一种金属结构件加工装置及其加工方法与流程

本发明涉及电铸加工技术领域，特别是涉及一种金属结构件加工装置及其加工方法。

背景技术：

游离微珠摩擦辅助电铸技术，由于能够彻底去除传统电铸技术中电铸层出现的针孔、麻点和结瘤等缺陷，被广泛应用于金属结构件制造技术领域，其作为一种重要成形零件的特种加工方法，在大壁厚金属结构件的制造中有着重要应用。例如，其在液氢液氧火箭发动机推力室身部特殊结构、大型超音速风洞喷管、大型压力容器、大型反光镜等大壁厚零部件的制造中，有着非常重要的应用。

但是，随着大壁厚金属结构件需求和制造要求越来越高，如液体火箭发动机推力室身部外壁的厚度通常需要达到6～8mm，有时甚至更厚，游离微珠摩擦辅助电铸技术无法满足其制造需求。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种金属结构件加工装置及其加工方法，以满足制造厚度更大的大壁厚金属结构件的要求。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种金属结构件加工装置，包括：

电铸工作槽，位于所述电铸工作槽内部的阳极单元，以及，容纳金属结构件的多孔弹性支撑结构件；

所述多孔弹性支撑结构件的内壁面为弹性面；

在工作状态下，所述弹性面和所述金属结构件之间具有微珠；所述微珠覆盖所述金属结构件。

可选地，所述阳极单元设置在所述电铸工作槽与所述多孔弹性支撑结构件之间。

可选地，所述多孔弹性支撑结构件的外壁面贴合在所述阳极单元的内壁面上，且所述多孔弹性支撑结构件的外壁面为弹性面。

可选地，所述阳极单元包括阳极筐以及设置在所述阳极筐内的多个阳极球；所述阳极筐为两端开口的槽型结构。

可选地，所述阳极筐内设置有象形阳极；所述象形阳极位于所述阳极球和所述多孔弹性支撑结构件之间；所述象形阳极的形状是依据所述金属结构件的形状确定的。

可选地，所述阳极单元与所述多孔弹性支撑结构件之间存在间隙；所述多孔弹性支撑结构件的外壁面为非弹性面。

可选地，所述多孔弹性支撑结构件包括多孔槽型结构件以及嵌入在所述多孔槽型结构件内的多孔弹性支撑件；所述多孔槽体结构件为两端开口的槽型结构。

可选地，所述金属结构件加工装置在工作状态下，所述微珠和所述多孔弹性支撑结构件放置在纱网内。

可选地，所述电铸工作槽上有冲液装置；在所述电铸工作槽一侧设置有电源装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种应用于金属结构件加工装置的加工方法，包括：

在金属结构件放置在多孔弹性支撑结构件内后，在所述多孔弹性支撑结构件和所述金属结构件之间放入微珠；

在所述微珠覆盖所述金属结构件后，在电铸工作槽内注入电铸液；

在所述金属结构件被所述电铸液浸没后，对所述金属结构件进行电铸操作。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

在游离微珠摩擦辅助电铸过程中，金属结构件放置于金属结构件加工装置的电铸工作槽中，作为阴极芯模；在阴极芯模与加工装置的阳极之间，会添加硬质微珠，并加入电铸溶液。运动的阴极芯模带动硬质微珠不断摩擦，挤压电铸层，可得到外观表面平整、光亮，无麻点、针眼、结瘤等缺陷的电铸层。

当金属结构件的电铸层厚度逐渐增加时，金属结构件(阴极芯模)表面与阳极单元之间的距离随之逐渐减小，硬质微珠与阴极芯模表面的压力则随之升高，硬质微珠对阴极芯模的摩擦强度也随之变大。

针对上述情况，本发明设置了容纳金属结构件(阴极芯模)的多孔弹性支撑结构件，大量硬质微珠将挤压多孔弹性支撑结构件，硬质微珠与阴极芯模表面的压力将释放在多孔弹性支撑结构件上，克服了硬质微珠与阴极芯模表面的压力不断地升高，硬质微珠对阴极芯模摩擦强度无法控制，从而使电铸层性能变差的问题，满足了制造厚度更大的大壁厚金属结构件的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一般微珠摩擦辅助电铸工艺原理示意图；

