CN105648491A - 一种电化学加工三维金属微结构的***与方法 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开一种电化学加工三维金属微结构的***与方法，属于微细特种加工领域。该***包括电沉积子***、电解子***和导电基底。电沉积子***包括喷头和电沉积电源。电解子***包括阴极（横梁阴极、左侧阴极和右侧阴极）和电解加工电源。电沉积电源负极和电解加工电源正极都连接于导电基底，电沉积电源正极与喷头连接，电解加工电源负极与阴极连接。基于该***，先通过射流电沉积加工在基底上沉积出一层金属，再用阴极对已沉积金属表面进行电化学溶解加工，以去除其表面积瘤、毛刺等缺陷，接着再沉积金属，然后对新金属层电解加工……如此交替进行，直到达到加工要求。本发明结构简单，操作容易，成本低，能较好地解决射流沉积层存在的问题。

Description

一种电化学加工三维金属微结构的***与方法

技术领域

本发明涉及一种电化学加工***及方法，尤其涉及一种用于三维金属微结构电化学加工的***及方法。

背景技术

电沉积是一种基于电化学沉积原理实施金属层/件制备的特种工艺技术，在工业领域有十分广泛的应用。射流电沉积是一种特殊形式的电沉积工艺。它是将含有金属离子的电解液以高速射流的形式，进行区域选择性电沉积的加工技术。射流电沉积技术具有沉积速度快、操作自由度大等工艺优势，在某些应用领域受到关注与重视，尤其在三维金属件快速制造领域。但射流电沉积技术由于自身固有的特性，使得它不可避免地存在沉积区域电场和流场分布不均现象，导致沉积层普遍出现厚度分布不均匀、表面凹凸不平、积瘤和毛刺等问题。常用的解决方法是反复中断电沉积过程，采用二次加工的方法，通过机械加工去除表面积瘤和毛刺，抛光后进行二次沉积来维持电沉积的持续进行。

为了克服以上缺点，专利号为CN101994137A的发明专利也公布了一种回转体零件的高速射流喷射电铸加工方法及装置。该专利通过磨削的方法来在线去除射流电沉积过程中所产生的积瘤和毛刺等缺陷，在一定程度上提高了射流电沉积的加工精度。但该专利所涉及的方法与装置对于非回转体零件和微细金属零件的加工，其适用性面临巨大挑战。因此，本发明提出一种针对三维金属微结构精密加工的新的电化学加工***与方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是针对现有的射流电沉积方法难以连续加工出表面平整、组织致密、精度高的三维金属微结构的不足，提出一种电化学加工三维金属微结构的***与方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种电化学加工三维金属微结构的***，其特征在于：它包括电沉积子***、电解子***、导电基底和电解液层，所述的电沉积子***包括喷头和电沉积电源，所述的电沉积电源的负极与导电基底连接，电沉积电源的正极与喷头连接，所述的喷头与所述的导电基底正对设置，所述的电解子***包括阴极和电解加工电源，所述的阴极包括横梁阴极、左侧阴极和右侧阴极，所述的左侧阴极和右侧阴极设置在横梁阴极上，所述的阴极与导电基底正对设置，左侧阴极的内侧面与右侧阴极的内侧面平行并均与横梁阴极垂直，所述的电解加工电源的正极与导电基底连接，所述的电解加工电源的负极与阴极连接，所述的电解液层覆盖在导电基底上。

所述的电沉积子***还包括喷头座，所述的喷头固定在喷头座上且喷头座电绝缘。

所述的横梁阴极可移动地设置在喷头座上。

所述的左侧阴极和右侧阴极之间的距离可调。

所述的横梁阴极下表面为平面，且横梁阴极上设置有偶数个安装孔，优选地为4个或6个或8个或10个，且所述的安装孔以其中心对称设置，所述的左侧阴极和右侧阴极安装在不同的安装孔内。

所述的左侧阴极和右侧阴极垂直地设置在所述的横梁阴极上。

所述的左侧阴极和右侧阴极均平行于喷头的轴线。

一种电化学加工三维金属微结构的加工方法，它包括以下步骤：

S1、调整喷头相对于导电基底的高度为5mm～10mm，打开喷头的开关，让由喷头喷出的电液束垂直于导电基底；

S2、接通电沉积电源的同时，使喷头按设计轨迹相对于导电基底作扫描运动，在电场的作用下在导电基底上电沉积出一层金属，当喷头扫描到设计轨迹终点时，断开电沉积电源，并使喷头退出加工区；

S3、分别调整横梁阴极、左侧阴极、右侧阴极与步骤S2电沉积的金属层之间的距离，使横梁阴极下表面距离步骤S2电沉积的金属层上表面的距离为0.1～0.9mm、左侧阴极的内侧面、右侧阴极的内侧面分别距离步骤S2电沉积的金属层两侧壁的距离均为0.1～0.9mm，降低导电基底，使步骤S2电沉积的金属层完全浸没于电解液层中；

