汪倩倩，王登勇，朱 荻

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，陣列結(jié)構(gòu)被廣泛運(yùn)用于金屬表面以獲得某些優(yōu)異的功能或性能。例如，航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣大多為薄壁環(huán)形件，表面分布有安裝座等陣列結(jié)構(gòu)用于與其他部件連接[1-2]；火焰筒浮動(dòng)瓦片表面具有陣列排布的擾流柱結(jié)構(gòu)，用以提高換熱性能[3]。

旋印電解加工是南京航空航天大學(xué)提出的一項(xiàng)新技術(shù)，主要針對(duì)機(jī)匣等具有復(fù)雜凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的薄壁回轉(zhuǎn)體零件的加工。圖1是旋印電解加工原理示意，工件為陽(yáng)極，使用帶有中空窗口的工具作為陰極，中空窗口內(nèi)壁為絕緣壁面，兩極之間保持較小的加工間隙。在加工過(guò)程中，工具陰極與工件陽(yáng)極等角速對(duì)轉(zhuǎn)，電解液流經(jīng)加工間隙，對(duì)陰陽(yáng)極施加一定電壓，陽(yáng)極工件上金屬材料被選擇性去除，且工具陰極不斷向陽(yáng)極方向進(jìn)給，以得到相應(yīng)高度的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)[4]。旋印電解加工具有加工材料范圍廣、加工表面質(zhì)量好、無(wú)殘余應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)，在制備復(fù)雜凸臺(tái)回轉(zhuǎn)體零件上表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊[5]。

圖1 旋印電解加工

近年來(lái)，針對(duì)表面具有陣列凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)體工件，提出了倍轉(zhuǎn)速旋印電解加工技術(shù)[6]。圖2是倍轉(zhuǎn)速旋印電解加工原理示意，工件陽(yáng)極與工具陰極以恒定轉(zhuǎn)速比n反向旋轉(zhuǎn)，陰陽(yáng)兩極直徑比、窗口數(shù)量比均為1∶n。倍轉(zhuǎn)速旋印電解在加工表面具有大量陣列凸臺(tái)的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)時(shí)，具有電場(chǎng)集中、流道縮短、加工成本低等優(yōu)勢(shì)。

圖2 倍轉(zhuǎn)速旋印電解加工

然而，對(duì)于凸臺(tái)數(shù)量特別龐大的零件，即便采用倍轉(zhuǎn)速旋印電解，其工具陰極窗口數(shù)量仍非常多。例如，加工凸臺(tái)數(shù)量為500時(shí)，即使采用轉(zhuǎn)速比1∶5，窗口仍有100個(gè)；當(dāng)所需工件表面凸臺(tái)尺寸較小時(shí)，相應(yīng)的工具陰極窗口尺寸也會(huì)較小。此外，工具陰極窗口輪廓通常是不規(guī)則曲線(xiàn)，窗口尺寸小、密度高、形狀不規(guī)則的特點(diǎn)導(dǎo)致工具陰極制備困難。常規(guī)旋印電解加工的工具陰極一般采用機(jī)加工表面窗口配合內(nèi)壁絕緣處理的方法以達(dá)到窗口側(cè)壁絕緣的目的[7]，但倍轉(zhuǎn)速旋印工具陰極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致了傳統(tǒng)制備方法的局限性。一方面，傳統(tǒng)的鉆孔很難加工出非圓輪廓，即使通過(guò)銑削加工，由于加工量大，加工過(guò)程也很費(fèi)時(shí)費(fèi)力；另一方面，對(duì)于窗口尺寸較小的結(jié)構(gòu)，絕緣層不易制備，且絕緣層與窗口內(nèi)壁結(jié)合力較差。

對(duì)于旋印電解加工效果的各項(xiàng)影響因素已獲得不少的研究成果，但針對(duì)旋印電解加工中的工具陰極制備技術(shù)研究還比較欠缺。針對(duì)此問(wèn)題，本文提出一種基于增材制造技術(shù)的工具陰極制備方法，綜合運(yùn)用3D打印與電鑄工藝，同時(shí)結(jié)合仿真分析及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)工藝的優(yōu)化，以期解決旋印電解加工中小尺寸、多窗口工具陰極的制備難題。

