帶測量反饋的電化學增材制造方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及電化學制造領域，尤其是采用電化學方法進行增材制造即三維打印的領域。
【背景技術】
[0002]增材制造方法即三維打印容易與計算機輔助設計連接，適合于小批量制造具有復雜內外表面形狀的部件。電化學制造方法在減材制造中適于加工高硬度高韌性或難熔金屬，在增材制造中適于沉積熔點或密度差別大難于直接形成合金的金屬。電化學增材制造適于得到特殊組成的功能性材料，且在光亮劑等藥劑的配合下能得到良好的表面質量。但傳統上電化學減材制造方法屬于尺寸精度不高的加工方法，通過對電化學減材制造方法的不斷改進，采用高精度的仿形工具電極，使工具電極以較高頻率震動，在電極和工件間施加大幅值的脈沖電流可以顯著提高加工的尺寸精度到切削加工的同等級別。但這種方法存在工具電極加工復雜，制造周期長的缺點。電化學增材制造方法已經得到廣泛應用的領域是電鑄光盤母盤，電鍍加厚電路板，電鍍修復磨損等。但電化學增材制造方法還難于直接加工生產機械零部件。主要障礙時電化學增材制造方法的尺寸精度難于控制。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是克服現有的在電化學加工過程中尺寸精度難于控制的問題。
[0004]為實現上述技術目的，本發明所采用的技術方案是:
在電化學加工過程中包含反復循環交錯排列的制造過程和測量過程，制造過程通過直流或單向重復脈沖大電流溶解或沉積材料，測量過程通過交流小電流測量阻抗來確定電極和工件之間的距離。將測量結果通過微處理器計算后用于確定制造過程中設定的電流電量的大小或工作進給的速度和距離。
[0005]本發明的有益效果是:
在制造的過程中不斷測量電極和工件之間的距離，并通過反饋控制設定加工參數，從而使電化學加工變為一個閉環過程；本發明尤其適用于通過電化學的方法進行三維打印。
【附圖說明】
[0006]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進一步說明。
[0007]圖1帶測量反饋控制的電化學增材加工裝置示意圖。
[0008]
[0009]
[0010]圖中101.計算機，102.步進電機驅動器，103.程控電解電源，104.X軸步進電機，105.絕緣連接板，106.電解液噴嘴，107.待標記工件，108.導電墊板，109.絕緣墊板，110.機架，111.機架固定處，112.管道，113.電解液吸入口，114.電解液收集槽，115.電解液，116.過濾器，117.泄壓閥，118.電解液泵，119.擋板，120.流量計，121.壓力表，122.滑臺移動板，123.Y軸步進電機，124.十字滑臺固定處，125.交流阻抗測量儀。
【具體實施方式】
[0011]實施例1
電化學方法進行減材制造，采用80%飽和的氯化鈉溶液為工作媒質。工作電極材質是表面涂覆二氧化銥的不溶性鈦電極，工作電極為直徑3毫米的細長圓柱體。工件為鎢鋼，因為硬度高，不適于采用傳統的機加工方法進行表面雕銑。將工件接控制器正極，工作電極接控制器負極。工件和工作電極同時浸入工作媒質中，工作媒質裝在工作容器中并通過泵將其在工作容器和散熱器中循環散熱以避免過熱。采用10000安培每平方米的基準工作電流密度。在工作電流上疊加頻率為3000赫茲，幅度為工作電流一百分之一的交流電流，將工作電極和工件之間的電壓響應訊號通過隔直流通交流的濾波器然后進行采樣和數模轉換，所得電壓值取絕對值然后進行平均。將電壓值在微處理器中通過查表法轉換為距離值。查表法所用的表格是預先標定的電壓或電阻和距離對應的雙列數組。算出距離值之后，由軟件驅動Z軸進行工作電極的正向或負向運動，以保持工作電極和工件間的距離為0.2毫米。同時將工件表面的實際高度坐標和目標值比較，當差值在5毫米以內時，按照2000安培每毫米的比例降低工作電流。在Z軸進給的同時驅動X軸和Y軸帶動工件，使工作電極掃描完工件的整個加工表面。三軸平臺的結構和驅動是機加工行業公知的成熟技術，在此不加贅述。如果需要加工工件的多個表面，還可以加入第四軸使工件旋轉，這也是機加工行業公知的成熟技術。在三軸平臺的帶動下，工作電極反復掃描完工件加工表面直至工件表面的實際高度坐標和目標值相差在設定偏差范圍內。按照本實施例可以在工件表面精密加工出任意曲面，目標曲面表面曲率對應的直徑最小值大于工作電極直徑的2倍。
