CN112059335B - 用于旋印电解加工的多窗口回转体工具电极制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于旋印电解加工的多窗口回转体工具电极制备方法，属于电解加工技术领域。本发明主要针对航空发动机机匣旋印电解加工过程中的工具电极加工制造，包括以下过程：步骤1、3D打印光敏树脂基体；步骤2、基体外表面导电化处理；步骤3、机械去除窗口外表面凸出台阶顶部的导电涂层；步骤4、基体外表面电化学沉积金属导电层；步骤5、车削金属导电层外表面。采用本发明的方法制备工具电极，可以实现旋印电解加工用复杂结构工具电极的快速制备，以及回转体工具电极窗口内部绝缘。
Description
技术领域
用于旋印电解加工的多窗口回转体工具电极制备方法，属于电解加工技术领域。
背景技术
旋印电解加工是一种利用电化学阳极溶解原理加工具有复杂结构回转体零件的方法，采用具有镂空窗口的回转体作为工具电极，将工件作为阳极，加工时，工件与工具电极以相同的角速度相对旋转，同时工具电极以一定的速度沿工件阳极的径向做进给运动，在电解作用下，阳极工件表面材料不断被溶解，在工具电极表面窗口结构的滚套作用下一次加工出具有复杂凹凸结构的零件（申请号201410547093.X 申请人南京航空航天大学，发明人朱荻朱增伟王宏睿王登勇）。旋印电解加工对于具有复杂凹凸结构的回转体零件加工具有独特优势，尤其适用于加工航空发动机薄壁机匣零件。然而，为满足机匣表面复杂凸台结构的加工需求，在工具电极表面设计的窗口有时不仅数量多，而且形状较为复杂，导致工具电极的制备十分困难。例如，在某类机匣表面有大量阵列扰流柱结构，扰流柱一般为直径2-5mm，高度1-5mm的圆柱形结构，扰流柱数量高达数千个，采用旋印电解加工能够实现阵列扰流柱机匣结构的一次成型。然而，加工该类机匣需要在回转体工具电极表面加工出数量多达数千个的镂空窗口结构，且为了加工出圆柱形扰流柱，所设计的窗口结构形状为“类椭圆形”的不规则图案，该工具电极采用常规切削加工工艺难以完成；此外，为了避免凸台在加工过程中的二次腐蚀，工具电极镂空窗口侧壁需要进行绝缘处理，目前通常采用的陶瓷绝缘或电泳绝缘技术都存在一定的局限性：一方面，在旋印电解加工过程中绝缘涂层容易脱落，导致加工过程的不稳定；另一方面，对于具有阵列扰流柱结构机匣零件，其工具电极窗口不仅尺寸较小且数量庞大，导致其侧壁绝缘工艺十分繁琐，且绝缘层容易脱落，影响旋印电解加工的稳定性和加工精度。
3D打印是一种快速成型技术，是根据零件的形状，每次制作一个具有一定微小厚度和特定形状的截面，然后逐层堆叠起来，从而得到所需要的零件。它可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等方面提供了一种高效低成本的手段。同时，相较于传统加工，3D打印在复杂结构的制造等方面更具有优势。其中立体光固化成型（SLA）技术是在紫外微光束的逐点扫描作用下，液态光敏树脂发生光聚合反应，固化形成零件的一个薄层，通过逐层叠加，最终获得三维实体模型。立体光固化成型（SLA）技术以其固化速度快、毫米级别的加工精度和加工速度快的优点而被广泛应用。相对于其他3D打印技术，采用立体光固化成型（SLA）技术制作面向熔模精密铸造中具有中空结构的复杂结构时，无需支撑结构，可以降低后续去除支撑层造成的零件变形以及提升表面质量。
