毕业设计论文喷射电铸设备的设计Word文档格式.docx
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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0~15m/s,采用耐酸磁力泵;
2、喷嘴:
圆喷嘴口径1,2,3mm,扁喷嘴口径20mm×
1mm,材料为有机玻璃;
3、工作直流电压0~220V,电流0~2A;
4、电解液槽能容纳电解液20~30L,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00~800C。
6、通过电机控制阴极转动,转速范围0~500r/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0~220V、电流0~2A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0~500r/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0~220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0~220V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)可知,全波整流电路的输出平均电压为:
为了使全波整流的输出电压平稳,可以采用简单的滤波元件。
3.2.3单相桥式整流电路
1、工作原理
单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路,其电路与波形图如图3.5所示。
整流电路工作时,整流电路中的二极管是作为开关运用,具有单向导电性。
当正半周时,二极管D1、D3导通,在负载电阻上得到正弦波的正半周;
当负半周时,二极管D2、D4导通,在负载电阻上得到正弦波的负半周;
在负载电阻上正、负半周经过合成,得到的是同一个方向的单向脉动电压。
2、参数计算
根据图3-5可知,输出电压是单相脉动电压,通常用它的平均值与直流电压等效。
输出平均电压为:
流过负载的平均电流为:
流过二极管的平均电流为:
二极管所承受的最大反向电压为:
流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量,可将脉动电压做傅里叶分析,此时谐波分量中的二次谐波幅度最大。
脉动系数S定义为二次谐波的幅值与平均值的比值。
(a)桥式整流电路(b)波形图
图3.5相桥式整流电路
综上所述比较可知:
单相半波整流的优点是:
结构简单,使用元件少;
其缺点是:
只利用了电源的半个周期,所以电源利用率较低,输出的直流成份比较,输出波形的脉动大;
变压器电流含有直流成份,容易饱和;
半波整流只用在要求不高,输出电流较小的场合。
单相全波整流流的优点是:
电源利用率高,输出电压比半波整流提高了一倍,每个管子仅提供输出电流的一半;
要求管子耐压要高,带中心抽头的变压器工艺复杂,成本高。
单相桥式整流拥有单相全波的所有优点,又克服了它的缺点,而且单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过,而半波和全波整流电路中均有直流分量流过。
根据试验要求,并结合三种整流电路的特点,直流电源中选择单相桥式整流电路。
3.3整流电路的设计
3.3.1整流桥的选择
根据试验条件要求,选择调压器的调压范围为0~240V。
根据所需要的直流电压为0~220V、电流为0~2A的参数来选择整流二极管。
流过整流二极管的电流为:
~1A
调压器二次侧的电压的有效值:
0~183.33V
整流二极管所承受最高反向电压为:
256.67V
经计算我用选用整流桥二极管KBPC50A-10,其参数为:
电流10A,电压1000V。
图3.6所示为所选用的整流桥。
图3.6整流桥实物图
整流桥有四个接线端子,其中一对接交流电,一对是整流以后输出的电流。
在整流桥的直流输出端并连一个量程0~220V的电压表显示输出直流电压,同时在输出端串连一个量程0~2A的电流表显示输出端的直流电流。
3.3.2滤波电容的选取
经过整流后的电压是脉动的直流电,为了减少波动,通常要加滤波器。
滤波器可分为:
电容滤波器(C滤波器),电感滤波器(LC滤波器),∏形滤波器三类。
其中电容滤波电路简单,输出电压U0较高,但是外特性较差,且具有电流冲击。
因此,电容滤波器一般用于要求输出电压较高,负载电流较小的场合。
这些比较符合我们设备的要求。
