CN109136999A - 一种微粒射流电沉积成形微金属件的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微粒射流电沉积成形微金属件的装置及其方法，基于微粒射流电沉积加工工艺，利用原型制造中分层加工原理，并结合最新的数控加工技术，开发的一种面向毫米尺度下金属零件的成形加工方法。它通过若干次二维模板限定区域内的射流电沉积填充过程，使金属沉积层堆叠成所需要的金属零件。

Description

一种微粒射流电沉积成形微金属件的装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种微粒射流电沉积成形微金属件的装置及其方法。

背景技术

随着机械、航空、国防等重点行业微小机械零件逐渐广泛应用，特殊的结构设计（如非对称性、特殊的曲面、异形内孔、薄壁零件、深孔等）往往能带来极高的效益，因而各国研究人员提出了很多制造方法：如LIGA及准LIGA技术、EFAB技术（ElectrochemicalFabrication）、射流电铸技术、高能束加工技术(激光束、电子束、离子束等)，微细电解技术、微精密电火花技术、微电铸技术、微精密铣削技术等。在增材制造方法中，“LIGA/准LIGA技术”是精细结构加工的典型应用，它包括同步辐射X射线深度光刻、电铸和塑铸3个主要工艺环节，具有批量生产微结构的能力，可加工尺寸从亚微米到毫米，深宽比达500的金属微结构；EFAB是采用电化学方法制作三维多层微结构的加工技术，适合于制作类型多样的微器件，特别适合于需要采用复杂3D结构和高导电性金属的应用，如制造高Q值电感、可变电容、滤波器和开关。去除加工类主要包括微精密电火花加工技术、微电解加工技术、精密铣削技术等。

为了获得高效率、低成本、低能耗复杂结构零件制备技术，研究者单个或相关技术群领域取得了重要进展，但在某些方面上还存在着加工技术本身固有的不足，主要体现在：LIGA及准LIGA技术工艺过程繁复以及较差的三维加工的能力；激光及其他高能束加工技术多需要大功率激光器或相应高能设备，投资和维护成本较高，骤冷骤热的加工环境会给金属成形致密性带来一定的负面影响；微精密电火花加工技术存在电极损耗严重，损耗机理复杂，补偿困难的不足。围绕该方面进行创造性的探索研究具有重要的意义，弥补已知加工方法的不足，提出新型针对微尺度复杂结构金属零件的低成本制造工艺正成为迫切需要。

电化学沉积方法是一种典型的非接触式加工，具有精密复制基体表面特征、无热加工影响、经济、简单等特点，在微制造领域常用于得到宏观或微观的金属平面微型结构，但对于复杂异性零件的立体成形加工，囿于成形原理，电沉积（微电铸）成形必须首先考虑立体微型腔的加工，然后开始整体的填充式电铸成形。这种方式无疑增添了极大的技术难度、导致了材料填充时的不确定性、影响了加工速度和成形零件的最终力学性能、成形精度。因此，降低立体微型腔的制作难度，简化和改进填充式成形的加工工艺是提出新方法、新技术的关键。在公开号CN200710025121专利中，提出了利用叠层模板电沉积技术直接制造金属零件的方法，但对于叠层加工而言，单层的沉积往往由于边缘效应问题，造成沉积均匀性较差，因此单层加工完成后仍需要机加工后处理改善表面均匀度，然后才可以进行下一层沉积。因此加工效率较低，成形零件易存在分层缺陷，进而影响材料的致密性和均匀性，最终影响成形零件的力学性能和成形精度。同时，因为数控技术条件限制，实现的方法和环节还比较繁琐，可操作性较差；赵阳培等人也采用射流电沉积技术进行了微金属零件直接成形的测试，并得到了纳米晶微金属三维结构，但由于电铸加工中扫描定域性并不理想（能量聚焦性不如激光、离子束等高能束加工方法），因此成形精度收到限制，同时成形结构也过于简单。这些因素限制了以电沉积技术为工具面向微型金属零件成形的广泛应用。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种微粒射流电沉积成形微金属件的装置及其方法，基于微粒射流电沉积加工工艺，利用原型制造中分层加工原理，并结合最新的数控加工技术，开发的一种面向毫米尺度下金属零件的成形加工方法。它通过若干次二维模板限定区域内的射流电沉积填充过程，使金属沉积层堆叠成所需要的金属零件。

