TWI759689B - 電化學噴嘴 - Google Patents
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Abstract
一種電化學噴嘴,適用於對一工件進行加工,該工件具有一第一電極。電化學噴嘴包含一殼體及至少一第二電極。殼體呈柱狀並包括一底面、一相反於該底面的頂面、一連接該底面及該頂面的外周面、一自該底面凹陷形成的凹室及一自該頂面凹陷形成並連通該凹室的通道。該通道具有一鄰近該頂面的輸入段及一自該輸入段朝該底面延伸並連通該凹室的漸縮段,該漸縮段的寬度由該輸入段朝該凹室漸減。第二電極設置於該凹室內且與該第一電極相間隔。
Description
本發明是有關於一種噴嘴,特別是指一種電化學噴嘴。
傳統的快速成型技術對非金屬(如紙、尼龍、ABS塑料等)的製程具有很大優勢,但是在金屬的工業應用中受到一定的限制。噴射電沉積技術是近年來發展起來的一種電鍍新製程,具有選擇性及沉積速度快的優點,可以直接沉積所需形狀並可對大型零件實施局部電鍍,例如可用於磨損或損傷部位的修復,以及盲孔、深孔內的鍍覆,對金屬的表面製程具有很大的優勢。噴射電沉積製作表面鍍層具有過程簡單、製程靈活、易於控制、反應條件溫和、很容易由實驗室向工業現場轉變的優點,而使原料變成隨意的三維結構,更是其優勢所在。通過控制製程和噴嘴的結構參數,也可以調控表面的微觀形貌。噴嘴是噴射電沉積裝置的執行元件,作用是讓一定壓力的溶液通過收縮的型腔,從而達到加速液體的目的。噴嘴型腔結構會對兩極之間的流場分布產生影響,形成不均勻的間隙分布,從而影響鍍層的表面品質,意即加工品質的好壞與噴嘴型腔結構的好壞高度相關。參閱圖1及圖2,習知的噴嘴包含有具有漸縮段之噴嘴管路,還有位於漸縮段上方的管路中的工作電極(圖未示),另一電極則是位於工件上。習知的噴嘴雖有加速電解液與集中加工區域的優點,但是流體加速後在加工區域也提高了剪切應力,對於電鍍或是電蝕刻在大面積加工時都有效率降低且不易均勻的負面影響;另外,習知的電場配置在流體區域的電場分佈不均勻,以至於很難形成厚度均勻的鍍層。因此,現有的噴嘴仍有改良的空間。
因此,本發明之目的,即在提供一種能提升工作效率且使鍍層厚度較為均勻的電化學噴嘴。
本發明電化學噴嘴適用於對一工件進行加工,該工件具有一第一電極,包含一殼體,呈柱狀並包括一底面、一相反於該底面的頂面、一連接該底面及該頂面的外周面、一自該底面凹陷形成的凹室及一自該頂面凹陷形成並連通該凹室的通道,該通道具有一鄰近該頂面的輸入段及一自該輸入段朝該底面延伸並連通該凹室的漸縮段,該漸縮段的寬度由該輸入段朝該凹室漸減;及至少一第二電極,設置於該凹室內且與該第一電極相間隔。
在一些實施態樣中,該電化學噴嘴包含兩個第二電極,該等第二電極平行於該第一電極。
在一些實施態樣中,該通道的該漸縮段具有一連通該凹室的出液口,該殼體具有一對自該底面向上延伸的內側壁面及一對分別與該內側壁面垂直並位於該出液口兩側的內頂壁面,該對內頂壁面及該對內側壁面界定出該凹室,該等第二電極設置於該內頂壁面且被該出液口分隔開。
在一些實施態樣中,該殼體還具有一對自該外周面與該底面交界處凹陷形成的排液口,該對排液口分別沿著該底面相向延伸且連通該凹室。
本發明至少具有以下功效:藉由該凹室的設計,電解液在經過該通道的漸縮段加速後由該出液口進入該凹室,會因為該凹室的緩衝效果,減緩該第一電極加工區域的速度變化,使流速更均勻,有助於形成組織一致的加工表面,並可增加加工的面積,提升工作效率。再者,藉由將該第二電極設置於該凹室內,使該第一電極與該第二電極之間的電場強度更加均勻,使得在該工件上形成的鍍層厚度或蝕刻深度較為一致。
參閱圖3至圖5,本發明電化學噴嘴10之一第一實施例,適用於對一工件1進行電鍍或是電蝕刻加工,該工件1具有一第一電極11。該電化學噴嘴10包含一殼體2及兩個第二電極3。本實施例是以電鍍加工為例進行說明,因此第一電極11為陰極,第二電極3為陽極。而如果是進行電蝕刻加工,則第一電極11為陽極,第二電極3為陰極。
