阅读说明：本技术 一种用于提高小型edm电极性能的掩模式射流电沉积装置及其方法 (It is a kind of for improving the mask-type jet stream electric deposition device and its method of small-sized EDM electrode performance ) 是由 范晖 赵阳培 王善奎 田宗军 黄因慧 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于提高小型EDM电极性能的掩模式射流电沉积装置和方法,通过喷射电解液束流携带一定含量的尿素和TiB<Sub>2</Sub>纳米陶瓷颗粒,在普通电铸铜电极表面形成了纳米晶铜-TiB<Sub>2</Sub>的复合结构增强涂层,该特殊结构有助于针对性地提高EDM电极材料的力学性能以及加工中的耐蚀性能,并利用了基体电铸铜作为电极材料的良好导电性能。本发明结合射流电沉积与掩模技术产生一种新的加工方法,针对复杂形状的电极材料进行扫描加工,铜零件可直接用作电脉冲加工机床的电极工具。该工艺方法简便,设备成本低,制备零件尺寸范围宽,当采用很小的喷嘴口径时,可对小型电极工具零件起到强化作用。(The invention discloses a kind of for improving the mask-type jet stream electric deposition device and method of small-sized EDM electrode performance, and the urea and TiB of certain content are carried by jet electrolytic liquid line 2 Nano-ceramic particle forms nanocrystalline copper-TiB in common copper electroforming electrode surface 2 Composite construction enhance coating, which facilitates the mechanical property for pointedly improving EDM electrode material and the corrosion resisting property in processing, and excellent conductive performance of the matrix copper electroforming as electrode material is utilized.Present invention combination jet stream electro-deposition and mask technique generate a kind of new processing method, are scanned processing for the electrode material of complicated shape, copper part can be directly used as the electrode tool of electric pulse processing lathe.The process is easy, and equipment cost is low, and preparation part size range is wide, when using the nozzle diameter of very little, can play invigoration effect to miniature electrodes tool part.)

一种用于提高小型EDM电极性能的掩模式射流电沉积装置及 其方法

技术领域

本发明涉一种用于提高小型EDM电极性能的掩模式射流电沉积装置及其方法。

背景技术

电火花加工（EDM）是一种特殊的特种加工工艺，它利用工件与工具之间的电腐蚀现象去除多余的导电金属。在电火花加工过程中，电极材料的选择至关重要，因为在工件材料的腐蚀过程中，电极材料本身也会受到腐蚀，从而影响工件的形状和尺寸精度。因此，降低电火花加工过程中的电极损耗具有重要意义。通常EDM材料行业使用的为石墨或紫铜材料。石墨具有良好的导电性，但机械性能较差，容易断裂。电铸紫铜具有良好的导电性能和电性能，可适宜制作各种形状复杂、精密的电极，是电火花加工中常用的电极材料。但是，由于铜材料自身具有低熔点、低硬度的特点，传统的电铸铜无法抑制EDM加工中的电极烧蚀损失，从而降低了加工精度，在大电流加工中尤为明显。

为了减少电极损耗，提高电极性能，电极制造业目前致力于发明新的电极材料成型方法和改变材料成分。这些工作包括粉末冶金、高温合成、复合电沉积等。如近年来相关的专利201510367154.9，研究了通过烧结成型多粉体制备铜复合材料以制备电火花加工电极的方法。又如目前报道介绍出现的高温合成法制备TiB2颗粒增强铜基复合材料，相对于普通的铜电极材料具有一定的性能改善。

综合来看，目对针对EDM铜电极材料的改进方法，以高能量场技术居多，如激光熔覆、热喷涂等，虽然速度快、效率高、合金成分可调，但也存在设备复杂、相对成本高、成形厚度不易控制、存在热影响残余应力等问题。另外通过粉末冶金、高温合成的方法所需原料较多，同时还需进行熔炼、清洗、退火、冷加工等多道工序，生产工艺复杂，成本较大。

射流电沉积是近年来发展起来的一种新的电沉积技术，具有良好的定域性以及形成特殊的纳米晶结构的特殊性质。采用射流电沉积方法结合掩膜技术，可以制备出形状复杂、微观结构为纳米晶的金属微观结构。而基于现有的研究发现，纳米晶材料具有致密的微观结构和良好的力学性能。通过射流电沉积法在普通铜质电极材料表面制备纳米晶性能强化涂层，可有效提高普通紫铜材料的电极性能，降低电极在加工过程中的损耗，具有重要的现实意义。经过查新检索，目前通过射流电沉积方法进行小型EDM电极材料耐蚀性能的工艺、技术构想和方案还没有出现。

发明内容

1．要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于提高小型EDM电极性能的掩模式射流电沉积装置及其方法，工艺方法简便，设备成本低。

2．技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种用于提高小型EDM电极性能的掩模式射流电沉积装置，其特征在于： EDM电极材料的制备装置由输液管道、电解液箱、电解液泵、流速控制阀、电源、数控喷嘴系统、工件装夹模块组成；电解液箱、电解液泵、流速控制阀、喷嘴系统、待处理电极材料通过输液管道各部件顺序相连，电源正极连接喷嘴阳极棒，电源负极连接待处理电极材料，电解液泵启动后，电解液束流经喷嘴射向待处理电极材料形成一闭合回路。

