碳纖維增強金屬的電鑄製造裝置及工藝的製作方法

2023-06-10 22:27:54

本發明涉及電鑄技術領域，特別涉及碳纖維增強金屬的電鑄製造工藝及裝置。

背景技術：

電鑄技術作為一種精密特種加工方法，利用金屬離子在陰極表面電沉積的原理進行零件的製造，具有複製精度高、重複精度高、適用範圍廣、製品可控性強、生產成本低等特點，廣泛應用於航空宇航、精密模具以及兵器工業。

在傳統電鑄製造技術中還存在一些問題尚未解決。例如電鑄層厚度均勻性較差、容易出現缺陷、力學性能不夠理想。其中，力學性能對電鑄製造技術的發展具有較大影響。為使電鑄的零件滿足力學性能要求，勢必要增大其壁厚，這就導致電鑄時間的延長，進而導致電鑄層厚度均勻性持續變差，電鑄層出現缺陷的可能性也越來越高。

為此，科研人員常使用細化晶粒、磨擦輔助、合金增強、顆粒增強、連續纖維增強方法來提高電鑄層強度。其中，使用連續纖維增強電鑄層的強度的效率最為顯著。因為理論上來說，如果在電鑄層受載方向上有序摻雜大量具有高強度的連續纖維，那麼在電鑄層受到拉伸時，這些高性能的連續纖維能夠比電鑄金屬本身承受高得多的載荷，進而提高整個電鑄層的強度。

與其它增強纖維相比，碳纖維具有更高的強度和比強度以及良好的耐高溫性、耐酸鹼性、耐疲勞性，並且價格便宜，因此碳纖維是一種優異的增強纖維。

市售碳纖維絲線為幾百上千根碳纖維單絲構成的束狀纖維，在電鑄成型過程中，電鑄液難以滲透入束狀纖維內部使每根碳纖維單絲均與電鑄液接觸，導致製得的碳纖維增強電鑄層內部有大量空隙且很多碳纖維單絲處於懸空狀態，未起到增強作用。此外，如何將碳纖維大量、有序的加入電鑄層中，也是一個難題。

技術實現要素：

鑑於此，申請人進行研究及改進，提供一種提高電鑄層強度特別是碳纖維增強電鑄層強度的方法，提供碳纖維柔性受壓條件下的電鑄工藝和裝置，可以製備緻密度高、缺陷少、抗拉強度高的碳纖維增強電鑄層。

為了解決上述問題，本發明採用如下方案：

一種碳纖維增強金屬的電鑄製造裝置，包括電鑄系統及碳纖維纏繞系統；所述電鑄系統包括電鑄液循環過濾系統、電鑄液溫控系統、電鑄電源、安裝於電鑄槽中的帶有旋轉電機的陰極芯模、陽極鎳，所述陰極芯模與電源負極連接，所述陽極鎳與電源正極連接；所述電鑄液循環過濾系統包括連接於電鑄槽與加熱槽之間的第一磁力泵及第二磁力泵，所述第一磁力泵將電鑄液從電鑄槽中抽入加熱槽，第二磁力泵將加熱槽中的電鑄液通過過濾器後抽入電鑄槽；所述電鑄液溫控系統包括置於加熱槽內的熱電偶、加熱絲及電鑄槽外的溫度控制器；所述碳纖維纏繞系統包括儲絲筒、導輥、張緊輥及導向器，碳纖維繞接於導輥、張緊輥及導向器上，碳纖維的兩端分別纏繞於所述儲絲筒及陰極芯模上。