图2为采用现有技术制造的金属结构件成品图；

图3为具有多孔弹性支撑结构件的大厚度电铸层微珠摩擦辅助电铸工艺原理示意图；

图4为当电铸层达到一定厚度时多孔弹性支撑结构件的作用原理示意图；

图5为本发明阳极筐的三维结构示意图；

图6为本发明阳极筐的实物图；

图7为配合象形阳极的多孔弹性支撑结构件微珠摩擦辅助电铸工艺截面示意图；

图8为本发明金属结构件加工装置的加工方法的流程示意图。

符号说明：1、冲液装置；2、阳极球；3、多孔弹性支撑结构件；4、陶瓷微珠；5、直流电源；6、出液口；7、阴极芯模(金属结构件)；8、阳极筐；9、电铸工作槽；10、阳极板；11、象形阳极；12、阳极单元。

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。

本发明的目的是提供一种金属结构件加工装置及其加工方法，以满足制造厚度更大的大壁厚金属结构件的要求。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

术语解释

游离微珠摩擦辅助电铸技术：在摩擦辅助电铸金属结构件中，可以通过提高阴极芯模(金属结构件)的转速，即如图1所示，摩擦粒子(微珠)与电铸层表面的相对运动速度，来增强两者之间的摩擦强度，降低电铸层表面粗糙度，提高显微硬度和抗拉强度等机械性能。为了得到具有某种机械性能(表面粗糙度、显微硬度、机械强度)的电铸层，一般根据基础实验结果，设定好阴极芯模转速及电流密度等参数，便可得到理想结果。

当阴极芯模转速、电流密度、溶液温度和ph值等参数一定时，随着沉积时间的延长，电铸层厚度将不断增加，这导致阴阳极之间的间隙会不断减小，包裹在阴极芯模表面的硬质微珠也会被挤压。

由于电铸工作槽底部溶液流速下降较大，硬质微珠的堆积密度又比溶液的密度大得多，所以无法扰动硬质微珠。这导致了大量硬质微珠不断聚集，而其体积又不可压缩，从而使电铸工作槽底部的硬质微珠与阴极芯模表面的压力不断升高，进而改变了基础试验的参数条件，得到了内应力过大的电铸层，即电铸层性能发生变化。当电铸层厚度进一步增加时，硬质微珠与阴极芯模表面的压力会进一步增大，从而硬质微珠与转动的阴极芯模表面的摩擦力也会变大，摩擦强度无法控制在设定范围内，最后会因为过大的硬质微珠压力或者过大的摩擦强度导致电铸层留下凹痕(如图2所示)，电铸层性能变差，甚至使金属结构件失效。

鉴于此，本发明对采用游离微珠摩擦辅助电铸技术的金属结构件加工装置进行改进，在电铸工作槽中设置了多孔弹性支撑结构件。工作时，在多孔弹性支撑结构件和金属结构件之间放入微珠后进行电铸加工操作。

实施例一

针对采用游离微珠摩擦辅助电铸技术加工大壁厚金属结构件时，微珠摩擦强度无法控制的问题，本实施例提供了一种用于调节摩擦辅助电铸大厚度电铸层中微珠摩擦强度的金属结构件加工装置。

如图3和图7所示，本实施例所述的金属结构件加工装置包括电铸工作槽9，位于电铸工作槽9内部的阳极单元12，以及，容纳金属结构件(以下简称阴极芯模7)的多孔弹性支撑结构件3；其中，多孔弹性支撑结构件3的内壁面为弹性面，且该多孔弹性支撑结构件3的内壁面、外壁面以及内壁面与外避面之间的区域均为多孔结构。

