一種簡易的射流電沉積實驗系統及控制方法與流程

2023-06-25 00:11:56

背景技術：

射流電沉積技術是近年來發展的一種局部高速電沉積技術。與傳統槽式電沉積不同，電解液以射流態從陽極噴嘴噴射到陰極基板上，因此在陰極表面產生了特殊的流場和電場，這賦予了射流電沉積以下特點：1.沉積速度快、工藝簡單；2.產生高質量的納米晶結構沉積層；3.良好的定域性和加工柔性，易與數控結合。綜上所述，射流電沉積在製備功能材料、微結構成形和再製造修複方面具有特殊的優勢。其製備的納米鍍層可以明顯提高基質金屬的硬度、耐磨、減摩、耐腐蝕等性能，同時還具有較大的操作靈活性和加工適應性，集複合過程與成形過程於一體，在材料、機械加工等領域具有潛在的應用價值。

不過射流電沉積系統屬專用設備，目前多在實驗室範圍內使用。如科研用一般採用自行設計加工的方式，需專門設計加工工具機本體、自主開發數控機構和數控軟體。這種方式針對性強，符合實驗需求，但如缺乏熟練的設計經驗，設計、裝配和調試過程比較費時費力，且系統組合精度及性能達不到設計要求和效果，成本較高。因此，如能以通用的小型數控工具機為平臺，輔以簡易、合理的平臺設計，改裝相應的噴射系統和循環系統，則可達到節省時間提高效率，滿足基本實驗需求的目的。

技術實現要素：

本發明提供了一種簡易的射流電沉積實驗系統及控制方法，提供了數控平臺的選擇範圍、設計簡單的電解液循環系統、組合夾具的設計加工，電解液回收裝置，固定裝置。

一種簡易的射流電沉積實驗系統，包括組合夾具、陽極腔與噴嘴、電解槽、工具機工作檯、電解液回收罐、調節噴嘴高度用螺杆、數控操作面板、管路、浮子流量計、調速閥、灌液漏鬥、磁力泵、安裝臺、溢流閥、抽液管、回流管、耐腐蝕泵；電解槽安裝在工具機工作檯上，陽極腔與噴嘴通過組合夾具懸在陽極腔與噴嘴電解槽上方，數控操作面板通過調節噴嘴高度用螺杆安裝在組合夾具上，耐腐蝕泵進水口一端通過水管連接電解液回收罐，耐腐蝕泵出水口一端通過調速閥和浮子流量計連接陽極腔與噴嘴的入水口，電解槽通過回流管與電解液回收罐連接。

進一步的，電解液回收罐上安裝一個回收罐蓋板，回收罐蓋板以中心對稱分布方式開3個圓孔，再在中心開一個孔，插入pvc管，外側三個孔分別為抽液口、回液口、溢流口，中心孔為攪拌口/灌液口。

進一步的，陽極腔與噴嘴由陽極腔和噴嘴兩部分組成，陽極腔內部又分為腔體和堵頭，陽極腔的上端密封墊圈和密封蓋固定密封，下端通過連接管與噴嘴相連，配合緊密。

進一步的，組合夾具由夾板、螺柱、有機玻璃卡套、緊固螺釘部件組成，夾板為兩塊鋼板，夾住工具機刀具主軸箱的上緣，兩側穿過螺柱，用不鏽鋼螺母固定住，螺母可調節有機玻璃夾套的上下位置。

一種簡易的射流電沉積實驗系統的控制方法，步驟如下：

步驟一，清洗系統，用蒸餾水清洗系統每個流通環節，

步驟二，打開電解槽防塵蓋，

步驟三，配置電解液，電解液的組成成分和和工藝參數分別為：cuso4·5h2o250g/l，98%濃硫酸50g/l，電解液溫度為25℃，電解液均用分析純或化學純試劑加蒸餾水配製而成，

步驟四，將配置好的電解液約通過回收罐蓋板中間的灌液口倒入，

步驟五，啟動和調整工具機位置，首先打開工具機電源，進入操作界面，將工具機歸零，找到預先編輯好的數控定位程序文件、啟動，固定在工作檯上的電解槽會運行到指定的與噴嘴臨近的相對位置，

步驟六，啟動電解液循環系統，泵在首次使用時內部存有空氣，需灌液以排淨空氣，通過灌水口位置打開灌液漏鬥，灌入少量電解液，灌滿為止，關閉灌液閥，啟動開關泵會正常工作，第二次啟動泵時則不用灌泵，直接開關電源即可。

