一种用于制造螺旋形金属构件的电铸方法与流程

1.本发明专利属于电铸技术领域，具体涉及一种用于制造螺旋形金属构件的电铸方法。

背景技术：

2.电铸加工是根据电化学阴极沉积原理在阴极基底上实现金属基制件精密制造的一种特种加工技术，也是以增材方式实现成材-成性-成形一体化制造的低温成形技术。相较于以激光束、电子束等为能源的金属增材式制造技术，电铸所得金属构件的空隙、翘曲等缺陷少，材质更致密，内应力更小，表面质量更好。所以，最近几年，基于电铸工作原理的增材制造技术日益受到科技界的关注，多种不同工作方式的三维电铸制造方法被开发出来。
3.电铸技术可分为基于掩膜的电沉积技术与无掩膜电沉积技术。常规掩膜电沉积技术虽可实现高精度地成型制造，但由于受掩膜制造的限制而无法实现复杂空间结构的高深宽比金属构件的电铸制造。而无掩膜电沉积技术可实现较高自由度的复杂空间结构地金属成形制造，是当前电铸技术的研究热点之一。无掩膜电沉积技术可分为弯月面限域电沉积、阳极诱导电沉积、喷射电沉积、液束限域电沉积等。
4.弯月面限域电沉积技术的原理为在微型移液管出口与阴极基底之间建立的稳定电解液液桥，以稳定的电解液液桥做为微型反应池，在阴极表面不断进行金属原子沉积的同时驱动微型移液管相对于阴极基底做精密运动，从而实现复杂空间结构金属构件的电铸制造。但由于电解液液桥几乎无流动，阴极表面被消耗的金属离子无法及时得到补充，电沉积成型速度极慢，难以满足金属构件的快速制造需求。
5.专利号为us 5641391的美国专利提出了一种阳极诱导电沉积技术，该技术原理为在电解液内部利用尖端定向的局域电场来诱导电化学反应，在阴极基底上沉积形成复杂空间结构的金属构件，该技术中形成的电场分布范围高度局域化，电沉积区域受到严格限制。电铸所得金属构件的精度取决于阳极尖端运动控制系统的精度，这就对运动系统的空间运动精度提出了很高的要求。
6.专利号为us 3810829的美国专利基于喷射电沉积技术提出了一种扫描喷嘴电沉积加工系统，该系统中的喷嘴高速喷射出的“阳极化”电解液冲击在阴极基底上，在电场的作用下电解液内的金属离子被还原为金属原子并在阴极基底表面不断堆积，通过驱动喷嘴相对于阴极基底运动即可实现具有复杂空间结构金属构件的电铸制造。但由于驱动喷嘴运动的同时，处于高速流动的电解液液柱内部传质均匀性及电流密度分布均匀性势必受到影响，对电铸金属构件的成形精度造成了不良影响，所得不平整的阴极表面与不稳定的高速电解液流动进一步加剧了电沉积过程的不均匀性，因此该技术难以实现较高厚度金属构件的精密电铸制造。
7.有研究人员在喷射电沉积技术的基础上对电解液液束的流动成形进行了研究，提出了一种液束限域电沉积增材制造技术。该技术以高品质的稳态电解液液束流来实现高精度金属构件的电铸制造，通过对喷射电沉积中电解液液束的流动特性进行优化实现了高度
为14.2mm、长径高达30圆形截面金属构件的电铸制造，之后电铸制造了具有复杂空间结构的螺旋状金属构件，但由于受运动控制精度等因素影响所得螺旋状金属构件的空间几何精度低。同时喷嘴喷射出的电解液液束受表面张力影响横截面为圆形，因此电铸所得金属构件截面也为圆形，该技术无法满足多样化的电铸需求。