所述数控喷嘴系统由数控机械手、喷嘴组成。喷嘴固定在数控机械手前端，数控机械手可按程序指令驱动喷嘴到达指定位置精确完成加工过程如喷嘴扫描等动作。喷嘴由阳极腔和喷嘴头两部分组成，阳极腔中间固定有阳极棒，下端通过螺纹与喷嘴相连；工作状态下电解液从阳极腔进液口流入从喷嘴头喷出。。

喷嘴为矩形喷嘴，尺寸为20mm×1mm。

一种用于提高小型EDM电极性能的掩模式射流电沉积方法，包括以下步骤：

待沉积紫铜电极材料表面预处理：首先，丙酮清洗待加工紫铜电极表面去除油污，以800-1200目金相砂纸将电极表面渐进式研磨、抛光，将紫铜电极置于15%的稀硫酸溶液中浸蚀2分钟以便在表面形成一层致密的钝化层；蒸馏水冲洗干净、吹干，待用；

掩膜材料选用及加工方法：掩膜材料选用厚度为0.1-2mm的防水、耐酸型环氧树脂板，背面预贴防水双面胶层。加工掩膜前，绘制待处理电极材料平面CAD图案文件，模板图案上须设计有定位销孔。将文件导入CNC电脑雕刻机，加工出与电极材料具有相同轮廓的掩膜板，因模板内孔壁加工质量比较粗糙，会影响电沉积质量，需要将模板在浓度为98%的硫酸中浸泡6分钟，使孔壁光滑平整。制备出具有相同形状的一组模板，叠加后总体厚度D=待处理电极厚度d1+涂层厚度d2；

将加工后成组的模板通过双面胶相互固定，并通过定位销固定在工作台上，构成具有电极形状的内腔。将待处理电极放入内腔，电极待处理表面向上放置，其表面与模板上层表面之间的距离即为涂层厚度；

喷涂加工由数控程序控制，该数控程序中应根据沉积厚度和沉积区域面积设定扫描次数、扫描距离等普通参数，应使金属沉积层按照指定厚度精确地沉积在掩膜板限定区域内，形成均匀致密的纳米晶金属沉积层，喷涂加工的基本参数为：喷嘴移动扫描速度10mm/s，电解液流速300L/h，喷嘴至阴极距离7 mm，脉冲电源参数：脉宽ton=20μs，脉间toff=40μs，平均电流密度250A/dm2；

喷涂加工的涂层厚度达到模板限定高度后，即可结束加工。将模板形成的型腔与电极分离，得到强化处理后的电极材料。

3．有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

1）本发明是通过喷射电解液束流携带一定含量的尿素和TiB2纳米陶瓷颗粒，在普通电铸铜电极表面形成了纳米晶铜-TiB2的复合结构增强涂层，该特殊结构有助于针对性地提高EDM电极材料的力学性能以及加工中的耐蚀性能，并利用了基体电铸铜作为电极材料的良好导电性能。

2）本发明结合射流电沉积与掩模技术产生一种新的加工方法，针对复杂形状的电极材料进行扫描加工，铜零件可直接用作电脉冲加工机床的电极工具。该工艺方法简便，设备成本低，制备零件尺寸范围宽，当采用很小的喷嘴口径时，可对小型电极工具零件起到强化作用。

附图说明

图1为本发明的装置系统示意图；

图2为掩膜板实物示意图；

图3为加工工序图；

附图4为电极的相对损耗对比；

附图5为 成形的电极零件现场图。

1.电源，2.电解液输送管喷嘴，3.数控主机吸盘，4.调速阀，5.循环泵电沉积槽，6.过滤器定位销，7.搅拌器叠层模板，8.电解液回收箱阴极导板，9.过滤腔，10.支撑架，11.工作台，12.喷嘴，13.待处理铜电极材料，14.工件夹具，15.五轴联动数控机械手，16.叠加掩模板。

具体实施方式

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；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明通过以下技术方案实现，具体结构和操作步骤如下：

1）EDM电极材料的制备装置由输液管道、电解液箱、电解液泵、流速控制阀、电源、数控喷嘴系统、工件装夹模块等零件组成。如附图1所示。电解液箱、电解液泵、流速控制阀、喷嘴系统、待处理电极材料通过输液管道各部件顺序相连，电源正极连接喷嘴阳极棒，电源负极连接待处理电极材料。电解液泵启动后，电解液束流经喷嘴射向待处理电极材料（阴极）形成一闭合回路，构成电化学加工的必要加工条件。

2)数控喷嘴系统由数控机械手、喷嘴组成。喷嘴固定在数控机械手前端，数控机械手可按程序指令驱动喷嘴到达指定位置精确完成加工过程如喷嘴扫描等动作。喷嘴由阳极腔和喷嘴头两部分组成，阳极腔中间固定有阳极棒，下端通过螺纹与喷嘴相连。工作状态下电解液从阳极腔进液口流入从喷嘴头喷出。喷嘴为矩形喷嘴，尺寸为20mm×1mm。