步驟七，打開電沉積電源開關，電源線從電源正極和負極引出，分別預先接在陽極棒和電解槽內部的陰極板上，電線顏色要有區別，

步驟八，實驗開始，在工具機操作面板找到編輯好的數控加工程序文件，啟動，實現電解槽與噴嘴的相對運動，則噴嘴會在工件上進行指定路徑的往復掃描，

步驟九，實驗結束，在數控加工程序結束後，將z軸自動升起5-10毫米，使噴嘴與工件脫離接觸，此時立即手動關停電沉積電源和泵。

與目前已知方法相比，本發明具有以下優點：

1）以現有的商用數控工具機作為實驗平臺載體，以成熟的數控平臺實現射流電沉積掃描距離、層數、路徑的控制，能實現三維立體加工，可進行塗層和微型器件的加工製作，功能較為完備和理想。

2）該實驗系統投入成本經濟，設計和製造簡便，取材方便。特別適合在科研院校、學校範圍在投資較少的條件下進行相關科研實驗設備研製。同時具有較好的升級空間，亦可以此為基礎進行適當的升級改造用於商業化的實際應用。

3）操作方法簡單易學，經過人機工程學的考慮，便於操作和維護，模塊化程度高，尤其對於高校特種加工領域電化學加工等實驗和教學演示具有較好的針對性和普及性，對於機制類學生的課外實踐和動手能力提高也有較好的適應性。

附圖說明

圖1是本專利的循環迴路原理圖。

圖2是本專利的整體結構示意圖。

圖3是本發明的噴嘴結構圖。

圖4是本發明的噴嘴左視圖和截面圖。

圖5是本發明的組合夾具的結構圖。

圖6是本發明的回收罐蓋板。

圖中示意：1．組合夾具，2、陽極腔與噴嘴，3、電解槽，4、工具機工作檯，5、電解液回收罐，6、回收罐蓋板，7、調節噴嘴高度用螺杆，8、數控操作面板，9、管路，10、浮子流量計，11、調速閥，12、灌液漏鬥，13、磁力泵，14、安裝臺，15溢流閥，16、抽液管，17、回流管。

具體實施方式

本發明設計的射流電沉積實驗裝置通過以下技術方案實現，具體操作步驟如下：

1）數控平臺的選擇。工作平臺：可實現x向和y向數控運動的工作檯，工作檯尺寸450×160mm(x/y)，工作檯工作行程:175×300mm(y/x)，工作檯重複定位精度(x、y向)為+0.02mm/300mm，工件最大重量(包括夾具)為40kg。符合上述要求的商用或教學用小型數控銑床基本可滿足該要求。

2）電解液循環系統的試製。循環系統如附圖1所示，主要由電解槽、耐腐蝕磁力泵、流量計、輸液管路等組成。電解槽：要求工程塑料可耐一般酸鹼腐蝕，尺寸務求合理，以與工作檯尺寸匹配為準，可自行加工或選取尺寸接近的容器，參考尺寸為400×300×200mm；耐腐蝕磁力泵：交流220v供電，能耐一般性腐蝕，參考參數為揚程8米，流量0.8m3/h；

流量計：一般可採用玻璃浮子流量計，流速變化時浮子會上下移動，其靜止位置作為流速讀取，相對電子流量計更為經濟實用，量程在25-250l/h參考範圍內選取。流量計與管路如口徑不匹配可採用寶塔式變徑接頭的方式調整。如調節噴射流速，可通過組合旋轉附圖2中的調速閥和溢流閥實現；輸液管路及閥門：要求能耐ph值4.0的酸性液腐蝕，能連接管路元件。口徑儘量統一儘量減少變徑接頭的使用以簡化管路，以泵輸出口徑為標準匹配管路為宜。整體結構圖如附圖2所示。

3）噴嘴系統的試製。噴嘴系統一般採用耐腐蝕用工程塑料製成，由陽極腔和噴嘴兩部分組成，陽極腔內部又分為腔體和堵頭。由於工作狀態下電解液從陽極腔進液口流入從噴嘴噴出，連接部位有可能發生滲漏腐蝕工具機，因此陽極腔需要具備一定的密封性。陽極腔的上端密封墊圈和密封蓋固定密封，下端通過連接管與噴嘴相連，配合緊密，需要有一定的加工質量。陽極腔的結構設計如附圖3所示。

4）組合夾具的設計與加工。因陽極腔需要固定在工具機z軸且上下位置需調節，因此設計了一種雙螺杆夾板複合式固定調節夾具，如附圖4所示。該夾具由夾板、螺柱、有機玻璃卡套、緊固螺釘等部件組成。夾板為兩塊鋼板，夾住工具機刀具主軸箱的上緣，兩側穿過螺柱，用不鏽鋼螺母固定住。螺母除了起到夾緊作用之外，還可以調節有機玻璃夾套的上下位置。

使用時，陽極腔穿過卡套，靠自身重力坐在夾套上。夾套的內徑略大於陽極腔，有一定的配合，容許陽極腔上下自由滑動。緊定螺釘一般不需擰上，這是防止在工具機誤操作z軸過低導致噴嘴與電解槽底意外碰撞時，具有緩衝餘地，避免損壞噴嘴。

