CN107130272B - 一种简易的射流电沉积实验系统 - Google Patents

Abstract

一种简易的射流电沉积实验系统及控制方法，该装置如下：电解槽安装在机床工作台上，阳极腔与喷嘴通过组合夹具悬在阳极腔与喷嘴电解槽上方，数控操作面板通过调节喷嘴高度用螺杆安装在组合夹具上，耐腐蚀泵进水口一端通过水管连接电解液回收罐，耐腐蚀泵出水口一端通过调速阀和浮子流量计连接阳极腔与喷嘴的入水口，电解槽通过回流管与电解液回收罐连接。本发明以现有的商用数控机床作为实验平台载体，以数控平台实现射流电沉积扫描距离、层数、路径的控制，能实现三维立体加工，可进行涂层和微型器件的加工制作，投入成本经济，设计和制造简便，取材方便。

Description

一种简易的射流电沉积实验系统

背景技术

射流电沉积技术是近年来发展的一种局部高速电沉积技术。与传统槽式电沉积不同，电解液以射流态从阳极喷嘴喷射到阴极基板上，因此在阴极表面产生了特殊的流场和电场，这赋予了射流电沉积以下特点：1.沉积速度快、工艺简单；2.产生高质量的纳米晶结构沉积层；3.良好的定域性和加工柔性，易与数控结合。综上所述，射流电沉积在制备功能材料、微结构成形和再制造修复方面具有特殊的优势。其制备的纳米镀层可以明显提高基质金属的硬度、耐磨、减摩、耐腐蚀等性能，同时还具有较大的操作灵活性和加工适应性，集复合过程与成形过程于一体，在材料、机械加工等领域具有潜在的应用价值。

不过射流电沉积系统属专用设备，目前多在实验室范围内使用。如科研用一般采用自行设计加工的方式，需专门设计加工机床本体、自主开发数控机构和数控软件。这种方式针对性强，符合实验需求，但如缺乏熟练的设计经验，设计、装配和调试过程比较费时费力，且系统组合精度及性能达不到设计要求和效果，成本较高。因此，如能以通用的小型数控机床为平台，辅以简易、合理的平台设计，改装相应的喷射系统和循环系统，则可达到节省时间提高效率，满足基本实验需求的目的。

发明内容

本发明提供了一种简易的射流电沉积实验系统，提供了数控平台的选择范围、设计简单的电解液循环系统、组合夹具的设计加工，电解液回收装置，固定装置。

一种简易的射流电沉积实验系统，包括组合夹具、阳极腔与喷嘴、电解槽、机床工作台、电解液回收罐、调节喷嘴高度用螺杆、数控操作面板、管路、浮子流量计、调速阀、灌液漏斗、磁力泵、安装台、溢流阀、抽液管、回流管、耐腐蚀泵；电解槽安装在机床工作台上，阳极腔与喷嘴通过组合夹具悬在阳极腔与喷嘴电解槽上方，数控操作面板通过调节喷嘴高度用螺杆安装在组合夹具上，耐腐蚀泵进水口一端通过水管连接电解液回收罐，耐腐蚀泵出水口一端通过调速阀和浮子流量计连接阳极腔与喷嘴的入水口，电解槽通过回流管与电解液回收罐连接。

进一步的，电解液回收罐上安装一个回收罐盖板，回收罐盖板以中心对称分布方式开3个圆孔，再在中心开一个孔，插入PVC管，外侧三个孔分别为抽液口、回液口、溢流口，中心孔为搅拌口/灌液口。

进一步的，阳极腔与喷嘴由阳极腔和喷嘴两部分组成，阳极腔内部又分为腔体和堵头，阳极腔的上端密封垫圈和密封盖固定密封，下端通过连接管与喷嘴相连，配合紧密。

进一步的，组合夹具由夹板、螺柱、有机玻璃卡套、紧固螺钉部件组成，夹板为两块钢板，夹住机床刀具主轴箱的上缘，两侧穿过螺柱，用不锈钢螺母固定住，螺母可调节有机玻璃夹套的上下位置。