S4、接通电解加工电源，使阴极沿步骤S2给定的设计轨迹作扫描运动，对步骤S2中电沉积的金属层上表面和两侧壁作腐蚀溶解加工，当阴极运行位置超过步骤S2中沉积的金属层时，停止扫描运动，同时断开电解加工电源；

S5、升高导电基底，让步骤S4电解加工的金属层上表面完全露出电解液层；

S6、依次按步骤S1、S2、S3、S4、S5重复进行电化学加工，直到所加工的零件达到所要求的高度时结束所有操作。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、结构简单，易于实现，成本低。只需在常规射流电沉积***附加结构简单的用于电解整平加工的电解电极及电解加工电源，就能较好地解决射流电沉积件/层所存在的问题，工艺成本低。

2、加工精度高，表面质量好。相对于常规射流电沉积加工，增加了实时的电解整平加工步骤，这样，能及时消除电沉积步骤形成的多种沉积缺陷，进而提高电沉积件/层的加工精度与表面质量，同时为后续沉积步骤提供了较好的基础条件，避免了负面效应的累积。

附图说明

图1是本发明一种电化学加工三维金属微结构的***的装配图。

图中标号及名称：1、导电基底2、电液束3、喷头4、电沉积电源5、喷头座6、方槽7、横梁阴极8、左侧阴极9、安装孔10、阴极11、电解加工电源12、内侧面13、右侧阴极14、内侧面15、电解液层。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明专利的实施作进一步的描述。

一种电化学加工三维金属微结构的***，其特征在于：它包括电沉积子***、电解子***、材质为不锈钢SUS304的导电基底1和含氨基磺酸镍(350g/L)、氯化镍(10g/L)、硼酸(40g/L)的电解液层15，电沉积子***包括不锈钢SUS304材质的喷头3和电沉积电源4，电沉积电源4的负极与导电基底1连接，电沉积电源4的正极与喷头3连接，且喷头3与导电基底1正对设置，电解子***包括阴极10和电解加工电源11，阴极10包括横梁阴极7、左侧阴极8和右侧阴极13，左侧阴极8和右侧阴极13设置在横梁阴极7上，阴极10与导电基底1正对设置，左侧阴极8的内侧面12与右侧阴极13的内侧面14平行并均与横梁阴极7垂直，电解加工电源11的正极与导电基底1连接，电解加工电源11的负极与阴极10连接，电解液层15覆盖在导电基底1上。横梁阴极7、左侧阴极8和右侧阴极13均为金属铂。

电沉积子***还包括电绝缘材料聚丙烯制成的喷头座5，喷头3同轴固定在喷头座5上。

横梁阴极7通过紧定螺钉固定联接于喷头座4的方槽6中且可根据需要调整它在方槽6中的位置。

横梁阴极7下表面为平面，且横梁阴极7的下端设置有偶数个安装孔9，安装孔9的个数为6个，且安装孔9以其中心对称设置，左侧阴极8和右侧阴极13安装在不同的安装孔9内。

左侧阴极8和右侧阴极13垂直地安设横梁阴极7上，通过安设于不同的安装孔9来调节它们之间的距离。

左侧阴极8和右侧阴极13均平行于喷头3的轴线。

一种电化学加工三维金属微结构的加工方法，它包括以下步骤：

S1、调整喷头3相对于导电基底1的高度为10mm，打开喷头3的开关，让由喷头3喷出的电液束2垂直于导电基底1；

S2、接通电沉积电源4的同时（此时喷头3为阳极，导电基底1为阴极），使喷头3按设计轨迹相对于导电基底1作扫描运动，在电场的作用下电液束2中的镍离子便还原成金属镍原子并沉积在带负电的在导电基底1，形成一层镍材质的金属层，当喷头3扫描到设计轨迹终点时，断开电沉积电源4，并使喷头3退出加工区，此时电沉积过程停止；

S3、分别调整横梁阴极7、左侧阴极8和右侧阴极13与步骤S2电沉积的镍材质金属层之间的距离，使横梁阴极7的下表面距离步骤S2电沉积的镍材质金属层上表面的距离为0.2mm、左侧阴极8的内侧面12和右侧阴极13的内侧面14分别距离步骤S2电沉积的镍材质金属层两侧壁的距离均为0.2mm，降低导电基底1，使步骤S2电沉积的镍材质金属层完全浸没于电解液层15中，这样为后续步骤S4的电化学溶解步骤创造必要的加工间隙与电解液环境；

S4、接通电解加工电源11（此时横梁阴极7、左侧阴极8、右侧阴极13均带负电，为阴极，而步骤S2电沉积的镍材质金属层带正电，为阳极），使喷头3沿步骤S2给定的设计轨迹自终点反向作扫描运动，与此同时，步骤S2电沉积的镍材质金属层的上表面和两侧壁在电化学的作用下依次不断地被溶解去除一部分金属，根据电化学溶解原理，突起部分的溶解去除速度更快，使得步骤S2电沉积的镍材质金属层表面形成的积瘤和凹凸不平缺陷被去除，步骤S2电沉积的镍材质金属层表面更加光整，从而为后续的电沉积步骤提供更好的表面条件；当横梁阴极7刚超过设计轨迹的起点时，停止扫描运动，同时断开电解加工电源11，此时电化学溶解过程终止；