技术实现要素：

8.为实现螺旋形金属构件的电铸，本发明所采用的技术方案如下。
9.一种用于制造螺旋形金属构件的电铸方法，其特征在于：它包括以下顺序实施的步骤：s1：用耐酸碱腐蚀的电绝缘固体材料制备出等横截面的芯轴，并在芯轴的选定位置上固定安设含有光整平面的导电基座；s2：调整芯轴的空间位置，以使其轴对称中心线与水平面间的夹角θ达到设定值，并调整导电基座的方位以使光整平面与水平面平行；s3：调整含有阳极的电解液喷嘴的空间位置，以使其喷口的轴线垂直于光整平面且喷口的端部到光整平面的距离h为3~10mm；s4：把电沉积电源的正极与负极分别与阳极和导电基座进行电气连接，启动电解液循环过滤系统并使电解液以设定的速度自电解液喷嘴流出，以稳定液束流的形式流向光整平面，且液束流的外表面与芯轴的表面始终接触或相切；s5：按设定的电压启动电沉积电源的同时，驱动芯轴绕其轴对称中心线匀速转动且沿其轴对称中心线匀速移动，此时，在电场和电解液的综合作用下，电解液中的特定金属离子被还原为金属原子不断地沉积在光整平面上并顺沿芯轴与电解液喷嘴的相对运动轨迹持续生长，缠绕着芯轴形成了螺旋形金属层，在此过程中，电解液喷嘴相对静止且始终保持喷口的端部与螺旋形金属层的生长端面的距离h维持基本不变；s6：当螺旋形金属层的长度或高度达到设定要求后，关停电沉积电源和电解液供应系统，停止芯轴运动，取出带有螺旋形金属层的芯轴，清水洗净并干燥；s7：把芯轴与螺旋形金属层分离，即得到螺旋形金属构件。
10.所述的芯轴的轴对称中心线与水平面间的夹角θ大小可调节，可以电铸制造具有不同螺旋升角的金属构件。
11.所述的芯轴截面形状为圆形或正多变形，满足多种空间结构金属构件的电铸需求。
12.所述的喷口的形状可为圆形、半圆形或矩形，可以电铸制造具有不同截面的金属构件。
13.本发明与现有技术相比，主要优点如下。
14.（1）本发明所提出的电铸方法电铸所得螺旋形金属构件的空间精度高。电铸所得螺旋形金属构件内径一致性好，由于在射流电铸的过程中采用了金属层围绕芯轴缠绕“生长”的方式，芯模为电铸金属层提供了有效的引导与支撑，螺旋形金属构件的内径保持高度一致；电铸所得螺旋形金属构件截面形状一致性好；电铸所得螺旋形金属构件的螺距精确，控制芯轴旋转及移动速度即可实现对螺旋金属构件螺距的精确控制。
15.（2）本发明所提出的电铸方法成形精度高。芯轴表面与喷射出的液柱外表面相切，
可对液束流起到约束作用，使得液束流截面与喷口形状保持高度一致，同时电铸过程阴极处于运动状态，喷嘴喷射出的液束流位置保持相对固定，沉积区域始终保持稳定状态，因此电铸所得金属构件截面成形精度高。
16.（3）本发明所提出的电铸方法能制造立体螺旋金属构件，且电铸精度高。本发明通过驱动芯轴绕其几何中心线旋转及移动以保持喷嘴与阴极基底之间的相互位置关系，即可实现具有复杂螺旋形空间结构金属构件的电铸制造，操作方法易于实现电铸精度高，且本发明方法所采用的喷嘴口形状易于更换为不同的几何截面，可实现多种截面的螺旋金属构件电铸制造，适用性强。
附图说明
17.图1是本发明一种用于制造螺旋形金属构件的电铸方法步骤s1的示意图。
18.图2是本发明一种用于制造螺旋形金属构件的电铸方法步骤s2的示意图。
19.图3是本发明一种用于制造螺旋形金属构件的电铸方法步骤s3-s4的示意图。
20.图4是本发明一种用于制造螺旋形金属构件的电铸方法步骤s5的示意图。
21.图5是本发明一种用于制造螺旋形金属构件的电铸方法步骤s5的侧视图。
22.图6是本发明一种用于制造螺旋形金属构件的电铸方法可选用的电解液喷嘴及其电沉积所得螺旋金属构件的示意图。
23.图中标号及名称：1、芯轴；2、导电基座；2-1导电基座上表面；3、电解液喷嘴；3-1、喷口；3-1-1、圆形喷口；3-1-2、半圆形喷口；3-1-3、矩形喷口；4、阳极；4-1、圆形截面阳极；4-2、半圆形截面阳极；4-3、矩形截面阳极；5、电沉积电源；6、电解液供应系统；7、螺旋形金属层；7-1、生长端面；7-2、螺旋形金属构件；7-2-1、圆形螺旋金属构件；7-2-2、半圆形螺旋金属构件；7-2-3、矩形螺旋金属构件；8、电解液；9、液束流。
具体实施方式
24.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.下面结合附图对本发明的实施作进一步说明。
26.一种用于制造螺旋形金属构件的电铸方法，其特征在于：它包括以下顺序实施的步骤：s1：用耐酸碱腐蚀的电绝缘固体材料制备出直径为5mm的圆形等横截面的芯轴1，并在芯轴1的选定位置上固定安设含有光整平面2-1的导电基座2，；s2：调整芯轴1的空间位置，以使其轴对称中心线与水平面间的夹角θ为30
°
，并调整导电基座2的方位以使光整平面2-1与水平面平行；s3：调整含有圆形喷口3-1-1且内部含有圆形截面阳极4-1的电解液喷嘴3的空间位置，以使其喷口3-1-1的轴线垂直于光整平面2-1且圆形喷口3-1的端部到光整平面2-1的距离h为5mm，圆形喷口3-1-1直径为1mm；s4：把电沉积电源5的正极与负极分别与阳极4和导电基座2进行电气连接，加热并
维持电解液8在45℃时启动电解液循环过滤系统6，使得以浓度为159g/l的硫酸镍、浓度为40g/l的氯化镍、浓度为35g/l的硼酸构成的电解液8以1m/s的速度自电解液喷嘴3流出，以稳定液束流9的形式流向光整平面2-1，且液束流9的外表面与芯轴1的表面始终接触或相切；s5：按设定的电压启动电沉积电源5使电铸区域的电流密度为20a/dm2，驱动芯轴1绕其轴对称中心线匀速转动且沿其轴对称中心线匀速移动，此时，在电场和电解液8的综合作用下，电解液8中的镍离子被还原为镍原子不断地沉积在光整平面2-1上并顺沿芯轴1与电解液喷嘴3的相对运动轨迹持续生长，缠绕着芯轴1形成了螺旋形金属层7，在此过程中，电解液喷嘴3相对静止且始终保持喷口3-1的端部与螺旋形金属层7的生长端面7-1的距离h维持基本不变；s6：当螺旋形金属层7的长度达到12mm时，关停电沉积电源5和电解液供应系统6，停止芯轴1运动，取出带有螺旋形金属层7的芯轴1，清水洗净并干燥；s7：把芯轴1与螺旋形金属层7分离，即得到内径为5mm、圆形横截面尺寸为1mm、长度为12mm的圆形螺旋形金属构件7-2-1。

