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1、目 录摘要第一章 电铸技术及其应用与发展11.1电铸技术的应用与发展现状11.2喷射电铸及其特点3第二章 喷射电铸设备系统的总体设计42.1设计目的与要求42.2设备系统总体结构组成4第三章 直流电源的设计63.1设计目的与要求63.2整流电路概述63.2.1单相半波整流电路63.2.2 单相全波整流电路73.2.3单相桥式整流电路83.3整流电路的设计103.3.1整流桥的选择103.3.2滤波电容的选取11第四章 电解液喷射循环与加热系统设计与制作134.1电解液喷射循环系统组成134.2阳极喷腔与喷嘴的设计与加工144.2.1阳极腔的设计144.2.2阳极腔的加工154.2.3喷嘴的设计
2、与加工174.3电解液槽设计与制作204.4电解液加热与温度控制系统21第五章 旋转阴极的设计与制作225.1旋转阴极的结构设计225.2 阴极旋转驱动电机的选择225.2.1电机概述225.2.2单相异步电动机的结构与工作原理225.3旋转阴极的调速235.3.1单相异步电动机的调速235.4旋转阴极的结构设计与制作245.4.1电机的支撑结构设计245.4.2阴极与电机连接设计255.4.3阴极接线柱设计26附录：喷嘴与喷腔的数控加工程序28结论40致谢41参考文献摘要本论文设计出了喷射电铸设备。电铸是一种利用金属离子阴极电沉积原理制取产品的工艺技术，为了达到喷射电铸这种加工方法的设备须满
3、足有直流电源系统，喷射系统，阴极按设定轨迹运动系统。根据这个方案设计出按工作要求各系统：用调压器，整流桥，组成的电压可调的平衡的直流电源；由喷嘴、阳极喷腔、耐酸磁力泵、电解液槽、溢流阀与调节阀以及流量计等部分组成能控制比较稳定的流量和温度并能循环使用电解液的喷射系统，由阴极、单相异步电动机与速度控制器、电动机支撑结构等部分组成能使阴极按0500r/min范围内无级调速的旋转阴极系统。这些系统有机的组合成了能进行喷射电铸加工的设备。关键词：喷射、整流、阴极、电铸第一章 电铸技术及其应用与发展电铸是一种利用金属离子阴极电沉积原理制取产品的工艺技术。它具有极高的复制精度和重复精度。电铸工艺过程一般有
4、下列步骤组成：（1）芯模制造由设计图纸制造或由实物复制芯模；（2）导电层/分离层处理对非金属和金属芯模表面要分别进行导电层和分离层处理；（3）电沉积金属采用的沉积金属由镍、铜、铁、镍钴合金等；（4）脱模和背衬机械和化学方法脱模，有时需要在非工作表面上加固背衬材料。电铸属于交叉学科，涉及到材料、电化学和工程等领域。作为一种制造技术，电铸工艺的高复制精度和简单性是其它制造技术无法比拟的，电铸是一种强大的、用途广泛的工业制造技术。1.1电铸技术的应用与发展现状1837年俄国科学家Jacobi首先发明了电铸铜，1842年德国Bottger教授发明了电铸镍，1869年俄国财政部印刷所发明了电铸铁。电铸工
5、艺方法从其发明至今已有一百多年的历史。目前应用最为广泛的电铸金属为镍、铜、铁。电铸技术在工业中的早期应用主要局限于复制艺术品和印刷制版。近半个多世纪以来，电铸在工业中的应用日渐广泛，主要用来制取各种难以用机械加工方法制得的或是加工成本很高的零件。近年来，工业的迅速发展使得各种精密异型、复杂微细的金属零部件以及各种相关模具制造的需求大幅增加，电铸作为一种精密制造技术受到了高度的重视。如今它在精密模具、航空宇航、兵器、微细加工等制造领域中已经得到了很多重要的应用。如：火箭发动机喷管、表面粗糙度样规、电加工电极、激光防伪商标模板、破甲药型罩、微型飞行器零件等。电铸技术在航空宇航、核工业、微机械等高科