电化学沉积技术是在外加电压的作用下，利用金属离子在阴极表面发生还原反应而沉积的原理来精确复制某些复杂或特殊形状工件的特种加工方法，其基体材料一般采用金属材料或经过导电化处理的非金属材料，在其表面沉积一层致密均匀的金属。对于采用立体光固化成型（SLA）技术打印的非金属基体，对其表面进行导电化处理使其具有导电性，然后在其表面进行电化学沉积，沉积一定厚度金属后取出，然后对电沉积后的表面进行处理，得到满足性能要求的工件。
为实现旋印电解加工中具有复杂结构工具电极的高效精确制备，将结合3D打印和电化学沉积技术，提出一种新的工具电极制造方法。
发明内容
本发明的目的在于能够解决机匣旋印电解加工工具电极的制造和窗口结构的内部绝缘问题，提出了一种基于3D打印+电沉积组合方式制备旋印电解加工用多窗口回转体工具电极方法，有助于实现复杂结构工具电极的快速制备，以及实现难加工结构和微小结构的制造及窗口内部绝缘。
用于旋印电解加工的多窗口回转体工具电极制备方法，其特征在于包括以下几个过程：
步骤1、根据所设计的工具电极三维模型，利用光固化3D打印技术制造出具有镂空窗口的光敏树脂材料基体，在窗口外表面凸出台阶；
步骤2、基体外表面制备导电涂层，实现导电化处理；其中窗口内侧壁不可避免的也会粘覆导电涂层；
步骤3、通过机械抛磨方式去除窗口处凸出的台阶顶部的导电涂层，从而将窗口侧壁所粘覆的导电涂层与凸出的台阶外表面导电涂层进行隔绝；
步骤4、在基体外表面及台阶外壁电化学沉积金属导电层；
步骤5、采用车削方式对电化学沉积后的基体表面及台阶处电化学沉积的金属导电层进行加工，去除部分金属导电层和部分台阶，从而获得具有较好圆度和表面粗糙度的工具电极。
所述步骤1中镂空窗口处凸出的台阶的高度超过所沉积金属导电层厚度,防止在电沉积的过程中凸台外侧沉积的金属导电层进入凸台内壁。
所述步骤2中导电涂层通过涂覆导电胶或化学镀方式制备，导电涂层保证与3D打印光敏树脂基体和后续电化学沉积金属导电层结合强度较大，保证金属导电层不易脱落。
所述步骤4中电化学沉积金属导电层为铜或镍材料，金属导电层厚度必须承载流过电流。
本发明的有益效果在于：
（1）针对旋印电解加工工具电极窗口侧壁绝缘问题，提出了一种用于旋印电解加工的多窗口回转体工具电极制备方法。相较于陶瓷热喷涂绝缘和电泳绝缘等方式难以用于尺寸较小的窗口侧壁绝缘，采用该方法能够实现工具电极的任何尺寸和形状窗口结构的侧壁绝缘，解决小型窗口结构的难以绝缘问题和绝缘层易脱落问题。
（2）利用3D打印技术可以打印出任何形状的零件的优点，可以打印出任意复杂形状和结构的基体，相较于传统加工中一些结构和形状难以加工的情况，通过该方法，可以加工出任意形状的工具电极。
附图说明
图1是“类椭圆形”阴极窗口轮廓示意图；
图2是3D打印光敏树脂基体结构示意图；
图3是基体窗口放大示意图；
图4是基体窗口二维剖面示意图；
图5是基体表面导电化处理后二维剖面示意图；
图6是机械去除台阶顶部导电涂层二维剖面示意图；
图7是基体外表面电沉积铜层二维剖面示意图；
图8是车削外表面并溶解导电涂层二维剖面结构示意图；
图中标号名称：1、基体，2、窗口，3、台阶，4、导电涂层，5、金属导电层。
具体实施方式
图1是“类椭圆形”阴极窗口轮廓示意图。要加工机匣结构为表面具有阵列扰流柱结构的机匣，扰流柱结构为直径2-5mm，高度1-5mm的圆柱形结构，因此，对应的工具阴极窗口需根据目标凸台设计成“类椭圆形”窗口结构，可以在旋印电解加工时加工出符合要求的圆柱形扰流柱。
具体加工步骤如下：
步骤1、根据图1“类椭圆形”阴极窗口模型以及所设计的工具阴极三维模型，利用光固化3D打印技术制造出具有“类椭圆形”结构的镂空窗口2的光敏树脂材料基体1，并在窗口2处凸出一定高度的台阶3，高度一般为3-8mm；
图2是3D打印光敏树脂基体结构示意图。基体1表面分布有阵列“类椭圆形”窗口2结构，窗口处具有一定凸出高度的台阶3；