一种简易的射流电沉积实验系统的控制方法，步骤如下：

步骤一，清洗系统，用蒸馏水清洗系统每个流通环节，

步骤二，打开电解槽防尘盖，

步骤三，配置电解液，电解液的组成成分和和工艺参数分别为：CuSO₄·5H₂O 250g/L，98%浓硫酸50g/L，电解液温度为25℃，电解液均用分析纯或化学纯试剂加蒸馏水配制而成，

步骤四，将配置好的电解液约通过回收罐盖板中间的灌液口倒入，

步骤五，启动和调整机床位置，首先打开机床电源，进入操作界面，将机床归零，找到预先编辑好的数控定位程序文件、启动，固定在工作台上的电解槽会运行到指定的与喷嘴临近的相对位置，

步骤六，启动电解液循环系统，泵在首次使用时内部存有空气，需灌液以排净空气，通过灌水口位置打开灌液漏斗，灌入少量电解液，灌满为止，关闭灌液阀，启动开关泵会正常工作，第二次启动泵时则不用灌泵，直接开关电源即可。

步骤七，打开电沉积电源开关，电源线从电源正极和负极引出，分别预先接在阳极棒和电解槽内部的阴极板上，电线颜色要有区别，

步骤八，实验开始，在机床操作面板找到编辑好的数控加工程序文件，启动，实现电解槽与喷嘴的相对运动，则喷嘴会在工件上进行指定路径的往复扫描，

步骤九，实验结束，在数控加工程序结束后，将Z轴自动升起5-10毫米，使喷嘴与工件脱离接触，此时立即手动关停电沉积电源和泵。

与目前已知方法相比，本发明具有以下优点：

1）以现有的商用数控机床作为实验平台载体，以成熟的数控平台实现射流电沉积扫描距离、层数、路径的控制，能实现三维立体加工，可进行涂层和微型器件的加工制作，功能较为完备和理想。

2）该实验系统投入成本经济，设计和制造简便，取材方便。特别适合在科研院校、学校范围在投资较少的条件下进行相关科研实验设备研制。同时具有较好的升级空间，亦可以此为基础进行适当的升级改造用于商业化的实际应用。

3）操作方法简单易学，经过人机工程学的考虑，便于操作和维护，模块化程度高，尤其对于高校特种加工领域电化学加工等实验和教学演示具有较好的针对性和普及性，对于机制类学生的课外实践和动手能力提高也有较好的适应性。

附图说明

图1是本专利的循环回路原理图。

图2是本专利的整体结构示意图。

图3是本发明的喷嘴结构图。

图4是本发明的喷嘴左视图和截面图。

图5是本发明的组合夹具的结构图。

图6是本发明的回收罐盖板。

图中示意：1．组合夹具，2、阳极腔与喷嘴，3、电解槽，4、机床工作台，5、电解液回收罐，6、回收罐盖板，7、调节喷嘴高度用螺杆，8、数控操作面板，9、管路，10、浮子流量计，11、调速阀，12、灌液漏斗，13、磁力泵，14、安装台，15溢流阀，16、抽液管，17、回流管。

具体实施方式

本发明设计的射流电沉积实验装置通过以下技术方案实现，具体操作步骤如下：

1）数控平台的选择。工作平台：可实现X向和Y向数控运动的工作台，工作台尺寸450×160mm(X/Y)，工作台工作行程:175×300mm(Y/X)，工作台重复定位精度(X、Y向)为+0.02mm/300mm，工件最大重量(包括夹具)为40KG。符合上述要求的商用或教学用小型数控铣床基本可满足该要求。

2）电解液循环系统的试制。循环系统如附图1所示，主要由电解槽、耐腐蚀磁力泵、流量计、输液管路等组成。电解槽：要求工程塑料可耐一般酸碱腐蚀，尺寸务求合理，以与工作台尺寸匹配为准，可自行加工或选取尺寸接近的容器，参考尺寸为400×300×200mm；耐腐蚀磁力泵：交流220V供电，能耐一般性腐蚀，参考参数为扬程8米，流量0.8m³/h；