本发明采用的技术方案是：一种微粒射流电沉积成形微金属件装置，包括五轴联动数控机械加工系统、射流电沉积专家系统、电沉积加工单元。

所述五轴联动数控加工系统包括五轴联动数控加工机械手、加工工具台、模板预置架，数控加工机械手可按程序指令到达指定位置精确完成工具、工件的抓取以及加工过程如喷嘴扫描等动作。机械手可交替使用两种工具：吸盘和喷嘴，吸盘用于从模板预置架抓取模板，喷嘴用于执行填充式扫描沉积，吸盘和喷嘴放置在工具台上，机械手根据需要从工具台取用和放回两种工具。

射流电沉积专家系统为安装在数控主机上的加工控制软件程序，它主要实现两个功能，一是给出数控程序，控制机械手的空间角度和运动路径，完成对工具和工件的抓取动作；二是针对该层模板的几何形态，根据技术专家固化在程序内的射流电沉积经验参数和有限元分析程序，选取和优化喷射扫描加工路径以及扫描层数，使金属沉积层按照指定厚度精确地沉积在模板的限定区域内，形成均匀致密的金属沉积层。

电沉积加工单元包括沉积槽、电源、阴极导板和阳极棒。沉积槽位于阴极导板下方、并通过管道与电解液储液槽连接。阴极导板上安装有模板定位销，可使模板穿过预置定位孔按顺序固定在定位销上，保持指定的位置关系，电源的负极与正极分别与阴极导板和阳极棒相互连接，阳极棒固定于喷嘴的阳极腔内。循环泵、过滤器设置在沉积槽与储液槽之间的管道上，喷嘴通过电解液输送管连接储液槽，电解液输送管安装有调速阀和过滤腔。

一种微粒射流电沉积成形微金属件的方法，包括如下步骤：

(1)构造出目标实体的CAD模型，并通过专用切片软件对模型按照一定的厚度切片分层处理，数控雕刻机读入相应的切片文件，切制出反映二维轮廓信息的模板，将模板按加工顺序依次在模板预置架放好，备用；

(2) 对设备中的阴极导板表面进行研磨、除油、酸洗和水洗，将电源的正负极分别与阳极和阴极相连接。电沉积前先将微米级三氧化二铝或碳化硅等颗粒与电解液混合并搅拌2小时，再超声搅拌30分钟，使颗粒得到充分润湿、均匀分散，微米级三氧化二铝颗粒添加量为10-30克/升；

(3) 驱动五轴联动数控机械手至工具台换上吸盘，吸住模板预置架上的首层模板，空中移位至沉积槽内的定位销上，并将模板穿过定位孔安放至阴极导板，

(4) 驱动五轴联动数控机械手移位至工具台，卸下吸盘换上喷嘴；

(5) 启动电沉积电源。同时，驱动五轴联动数控机械手调整喷嘴的空间位置，贴近模板表面5-10mm距离。启动电解液泵，喷嘴即将电解液在模板限定范围内，按数控代码指定的扫描路径填充式扫描沉积，喷射速度5-10m/s。数控代码根据专家经验系统，针对该层模板的几何形态，选取和优化扫描路径以及扫描层数。当扫描层数执行结束时，金属沉积即可达到模板相关厚度时，即本次沉积结束，关闭电解液泵；

