CN110230082B - 一种集束阴极微弧氧化膜制备装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集束阴极微弧氧化膜制备装置和方法，包括距离调节装置、电解槽、集束阴极、电源和主控电脑；所述距离调节装置包括工作台、立臂、横移滑块和伸缩杆，所述伸缩杆设置于横移滑块上，在伺服电机驱动滚珠丝杠传动机构的作用下可向下伸出和向上回收；所述电解槽由绝缘材质制成，放置在工作台上，用于承装电解液和待加工的工件；所述集束阴极由若干棒状电极组合而成，其上端与伸缩杆的下端安装固定，本发明的有益效果：对大尺寸工件实现表面局部或者整体的微弧氧化，降低工件尺寸对电源输出功率的限制提高了电源的有效能量利用率;起弧面积可控，溶液温度可控性强，降低大表面积微弧氧化的处理成本。

Description

一种集束阴极微弧氧化膜制备装置和方法
技术领域
本发明属于微弧氧化膜加工设备技术领域，具体涉及一种集束阴极微弧氧化膜制备装置和方法。
背景技术
目前国内对工件表面的微弧氧化加工多是直接将工件浸没在电解液中作为阳极，通过将电解槽和电源阴极相连作为阴极，阴阳极之间无任何相对运动，通电后实现对工件表面的同步加工。这种加工方法对电源功率的依赖性高，由于导电和受热的不均匀性等原因，工件表面会出现尖端放电和面积效应，因此对加工工艺参数的确定要求非常严格。并且只适用于表面形状相对简单、尺寸相对较小的工件，不具有普适性。
扫描式微弧氧化技术，即将传统的微弧氧化设备进行改造，把原来作为阴极的不锈钢槽改成一根截面积较小(与电源功率有关)的不锈钢管，工作液从钢管中喷出，阴阳两极与工作液形成小型的微弧放电区域，在这个区域中发生微弧氧化过程。主要用于处理表面积较大的工件，对小面积工件的处理效果非常不理想。
发明内容
本发明要解决的技术问题：传统的微弧氧化技术带来较大的面积效应以及尖端放电现象，且对电源功率要求较高；单一扫描式微弧氧化处理精度不高，对小面积工件处理效率较低。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种集束阴极微弧氧化膜制备装置，包括距离调节装置、电解槽、集束阴极、电源和主控电脑；
所述距离调节装置包括工作台、立臂、横移滑块和伸缩杆，所述立臂设置于工作台上，所述横移滑块设置于立臂上，所述伸缩杆设置于横移滑块上，在伺服电机驱动滚珠丝杠传动机构的作用下可向下伸出和向上回收；
所述电解槽由绝缘材质制成，放置在工作台上，用于承装电解液和待加工的工件；
所述集束阴极由若干棒状电极组合而成，其上端与伸缩杆的下端安装固定，其下端伸入到电解槽内部；
所述电源的负极与集束阴极相连，正极与工件相连；
所述主控电脑与电源、距离调节装置电连接。
进一步，所述立臂在伺服电机驱动滚珠丝杠传动机构的作用下可在工作台上直线往复运动。
进一步，所述横移滑块在伺服电机驱动滚珠丝杠传动机构的作用下可在立臂上左右往复直线运动。
在上述方案的基础上，还包括冷却槽，所述冷却槽放置于工作台上，所述电解槽整体放置在装有冷却水的冷却槽中，所述冷却槽上开设进水口和出水口，其中进水口的高度设计低于出水口。
优选的，所述电源为数控双脉冲电源，通过RS协议与主控电脑进行相连。
优选的，所述电解槽为塑料材质制成。
优选的，所述集束阴极的每一束电极由橡胶皮包裹。
优选的，所述距离调节装置与主控电脑相连采用G代码编程可实现精确定位。
