在于步骤(1)中所述多孔化处理为：在模型上沿着成型进给方向开一系列通孔，根据模型尺寸的大小，孔径最小为0.4mm，孔间距最小为1.5mm，以开孔后基本不影响模型的力学性能和形态为准。
3.根据权利要求1中所述的用于电化学成型加工的复杂电极制备方法，其特征在于步骤(2)所述的3D打印方式可以为光固化、选择性激光烧结或熔丝沉积等，所采用的材料可以为尼龙、PLA、光敏树脂或石塑、木塑复合材料等非金属。
4.根据权利要求1中所述的用于电化学成型加工的复杂电极制备方法，其特征在于步骤(3)中所述的化学镀镀层可以选择为铜或者镍材料。
5.根据权利要求1中所述的用于电化学成型加工的复杂电极制备方法，其特征在于步骤(4)中所述的电镀材料为铜。
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