(6) 驱动机械手移位至工具台，卸下喷嘴换上吸盘，空中移位至模板预置架吸取次层模板，继续沉积；

(7) 当执行完指定次数沉积动作后，目标金属微部件成形，分解模板去除微型腔，得到金属微部件实体。

本发明的有益效果：

1）普通电沉积（槽镀法）因存在沉积速度较慢及需要机加工后处理等客观局限，并不适于叠层成形加工方式，微粒射流电沉积则可巧妙与模板成形结合，解决这一问题。这体现为：射流电沉积采用射流态的加工形式，沉积速度较普通电沉积提高了几十倍甚至上百倍；电解液中的微粒在喷射到阴极时，具有平衡电场分布、改变晶粒生长过程、冲击整平晶粒尖端生长的综合作用，因此可有效减缓沉积晶粒长大，提高沉积层质量、均匀性和致密性。这保证了单层沉积的顺利完成，有效提高了叠层成形的加工效率和可行性。

2）根据目前数控技术发展，引入五轴联动数控加工系统，通过机械手空间移位抓取不同工具，自动化实现叠层模板的取用和放置以及喷嘴的扫描沉积，保证了三维空间加工的连续性和准确性。

3)基于射流加工经验定制的专家系统可针对加工要求输出数控代码，实现与模板厚度相吻合的定量沉积，保证了单层沉积的精确完成，避免了后处理加工。

4）液流喷射方式对于模板存在的复杂几何区域如尖角、拐角、微细空洞可实现有效地精确填充，弥补了普通电沉积因边缘效应在特殊部位的无效沉积，提高了微型腔的整体加工精度。

附图说明

图1为本发明的模板射流电沉积制造装置结构示意图；

图2为本发明模板定位方式示意图；

图3为模板射流电沉积加工过程示意图；

图4为本发明设计的模板图形。

图中：1.工具台，2.喷嘴，3. 吸盘，4电源，5.电沉积槽，6.定位销，7.叠层模板，8.阴极导板，9.五轴联动数控机械手，10.电解液输送管，11.数控主机，12.调速阀，13.循环泵，14.过滤器，15. 搅拌器，16. 电解液储液槽，17.过滤腔，18.模板预置架，19.支撑架。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种微粒射流电沉积成形微金属件装置，包括五轴联动数控机械加工系统、射流电沉积专家系统、电沉积加工单元。

所述(1) 五轴联动数控加工系统包括五轴联动数控加工机械手9、加工工具台1、模板预置架，数控加工机械手可按程序指令到达指定位置精确完成工具、工件的抓取以及加工过程如喷嘴扫描等动作。机械手可交替使用两种工具：吸盘和喷嘴，吸盘用于从模板预置架18抓取模板，喷嘴用于执行填充式扫描沉积，吸盘2和喷嘴3放置在工具台上，机械手根据需要从工具台取用和放回两种工具。

(2) 射流电沉积专家系统为安装在数控主机上的加工控制软件程序，它主要实现两个功能，一是给出数控程序，控制机械手的空间角度和运动路径，完成对工具和工件的抓取动作；二是针对该层模板的几何形态，根据技术专家固化在程序内的射流电沉积经验参数和有限元分析程序，选取和优化喷射扫描加工路径以及扫描层数，使金属沉积层按照指定厚度精确地沉积在模板的限定区域内，形成均匀致密的金属沉积层。

(3) 电沉积加工单元包括沉积槽5、电源4、阴极导板8和阳极棒。沉积槽位于阴极导板下方、并通过管道与电解液储液槽16连接。阴极导板上安装有模板定位销6，可使模板穿过预置定位孔按顺序固定在定位销上，保持指定的位置关系，如附图2所示。电源的负极与正极分别与阴极导板和阳极棒相互连接，阳极棒固定于喷嘴的阳极腔内。循环泵13、过滤器14设置在沉积槽与储液槽之间的管道上，喷嘴通过电解液输送管连接储液槽，电解液输送管安装有调速阀12和过滤腔17。

一种微粒射流电沉积成形微金属件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)构造出目标实体的CAD模型，并通过专用切片软件对模型按照一定的厚度切片分层处理，数控雕刻机读入相应的切片文件，切制出反映二维轮廓信息的模板。将模板按加工顺序依次在模板预置架放好，备用。如图1所示。