1 多窗口工具陰極加工工藝

1.1 工具陰極

圖3是目標(biāo)工具陰極結(jié)構(gòu)示意，工具陰極為表面具有陣列窗口的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，表面窗口為7×12的陣列結(jié)構(gòu)，窗口輪廓為不規(guī)則的類(lèi)橢圓結(jié)構(gòu)。圖中大片灰色部分為導(dǎo)電區(qū)域，用于溶解工件陽(yáng)極對(duì)應(yīng)區(qū)域的材料；窗口內(nèi)壁白色部分為絕緣區(qū)域，以減少加工過(guò)程中的雜散腐蝕。

圖3 工具陰極結(jié)構(gòu)示意

圖4是基于增材制造技術(shù)的旋印電解加工工具陰極制備流程，主要包括以下步驟：

圖4 工具陰極制備流程

（1）3D打印絕緣基體，該絕緣基體為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，表面具有突出的窗口結(jié)構(gòu)；

（2）表面導(dǎo)電化處理，將打印完成的絕緣基體進(jìn)行局部絕緣處理后對(duì)外表面進(jìn)行導(dǎo)電化處理；

（3）電鑄導(dǎo)電處理，去除基體上的絕緣屏蔽層后，利用電鑄技術(shù)在導(dǎo)電層上沉積金屬層；

（4）車(chē)削加工，車(chē)削加工工具陰極外表面，以獲得所需的直徑和圓度。

1.2 3D打印基體

3D打印又稱(chēng)增材制造，是一種基于計(jì)算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)和材料科學(xué)發(fā)展起來(lái)的一體化成形技術(shù)[8]。為實(shí)現(xiàn)工具陰極表面窗口內(nèi)壁絕緣的目的，3D打印基體材料需選擇絕緣材料，目前運(yùn)用較廣泛的打印基體材料有ABS、光敏樹(shù)脂、尼龍等，分別應(yīng)用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。

為保證加工工件的圓度及表面凸臺(tái)的成形精度，旋印電解加工所采用的工具陰極需保證較高的加工精度。3D打印的絕緣基體需經(jīng)過(guò)導(dǎo)電化處理、電鑄和機(jī)加工等工序處理才能投入使用，對(duì)精度和強(qiáng)度也有較高的要求，結(jié)合加工需求、材料特性及加工試驗(yàn)結(jié)果，本文選用光敏樹(shù)脂作為基體進(jìn)行立體光固化成形加工，主要打印參數(shù)見(jiàn)表1，打印示意見(jiàn)圖5。打印完成的絕緣基體實(shí)物及基體表面窗口輪廓與理論輪廓對(duì)比見(jiàn)圖6，可看出，3D打印的光敏樹(shù)脂基體窗口成形精度高、一致性好。

表1 打印參數(shù)

圖5 立體光固化打印示意

圖6 3D打印基體實(shí)物圖及窗口輪廓

1.3 表面導(dǎo)電化處理

表面導(dǎo)電化處理是指在絕緣或?qū)щ娦阅茌^差的材料表面進(jìn)行導(dǎo)電層覆蓋，使得材料表面獲得良好的導(dǎo)電性能，以備后續(xù)加工處理。本試驗(yàn)選用化學(xué)鍍鎳完成的導(dǎo)電層均勻、穩(wěn)定、耐腐蝕、與基體結(jié)合牢固，且鎳與銅的晶格相近，與后續(xù)電鑄加工的銅層結(jié)合力好[9]，化學(xué)鍍鎳加工工藝流程見(jiàn)圖7。