一种集束阴极微弧氧化膜制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：集束阴极连接电源的负极，所述电源为数控双脉冲电源，将电解槽整体放入冷却槽中，所述冷却槽中有循环流动的冷却水，所述电解槽由绝缘材质制成，其中装满电解液，所述电解液以Na2SiO3作为主成膜剂， NaOH、C6H15NO3作为添加剂溶于溶剂水组成；所述集束阴极有若干棒状电极组成，其上端安装于距离调节装置上，其下端伸入到电解槽内的电解液中，在主控电脑的控制下距离调节装置带动集束阴极可相对工件x、y、z三个方向做精准的距离移动；
步骤2：将工件经240 #、400 #、800 #砂纸依次打磨后将其放入丙酮溶液中进行两次10 min的超声波清洗，然后使用普通吹风机将其吹干装袋备用；
步骤3：将步骤2处理的工件固定置于电解槽中浸没在电解液中并与电源的正极相连，将集束阴极与工件间距变化设定为2 mm；将电参数设定为电压500V，氧化时间900s，频率400Hz，占空比20%，电流密度为10A/dm2，氧化时间为900S；
步骤4：表面形貌使用TESCAN VEGA-XMU型扫描电镜对陶瓷膜层的表面微观形貌进行观测，膜层的厚度用涡流测厚仪来测量，测量取多个点，去掉极值，取其平均值。
一种集束阴极微弧氧化膜制备方法，循环操作若干次步骤1-4，每次将步骤3中的集束阴极与工件间距递增1mm，研究集束阴极与工件间距和氧化膜层、弧斑尺寸的关系，得到集束阴极与工件间距和氧化膜膜层厚度之间的数值关系表。
本发明的有益效果：
1．对大尺寸工件实现表面局部或者整体的微弧氧化，降低工件尺寸对电源输出功率的限制提高了电源的有效能量利用率;
2．起弧面积可控，溶液温度可控性强，降低大表面积微弧氧化的处理成本;
3．在确定微弧氧化电源的基础上，有利于快速确定放电面积的组合，从而实现放电面积与电源的快速匹配;
4．可以在同一台设备上进行不同的集束形式组合实验，而且电极间距可控。
附图说明
图1为本发明一实施例距离调节装置的结构原理图；
图2为本发明一实施例电源电极接线图；
图3为本发明一实施例集束阴极结构示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1、2所示，一种集束阴极微弧氧化膜制备装置，包括距离调节装置、冷却槽1、电解槽2、集束阴极5、电源6和主控电脑7。
如图2所示，距离调节装置包括工作台81、立臂82、横移滑块83和伸缩杆84，立臂82在伺服电机驱动滚珠丝杠传动机构的作用下可在工作台81上直线往复运动；横移滑块83设置于立臂82上，在伺服电机驱动滚珠丝杠传动机构的作用下可在立臂82上左右往复直线运动；伸缩杆84设置于横移滑块83上，在伺服电机驱动滚珠丝杠传动机构的作用下可向下伸出和向上回收。
集束阴极5由若干束棒状电极组合而成，每一束电极由橡胶皮包裹，有效避免了束与束之间的相互影响，提高加工精度。集束阴极5与电源6的负极相连接，作为阴极。工件3固定在电解槽2的底部与电源6的正极相连作为阳极。
集束阴极5与伸缩杆84的下端可拆卸连接，方便不同集束之间的互换。距离调节装置与主控电脑7相连采用G代码编程可实现精确定位，并且可以实现X、Y、Z三方向的精准调节。其中集束阴极5垂直上下的移动用于针对不同的工件选择不同的电极间距，降低工件尺寸对电源输出功率的要求，提高了电源的有效能量利用率。而水平的两个方向的移动，一方面可以针对大尺寸的工件进行扫描式加工，另一方面可以对工件的不同位置进行加工。既可以对大尺寸工件的整体加工，又可以进行大工件的局部微弧氧化加工。
电解槽2为塑料材质制成，内部装有电解液，整体放置在装有冷却水的冷却槽1中。冷却槽1上开设进水口和出水口，其中进水口的设计低于出水口，冷却水循环流动，以便实现最大程度的冷却效果。冷却槽1放置于工作台81上。
电源6为数控双脉冲电源，可对反应所需要的正向电压、负向电压、正电流、负电流、占空比、脉冲频率等进行调节。电源6通过RS485协议与主控电脑7进行相连，可对反应的电参数进行实时动态监控，并且可对数据进行采集。