(2) 对图1设备中的阴极导板表面进行研磨、除油、酸洗和水洗，将电源的正负极分别与阳极和阴极相连接。电沉积前先将微米级三氧化二铝或碳化硅等颗粒与电解液混合并搅拌2小时，再超声搅拌30分钟，使颗粒得到充分润湿、均匀分散，微米级三氧化二铝颗粒添加量为10-30克/升。

(3) 驱动五轴联动数控机械手至工具台换上吸盘，吸住模板预置架上的首层模板，空中移位至沉积槽内的定位销上，并将模板穿过定位孔安放至阴极导板，如附图2所示。

(4) 驱动五轴联动数控机械手移位至工具台，卸下吸盘换上喷嘴。

(5) 启动电沉积电源。同时，驱动五轴联动数控机械手调整喷嘴的空间位置，贴近模板表面5-10mm距离。启动电解液泵，喷嘴即将电解液在模板限定范围内，按数控代码指定的扫描路径填充式扫描沉积，喷射速度5-10m/s。数控代码根据专家经验系统，针对该层模板的几何形态，选取和优化扫描路径及扫描层数。当扫描层数执行结束时，金属沉积即可达到模板相关厚度时，即本次沉积结束，关闭电解液泵。

(6) 驱动机械手移位至工具台，卸下喷嘴换上吸盘，空中移位至模板预置架吸取次层模板，继续沉积。

(7) 当执行完指定次数沉积动作后，目标金属微部件成形，分解模板去除微型腔，得到金属微部件实。

(1)工艺参数选择

电解液成分：电铸液：硫酸铜250g/L，硫酸 50g/L，电铸液温度30℃，微米级三氧化二铝颗粒添加量为15克/升。

(2) 成形工艺参数：

阴极的尺寸为40mm×40mm×5mm，采用电流密度为300A/dm2直流电流，喷射流速5-10m/s。

因进行验证性实验，采用的形状较为简单，设计的模板图形为中文字符“天”和英文字母“E”，其主要尺寸如下图4所示。

进行了成形实验，有如下对比数据：

表1 成形过程参数对比

试件编号	1	2	3	4
					几何特征	天	天	E	E
沉积层数	30	30	30	30
					高度(mm)	3	3	3	3
射流电沉积系统	√		√
					普通电沉积		√		√
层间磨削次数	1	7	0	5
					累积加工时间(h)	0.6	4	0.6	4
后处理工作量		√		√

通过以上加工对比，可以发现采用射流电沉积系统加工过程较快，用时较少，效率更高。同时层间机加工工作量较小，也不存在零件脱模后的后处理工作量。普通电沉积方式则耗时较长，需要层间打磨的次数较多，零件脱模后还需要后处理。此一对比体现了微粒射流电沉积新工艺和装置在成形微尺度零件方面的技术优势。

技术优势：

(1)作为一种基于增材制造思想的技术，模板射流电沉积将三维制造转化为一系列二维平面加工，因此其具有在特定尺度下加工任意几何结构金属实体的能力，面向尺寸较小(< 0.5cm)的复杂结构金属零件具有速度的比较优势，可广泛用于贵重微金属器件和复杂形状零件的成形制造。

(2)微粒射流电沉积以其特有的高速加工和整平性加工优势，针对性地解决了普通电沉积在叠层加工中出现的效率低下和均匀性差的问题，保证了叠层加工的效率和可行性。

(3) 射流电沉积沉积速度可控性较好，其沉积厚度可通过电流、加工时间进行精确定量控制，与五轴联动数控加工系统和专家经验系统的结合，保证了三维空间加工的连续性和准确性，提高了成形精度和加工效率。

(4)射流电沉积成形的常温加工避免了激光等加工方式对材料的热影响和内应力，同时其特有的纳米晶微观结构以及共沉积微粒，保证了层-层之间较好的结合强度，增强了成形零件自身的力学性能。