滤波电容的作用是使滤波后输出的电压为稳定的直流电压,其工作原理是整流电压高于电容电压时电容充电,当整流电压低于电容电压时电容放电,在充放电的过程中,使输出电压基本稳定。
由于电容的储能作用,使得输出波形比较平滑,脉动成分降低输出电压的平均值增大。
滤波电路中二极管的导电角小于180o,导电时间缩短。
因此,在短暂的导电时间内流过二极管很大的冲击电流,必须选择较大容量的电容。
电容的放电时间τ=RLC越大,放电过程越慢,输出电压中脉动(纹波)成分越少,滤波效果越好。
一般取τ≥(3~5)T/2,T为电源交流电压的周期。
查资料可知电容的计算公式为:
RLC≥(3~5)
其中RL——负载电阻
C——电容容量
T——电源周期
电铸中负载电阻RL=200
,电源周期T=0.02s,取系数为4,则可得到:
C=
=0.0002F=200
因此,选用直流电压为220V,容量为220
的电容滤波。
根据所选用电器元件,将其按照正确的连接方法组装起来,得到如图3.7所示的电压值可调的直流电源。
图3.7直流电整体图
第四章电解液喷射循环与加热系统设计与制作
电解液喷射循环系统设计的目的是为了使液体能从电解液槽中按一定的方向与流量流出,并根据要求喷到阴极上去。
试验中所使用的电铸液为酸性电解液,而且在喷射电铸时电铸液要以一定的压力喷出,所以所制作的设备要求耐酸碱腐蚀,连接处密封要好。
4.1电解液喷射循环系统组成
电解液喷射循环系统主要由喷腔部分、储液部分和其他连接部件组成,如图4.1所示。
图4.1电解液喷射循环系统
1、阳极喷腔与喷嘴2、流量计3、可调节流阀
4、溢流阀5、磁力泵6、电解液槽
喷腔部分主要由喷嘴和阳极腔组成。
从该部分喷出来的液体直接对工件进行加工,所以该部分是整个循环系统最为重要的一部分。
储液部分主要由回收槽和储液槽两部分组成。
回收槽的主要功能是:
存放加工工件并在加工的同时把喷嘴喷出的液体进行回收。
而储液槽则是为该循环系统提供有一定要求的电解液。
储液槽内放置有电阻加热器、测温用热电偶。
其他连接部分包括回液管、送液管和溢流阀等元件。
回液管是用于连接回收槽与储液槽,即将加工工件的剩余液体回送到储液槽。
送液管则是用于连接储液槽与阳极腔,即将电解液送到阳极腔。
溢流阀等元件则是调节整个管路中的液体压力和流量。
4.2阳极喷腔与喷嘴的设计与加工
4.2.1阳极腔的设计
阳极腔由腔体和堵头两部分组成。
根据要求,设计出以螺纹结构相结合的阳极腔的腔体和堵头,其零件图和实物如图4-2(腔体)和图4-3(堵头)所示。
保证其应有的密封性,腔体的另一端也是螺纹孔,该孔是为连接喷嘴而设计的,腔体的侧面还有一个直径25mm的孔是电解液入口。
(a)结构图
(b)实物图
图4.2腔体零件图与实物图
图4.3喷腔堵头零件图与实物图
4.2.2阳极腔的加工
喷腔中要有电解液流过,堵头是要把喷腔密封起来的,都是要和喷射液接触的,所以材料是要耐腐蚀,价格也要合理,容易找到,易加工,阳极喷腔采用工程塑料。
阳极喷腔采用数控机床进行加工,腔体与堵头的加工工艺如表4.1(腔)、表4.2(堵头)所示,加工车刀刀位分配如表4.3、表4.4所示,加工数控程序见附录I、V所示。
表4.1喷腔加工工艺
工序号
加工内容
设备
5
车端面,钻扩较孔并车内螺纹,保证总长割掉多余料
数控车床
10
车另一端面,钻Ø
8.5的通孔
15
手动攻M10×
1.5的内螺纹
攻丝一套
20
钻扩Ø
25的孔
数控铣床
表4.2堵头加工工艺
工序内容
设备
车端面,Ø
50外圆并车外螺纹,钻Ø
10的孔,保证总长割掉多余料
数控车床
车另一端面与Ø
30外圆
把Ø
30的圆柱铣成20mm×
20mm
表4.3喷腔加工车刀刀位分配
刀位号
刀具名称
1
端面车刀
2
镗刀
3
内割刀
4
60度内螺纹刀
表4.4堵头加工车刀刀位分配
外圆车刀
60度外螺纹刀
厚4mm的割刀
4.2.3喷嘴的设计与加工
在喷嘴的设计中,为了达到喷射的目的我们共设计了两种类型的喷嘴:
圆喷嘴和扁喷嘴。
喷嘴材料为机玻璃。
1、圆喷嘴的设计与加工
圆喷嘴直接与阳极喷腔连接,根据试验要求设计了三种尺寸的喷嘴口径d,即d=1mm、2mm、3mm,喷嘴的结构尺寸如图4.4所示。
图4.4圆喷嘴
圆喷嘴采用数控机床进行加工,其加工工艺如表4.5所示,加工车刀刀位分配如表4.6所示,加工数控程序见附录Ⅱ所示。
表4.5圆喷嘴加工工艺
车端面、外圆,加工螺纹保证总长的情况下割掉工件
车另一端端面并钻通孔
表4.6圆喷嘴车刀刀位分配
2、扁喷嘴的设计与加工
扁喷嘴外形尺寸为40mm×
40mm×
5mm,由上下两部分组成,两部分组合在一起形成一个出口端尺寸为20mm×