本發明還提供了一種所述碳纖維增強金屬的電鑄製造裝置的製造工藝，包括：

將碳纖維從儲絲筒中抽出，依次繞接在導輥、張緊輥、導向器上，最後與陰極芯模相連；

開啟第一磁力泵、第二磁力泵及各自管路上的閥門，使得電鑄液實現循環過濾；

開啟溫度控制器，控制電鑄液溫度在電鑄全過程保持在43±2℃；

設置旋轉電機的轉速，設置導向器14的移動速度；

開動旋轉電機、導向器、電鑄電源，整個裝置開始運轉；

當碳纖維加入量達到所需值時，關閉旋轉電機和導向器；

當電鑄金屬將碳纖維完全包裹並達到預定厚度後，切斷所有電源，停止電鑄，去除陰極芯模，清洗乾燥，脫模處理後，得到碳纖維增強電鑄層。

作為上述技術方案的進一步改進：

所述電鑄槽中還設置有位於所述陰極芯模一側的柔性受壓裝置，所述柔性受壓裝置包括柔性壓緊輥、安裝於柔性壓緊輥上的微壓力傳感器，所述柔性壓緊輥通過受壓運動機構調節與陰極芯模之間的間距；所述受壓運動機構包括導軌及導軌控制器，所述微壓力傳感器與所述導軌控制器連接。

所述柔性壓輥緊貼陰極芯模的一側具有吸水性能的彈性物質。

進一步地，由於設置有柔性受壓裝置，本發明的製造工藝，還包括：

設置壓電傳感器的參數並開啟導軌控制器電源，使得柔性壓緊輥與陰極芯模之間的壓力保持恆定。

作為上述製造工藝的進一步改進：

電鑄與碳纖維纏繞可以同時進行。

所述碳纖維的形態為連續紗線。

向電鑄槽中噴射電鑄液的出液速度不小於1m/s。

陰極芯模旋轉速度為0～120rad/min之間。

本發明的技術效果在於：

1、利用柔性受壓裝置中的吸水彈性材料將電鑄液補充入碳纖維束內部，防止製得的電鑄層內部出現孔洞；

2、利用碳纖維纏繞系統將碳纖維高效、有序地鋪設在陰極芯模表面；

3、利用柔性受壓裝置將碳纖維以恆定力將碳纖維緊貼於陰極芯模表面，防止電鑄過程中碳纖維斷裂；

4、利用柔性受壓裝置與陰極芯模之間相對的摩擦、擠壓，有效地將副反應生成的吸附在碳纖維和陰極芯模上的氫氣泡以及其他雜質剝離，從而避免製得的電鑄層表面缺陷的形成；

5、柔性受壓裝置的應用可以加快液相傳質過程，減薄擴散層厚度，減小濃差極化，從而使得電沉積在高電流密度下可以正常進行，獲得晶粒細小的電鑄層。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為本發明中柔性受壓裝置的結構圖。

圖中：1、15-導輥；2、儲絲筒；3、加熱絲；4、熱電偶；5、陽極鎳珠；6、柔性壓緊裝置；7、衝液裝置；8、陰極芯模；9、電鑄槽；10、電鑄電源；11、20-閥門；12、過濾器；13、第一磁力泵；14、導向器；16、碳纖維；17、張緊輥；18、溫度控制器；19、第二磁力泵；21微壓電傳感器；22、碳纖維增強電鑄層；23、導電環；24、旋轉電機控制盒；25、旋轉電機；26、導軌；27、導軌控制器。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步說明。

如圖1所示，本實施例的碳纖維增強金屬的電鑄製造裝置，包括電鑄系統及碳纖維纏繞系統；電鑄系統包括電鑄液循環過濾系統、電鑄液溫控系統、電鑄電源10、安裝於電鑄槽9中的帶有旋轉電機25的陰極芯模8、陽極鎳5，陰極芯模8與電源負極連接，陽極鎳5與電源正極連接；電鑄液循環過濾系統包括連接於電鑄槽9與加熱槽之間的第一磁力泵13及第二磁力泵19，第一磁力泵13將電鑄液從電鑄槽9中抽入加熱槽，第二磁力泵19將加熱槽中的電鑄液通過過濾器12後抽入電鑄槽9；電鑄液溫控系統包括置於加熱槽內的熱電偶4、加熱絲3及電鑄槽9外的溫度控制器18；如圖1、圖2所示，碳纖維纏繞系統包括儲絲筒2、導輥1、張緊輥17及導向器14，碳纖維16繞接於導輥1、張緊輥17及導向器14上，碳纖維16的兩端分別纏繞於儲絲筒2及陰極芯模8上。導向器14可以在水平方向（圖1中所示為前後方向）往返移動，帶動碳纖維16纏繞並鋪滿整個陰極芯模8表面。