流量计：一般可采用玻璃浮子流量计，流速变化时浮子会上下移动，其静止位置作为流速读取，相对电子流量计更为经济实用，量程在25-250L/h参考范围内选取。流量计与管路如口径不匹配可采用宝塔式变径接头的方式调整。如调节喷射流速，可通过组合旋转附图2中的调速阀和溢流阀实现；输液管路及阀门：要求能耐ph值4.0的酸性液腐蚀，能连接管路元件。口径尽量统一尽量减少变径接头的使用以简化管路，以泵输出口径为标准匹配管路为宜。整体结构图如附图2所示。

3）喷嘴系统的试制。喷嘴系统一般采用耐腐蚀用工程塑料制成，由阳极腔和喷嘴两部分组成，阳极腔内部又分为腔体和堵头。由于工作状态下电解液从阳极腔进液口流入从喷嘴喷出，连接部位有可能发生渗漏腐蚀机床，因此阳极腔需要具备一定的密封性。阳极腔的上端密封垫圈和密封盖固定密封，下端通过连接管与喷嘴相连，配合紧密，需要有一定的加工质量。阳极腔的结构设计如附图3所示。

4）组合夹具的设计与加工。因阳极腔需要固定在机床Z轴且上下位置需调节，因此设计了一种双螺杆夹板复合式固定调节夹具，如附图4所示。该夹具由夹板、螺柱、有机玻璃卡套、紧固螺钉等部件组成。夹板为两块钢板，夹住机床刀具主轴箱的上缘，两侧穿过螺柱，用不锈钢螺母固定住。螺母除了起到夹紧作用之外，还可以调节有机玻璃夹套的上下位置。

使用时，阳极腔穿过卡套，靠自身重力坐在夹套上。夹套的内径略大于阳极腔，有一定的配合，容许阳极腔上下自由滑动。紧定螺钉一般不需拧上，这是防止在机床误操作Z轴过低导致喷嘴与电解槽底意外碰撞时，具有缓冲余地，避免损坏喷嘴。

5）电解液回收罐。玻璃器皿性质稳定适宜盛放酸性电解液，因此选择3-4L容量的烧杯作为电解液回收罐。烧杯表面设计了防尘盖避免灰尘和杂质进入，并以对称分布方式开了3个圆孔，插入PVC管，允许3根软管自由进入，起到引导和避免互相干扰的作用，如附图5所示。电解液回收罐摆放位置需有一定高度，要高于泵进水口和出水口位置，这样才能保证灌液后泵正常工作抽取电解液。

6）安装工作台。上述部件需通过工作台组合在一起，管件、泵和阀门需依靠架子进行依托、固定，便于操作和维护。可考虑椅式工作台，以合理布置阀门和管路的流量，避免互相干扰和软管有弯曲、窝折的现象发生。因此，可根据各部件具体尺寸设计椅式不锈钢台架，将泵、阀门、流量计、灌液口等固定在架子上。该不锈钢平台焊接而成，样式近似座椅，泵与控制阀固定在椅座平面位置，管路、流量计则固定在椅背位置。

实施例1：在试件304不锈钢板尺寸为100mm×10mm×1mm，使用该加工设备可制备铜沉积层，其操作步骤如下。

1.清洗系统。首次使用前需用蒸馏水清洗系统每个流通环节，保持加工环境清洁。

2.打开电解槽防尘盖。系统长期不用时电解槽要盖上防尘盖，避免外界污染。

3.配置电解液。本实施方式中电解液的组成成分和和工艺参数分别为：

CuSO₄·5H₂O 250g/L，98%浓硫酸50g/L，电解液温度为25℃。电解液均用分析纯或化学纯试剂加蒸馏水配制而成。

4.将配置好的电解液约4L通过防尘盖中间的灌液口倒入。

5.启动和调整机床位置。首先打开机床电源，进入操作界面，将机床归零。然后，找到预先编辑好的数控定位程序文件、启动，固定在工作台上的电解槽会运行到指定的与喷嘴临近的相对位置。