如图3所示为集束阴极组合的截面图，集束阴极5有多种组合形式。图中由一字排开形状的组合，有组合成等腰三角形状，有组合成正方形状，还有组合成正六边形状。通过进行简单的棒状电极形状的组合，对于复杂工件的形状进行适应性加工，有利于提高电源的有效能量利用率，从而实现膜层表面质量和厚度的可控性。
加工实例：实验材料采用航空铝，为板状材料，在左上角加工直径6mm的孔，用以于电解槽2底座的夹紧，起到固定工件的作用。处理流程为经240 #、400 #、800 #砂纸依次打磨后将其放入丙酮溶液中进行两次10 min的超声波清洗，然后使用普通吹风机将其吹干装袋备用。以Na2SiO3作为电解液的主成膜剂，NaOH、C6H15NO3（三乙醇胺）作为添加剂 。在已有电参数最优设定的实验验证基础上将电参数设定为电压500V氧化时间900s频率400Hz占空比20%，并将电极间距变化设定为2-40mm进行试验验证。这就需要一个精确的调节装置来实现，即实现阳极与阴极之间的垂直距离，以及开始反应前的相对位移可调，从而可以获得不同反应间隙下的膜层结构。进行弧斑尺寸和数量的统计，电参数的读取通过RS485协议获得，表面形貌使用TESCAN VEGA-XMU型扫描电镜对陶瓷膜层的表面微观形貌进行观测，膜层的厚度用涡流测厚仪来测量，测量取8个点，去掉极值，取其平均值。
距离调节装置，采用常衡机电雕刻机的基础上对实验平台进行改造，用G代码程序进行运动的精确定位，从而实现阴阳极之间的距离可控性操作且可实现多距离调节验证。
一种集束阴极微弧氧化膜制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：集束阴极连接电源的负极，所述电源为数控双脉冲电源，将电解槽整体放入冷却槽中，所述冷却槽中有循环流动的冷却水，所述电解槽由绝缘材质制成，其中装满电解液，所述电解液以Na2SiO3作为主成膜剂， NaOH、C6H15NO3作为添加剂溶于溶剂水组成；所述集束阴极有若干棒状电极组成，其上端安装于距离调节装置上，其下端伸入到电解槽内的电解液中，在主控电脑的控制下距离调节装置带动集束阴极可相对工件x、y、z三个方向做精准的距离移动；
步骤2：将工件经240 #、400 #、800 #砂纸依次打磨后将其放入丙酮溶液中进行两次10 min的超声波清洗，然后使用普通吹风机将其吹干装袋备用；
步骤3：将步骤2处理的工件固定置于电解槽中浸没在电解液中并与电源的正极相连，将集束阴极与工件间距变化设定为2 mm；将电参数设定为电压500V，氧化时间900s，频率400Hz，占空比20%，电流密度为10A/dm2，氧化时间为900S；
步骤4：表面形貌使用TESCAN VEGA-XMU型扫描电镜对陶瓷膜层的表面微观形貌进行观测，膜层的厚度用涡流测厚仪来测量，测量取多个点，去掉极值，取其平均值。
集束阴极微弧氧化膜制备方法，循环操作若干次步骤1-4，每次将步骤3中的集束阴极与工件间距递增1mm，研究集束阴极与工件间距和氧化膜层、弧斑尺寸的关系，得到集束阴极与工件间距和氧化膜膜层厚度之间的数值关系表。
所述电解液以1-5g/L的Na2SiO3作为主成膜剂，0.5-2g/L的NaOH、0.1-2g/L的C6H15NO3作为添加剂溶于溶剂水组成；
本发明的有益效果是，易于获得很好的表面加工质量，在实用方面可以高效的对大尺寸工件进行局部或整体的微弧氧化，并且通过RS485协议，把数据传输到计算机，便于对电参数分析处理，可以改变多个集束阴极和电极间距来获得最佳的微弧氧化方案；可以在同一个设备中进行反复试验加工。
可理解的是，尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种集束阴极微弧氧化膜制备装置，其特征在于，包括距离调节装置、电解槽(2)、集束阴极(5)、电源(6)和主控电脑(7)；