1mm的长方形窄缝,其结构与实物如图4.5所示。
a结构图
b实物图
图4.5扁喷嘴
扁喷嘴采用数控机床进行加工,两部分的加工工艺分别如表4.7、表4.8所示,数控加工程序见附录Ⅲ所示。
表4.7扁喷嘴加工工艺(厚为15mm)
通过找正装夹分别铣4个侧面,在一个侧面钻Ø
8.5的孔
找正装夹后在正面钻Ø
10的孔并钻Ø
4的通孔
手动攻螺纹
表4.8扁喷嘴加工工艺(厚为5mm)
通过找正装夹分别铣4个侧面
铣正面上的凹槽,钻Ø
3、连接头加工工艺
当使用扁喷嘴进行喷射电铸试验时,需要连接头来连接扁喷嘴与阳极喷腔。
设计的连接头结构与加工的实物如图4.6所示。
连接头的材料为有机玻璃。
连接头的加工工艺与加工刀位设计分别如表4.9、4.10所示,数控加工程序如附录Ⅳ所示。
(a)结构图(b)实物图
图4.6连接头
表4.9连接头加工工艺
车端面、一端外圆、Ø
13的台阶、螺纹并割掉足够长的工件
车另一端端面、外圆与螺纹
钻Ø
7的孔
表4.10连接头加工车刀刀位分配
4.3电解液槽设计与制作
电解液槽为长方体,其尺寸为长450mm、宽450mm、高450mm,制作的实物如图4.7所示。
电解液槽的材料为耐酸碱的工程塑料。
通过将切割好的板用胶水胶合而成。
图4.7电解液槽
4.4电解液加热与温度控制系统
电铸中需要将电解液加热到所需要的温度,并保持恒定的温度。
因此,设备系统中需要加热与温度控制装置。
根据试验条件要求,设计了电解液加热与温度控制系统,该系统主要由热电偶、电阻加热器和温度控制仪等组成。
为了便于安装和不影响试验中对电解液槽中电解液的搅拌,将用于加热的电阻器安装电解液槽的底部。
由于电阻加热器直接与电解液接触,所以加热电阻器必须具有耐酸碱和电解液腐蚀的能力。
为了解决这一问题,设计中将电阻加热器置于不锈钢套内,从而起到防止被腐蚀作用。
所选用的电阻加热器的额定电压为220V,功率为1500W。
第五章旋转阴极的设计与制作
5.1旋转阴极的结构设计
旋转阴极的设计目的是要获得具有无极调速的旋转阴极,无极调速范围为0~500r/min。
同时要求旋转阴极转动平稳、阴极导线引出方便、接触稳固可靠,与阴极相连的驱动电机轴及电机不被电解液腐蚀,阴极空间位置可调整。
根据阴极的要求,设计了旋转阴极的结构,如图5.1所示。
阴极旋转主要通过电机驱动,同时通过对电机的控制实现调速。
图5.1旋转阴极的结构示意图
5.2阴极旋转驱动电机的选择
5.2.1电机概述
电动机是把电能转换成机械能的设备。
电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。
电动机按其功能可分为驱动电动机和控制电动机;
按电能种类分为直流电动机和交流电动机;
从电动机的转速与电网电源频率之间的关系来分类可分为同步电动机与异步电动机;
按电源相数来分类可分为单相电动机和三相电动机;
按防护型式可分为开启式、防护式、封闭式、隔爆式、防水式、潜水式;
按安装结构型式可分为卧式、立式、带底脚、带凸缘等;
按绝缘等级可分为E级、B级、F级、H级等。
5.2.2单相异步电动机的结构与工作原理
根据试验条件要求和科研经费条件,选择驱动电机主要依据以下原则:
在满足试验条件要求下,选用结构简单,运行可靠,维护方便,价格便宜的电动机及其调速控制装置。
单相异步电动机具有方便调速,输出的转矩大,功率低,不费电;
结构简单,使用和维护方便,价格便宜等特点。
因此,阴极旋转驱动电动机选择为单相异步电动机。
所选单相异步电动机的参数如表5.1所示。
表5.1单相异步电动机的参数
电压
220v
电流
0.18A
功率55W
转速
1250r/min
类型
YX--40
单相异步电动机由定子和转子两大部分组成。
定子部分由定子铁心、定子绕组、机座、端盖等部分组成,主要作用是通入交流电产生旋转磁场。
转子部分由转子铁心、转子绕组、转轴等组成,作用是导体切割旋转磁场产生电磁转矩,拖动机械负载工作。
当向单相异步电动机的定子绕组中通入单相交流电后,当电流在正半周及负半周不断交变时,其产生的磁场大小及方向也在不断变化(按正弦规律变化),但磁场的轴线则沿纵轴方向固定不动,这样的磁场称为脉动磁场。
当转子静止不动时转子导体的合成感应电动势和电流为零,合成转矩为零,因此转子没有启动转矩。
故单相异步电动机如果不采取一定的措施,单相异步电动机不能自行启动,如果用一个外力使转子转动一下,则转子能沿该方向继续转动下去。
5.3旋转阴极的调速
5.3.1单
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