圖7 化學(xué)鍍鎳流程圖

1.4 陰極導(dǎo)電層的電鑄加工

電鑄技術(shù)是基于電化學(xué)反應(yīng)中陰極沉積原理的增材制造技術(shù)，具有很高的制造精度，且材料性能可控，可準(zhǔn)確復(fù)刻加工形面的形狀與紋路[10]。選取電鑄銅技術(shù)制備的工具陰極表面導(dǎo)電層具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，且電鑄銅過(guò)程中無(wú)副產(chǎn)物，鑄層質(zhì)量較好。電鑄銅過(guò)程中，陰陽(yáng)兩極表面發(fā)生的反應(yīng)式如下：

硫酸銅鹽溶液是一種運(yùn)用廣泛的電鑄銅溶液，其成分穩(wěn)定、便于儲(chǔ)存、使用安全、鍍層質(zhì)量好。常用于電鑄銅的電解液主要分為高酸低銅、高銅低酸兩種，高酸低銅電解液的均鍍能力很好，加工過(guò)程中可有效細(xì)化晶粒，所得試件表面質(zhì)量好、鑄層生長(zhǎng)細(xì)致、鍍層分布均勻。電鑄銅試驗(yàn)參數(shù)和裝置示意分別見(jiàn)表2和圖8。

表2 電鑄銅試驗(yàn)參數(shù)

圖8 電鑄銅裝置

1.5 車(chē)削加工

利用數(shù)控車(chē)床將電鑄完成的工具陰極外圓車(chē)削至所需直徑及圓度，進(jìn)給速度為0.05 mm/r，轉(zhuǎn)速為800 r/min。

2 電鑄工藝優(yōu)化

2.1 電鑄層生長(zhǎng)仿真

為獲得較均勻的電鑄層，使用Comsol軟件進(jìn)行電鑄加工過(guò)程中的電場(chǎng)分布及鑄層生長(zhǎng)仿真，以掌握工具陰極窗口側(cè)壁的絕緣性對(duì)鑄層均勻性的影響規(guī)律。

2.1.1 計(jì)算模型

為簡(jiǎn)化計(jì)算，取工件局部進(jìn)行電鑄仿真，旨在演示如何通過(guò)幾何變形模擬電鑄過(guò)程，研究電鑄過(guò)程中陰極邊界的生長(zhǎng)過(guò)程與規(guī)律，電鑄成形過(guò)程仿真幾何模型見(jiàn)圖9。

圖9 仿真幾何模型

2.1.2 邊界條件設(shè)置

仿真邊界條件通過(guò)適用于鍍銅的Butler-Volmer方程給定：

式中：F為法拉第常數(shù)；i0為交換電流密度；iloc為局部電流密度；η為過(guò)電位；αa為陽(yáng)極電荷傳遞系數(shù)；αc為陰極電荷傳遞系數(shù)；R為通用氣體常數(shù)。

根據(jù)式（2），將全部電極的反應(yīng)電流之和用作電極和電解質(zhì)域之間邊界的電流密度條件：

式中：n表示邊界的法向矢量；iDL為電容電流。

則il與平均電流密度iave的關(guān)系為：

表3是計(jì)算模型中邊界條件設(shè)置，陰極表面設(shè)置為變化邊界，其余表面為不變化邊界。為更好地觀(guān)察分析電場(chǎng)分布及鑄層生長(zhǎng)規(guī)律，模型設(shè)置為瞬態(tài)模型。

表3 仿真邊界條件

2.1.3 仿真結(jié)果對(duì)比分析

圖10是工具陰極基體表面窗口側(cè)壁導(dǎo)電與側(cè)壁絕緣條件下的電場(chǎng)分布云圖?？梢?jiàn)，在窗口側(cè)壁導(dǎo)電情況下，電場(chǎng)主要集中于窗口頂部，底部電場(chǎng)微弱；在窗口側(cè)壁絕緣情況下，窗口頂部也有一部分電場(chǎng)集中，但明顯弱于側(cè)壁導(dǎo)電時(shí)，底部電場(chǎng)也明顯強(qiáng)于側(cè)壁導(dǎo)電時(shí)，因此電流密度分布更均勻。