再搭配參閱圖6及圖7,殼體2大致呈圓柱狀,但不以此為限。殼體2包括一底面21、一相反於該底面21的頂面22、一連接該底面21及該頂面22的外周面23、一自該底面21凹陷形成的凹室24及一自該頂面22凹陷形成並連通該凹室24的通道25、一對自該底面21向上延伸的內側壁面26及一對分別與該內側壁面26垂直的內頂壁面27及一對自該外周面23與該底面21交界處凹陷形成的排液口28。該通道25具有一鄰近該頂面22的輸入段251及一自該輸入段251朝該底面21延伸並連通該凹室24的漸縮段252,該漸縮段252的寬度由該輸入段251朝該凹室24漸減。該漸縮段252具有一連通該凹室24呈長方形的出液口253。該對內頂壁面27位於該出液口253兩側,該對內頂壁面27及該對內側壁面26界定出該凹室24。該等第二電極3可例如為薄型銅板,是由殼體2的外周面23貫穿的方式設置於該殼體2並抵靠該內頂壁面27,而且被該出液口253分隔開。在進行電鍍作業時,電解液是由該通道25進入噴嘴10,經由該出液口253進入該凹室24,最後經由該對排液口28排出該噴嘴10。其中,該出液口253的寬度為A,該凹室24的寬度為B,該凹室24的高度為C,該排液口28的高度為D,在本實施例中,該出液口253的寬度A為2mm,該凹室24的寬度B為20mm,該凹室24的高度C為10mm,該排液口28的高度D為2mm,但並不以此為限。在其他實施例中,該凹室24的高度C也可以為其他數值,較佳是介於2mm~10mm之間。
需要說明的是,在其他實施例中,殼體2的排液口28是可以省略的。參閱圖8至圖10,本發明電化學噴嘴10之一第二實施例與該第一實施例類似,其差異在於該第二實施例不具有排液口28以及外周面23的下半部呈斜切面,凹室24的寬度 B相對於該第一實施例較長,而加工時底面21並未直接接觸工件之間而具有一間距d,供電解液排出該噴嘴10。
參閱圖11及圖12,圖11為C=0mm、C=2mm、C=5mm及C=10mm等不同高度的條件下,位於第一電極11上方0.2mm處的電解液水平速度與X的分布關係圖,其中X代表與該凹室24中心點的距離。其中,C=0mm的條件即為習知的噴嘴結構,C=2mm、C=5mm及C=10mm即為本發明的改良結構,由圖中能夠看出,藉由該凹室24的緩衝效果,能夠減緩該第一電極11沉積區域的速度變化,使流速更為均勻並能降低剪切應力,有助於增加鍍層組織的均勻性和緻密性,其中以C=10的條件最佳。圖12則是C=0mm、C=2mm、C=5mm及C=10mm等不同高度的條件下,位於第一電極11上方0.2mm處的電解液壓力與X的分布關係圖,由圖中能夠看出,藉由該凹室24的緩衝效果,同樣能夠減緩該第一電極11沉積區域的壓力變化,同樣能夠降低剪切應力而有助於增加鍍層組織的緻密性。
再參閱圖13A至圖13D,其分別為C=0mm、C=2mm、C=5mm及C=10mm等不同高度的條件下,在 0-5s 時間內該第一電極11上的鍍層厚度的分布圖,其中X代表與該凹室24中心點的距離。其中,C=0mm的條件即為習知的噴嘴結構,C=2mm、C=5mm及C=10mm即為本發明的改良結構,由圖中能看出,習知的噴嘴因為陽極設置於噴嘴管路中,且不具有凹室24,電解液經由狹小的出口流出噴嘴10後直接在陰極沉積,陽極、陰極之間的電場會受到電解液流場的作用,使得陰極處的電流強度疏密不等,鍍層厚度變化劇烈,如圖13A所示。而本發明藉由將該第二電極3設置於該凹室24內並與該第一電極11平行,使該第二電極3與該第一電極11之間的電場強度更加均勻,有助於在該第一電極11形成厚度較為一致的鍍層,如圖13B至圖13D所示。再者,由於習知噴嘴的陽極距離陰極較遠,在同樣電流密度下的電場較小,因此同時間在陰極的鍍層厚度遠小於本發明的電化學噴嘴10在陰極的鍍層厚度。
參閱圖14A至圖14C,其分別為C=0mm、C=5mm及C=10mm等不同高度的條件下,該第一電極11上形成的鍍層微觀結構形貌。其中,C=0mm的條件即為習知的噴嘴結構,C=2mm、C=5mm及C=10mm即為本發明的改良結構,由圖中可得知,藉由該凹室24的設計,如前述能有助於鍍層的組織的均勻性和緻密性,圖14B及圖14C中呈現的鍍層微觀結構形貌便相較於圖14A所呈現的鍍層微觀結構形貌更為細緻。
若有需要於電解液中添加惰性粒子進行複合性電沉積作業,本發明電化學噴嘴10同樣優於習知的噴嘴。參閱圖15A至圖15D,其分別為C=0mm、C=2mm、C=5mm及C=10mm等不同高度的條件下,經過5秒後惰性粒子顆粒路徑追蹤下的顆粒位置。其中,C=0mm的條件即為習知的噴嘴結構,C=2、C=5及C=10即為本發明的改良結構,由圖中可得知,藉由該凹室24的設計,出現在陰電極範圍(0-0.01m)共鍍顆粒數量的比例(見圖15B至圖15D)相較於習知噴嘴10的結果(見圖15A)有明顯的增加且顆粒速度也較小,此處也仍在凹室24的電場範圍內,使得惰性粒子較容易共沉積在工件1表面。而習知的噴嘴因不具有該凹室24,在陰極處由於高速液流的衝擊,不利於惰性粒子在鍍層中的共沉積。