6.启动电解液循环系统。泵在首次使用时内部存有空气，需灌液以排净空气。从附图2的12位置打开灌液漏斗，灌入少量电解液，灌满为止，关闭灌液阀，启动开关泵会正常工作。第二次启动泵时则不用灌泵，直接开关电源即可。

7.打开电沉积电源开关。电源线从电源正极和负极引出，分别预先接在阳极棒和电解槽内部的阴极板上，电线颜色要有区别。

8.实验开始。在机床操作面板找到编辑好的数控加工程序文件，启动，实现电解槽与喷嘴的相对运动，则喷嘴会在工件上进行指定路径的往复扫描。部分代码如下（样例）：

O0001(主程序编号)

G54G90G00X-70Y80Z10;（建立工件坐标系，快速定位到（-10,80,10）的位置）

G01Z-100F1000;（定位到（-70,80，-100），进给速度为1000r/min）

M98P2L900;(调用P2，执行900次)

G04X10;（暂停10s，用来改变电流参数）

G01X-30（移动到（-30,80，-100））

M98P3L900（调用P3，执行900次）

M30（程序结束）。

9.实验结束。在数控加工程序结束后，Z轴会自动升起一定高度一般约5-10毫米，使喷嘴与工件脱离接触。此时应立即手动关停电沉积电源和泵。如条件允许也可通过机床PLC集成控制电源和泵的开关，通过数控程序实现二者的自动启动与关停。

本发明特点在于以通用数控机床作为实验平台的核心载体，围绕该机床通过安装多种辅助装置，使之成为比较符合实验要求的综合性实验设备，达到减少设备制造难度和维护难度，提高效率的作用，具体包括：

1）以现有比较通用的数控机床作为实验平台，给出了符合实验要求的机床类型、尺寸范围，便于实验人员参考选取。基于现有机床数控界面无需专门编制数控软件，可以实现射流电沉积扫描距离、层数、路径的全面控制，可实现三维立体加工，精度好效果稳定。

2）设计了一套结构简单但有效的喷射、循环系统。该循环系统通过组合使用泵、喷嘴、调速阀和溢流阀实现对电解液喷射速度的灵活调节。设计合理可操作性强。

3）喷射、循环系统与数控机床之间的对接简单有效。采用组合夹具、椅式工作台等简易工装设计使附属设备与机床有效结合，灵活装配调节简单方便有效，并起到保护喷嘴在操作失误的情况下避免与工作台发生碰撞以致损坏的作用。

Claims (1)

1.一种简易的射流电沉积实验系统，其特征在于，包括组合夹具、阳极腔与喷嘴、电解槽、机床工作台、电解液回收罐、调节喷嘴高度用螺杆、数控操作面板、管路、浮子流量计、调速阀、灌液漏斗、磁力泵、安装台、溢流阀、抽液管、回流管；电解槽安装在机床工作台上，阳极腔与喷嘴通过组合夹具悬在阳极腔与喷嘴电解槽上方，数控操作面板通过调节喷嘴高度用螺杆安装在组合夹具上，磁力泵进水口一端通过水管连接电解液回收罐，磁力泵出水口一端通过调速阀和浮子流量计连接阳极腔与喷嘴的入水口，电解槽通过回流管与电解液回收罐连接；电解液回收罐上安装一个回收罐盖板，回收罐盖板以中心对称分布方式开3个圆孔，再在中心开一个孔，插入PVC管，外侧三个孔分别为抽液口、回液口、溢流口，中心孔为搅拌口/灌液口；阳极腔与喷嘴由阳极腔和喷嘴两部分组成，阳极腔内部又分为腔体和堵头，阳极腔的上端密封垫圈和密封盖固定密封，下端通过连接管与喷嘴相连，配合紧密；组合夹具由夹板、螺柱、有机玻璃卡套、紧固螺钉部件组成，夹板为两块钢板，夹住机床刀具主轴箱的上缘，两侧穿过螺柱，用不锈钢螺母固定住，螺母可调节有机玻璃夹套的上下位置。