所述距离调节装置包括工作台(81)、立臂(82)、横移滑块(83)和伸缩杆(84)，所述立臂(82)设置于工作台(81)上，所述横移滑块(83)设置于立臂(82)上，所述伸缩杆(84)设置于横移滑块(83)上，在伺服电机驱动滚珠丝杠传动机构的作用下向下伸出和向上回收；
所述电解槽(2)由绝缘材质制成，放置在工作台(81)上，用于承装电解液和待加工的工件(3)；
所述集束阴极(5)由若干棒状电极组合而成，每一束电极由橡胶皮包裹，其上端与伸缩杆(84)的下端安装固定，其下端伸入到电解槽(2)内部；
所述电源(6)的负极与集束阴极(5)相连，正极与工件(3)相连；
所述主控电脑(7)与电源(6)、距离调节装置电连接；
所述横移滑块(83)在伺服电机驱动滚珠丝杠传动机构的作用下在立臂(82)上左右往复直线运动。
2.如权利要求1所述的集束阴极微弧氧化膜制备装置，其特征在于，所述立臂(82)在伺服电机驱动滚珠丝杠传动机构的作用下在工作台(81)上直线往复运动。
3.如权利要求1所述的集束阴极微弧氧化膜制备装置，其特征在于，还包括冷却槽(1)，所述冷却槽(1)放置于工作台(81)上，所述电解槽(2)整体放置在装有冷却水的冷却槽(1)中，所述冷却槽(1)上开设进水口和出水口，其中进水口的高度设计低于出水口。
4.如权利要求1所述的集束阴极微弧氧化膜制备装置，其特征在于，所述电源(6)为数控双脉冲电源，通过RS(485)协议与主控电脑(7)进行相连。
5.如权利要求1所述的集束阴极微弧氧化膜制备装置，其特征在于，距离调节装置与主控电脑(7)相连采用G代码编程实现精确定位。
6.一种集束阴极微弧氧化膜制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1：集束阴极连接电源的负极，所述电源为数控双脉冲电源，将电解槽整体放入冷却槽中，所述冷却槽中有循环流动的冷却水，所述电解槽由绝缘材质制成，其中装满电解液，所述电解液以Na2SiO3作为主成膜剂，NaOH、C6H15NO3作为添加剂溶于溶剂水组成；所述集束阴极有若干棒状电极组成，每一束电极由橡胶皮包裹，其上端安装于距离调节装置上，其下端伸入到电解槽内的电解液中，在主控电脑的控制下距离调节装置带动集束阴极相对工件x、y、z三个方向做精准的距离移动；
步骤2：将工件经240 #、400 #、800 #砂纸依次打磨后将其放入丙酮溶液中进行两次10min的超声波清洗，然后使用普通吹风机将其吹干装袋备用；
步骤3：将步骤2处理的工件固定置于电解槽中浸没在电解液中并与电源的正极相连，将集束阴极与工件间距变化设定为2 mm；将电参数设定为电压500V，氧化时间900s，频率400Hz，占空比20%，电流密度为10A/dm2，氧化时间为900S；
步骤4：表面形貌使用TESCAN VEGA-XMU型扫描电镜对陶瓷膜层的表面微观形貌进行观测，膜层的厚度用涡流测厚仪来测量，测量取多个点，去掉极值，取其平均值。
7.如权利要求6所述的集束阴极微弧氧化膜制备方法，其特征在于，所述电解液以1-5g/L的Na2SiO3作为主成膜剂，0.5-2g/L的NaOH、0.1-2g/L的C6H15NO3作为添加剂溶于溶剂水组成。
8.如权利要求6所述的集束阴极微弧氧化膜制备方法，其特征在于，
循环操作若干次步骤1-4，每次将步骤3中的集束阴极与工件间距递增1mm，研究集束阴极与工件间距和氧化膜层、弧斑尺寸的关系，得到集束阴极与工件间距和氧化膜膜层厚度之间的数值关系表。
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