5）電解液回收罐。玻璃器皿性質穩定適宜盛放酸性電解液，因此選擇3-4l容量的燒杯作為電解液回收罐。燒杯表面設計了防塵蓋避免灰塵和雜質進入，並以對稱分布方式開了3個圓孔，插入pvc管，允許3根軟管自由進入，起到引導和避免互相干擾的作用，如附圖5所示。電解液回收罐擺放位置需有一定高度，要高於泵進水口和出水口位置，這樣才能保證灌液後泵正常工作抽取電解液。

6）安裝工作檯。上述部件需通過工作檯組合在一起，管件、泵和閥門需依靠架子進行依託、固定，便於操作和維護。可考慮椅式工作檯，以合理布置閥門和管路的流量，避免互相干擾和軟管有彎曲、窩折的現象發生。因此，可根據各部件具體尺寸設計椅式不鏽鋼臺架，將泵、閥門、流量計、灌液口等固定在架子上。該不鏽鋼平臺焊接而成，樣式近似座椅，泵與控制閥固定在椅座平面位置，管路、流量計則固定在椅背位置。

實施例1：在試件304不鏽鋼板尺寸為100mm×10mm×1mm，使用該加工設備可製備銅沉積層，其操作步驟如下。

1.清洗系統。首次使用前需用蒸餾水清洗系統每個流通環節，保持加工環境清潔。

2.打開電解槽防塵蓋。系統長期不用時電解槽要蓋上防塵蓋，避免外界汙染。

3.配置電解液。本實施方式中電解液的組成成分和和工藝參數分別為：

cuso4·5h2o250g/l，98%濃硫酸50g/l，電解液溫度為25℃。電解液均用分析純或化學純試劑加蒸餾水配製而成。

4.將配置好的電解液約4l通過防塵蓋中間的灌液口倒入。

5.啟動和調整工具機位置。首先打開工具機電源，進入操作界面，將工具機歸零。然後，找到預先編輯好的數控定位程序文件、啟動，固定在工作檯上的電解槽會運行到指定的與噴嘴臨近的相對位置。

6.啟動電解液循環系統。泵在首次使用時內部存有空氣，需灌液以排淨空氣。從附圖2的12位置打開灌液漏鬥，灌入少量電解液，灌滿為止，關閉灌液閥，啟動開關泵會正常工作。第二次啟動泵時則不用灌泵，直接開關電源即可。

7.打開電沉積電源開關。電源線從電源正極和負極引出，分別預先接在陽極棒和電解槽內部的陰極板上，電線顏色要有區別。

8.實驗開始。在工具機操作面板找到編輯好的數控加工程序文件，啟動，實現電解槽與噴嘴的相對運動，則噴嘴會在工件上進行指定路徑的往復掃描。部分代碼如下（樣例）：

o0001(主程序編號)

g54g90g00x-70y80z10;（建立工件坐標系，快速定位到（-10,80,10）的位置）

g01z-100f1000;（定位到（-70,80，-100），進給速度為1000r/min）

m98p2l900;(調用p2，執行900次)

g04x10;（暫停10s，用來改變電流參數）

g01x-30（移動到（-30,80，-100））

m98p3l900（調用p3，執行900次）

m30（程序結束）。

9.實驗結束。在數控加工程序結束後，z軸會自動升起一定高度一般約5-10毫米，使噴嘴與工件脫離接觸。此時應立即手動關停電沉積電源和泵。如條件允許也可通過工具機plc集成控制電源和泵的開關，通過數控程序實現二者的自動啟動與關停。

本發明特點在於以通用數控工具機作為實驗平臺的核心載體，圍繞該工具機通過安裝多種輔助裝置，使之成為比較符合實驗要求的綜合性實驗設備，達到減少設備製造難度和維護難度，提高效率的作用，具體包括：

1）以現有比較通用的數控工具機作為實驗平臺，給出了符合實驗要求的工具機類型、尺寸範圍，便於實驗人員參考選取。基於現有工具機數控界面無需專門編制數控軟體，可以實現射流電沉積掃描距離、層數、路徑的全面控制，可實現三維立體加工，精度好效果穩定。

2）設計了一套結構簡單但有效的噴射、循環系統。該循環系統通過組合使用泵、噴嘴、調速閥和溢流閥實現對電解液噴射速度的靈活調節。設計合理可操作性強。

3）噴射、循環系統與數控工具機之間的對接簡單有效。採用組合夾具、椅式工作檯等簡易工裝設計使附屬設備與工具機有效結合，靈活裝配調節簡單方便有效，並起到保護噴嘴在操作失誤的情況下避免與工作檯發生碰撞以致損壞的作用。