綜上所述,本發明電化學噴嘴10藉由該凹室24的設計,電解液在經過該通道25的漸縮段252加速後由該出液口253進入該凹室24,會因為該凹室24的緩衝效果,減緩該第一電極11沉積區域的速度變化及壓力變化,使流速更均勻,能夠降低剪切應力而有助於增加鍍層組織的緻密性,並因為該凹室24的空間大於該出液口253而能夠增加電鍍作業的面積,提升工作效率。再者,藉由將該第二電極3設置於該凹室24內且平行於該第一電極11,使該第一電極11與該第二電極3之間的電場強度更加均勻,使得在該工件1上形成的鍍層厚度較為一致,故確實能達成本發明之目的。且該凹室的設計和第二電極的佈置有利於惰性粒子和金屬的共沉積,有助於增加惰性粒子在複合鍍層的含量和提高分佈的均勻性,從而為製備高硬度、高耐磨性、耐蝕性等鍍層方面提供了新的思路。
惟以上所述者,僅為本發明之實施例而已,當不能以此限定本發明實施之範圍,凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾,皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
10:噴嘴
1:工件
11:第一電極
2:殼體
21:底面
22:頂面
23:外周面
24:凹室
25:通道
251:輸入段
252:漸縮段
253:出液口
26:內側壁面
27:內頂壁面
28:排液口
3:第二電極
9:噴嘴
91:管路
92:漸縮段
A:寬度
B:寬度
C:高度
D:高度
d:間距
本發明之其他的特徵及功效,將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現,其中:
圖1是習知電化學噴嘴的一立體圖;
圖2是由圖1的剖線II-II得出的一剖視圖;
圖3是本發明電化學噴嘴的一第一實施例的一立體圖;
圖4是該第一實施例之一俯視圖;
圖5是由圖4的剖線V-V得出的一剖視圖,說明該第一實施例與一工件;
圖6是該第一實施例之一仰視圖;
圖7是由圖4的剖線VII-VII得出的一立體剖開圖;
圖8是本發明電化學噴嘴的一第二實施例的一立體圖;
圖9是該第二實施例之一仰視圖;
圖10是由圖9的剖線X-X得出的一剖視圖,說明該第二實施例與該工件;
圖11是不同凹室高度的條件下,位於該第一電極上方0.2mm處的電解液水平速度與X的分布關係圖;
圖12是不同凹室高度的條件下,位於該第一電極上方0.2mm處的電解液壓力與X的分布關係圖;
圖13A至圖13D是不同凹室高度的條件下,在 0-5s 時間內該第一電極上的鍍層厚度的分布圖;
圖14A至圖14C是不同凹室高度的條件下,該第一電極上形成的鍍層微觀結構形貌顯影圖;及
圖15A至圖15D是不同凹室高度的條件下,經過5秒後惰性粒子顆粒路徑追蹤下的顆粒位置分布圖。
10:噴嘴
1:工件
11:第一電極
2:殼體
21:底面
22:頂面
23:外周面
24:凹室
25:通道
251:輸入段
252:漸縮段
253:出液口
26:內側壁面
27:內頂壁面
28:排液口
3:第二電極
9:噴嘴
91:管路
92:漸縮段
A:寬度
B:寬度
C:高度
D:高度
Claims (4)
- 一種電化學噴嘴,適用於對一工件進行加工,該工件具有一第一電極,該電化學噴嘴包含: 一殼體,呈柱狀並包括一底面、一相反於該底面的頂面、一連接該底面及該頂面的外周面、一自該底面凹陷形成的凹室及一自該頂面凹陷形成並連通該凹室的通道,該通道具有一鄰近該頂面的輸入段及一自該輸入段朝該底面延伸並連通該凹室的漸縮段,該漸縮段的寬度由該輸入段朝該凹室漸減;及 至少一第二電極,設置於該凹室內且與該第一電極相間隔。
- 如請求項1所述的電化學噴嘴,其中,該電化學噴嘴包含兩個第二電極,該等第二電極平行於該第一電極。
- 如請求項2所述的電化學噴嘴,其中,該通道的該漸縮段具有一連通該凹室的出液口,該殼體具有一對自該底面向上延伸的內側壁面及一對分別與該內側壁面垂直並位於該出液口兩側的內頂壁面,該對內頂壁面及該對內側壁面界定出該凹室,該等第二電極設置於該內頂壁面且被該出液口分隔開。
- 如請求項1所述的電化學噴嘴,其中,該殼體還具有一對自該外周面與該底面交界處凹陷形成的排液口,該對排液口分別沿著該底面相向延伸且連通該凹室。
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