CN114959802A - 一种摩擦辅助电化学沉积技术的优化装置及其优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种摩擦辅助电化学沉积技术的优化装置及其优化方法，优化装置包括：环形压力板、阴极、电铸槽、阳极、游离粒子，环形压力板放置于游离粒子区域上方，阴极沉积工作面与游离粒子紧贴，阳极与游离粒子紧贴，整个电沉积部分置于电铸槽内并浸没于电铸液中，本发明涉及电铸领域，通过对游离粒子加压实现对摩擦辅助电化学沉积技术的优化，另外还公开了一种对摩擦辅助加压作用的质量预测和评估的优化方法，改善了摩擦辅助电化学沉积技术的现有缺陷，进一步提高了摩擦辅助技术的电铸质量。

Description

一种摩擦辅助电化学沉积技术的优化装置及其优化方法

技术领域

本发明属于电铸技术领域，尤其涉及一种摩擦辅助电化学沉积技术的优化装置及其优化方法。

背景技术

摩擦辅助电化学沉积技术是以研磨块或硬质微粒如陶瓷球、玻璃球等为摩擦介质，在旋转机构或平动机构的带动下，紧贴阴极面做复杂运动(自转、滑动、震荡等)，借助机械研磨和摩擦挤压作用整平沉积层的一种技术。由于其具有独特的工艺优势，在各种需要进行复杂回转体零件电铸的领域具有广阔的应用前景。

摩擦辅助电沉积技术诞生十余年以来，该项技术并没有实质的纵向拓展。在许多对电铸质量要求非常高的场合，现有的摩擦辅助电化学沉积技术在垂直空间上对电铸质量的影响差异展现出明显的缺陷性，该项技术亟需进行优化以弥补当前的不足。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种摩擦辅助电化学沉积技术的优化装置，能够显著改善摩擦辅助电化学沉积技术的现有缺陷，同时提供了一种摩擦辅助电化学沉积技术的优化方法，该方法通过构造数学模型来对施加压力板前后摩擦辅助的作用质量进行评估和预测以提供优化思路。

本发明的技术方案如下：

一种摩擦辅助电化学沉积技术的优化装置，包括电铸槽、环形压力板、阴极、阳极和游离粒子区域，所述游离粒子区域为两侧端相连的带状区域，所述游离粒子区域围绕阴极设置，所述阳极围绕所述游离粒子区域设置，所述环形压力板覆盖于所述游离粒子区域上方，所述电铸槽内装有电铸液，所述环形压力板、阳极、游离粒子区域和所述阴极皆浸没于所述电铸液内；

所述阴极的侧面为沉积工作面，所述游离粒子区域的内周与所述阴极的沉积工作面紧靠设置；所述阳极的内周与所述游离粒子区域的外周紧靠设置。

进一步地，所述环形压力板为环形带状，环形带状的所述环形压力板的底面覆盖所述游离粒子区域的上表面，所述环形压力板的底面与所述游离粒子区域的上表面的表面积大小相等。

进一步地，所述环形压力板由不与所述电铸液产生化学反应的绝缘材料制成。

一种摩擦辅助电化学沉积技术的优化方法，包括如下步骤：

S1：开始执行；

S2：设定加压值；

S3：分析应力状态，得到边界条件；

S4：计算任意一点的单位面积的摩擦力，构造上下界摩擦力之比模型；

S5：判断比值是否满足期望要求，若否，则返回S2；若是，则进入下一步；

S6：得到合适的加压值，使得电铸质量达到最优；

S7：利摩擦辅助电化学沉积技术的作用效果进行评估。

进一步地，所述S2中，设定加压值时，通过计算单位面积的受压值，可折算出所需要给予的压力初始值。

进一步地，所述述S3中，通过采用应力单元法或整体分析得到边界条件。

进一步地，所述S4中，摩擦力求解方程通过公式法、有限元方程或离散元分析求解得出。

进一步地，当使用公式法求解时，游离粒子为一个整体，整体的物理、机械性能具体数值通过实验法或仿真法求出。

进一步地，所述S7中，评估方法包括：首先分析阴极外表面上任一点的应力状态，由广义胡克定律和边界条件得到任一点的阴极外表面法线方向应力，阴极外表面法线方向应力通过公式一计算，所述公式一表示为：