技术特征：

1.一种用于制造螺旋形金属构件的电铸方法，其特征在于：它包括以下顺序实施的步骤：s1：用耐酸碱腐蚀的电绝缘固体材料制备出等横截面的芯轴（1），并在芯轴（1）的选定位置上固定安设含有光整平面（2-1）的导电基座（2）；s2：调整芯轴（1）的空间位置，以使其轴对称中心线与水平面间的夹角θ达到设定值，并调整导电基座（2）的方位以使光整平面（2-1）与水平面平行；s3：调整含有阳极（4）的电解液喷嘴（3）的空间位置，以使其喷口（3-1）的轴线垂直于光整平面（2-1）且喷口（3-1）的端部到光整平面（2-1）的距离h为3~10mm；s4：把电沉积电源（5）的正极与负极分别与阳极（4）和导电基座（2）进行电气连接，启动电解液循环过滤系统（6）并使电解液（8）以设定的速度自电解液喷嘴（3）流出，以稳定液束流（9）的形式流向光整平面（2-1），且液束流（9）的外表面与芯轴（1）的表面始终接触或相切；s5：按设定的电压启动电沉积电源（5）的同时，驱动芯轴（1）绕其轴对称中心线匀速转动且沿其轴对称中心线匀速移动，此时，在电场和电解液（8）的综合作用下，电解液（8）中的特定金属离子被还原为金属原子不断地沉积在光整平面（2-1）上并顺沿芯轴（1）与电解液喷嘴（3）的相对运动轨迹持续生长，缠绕着芯轴（1）形成了螺旋形金属层（7），在此过程中，电解液喷嘴（3）相对静止且始终保持喷口（3-1）的端部与螺旋形金属层（7）的生长端面（7-1）的距离h维持基本不变；s6：当螺旋形金属层（7）的长度或高度达到设定要求后，关停电沉积电源（5）和电解液供应系统（6），停止芯轴（1）运动，取出带有螺旋形金属层（7）的芯轴（1），清水洗净并干燥；s7：把芯轴（1）与螺旋形金属层（7）分离，即得到螺旋形金属构件（7-2）。2.根据权利要求1所述的一种用于制造螺旋形金属构件的电铸方法，其特征在于，所述的芯轴（1）的轴对称中心线与水平面间的夹角θ大小可调节。3.根据权利要求1所述的一种用于制造螺旋形金属构件的电铸方法，其特征在于，所述的芯轴（1）截面形状为圆形或正多变形。4.根据权利要求1所述的一种用于制造螺旋形金属构件的电铸方法，其特征在于，所述的喷口（3-1）的形状可为圆形、半圆形或矩形。

技术总结

本发明属于电铸技术领域，具体为一种用于制造螺旋形金属构件的电铸方法。虽然射流电铸可实现具有复杂空间结构金属构件的增材制造，但由于其沉积成形精度不高，尚无法满足应用需求。为此本发明提出了一种用于制造螺旋形金属构件的电铸方法，具体为固定喷嘴的空间位置，在电场作用下，喷嘴喷射出的电解液内的金属离子被还原为金属原子并沉积在芯轴上设置的导电基座上，同时驱动柱状芯轴运动，金属层便缠绕着芯轴螺旋生长。本方法所采用的喷口与芯轴截面均可更换为多种形状，因此可制造多种空间结构的螺旋形金属构件。本发明所提出的电铸方法电铸所得金属构件的空间形状精度高且可实现多种截面形状、空间结构螺旋形金属构件的电铸制造。铸制造。铸制造。