图3是基体窗口放大示意图；图4是基体窗口二维剖面示意图。如图3、图4所示，窗口2内部是镂空的，窗口2处所凸台的台阶3高度一般为3-8mm，且台阶2厚度一般为0.5-1mm；
步骤2采用涂覆导电涂层工艺将基体1外表面和窗口2及台阶3表面进行导电化处理，基体表面导电化处理后二维剖面示意图如图5所示；
所涂覆导电涂层4通常为涂覆导电胶或通过化学镀方式制备，导电涂层4应保证与3D打印光敏树脂基体和后续电化学沉积金属导电层5结合强度较大，保证金属导电层5不易脱落;
步骤3、机械去除窗口2处凸出的台阶3顶部的导电涂层4。在导电化过程中，窗口2侧壁不可避免也会粘覆导电涂层4，为此在导电化处理后通过机械抛磨方式去除窗口2处凸出的台阶3顶部的导电涂层4，从而将窗口2侧壁导电涂层4与台阶3处的导电涂层4进行隔绝，避免窗口2侧壁也会发生电沉积现象，机械去除台阶顶部导电涂层二维剖面示意图如图6所示；
步骤4、基体1外表面电化学沉积金属导电层5。在基体1外表面及台阶3外壁电沉积一定厚度的金属导电层5，所沉积金属导电层5为铜层，沉积过程过程中要保证所沉积铜层均匀致密。基体外表面电沉积铜层二维剖面示意图如图7；
铜层厚度必须满足流过电流大小，需根据电流截面面积计算出所需铜层厚度，所沉积厚度需大于计算所得理论铜层厚度1mm以上，一般沉积铜层厚度为3-5mm；
步骤5、车削金属导电层5外表面并溶解窗口2侧壁处残留的导电涂层4。采用车削方式对电化学沉积后的基体1表面及台阶3处电化学沉积的铜层进行加工，去除一定厚度的铜层和部分台阶3，从而获得具有较好圆度和表面粗糙度的工具电极，并通过有机溶剂将窗口侧壁处残留的导电涂层4溶解去除；车削外表面并溶解导电涂层二维剖面结构示意图如图8所示。所车削厚度需满足车削后剩余铜层厚度大于2.5mm。
Claims (3)
1.一种用于旋印电解加工的多窗口回转体工具电极制备方法，其特征在于包括以下过程：
步骤1、根据所设计的工具电极三维模型，利用光固化3D打印技术制造出具有镂空窗口（2）的光敏树脂材料基体（1），在窗口外表面凸出台阶（3）；
步骤2、光敏树脂材料基体（1）外表面制备导电涂层（4），实现导电化处理；其中镂空窗口（2）内侧壁不可避免的也会粘覆导电涂层（4）；
步骤3、通过机械抛磨方式去除镂空窗口（2）处凸出的台阶（3）顶部的导电涂层（4），从而将镂空窗口（2）侧壁所粘覆的导电涂层（4）与凸出的台阶（3）外表面导电涂层（4）进行隔绝；
步骤4、在光敏树脂材料基体（1）外表面及台阶（3）外壁电化学沉积金属导电层（5）；
步骤5、采用车削方式对电化学沉积后的光敏树脂材料基体（1）表面及台阶处电化学沉积的金属导电层（5）进行加工，去除部分金属导电层（5）和部分台阶（3），从而获得具有较好圆度和表面粗糙度的工具电极；
上述步骤1中镂空窗口（2）处凸出的台阶（3）的高度超过步骤4中的所沉积金属导电层（5）厚度，防止在电沉积的过程中台阶（3）外侧沉积的金属导电层（5）进入台阶（3）内壁。
2.根据权利要求1所述的用于旋印电解加工的多窗口回转体工具电极制备方法，其特征在于：
上述步骤2中导电涂层（4）通过涂覆导电胶或化学镀方式制备，导电涂层（4）保证与3D打印光敏树脂材料基体（1）和后续电化学沉积金属导电层（5）结合强度较大，保证金属导电层（5）不易脱落。
3.根据权利要求1所述的用于旋印电解加工的多窗口回转体工具电极制备方法，其特征在于：
上述步骤4中电化学沉积金属导电层（5）为铜或镍材料，金属导电层（5）厚度必须承载流过电流。
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