然后，采用莫彩丽计算公式得到加油后的游离粒子与阴极之间的摩擦力方程，所述摩擦力方程通过公式二计算，所述公式二表示为：

进而得到表征阴极上下界表面摩擦力比值关系，表征阴极上下界表面摩擦力比值关系通过公式三表示，所述公式三表示为：

最后，由公式四得知，通过增大压力板施加的压力值以及减小游离粒子直径与阴极高度之比，从而明显改善阴极摩擦辅助电化学沉积的作用效果，所述公式四具体表示为：

其中，C_u(F,l,d)(coefficient ofuniformity)为与压力值F、游离粒子直径d和阴极高度l有关的不均匀系数函数表达式，函数值一般大于1，愈接近于1，表明摩擦力分布愈均匀。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：优化了摩擦辅助电化学沉积时阴极表面垂直方向上的摩擦力分布情况，铸层均匀性得到明显改善，摩擦辅助电铸质量进一步提升。

附图说明

图1为本发明一种摩擦辅助电化学沉积技术的优化装置的结构示意图；

图2为本发明一种摩擦辅助电化学沉积技术的优化装置压力板局部细节结构图；

图3为本发明一种摩擦辅助电化学沉积技术的优化方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明一种摩擦辅助电化学沉积技术的优化装置及其优化方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果，因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

实施例1：

如图1和2所示，一种摩擦辅助电化学沉积技术的优化装置包括电铸槽3、环形压力板1、阴极2、阳极4和游离粒子区域5，电铸槽3内装满电铸液，整个装置浸没于电铸液中。其中，阴极2设置于电铸槽中部，阴极2的外周为沉积工作面，游离粒子区域5为带状区域，其左右两端相连，围绕阴极2并紧靠沉积工作面设置，阳极4围绕游离粒子区域5并紧靠设置。环形压力板1为环形带状环形压力板，由不与电铸液产生化学反应的绝缘材料制成，覆盖在游离粒子区域5上方，环形压力板1为带通孔的圆盘结构，其圆盘区域刚好完整覆盖游离粒子区域5上方，圆盘面积与游离粒子区域5的上表面大小相同，不触碰到阳极4和阴极2，之间的间隙大小不超过游离粒子的直径。

值得一提的是，环形压力板1加压方式不限，所施压力通过环形压力板1能均匀传递给游离离子区域5即可，施加压力上限至不间接损伤所述阴极2的沉积表面即可。

在本发明的实施例一里，电铸槽3外电流通过导线将阴极2与阳极4导通，槽内通过电铸液中的离子进行传递构成闭合回路。工作时，阴极2通过电机主轴控制在电铸槽3内进行回转或平动运动，电铸槽3内放置的游离粒子区域5与阴极2紧贴，发生挤压和刮擦，去除阴极2电铸过程中的表面缺陷，从而提高阴极2表面的电铸质量。工作过程中，对游离粒子进行加压以均衡阴极2表面垂直空间上的摩擦力分布不均现象，通过在游离粒子上方区域放置环形压力板1或者其它加压方式，实现对游离粒子的加压处理。

实施例2

如图3所示，一种摩擦辅助电化学沉积技术的优化方法，该方法可适用于对摩擦辅助电化学沉积时的加压优化情况，该方法可由摩擦辅助电化学沉积技术的优化装置来执行，具体包括如下步骤：

步骤201：开始执行；

步骤202：设定加压值时，加压方式不局限于采取放置压力板一种手段，通过计算单位面积的受压值，可折算出不同加压方式所需要给予的压力初始值。

步骤203：分析应力状态时，可选择采用应力单元体法或整体分析。

步骤204：摩擦力求解方程可由公式法得出，也可用有限元分析或者离散元分析求解。公式法求解时，需将游离粒子看成一个整体，整体的物理、机械性能具体数值需要通过实验法或者仿真法求出。

步骤205：判断比值是否符合期望要求。

步骤206：得到合适的加压值，使得电铸质量达到整体最优。

实施例3

利用数学模型预测并评估摩擦辅助电化学沉积技术的作用效果。

紧贴着阴极外表面上任取一单元体进行受力分析可得：

未加入电铸液时：

εx＝εy＝0

根据广义胡克定律

可得

深x处单位面积阴极表面摩擦力

其中，F为压力板重力，ρ为游离粒子整体等效密度，E为游离粒子整体等效弹性模量，ν游离粒子整体等效泊松比，g为重力加速度，x为与压力板下表面的距离，A为游离粒子区域水平面积，μ’为游离粒子与阴极表面摩擦系数。