[0012]實施例2
電化學方法進行增材制造，采用光亮鎳電鍍液為工作液。工作電極材質是表面涂覆二氧化銥的不溶性鈦電極，工作電極為直徑3毫米的細長圓柱體。工件基材為鎳板。將工件基材接控制器負極，工作電極接控制器正極。工件基材和工作電極同時浸入工作液中，工作液裝在工作容器中并通過泵將其在工作容器和散熱器中循環散熱以避免過熱。采用1000安培每平方米的基準工作電流密度。在工作電流上疊加頻率為3000赫茲，幅度為工作電流一百分之一的交流電流，將工作電極和工件之間的電壓響應訊號通過隔直流通交流的濾波器然后進行采樣和數模轉換，所得電壓值取絕對值然后進行平均。將電壓值在微處理器中通過查表法轉換為距離值。查表法所用的表格是預先標定的電壓或電阻和距離對應的雙列數組。算出距離值之后，由軟件驅動Z軸進行工作電極的正向或負向運動，以保持工作電極和工件間的距離為0.2毫米。同時將工件表面的實際高度坐標和目標值比較，當差值在5毫米以內時，按照2000安培每毫米的比例降低工作電流。在Z軸進給的同時驅動X軸和Y軸帶動工件，使工作電極掃描完工件的整個加工表面。三軸平臺的結構和驅動是機加工行業公知的成熟技術，在此不加贅述。如果需要加工工件的多個表面，還可以加入第四軸使工件旋轉，這也是機加工行業公知的成熟技術。在三軸平臺的帶動下，工作電極反復掃描完工件加工表面直至工件表面的實際高度坐標和目標值相差在設定偏差范圍內。按照本實施例可以在工件基材表面通過沉積金屬獲得尺寸精密的任意形狀曲面，只要曲面表面曲率對應的直徑最小值大于工作電極直徑的2倍。
【主權項】
1.一種電化學加工方法，通過將工件和工具電極置于電解液中，工件連接電源正極，工具電極連接負極，通過電化學反應使工件上的部分材質溶解或變疏松從而被除去，其特征是:持續測量工件和工具電極之間電解液的阻值并換算為兩者之間的距離，將工具電極尖端的位置加上距離值和被加工面的目標位置相比較，得到差值用于按比例控制加工電流的大小直至工件表面的實際高度坐標和目標值相差在設定偏差范圍內。
2.一種電化學加工方法，通過將工件和工具電極置于電解液中，工件連接電源負極，工具電極連接正極，工具電極材質為在正極電位下不溶解的形狀穩定材料，通過電化學反應使電解液中的部分離子沉積在工件上，其特征是:持續測量工件和工具電極之間電解液的阻值并換算為兩者之間的距離，將工具電極尖端的位置加上距離值和被加工面的目標位置相比較，得到差值用于按比例控制加工電流的大小直至工件表面的實際高度坐標和目標值相差在設定偏差范圍內。
3.根據權利要求1和2所述的電化學加工方法，其特征是:所述阻值和距離值的測量是通過在工作電流上疊加小幅度的交流電流，將工作電極和工件之間的電壓響應訊號通過隔直流通交流的濾波器然后進行采樣和數模轉換，所得電壓值取絕對值然后進行平均，將電壓響應與標定值進行比較以得到阻值和距離值。
4.根據權利要求1和2所述的電化學加工方法，其特征是:所述阻值和距離值的測量是通過在工作電流上疊加小幅度的階躍電流，將工作電極和工件之間的電壓響應訊號通過隔直流通交流的濾波器然后進行采樣和數模轉換，將所得電壓階躍值與標定值進行比較以得到阻值和距離值。
【專利摘要】本發明公開了帶測量反饋的電化學制造方法及實現裝置，尤其是用于增材制造即三維打印領域的。本發明通過電化學溶解或電化學沉積的方式產生所需外形尺寸和成分的部件，工藝過程中包含反復循環交錯排列的制造過程和測量過程，制造過程通過直流或單向重復脈沖大電流溶解或沉積材料，測量過程通過交流小電流測量阻抗來確定電極和工件之間的距離。將測量結果通過微處理器計算后用于確定制造過程中設定的電流電量的大小或工作進給的速度和距離。
【IPC分類】C25D1-00, C25D5-08
【公開號】CN104593830
【申請號】CN201310529711
【發明人】谷濤, 沈紹典
【申請人】無錫華臻新能源科技有限公司
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2013年11月1日