(5)液流喷射方式固有的柔性和定域性，易与数控技术结合实现定点、定位沉积，对于模板存在的复杂几何区域可实现有效地精确填充，提高了微型腔的整体加工精度。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (4)

1.一种微粒射流电沉积成形微金属件装置，其特征在于，包括五轴联动数控机械加工系统、射流电沉积专家系统、电沉积加工单元。

2.根据权利要求1所述的一种微粒射流电沉积成形微金属件装置，其特征在于，所述五轴联动数控加工系统包括五轴联动数控加工机械手、加工工具台、模板预置架，数控加工机械手可按程序指令到达指定位置精确完成工具、工件的抓取以及加工过程如喷嘴扫描等动作，机械手可交替使用两种工具：吸盘和喷嘴，吸盘用于从模板预置架抓取模板，喷嘴用于执行填充式扫描沉积，吸盘和喷嘴放置在工具台上，机械手根据需要从工具台取用和放回两种工具；

(2) 射流电沉积专家系统为安装在数控主机上的加工控制软件程序，它主要实现两个功能，一是给出数控程序，控制机械手的空间角度和运动路径，完成对工具和工件的抓取动作；二是针对该层模板的几何形态，根据技术专家固化在程序内的射流电沉积经验参数和有限元分析程序，选取和优化喷射扫描加工路径以及扫描层数，使金属沉积层按照指定厚度精确地沉积在模板的限定区域内，形成均匀致密的金属沉积层；

(3) 电沉积加工单元包括沉积槽、电源、阴极导板和阳极棒，沉积槽位于阴极导板下方、并通过管道与电解液储液槽连接，阴极导板上安装有模板定位销，可使模板穿过预置定位孔按顺序固定在定位销上，保持指定的位置关系，电源的负极与正极分别与阴极导板和阳极棒相互连接，阳极棒固定于喷嘴的阳极腔内，循环泵、过滤器设置在沉积槽与储液槽之间的管道上，喷嘴通过电解液输送管连接储液槽，电解液输送管安装有调速阀和过滤腔。

3.一种微粒射流电沉积成形微金属件的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)构造出目标实体的CAD模型，并通过专用切片软件对模型按照一定的厚度切片分层处理，数控雕刻机读入相应的切片文件，切制出反映二维轮廓信息的模板，将模板按加工顺序依次在模板预置架放好，备用；

(2) 对阴极导板表面进行研磨、除油、酸洗和水洗，将电源的正负极分别与阳极和阴极相连接；

电沉积前先将微米级三氧化二铝或碳化硅等颗粒与电解液混合并搅拌2小时，再超声搅拌30分钟，使颗粒得到充分润湿、均匀分散；

(3) 驱动五轴联动数控机械手至工具台换上吸盘，吸住模板预置架上的首层模板，空中移位至沉积槽内的定位销上，并将模板穿过定位孔安放至阴极导板；

(4) 驱动五轴联动数控机械手移位至工具台，卸下吸盘换上喷嘴；

(5) 启动电沉积电源；

同时，驱动五轴联动数控机械手调整喷嘴的空间位置，贴近模板表面5-10mm距离，启动电解液泵，喷嘴即将电解液在模板限定范围内，按数控代码指定的扫描路径填充式扫描沉积，喷射速度5-10m/s，数控代码根据专家经验系统，针对该层模板的几何形态，选取和优化扫描路径以及扫描层数，当扫描层数执行结束时，金属沉积即可达到模板相关厚度时，即本次沉积结束，关闭电解液泵；

(6) 驱动机械手移位至工具台，卸下喷嘴换上吸盘，空中移位至模板预置架吸取次层模板，继续沉积；

(7) 当执行完指定次数沉积动作后，目标金属微部件成形，分解模板去除微型腔，得到金属微部件实体。

4.根据权利要求3所述的一种微粒射流电沉积成形微金属件的方法，其特征在于，所述步骤（2）中微米级三氧化二铝颗粒添加量为10-30克/升。