加入电铸液后：

其中ρ液为电铸液密度，μ为加入电铸液后游离粒子与阴极表面摩擦系数。

进而得到表征阴极上下界表面摩擦力比值关系，如式(3)所示；

由公式(2)可知，采用压力板加压优化手段后，游离粒子区域5上下界与阴极表面摩擦力比值从

缩小到

(其中d为游离粒子直径，l为阴极高度)，成功使顶部摩擦力达到正常工作水平并缩小了上下界摩擦力之差，达到最终优化目的。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种摩擦辅助电化学沉积技术的优化装置，其特征在于，包括电铸槽、环形压力板、阴极、阳极和游离粒子区域，所述游离粒子区域为两侧端相连的带状区域，所述游离粒子区域围绕阴极设置，所述阳极围绕所述游离粒子区域设置，所述环形压力板覆盖于所述游离粒子区域上方，所述电铸槽内装有电铸液，所述环形压力板、阳极、游离粒子区域和所述阴极皆浸没于所述电铸液内；

所述阴极的侧面为沉积工作面，所述游离粒子区域的内周与所述阴极的沉积工作面紧靠设置；所述阳极的内周与所述游离粒子区域的外周紧靠设置。

2.根据权利要求1所述的摩擦辅助电化学沉积技术的优化装置，其特征在于，所述环形压力板为环形带状，环形带状的所述环形压力板的底面覆盖所述游离粒子区域的上表面，所述环形压力板的底面与所述游离粒子区域的上表面的表面积大小相等。

3.根据权利要求2所述的摩擦辅助电化学沉积技术的优化装置，其特征在于，所述环形压力板由不与所述电铸液产生化学反应的绝缘材料制成。

4.一种摩擦辅助电化学沉积技术的优化方法，使用如权利要求1-3中任意一项所述的摩擦辅助电化学沉积技术的优化装置，其特征在于，包括如下步骤：

S1：开始执行；

S2：设定加压值；

S3：分析应力状态，得到边界条件；

S4：计算任意一点的单位面积的摩擦力，构造上下界摩擦力之比模型；

S5：判断比值是否满足期望要求，若否，则返回S2；若是，则进入下一步；

S6：得到合适的加压值，使得电铸质量达到最优；

S7：利摩擦辅助电化学沉积技术的作用效果进行评估。

5.根据权利要求4所述的摩擦辅助电化学沉积技术的优化方法，其特征在于，所述S2中，设定加压值时，通过计算单位面积的受压值，折算出所需要给予的压力初始值。

6.根据权利要求4所述的摩擦辅助电化学沉积技术的优化方法，其特征在于，所述S3中，通过采用应力单元法或整体分析得到边界条件。

7.根据权利要求4所述的摩擦辅助电化学沉积技术的优化方法，其特征在于，所述S4中，摩擦力求解方程通过公式法、有限元方程或离散元分析求解得出。

8.根据权利要求7所述的摩擦辅助电化学沉积技术的优化方法，其特征在于，当使用公式法求解时，游离粒子为一个整体，所述游离粒子的物理、机械性能具体数值通过实验法或仿真法求出。

9.根据权利要求4所述的摩擦辅助电化学沉积技术的优化方法，其特征在于，所述S7中，评估方法包括：首先分析阴极外表面上任一点的应力状态，由广义胡克定律和边界条件得到任一点的阴极外表面法线方向应力，阴极外表面法线方向应力通过公式一计算，所述公式一表示为：

然后，采用莫彩丽计算公式得到加油后的游离粒子与阴极之间的摩擦力方程，所述摩擦力方程通过公式二计算，所述公式二表示为：

进而得到表征阴极上下界表面摩擦力比值关系，表征阴极上下界表面摩擦力比值关系通过公式三表示，所述公式三表示为：

最后，由公式四得知，通过增大压力板施加的压力值以及减小游离粒子直径与阴极高度之比，从而明显改善阴极摩擦辅助电化学沉积的作用效果，所述公式四表示为：

其中，C_u(F,l,d)(coefficient of uniformity)为与压力值F、游离粒子直径d和阴极高度l有关的不均匀系数函数表达式。

Images