3）加工用电解液成分及配置处理方法：五水硫酸铜250克/L，浓硫酸50克/L，活性剂尿素10克/L，粒径为5 μm的TiB220克/L。首先，将硫酸铜和浓硫酸按照浓度及工况需要配置成一定体积的基础电解液，再将一定数量的TiB2微粒与活性剂尿素根据制定浓度加入10mL 基础电解液的研钵中研磨，然后完全转入剩余基础电解液中，在 300 r/min 下机械搅拌约12 h。在电沉积之前，还须将复合电解液超声搅拌30分钟。加工中，须以1000 r/min速度机械搅拌，减小颗粒团聚使其均匀分散，同时使活性剂与TiB2颗粒充分接触。电解液温度由恒温水浴控制在60℃，以保证活性剂具有较好的活性，发挥最佳效果。

4）待沉积紫铜电极材料表面预处理：首先，丙酮清洗待加工紫铜电极表面去除油污。以800-1200目金相砂纸将电极表面渐进式研磨、抛光。将紫铜电极置于15%的稀硫酸溶液中浸蚀2分钟以便在表面形成一层致密的钝化层。蒸馏水冲洗干净、吹干，待用。

5）掩膜材料选用及加工方法：掩膜材料选用厚度为0.1-2mm的防水、耐酸型环氧树脂板，背面预贴防水双面胶层。加工掩膜前，绘制待处理电极材料平面CAD图案文件，模板图案上须设计有定位销孔。将文件导入CNC电脑雕刻机（其加工精度须达到±0.01mm），加工出与电极材料具有相同轮廓的掩膜板，如附图2所示。因模板内孔壁加工质量比较粗糙，会影响电沉积质量，需要将模板在浓度为98%的硫酸中浸泡6分钟，使孔壁光滑平整。制备出具有相同形状的一组模板，叠加后总体厚度D=待处理电极厚度d1+涂层厚度d2。如附图3所示。

6）将加工后成组的模板通过双面胶相互固定，并通过定位销固定在工作台上，构成具有电极形状的内腔。将待处理电极放入内腔，电极待处理表面向上放置，其表面与模板上层表面之间的距离即为涂层厚度。如附图1、3所示

7）喷涂加工由数控程序控制，该数控程序中应根据沉积厚度和沉积区域面积设定扫描次数、扫描距离等普通参数，应使金属沉积层按照指定厚度精确地沉积在掩膜板限定区域内，形成均匀致密的纳米晶金属沉积层。喷涂加工的基本参数为：喷嘴移动扫描速度10mm/s，电解液流速300L/h，喷嘴至阴极距离7 mm，脉冲电源参数：脉宽ton=20μs，脉间toff=40μs，平均电流密度250A/dm2。

8）喷涂加工的涂层厚度达到模板限定高度后，即可结束加工。将模板形成的型腔与电极分离，得到强化处理后的电极材料。

采用掩模式射流电沉积加工方法制备不同形状的强化电极材料。

使用电解液：硫酸铜250g/L，硫酸50g/L，活性剂尿素10克/L，粒径为5 μm的TiB220克/L。电解液温度30℃。

成型工艺参数：采用喷嘴口径20×1mm，喷嘴移动扫描速度10mm/s，电解液流速300L/h，喷嘴至阴极距离7 mm；脉冲参数：脉宽ton=20μs，脉间toff=40μs，平均电流密度为250A/dm2。

在上述确定的工艺条件下，在附图1所示的射流电沉积设备进行了成型实验。由附图5所示，成型的一组不同形状的电极零件，轮廓清晰并具有良好的外形结构，具有一定1mm纳米晶涂层厚度。图中的五角星形、三角形和正方形成型件在X、Y方向的尺寸精度达到(10±0.2)mm，圆角半径r<1.5mm。经过将不同加工方法制备的铜材料进行性能对比，得到表1。由表1可见，经过射流电沉积纳米晶处理后的铜质电极材料，其力学性能包括抗拉强度和硬度都有了大幅度的提升。从附图4也可看出，射流电沉积纳米晶处理后的铜质电极材料，其电极相对损耗率要明显低于普通电铸铜

表 1

与目前已知方法相比，具有以下优点：

1）本发明以普通电铸铜为本体，通过射流电沉积手段在普通电铸铜表面形成高导电高硬度EDM铜合金材料，得到了复合纳米晶结构涂层，具有结晶组织致密等较好的力学性能，同时与高强度的TiB2增强颗粒产生协同增强作用，显著降低电极材料在EDM加工中的损耗率，是目前EDM加工中常用紫铜和石墨材料的理想替代品。

2）本发明利用射流电沉积掩膜加工优良的定域性，结合数控加工设备，可针对具有复杂形状的电铸铜电极材料表面进行镀覆加工，可适用于不同形状的电极，简化了加工难度。

以上所述；仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此；任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内；根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本发明的保护范围内。