如圖1、圖2所示，電鑄槽9中還設置有位於陰極芯模8一側的柔性受壓裝置，柔性受壓裝置包括柔性壓緊輥6、安裝於柔性壓緊輥6上的微壓力傳感器21，柔性壓輥6緊貼陰極芯模8的一側具有吸水性能的彈性物質。柔性壓緊輥6通過受壓運動機構調節與陰極芯模8之間的間距；受壓運動機構包括導軌26及導軌控制器27，微壓力傳感器21與導軌控制器27連接。隨著電鑄的進行，電鑄層越來越厚，柔性壓緊輥6對碳纖維的壓力越來越大。為了防止碳纖維斷裂，在柔性壓緊輥6表面布置微壓電傳感器21，當柔性壓緊輥6與陰極芯模8之間的壓力值高於設定值時，導軌26在導軌控制器27的帶動下向左移動，保證碳纖維始終在設定的壓力下不斷纏繞並鋪滿整個陰極芯模8，防止碳纖維被拉斷。電鑄系統中的陰極芯模8通過軸與旋轉電機25相連，導電環23穿在軸上與電鑄電源負極相連，起到引電的作用。

本實施例的利用碳纖維增強金屬的電鑄製造裝置的製造工藝，包括以下過程：

將碳纖維16從儲絲筒2中抽出，依次繞接在導輥1、張緊輥17、導向器14上，最後與陰極芯模8相連；

開啟第一磁力泵13、第二磁力泵19及各自管路上的閥門11、20，使得電鑄液實現循環過濾；

開啟溫度控制器18，控制電鑄液溫度在電鑄全過程保持在43±2℃；

通過旋轉電機控制盒24設置旋轉電機25的轉速，設置導向器14的移動速度；

開動旋轉電機25、導向器14、電鑄電源10，整個裝置開始運轉；

當碳纖維16加入量達到所需值時，關閉旋轉電機25和導向器14；

當電鑄金屬將碳纖維16完全包裹並達到預定厚度後，切斷所有電源，停止電鑄，去除陰極芯模8，清洗乾燥，脫模處理後，得到碳纖維增強電鑄層22。

由於本發明中增設了柔性受壓裝置，故在上述實施例中，在開啟旋轉電機25、導向器14、電鑄電源10之前，需設置壓電傳感器21的參數並開啟導軌控制器電源，使得柔性壓緊輥6與陰極芯模8之間的壓力保持恆定。

上述製造工藝中，電鑄與碳纖維纏繞可以同時進行，碳纖維16的形態為連續紗線。

向電鑄槽9中噴射電鑄液的出液速度不小於1m/s，可有效地將電鑄反應產生的氣體和溶液中的雜質衝走，防止氣泡和雜質進入沉積的金屬中。

陰極芯模8旋轉速度為0～120rad/min之間，在保證纖維絲不被拉斷的前提下，可儘可能提高陰極芯模8的旋轉速度，從而保證較高的工作效率。

以上所舉實施例為本發明的較佳實施方式，僅用來方便說明本發明，並非對本發明作任何形式上的限制，任何所屬技術領域中具有通常知識者，若在不脫離本發明所提技術特徵的範圍內，利用本發明所揭示技術內容所作出局部改動或修飾的等效實施例，並且未脫離本發明的技術特徵內容，均仍屬於本發明技術特徵的範圍內。