[发明专利]一种电化学加工三维金属微结构的系统与方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电化学加工系统及方法，尤其涉及一种用于三维金属微结构电化学加工的系统及方法。

背景技术

电沉积是一种基于电化学沉积原理实施金属层/件制备的特种工艺技术，在工业领域有十分广泛的应用。射流电沉积是一种特殊形式的电沉积工艺。它是将含有金属离子的电解液以高速射流的形式，进行区域选择性电沉积的加工技术。射流电沉积技术具有沉积速度快、操作自由度大等工艺优势，在某些应用领域受到关注与重视，尤其在三维金属件快速制造领域。但射流电沉积技术由于自身固有的特性，使得它不可避免地存在沉积区域电场和流场分布不均现象，导致沉积层普遍出现厚度分布不均匀、表面凹凸不平、积瘤和毛刺等问题。常用的解决方法是反复中断电沉积过程，采用二次加工的方法，通过机械加工去除表面积瘤和毛刺，抛光后进行二次沉积来维持电沉积的持续进行。

为了克服以上缺点，专利号为CN101994137A的发明专利也公布了一种回转体零件的高速射流喷射电铸加工方法及装置。该专利通过磨削的方法来在线去除射流电沉积过程中所产生的积瘤和毛刺等缺陷，在一定程度上提高了射流电沉积的加工精度。但该专利所涉及的方法与装置对于非回转体零件和微细金属零件的加工，其适用性面临巨大挑战。因此，本发明提出一种针对三维金属微结构精密加工的新的电化学加工系统与方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是针对现有的射流电沉积方法难以连续加工出表面平整、组织致密、精度高的三维金属微结构的不足，提出一种电化学加工三维金属微结构的系统与方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种电化学加工三维金属微结构的系统，其特征在于：它包括电沉积子系统、电解子系统、导电基底和电解液层，所述的电沉积子系统包括喷头和电沉积电源，所述的电沉积电源的负极与导电基底连接，电沉积电源的正极与喷头连接，所述的喷头与所述的导电基底正对设置，所述的电解子系统包括阴极和电解加工电源，所述的阴极包括横梁阴极、左侧阴极和右侧阴极，所述的左侧阴极和右侧阴极设置在横梁阴极上，所述的阴极与导电基底正对设置，左侧阴极的内侧面与右侧阴极的内侧面平行并均与横梁阴极垂直，所述的电解加工电源的正极与导电基底连接，所述的电解加工电源的负极与阴极连接，所述的电解液层覆盖在导电基底上。

所述的电沉积子系统还包括喷头座，所述的喷头固定在喷头座上且喷头座电绝缘。

所述的横梁阴极可移动地设置在喷头座上。

所述的左侧阴极和右侧阴极之间的距离可调。

所述的横梁阴极下表面为平面，且横梁阴极上设置有偶数个安装孔，优选地为4个或6个或8个或10个，且所述的安装孔以其中心对称设置，所述的左侧阴极和右侧阴极安装在不同的安装孔内。

所述的左侧阴极和右侧阴极垂直地设置在所述的横梁阴极上。

所述的左侧阴极和右侧阴极均平行于喷头的轴线。

一种电化学加工三维金属微结构的加工方法，它包括以下步骤：

S1、调整喷头相对于导电基底的高度为5mm～10mm，打开喷头的开关，让由喷头喷出的电液束垂直于导电基底；

S2、接通电沉积电源的同时，使喷头按设计轨迹相对于导电基底作扫描运动，在电场的作用下在导电基底上电沉积出一层金属，当喷头扫描到设计轨迹终点时，断开电沉积电源，并使喷头退出加工区；

S3、分别调整横梁阴极、左侧阴极、右侧阴极与步骤S2电沉积的金属层之间的距离，使横梁阴极下表面距离步骤S2电沉积的金属层上表面的距离为0.1～0.9mm、左侧阴极的内侧面、右侧阴极的内侧面分别距离步骤S2电沉积的金属层两侧壁的距离均为0.1～0.9mm，降低导电基底，使步骤S2电沉积的金属层完全浸没于电解液层中；

S4、接通电解加工电源，使阴极沿步骤S2给定的设计轨迹作扫描运动，对步骤S2中电沉积的金属层上表面和两侧壁作腐蚀溶解加工，当阴极运行位置超过步骤S2中沉积的金属层时，停止扫描运动，同时断开电解加工电源；

S5、升高导电基底，让步骤S4电解加工的金属层上表面完全露出电解液层；

S6、依次按步骤S1、S2、S3、S4、S5重复进行电化学加工，直到所加工的零件达到所要求的高度时结束所有操作。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、结构简单，易于实现，成本低。只需在常规射流电沉积系统附加结构简单的用于电解整平加工的电解电极及电解加工电源，就能较好地解决射流电沉积件/层所存在的问题，工艺成本低。