圖10 工具陰極基體電場(chǎng)云圖

圖11是仿真區(qū)域陰極表面窗口側(cè)壁導(dǎo)電與側(cè)壁絕緣條件下的鑄層生長(zhǎng)厚度曲線(xiàn)?？梢?jiàn)，當(dāng)窗口側(cè)壁導(dǎo)電時(shí)，窗口頂部電場(chǎng)集中，側(cè)壁底部的加工區(qū)域電場(chǎng)十分微弱，這將直接導(dǎo)致沉積層在側(cè)壁頂部堆積，且隨著時(shí)間的推移愈發(fā)明顯，在側(cè)壁頂部形成“瘤子”，而底部自加工初始至30 h時(shí)厚度基本無(wú)明顯變化；當(dāng)窗口側(cè)壁絕緣時(shí)，加工介于0~30 h之間時(shí)側(cè)壁根部鑄層生長(zhǎng)速度均勻，加工時(shí)間超過(guò)30 h時(shí)側(cè)壁根部逐漸形成凹陷，加工時(shí)間長(zhǎng)于50 h時(shí)側(cè)壁頂部開(kāi)始出現(xiàn)鑄層局部堆積。因此，本次加工選取側(cè)壁絕緣的導(dǎo)電化處理方法。

圖11 鑄層生長(zhǎng)曲線(xiàn)

2.2 電鑄試驗(yàn)驗(yàn)證

圖12是3D打印基體上窗口側(cè)壁導(dǎo)電和絕緣處理后的電鑄基體實(shí)物圖。利用高酸低銅溶液對(duì)導(dǎo)電化處理后的試件進(jìn)行電鑄試驗(yàn)，電鑄時(shí)長(zhǎng)60 h，鑄層厚度約為0.6 mm。

圖12 導(dǎo)電化處理基體

圖13是基體表面窗口側(cè)壁導(dǎo)電和側(cè)壁絕緣的試件實(shí)物?？梢?jiàn)，當(dāng)窗口側(cè)壁導(dǎo)電時(shí)，電場(chǎng)集中于側(cè)壁頂端，最終形成了“瘤子”狀凸臺(tái)；當(dāng)窗口側(cè)壁絕緣時(shí)，鑄層由底部生長(zhǎng)逐層“包裹”住窗口，相較前者更為平整，與鑄層生長(zhǎng)仿真情況吻合。

圖13 試件實(shí)物圖

圖14是機(jī)加工完成后的工具陰極實(shí)物，工具陰極為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，表面具有陣列窗口，窗口內(nèi)壁為3D打印完成的絕緣基體。陰極直徑為41 mm，高度為70 mm，表面陣列窗口數(shù)量共84個(gè)，窗口輪廓為不規(guī)則曲線(xiàn)，導(dǎo)電層厚度為0.5 mm。加工后，工具陰極導(dǎo)電層與絕緣基體結(jié)合良好，窗口一致性良好，能滿(mǎn)足倍轉(zhuǎn)速旋印電解工具陰極制備需求。

圖14 工具陰極實(shí)物圖

3 結(jié)論

本文依據(jù)陣列圓柱凸臺(tái)倍旋印電解加工的工具陰極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種全新的工具陰極制備方法，綜合運(yùn)用3D打印、表面導(dǎo)電化處理及電鑄技術(shù)，得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)比分析基體表面窗口外緣側(cè)壁是否導(dǎo)電對(duì)于鑄層生長(zhǎng)的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)側(cè)壁導(dǎo)電時(shí)，電場(chǎng)在凸臺(tái)頂部尖端集中，凸臺(tái)根部鑄層生長(zhǎng)緩慢，均勻性很差；當(dāng)側(cè)壁絕緣時(shí)，鑄層自凸臺(tái)底部生長(zhǎng)，一致性好。

（2）通過(guò)試驗(yàn)制備出了滿(mǎn)足倍轉(zhuǎn)速旋印電解需求的工具陰極，驗(yàn)證了利用增材制造技術(shù)制備旋印電解加工工具陰極的可行性。