如图4所示，在工作状态下，弹性面和阴极芯模7之间具有陶瓷微珠4；该陶瓷微珠4覆盖在阴极芯模7上。当阴极芯模7的电铸层厚度逐渐增加时，阴极芯模7表面与阳极单元12之间的距离随之逐渐减小，陶瓷微珠4与阴极芯模7表面的压力也随之升高，此时，大量陶瓷微珠4将挤压多孔弹性支撑结构件3，陶瓷微珠4与阴极芯模7表面的压力将释放在多孔弹性支撑结构件3上，克服了陶瓷微珠4与阴极芯模7表面的压力不断地升高，陶瓷微珠4对阴极芯模7摩擦强度无法控制，从而使电铸层性能变差的问题，满足了制造厚度更大的大壁厚金属结构件的要求。

作为一种优选地实施方式，本发明所述的阳极单元12设置在电铸工作槽9与多孔弹性支撑结构件3之间。

作为一种优选地实施方式，本发明所述的阳极单元12为容纳多孔弹性支撑结构件3的结构件，即多孔弹性支撑结构件3的外壁面贴合在阳极单元12的内壁面上，此时，多孔弹性支撑结构件3的外壁面可以为弹性面。

在上述结构关系下，多孔弹性支撑结构件3不需要其他的支撑件。

多孔弹性支撑结构件3为多孔弹性材料，质软，厚度约10～30mm，有良好的形状适应性和很强的吸水性，保证电铸液的连通性；多孔弹性支撑件的密度约为0.02～0.03g/cm³，在25％压缩下多孔弹性支撑结构件3的硬度在1.9kpa左右。

多孔弹性支撑结构件3与阴极芯模7表面可以接触，也可保持5～10mm间隙。由于多孔弹性支撑结构件3的多孔状表面可以很好地容纳陶瓷微珠。

多孔弹性支撑结构件3为发泡树脂、聚酯等聚合物制成的海绵。

阳极单元12包括阳极筐8以及设置在阳极筐8内的多个阳极球2，阳极筐8为两端开口且镂空的槽型结构；如图5和图6所示，阳极筐8可以是一个底部带有槽的u形筐。阳极筐8可以单独加工，且制作阳极筐8的材料是pvc硬塑料。阳极框8是用来(针对阳极镍球)调整阳极单元12的阳极形状。

在加工复杂曲面零件时，如图7所示，阳极筐8内还设置有象形阳极11；该象形阳极11位于阳极球2和多孔弹性支撑结构件3之间；象形阳极11的形状是依据阴极芯模7的形状确定的。

其中，阳极球2是阳极材料，比如镍珠，铜珠等。将阳极球2堆放在一起作为阳极结构，其优点是可以添加和仿形，并且在溶解后，在重力作用下，填充象形阳极空间。象形阳极11为不溶性金属，如钛阳极或带涂层钛阳极。

作为一种优选地实施方式，本发明所述的阳极单元12与多孔弹性支撑结构件3之间存在间隙，此时，多孔弹性支撑结构件3的外壁面为非弹性面，阳极单元12可以为如图1所示的阳极板10。

在上述结构关系下，多孔弹性支撑结构件3包括多孔槽型结构件以及嵌入在多孔槽型结构件内的多孔弹性支撑件；多孔槽体结构件为两端开口的槽型结构，此多孔槽体结构件用于支撑多孔弹性支撑件。

多孔弹性支撑件为多孔弹性材料，质软，厚度约10～30mm，有良好的形状适应性和很强的吸水性，保证电铸液的连通性；多孔弹性支撑件的密度约为0.02～0.03g/cm³，在25％压缩下多孔弹性支撑件的硬度在1.9kpa左右，

多孔弹性支撑件与阴极芯模7表面可以接触，也可保持5～10mm间隙。由于多孔弹性支撑件的多孔状表面可以很好地容纳陶瓷微珠。

多孔弹性支撑件为发泡树脂、聚酯等聚合物制成的海绵。

作为一种优选地实施方式，本发明所述的金属结构件加工装置在工作状态下，陶瓷微珠4和多孔弹性支撑结构件3放置在纱网内。

作为一种优选地实施方式，本发明所述的金属结构件加工装置内，在电铸工作槽9的底部或者一侧冲液装置1；在电铸工作槽9一侧设置有电源装置，如直流电源5。如图3和图4所示，冲液装置设置在电铸工作槽9的底部，出液口6设置在电铸工作槽的侧壁上，直流电源5设置在电铸工作槽的一侧，且直流电源5的正极连接阳极单元12，直流电源5的负极连接阴极芯模7。