6、技领域的成功应用已使其受到世界制造业的瞩目。目前，电铸技术研究主要向着两个方向发展：（1）新型高性能电铸材料和工艺装备研究与应用，（2）探索制备特型零件的工艺方法和开拓新的应用领域。合金电铸和复合电铸是目前电铸技术的一个重要发展方向。为了克服电铸单质金属的缺点，提高电铸材料的性能，研究人员开展了合金电铸的研究。合金电铸以镍基合金为主，目前已开展了Ni-Co、Ni-Fe、Ni-Mn等二元合金电铸的研究。这些合金在硬度、耐磨性等方面显示出特殊的优点，适合于工业上的不同需求。此外，电铸Ni-Co-Mn、Co-W、Co-W-Ni、Co-P合金等可用来制备各种零件。金属基复合材料具有一系列的优点，被认为
7、是对宇航、航空等部门的发展带来重大变革的新型材料，复合电铸是制备这类材料的一种重要手段。目前电铸复合材料有两种类型：一种是在电铸金属时，在芯模表面缠绕高强度的纤维丝而获得镶嵌有纤维的金属电铸层，以达到强化电铸层的目的；另一种是在电铸液中加入弥散的固体颗粒，使其与金属离子共沉积而形成含有固体颗粒的金属层。复合电铸层主要是以镍、铜为基，用氧化物、碳化物、氮化物以及金刚石等高硬度微粒来强化基体金属。这类材料在制造业中得到了很多应用，如金属基的金刚石模具等。有些用复合电铸得到的零件可以大大降低重量，这对航空、航天、兵器工业来说具有重要意义。由于电铸复合材料集中了金属与非金属以及碳化物、氧化物和氮化物等
8、的一些优良性能，因而将会得到广泛的应用。电铸纳米金属材料是另一个十分具有发展前景的研究方向。由于电铸技术是依靠离子堆砌成型制造产品，所以在适当的条件下可以得到纳米晶的铸层结构。在常规的电铸中，电铸层的晶粒尺寸一般都较大，性能指标不够理想。已有的研究表明，减小沉积层的晶粒尺寸可以使材料的性能得到提高，而且电沉积法被认为是制备致密纳米晶材料的很有前途的方法之一。电铸得到的纳米晶铜和纳米晶镍药型罩，其破甲侵彻性能好于微米晶药型罩。采用高频脉冲电流、高速冲液和添加剂等措施可以电铸得到纳米晶镍，采用喷射电铸分别制备了纳米晶铜、镍和镍-钴合金。电铸技术发展的一个最重要的成果是在微机电系统（MEMS）制造领
9、域的成功应用。微细电铸与X射线同步辐射掩膜刻蚀技术相结合而形成的LIGA技术、以紫外光光刻代替同步X射线源刻蚀所形成的准LIGA技术，已经成为制造三维微细金属零件的主要方法。在微细制造方面，通过利用电铸技术，可以制造微细齿轮、微传感器、微马达、微陀螺仪以及微细电火花加工电极等。电铸与快速成型技术相结合用于制造金属工/模具。近年来，快速成型技术已趋向快速制造和快速工模具的制造，如快速制造电火花电极或塑料模具；用快速成型制成的母模电铸铜，可用作电火花电极进行模具型腔的加工；用快速成型制成的母模电铸镍，可直接制造塑料模具，将电铸技术与快速成型技术结合还可直接成型金属零件。电铸与快速成型相结合可大大缩
10、短模具的制造周期，有着良好的经济和社会效益。电铸技术虽然具有高制造精度等许多优点，但也存在着以下几个方面的缺点和局限性：(1) 电沉积速度低(2) 铸层均匀性差(3) 铸层易出现缺陷采用脉冲电流电铸、阴极移动、压缩空气搅拌、机械搅拌、高速冲液和喷液、电极表面摩擦法等方法可克服电铸中存在的缺点，提高电铸速度和细化电铸层晶粒。1.2喷射电铸及其特点直流电铸时，如果对电解液不采取搅拌等措施来加强对流传质，则会由于受扩散传质速度的影响，在电解液中产生浓差极化，形成较厚的扩散层厚度。在电铸过程中，由于受到极限电流密度的限制，实际使用的电流密度不能过高。否则，非但不能提高电铸的速度，反而会大大恶化铸层的质