S5、升高导电基底1，让步骤S4电解加工的镍材质金属层上表面完全露出电解液层15；

S6、依次按步骤S1、S2、S3、S4、S5、重复进行电化学加工，直到所加工的零件达到所要求的高度时结束所有操作。经如此方式操作（电沉积-电化学溶解交替反复进行），电化学加工制备出来的金属微结构零件精度与表面质量都比较理想。

Claims (10)

1.一种电化学加工三维金属微结构的***，其特征在于：它包括电沉积子***、电解子***、导电基底（1）和电解液层（15），所述的电沉积子***包括喷头（3）和电沉积电源（4），所述的电沉积电源（4）的负极与导电基底（1）连接，所述的电沉积电源（4）的正极与喷头（3）连接，所述的喷头（3）与所述的导电基底（1）正对设置，所述的电解子***包括阴极（10）和电解加工电源（11），所述的阴极（10）包括横梁阴极（7）、左侧阴极（8）和右侧阴极（13），所述的左侧阴极（8）和右侧阴极（13）设置在横梁阴极（7）上，所述的阴极（10）与导电基底（1）正对设置，所述的左侧阴极（8）的内侧面（12）与右侧阴极（13）的内侧面（14）平行并均与横梁阴极（7）垂直，所述的电解加工电源（11）的正极与导电基底（1）连接，所述的电解加工电源（11）的负极与阴极（10）连接，所述的电解液层（15）覆盖在导电基底（1）上。

2.根据权利要求1所述的一种电化学加工三维金属微结构的***，其特征在于：所述的电沉积子***还包括喷头座（5），所述的喷头（3）同轴固定在喷头座（5）上且喷头座（5）电绝缘。

3.根据权利要求2所述的一种电化学加工三维金属微结构的***，其特征在于：所述的横梁阴极（7）可移动地设置在喷头座（5）上。

4.根据权利要求1所述的一种电化学加工三维金属微结构的***，其特征在于：所述的左侧阴极（8）和右侧阴极（13）之间的距离可调。

5.根据权利要求1或4所述的一种电化学加工三维金属微结构的***，其特征在于：所述的横梁阴极（7）下表面为平面，且横梁阴极（7）上设置有偶数个安装孔（9），所述的安装孔（9）以横梁阴极（7）的中心对称设置，所述的左侧阴极（8）和右侧阴极（13）安装在不同的安装孔（9）内。

6.根据权利要求1所述的一种电化学加工三维金属微结构的***，其特征在于：所述的左侧阴极（8）和右侧阴极（13）垂直地设置于所述的横梁阴极（7）上。

7.根据权利要求1所述的一种电化学加工三维金属微结构的***，其特征在于：所述的左侧阴极（8）和右侧阴极（13）均平行于喷头（3）的轴线。

8.一种电化学加工三维金属微结构的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、调整喷头（3）相对于导电基底（1）的高度，打开喷头（3）的开关，让由喷头（3）喷出的电液束（2）垂直喷射到导电基底（1）；

S2、接通电沉积电源（4），使喷头（3）按设定轨迹相对于导电基底（1）作扫描运动，在电场的作用下在导电基底（1）上电沉积出一层金属，当喷头（3）扫描到设计轨迹终点时，断开电沉积电源（4），并使喷头（3）退出加工区；

S3、分别调整横梁阴极（7）、左侧阴极（8）、右侧阴极（13）与步骤S2中电沉积的金属层之间的距离，并降低导电基底（1），使步骤S2中电沉积的金属层完全浸没于电解液层（15）中；

S4、接通电解加工电源（11），使阴极（10）沿步骤S2给定的设计轨迹作扫描运动，对步骤S2中电沉积的金属层上表面和两侧壁作腐蚀溶解加工，当阴极运行位置超过步骤S2中沉积的金属层时，停止扫描运动，同时断开电解加工电源（11）；

S5、升高导电基底（1），让步骤S4电解加工的金属层上表面完全露出电解液层（15）；

S6、依次按照步骤S1、S2、S3、S4、S5重复进行电化学加工，直到所加工的零件达到所要求的高度时结束所有操作。

9.根据权利要求8所述的一种电化学加工三维金属微结构的方法，其特征在于：所述的步骤S1中喷头（3）相对于导电基底（1）的高度为5mm～10mm。

10.根据权利要求8所述的一种电化学加工三维金属微结构的方法，其特征在于：所述的步骤S3中横梁阴极（7）下表面距离步骤S2中电沉积的金属层上表面的距离为0.1～0.9mm、左侧阴极（8）的内侧面（12）、右侧阴极（13）的内侧面（14）分别距离步骤S2中电沉积的金属层两侧壁的距离均为0.1～0.9mm。