实施例二

如图8所示，本发明还提供了一种应用实施例一所述的金属结构件加工装置的加工方法，包括：

步骤s1：在金属结构件放置在多孔弹性支撑结构件内后，在所述多孔弹性支撑结构件和所述金属结构件之间放入微珠。

此步骤中的微珠粒度在0.5～1.2mm，质硬，有较好的耐磨性。

优选地，在所述多孔弹性支撑结构件和所述金属结构件之间均匀添加微珠并形成一薄层。

步骤s2：在所述微珠覆盖所述金属结构件后，在电铸工作槽内注入电铸液。

步骤s3：在所述金属结构件被所述电铸液浸没后，对所述金属结构件进行电铸操作。

在电铸过程中，依靠硬质微珠的重力及硬质微珠与金属结构件(阴极芯模)相对运动实现对电铸层的微量磨削。当转速一定时，随着电铸层不断增厚，阴极芯模表面与阳极单元之间的距离逐渐减小，大量硬质微珠的聚集挤压使多孔弹性支撑结构件，即多孔弹性支撑结构件的体积被压缩，从而使硬质微珠对电铸层保持相对恒定的摩擦力，这样电铸层表面每点的摩擦较均匀一致。

在执行步骤s1之前，需要对金属结构件加工装置进行组装，其组装过程如下：

当阳极单元由阳极筐和阳极球构成时，其组装过程为：

制作符合需求的阳极筐。

将阳极筐安放在电铸工作槽内，阳极球用阳极袋包裹放于阳极筐内。此时，阳极球与后续安放的阴极芯模相对且保持均匀间距。

放置阳极球后，在阳极筐内与阴极芯模相对一面放置纱网，在纱网上放置外壁面和内壁面均为弹性面的多孔弹性支撑结构件。此时，由由阳极筐和阳极球组成的阳极单元包围多孔弹性支撑结构件，多孔弹性支撑结构件包围后续安放的阴极芯模。

阴极芯模通过外界安放装置卧式放置在电铸工作槽的中心区域。

当阳极单元由阳极筐、阳极球和象形阳极构成时，其组装过程与阳极单元由阳极筐和阳极球构成时的组装过程相似，区别仅在于放置阳极球后，在阳极球上放置象形阳极，且象形阳极与后续安放的阴极芯模相对；放置象形阳极后，在阳极筐内与阴极芯模相对一面放置纱网。

需要说明的是，上述所述的纱网可以为耐酸碱的尼龙或聚四氟乙烯材料，目数为16～50目。

当阳极单元由阳极板构成时，其组成过程为：

制作符合需求的阳极板。

将两块阳极板安放在电铸工作槽内，且两块阳极板与后续安放的阴极芯模相对且保持均匀间距。

借助安放装置，在两块阳极板之间放置外壁面为非弹性面的多孔弹性支撑结构件，多孔弹性支撑结构件包围后续安放的阴极芯模。

阴极芯模通过外界安放装置卧式放置在电铸工作槽的中心区域。

作为其他的实施方式，本发明提供的加工方法的步骤s1和步骤s2的顺序可以调换，即在金属结构件放置在多孔弹性支撑结构件内后，控制电铸液由电铸工作槽的底部或上部流入，随后多孔弹性支撑结构件和金属结构件之间放入微珠以覆盖阴极芯模，在金属结构件被电铸液浸没后，接通电源进行电铸操作。

需要说明的是，为了更好的实现电铸效果，阳极单元12与阴极芯模7之间的距离约为15～35mm。且当电铸层厚度小于3mm时，也可以使用多孔弹性支撑结构件辅助进行电铸。

通过本发明提供的加工装置和加工方法，解决了硬质微珠辅助摩擦大厚度电铸层内应力过大及表面摩擦痕迹残留等问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。