11、量。提高电铸速度最有效的途径是通过降低浓差极化，减小扩散层的厚度来提高极限电流密度。喷射电铸是将含有高浓度铸层金属离子的电解液经由喷嘴以一定的压力和流速喷向阴极表面进行电铸的一种工艺形式。该工艺由于采用了射流的形式，有效地改善了液相传质特点，显著地减小了扩散层的厚度，提高了阴极极限电流密度，从而具有实际可用电流密度大、电流效率高、金属结晶细化和铸层致密的优点。喷射电铸时，由于能够将含有高浓度金属离子的电铸液以强制的方式通过喷嘴高速喷向阴极表面，因而能迅速补充阴极表面金属离子的数量，从而大大提高了物质迁移速度，而且电铸液以强烈的紊流形式流动，极大地降低了浓差极化，有效地减小了扩散层的厚度，大大提
12、高了极限电流密度。所以喷射电铸可以以远高于其它电铸工艺的电流密度进行电沉积，从而实现了在阴极表面单位面积上的高速电铸。研究结果表明，喷射电铸时可以使用的阴极电流密度是普通电铸电流密度的几十倍甚至更高，从而实现了采用高电流密度进行电铸。第二章 喷射电铸设备系统的总体设计2.1设计目的与要求本文为院青年基金课题喷射电铸块体纳米晶铜的制备的研究内容。喷射电铸设备系统的设计与制作是为了满足制备纳米晶铜的试验需要。为了达到试验目标，设计的试验装置需要满足以下要求：1、试验用电解液为酸性硫酸铜溶液，电解液的喷射流速015m/s，采用耐酸磁力泵；2、喷嘴：圆喷嘴口径1，2，3mm，扁喷嘴口径20 mm1 m
13、m，材料为有机玻璃；3、工作直流电压0220V，电流02A；4、电解液槽能容纳电解液2030L，材料为工程塑料；5、电解液温度可控，电解液采用电阻加热，热电偶及温度控制仪控制电解液温度，温度控制范围为00800C。6、通过电机控制阴极转动，转速范围0500r/min。2.2设备系统总体结构组成根据试验要求，设计的喷射电铸设备系统如图2.1所示。设备系统主要由电解液喷射循环系统、电铸直流电源、电解液加热及温度控制系统以及旋转阴极系统等部分组成。电铸直流电源主要是为电铸时提供电压0220V、电流02A的脉动较小的工作直流电。电解液喷射循环系统主要由喷嘴、阳极喷腔、耐酸磁力泵、电解液槽、溢流阀与调节
14、阀以及流量计等部分组成。该系统主要功能是为电铸时提供具有一定压力和流速的流经喷嘴的电解液，并能将电铸过程中喷射到阴极工件上的电解液进行回收循环利用。电解液加热及温度控制系统主要由热电偶、电阻加热器和温度控制仪组成，其主要作用是将电解液加热并保持在所设定的温度值。旋转阴极系统主要由阴极、单相异步电动机与速度控制器、电动机支撑结构等部分组成。该系统能实现阴极转速在0500r/min范围内无级调速。图2.1喷射电铸设备系统结构示意图第三章 直流电源的设计3.1设计目的与要求试验对电铸直流电源的要求为：（1）直流电压在0220之可调，工作最大电流为2安培；（2）直流电压要平稳脉动较小。一般直流电源由如
15、下部分组成：（1）整流电路：是将工频交流电转换为脉动直流电；（2）滤波电路：将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分；（3）稳压电路采用负反馈技术，对整流后的直流电压进一步进行稳定。试验中要求得到0220V的可调直流电压，因此，本文所设计的直流电源的结构原理方框图如图3.1所示。图3.1整流滤波方框图 3.2整流电路概述3.2.1单相半波整流电路 单相半波整流电路如下图3.2 (a)所示，波形图如下图3.2(b)所示。根据图3.2可知，输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。负载上输出平均电压为：流过负载和二极管的平均电流为：(a) 电路图 (b) 波形图图3.2单相半波整流电路 3.2.2 单相全波整流电路 单相全波整流电路如下图 3.3(a)所示，波形图如下图 3.3(b)所示。 (a) 电路图 (b) 波形图 图3.3单相全波整流电路根据图3.3（b）可
