1.一种基于超临界流体3D电沉积加工装置,包括二氧化碳气瓶(1)、高压泵(2)、数控控制器(3)、反应器(4)、直流电源(8)和作为被加工零部件的阴极基体(7);所述的反应器(4)包括本体(41)和机械搅拌器(42);本体(41)上设有进气口(41-1)、排液口(41-2)和加热线圈(41-3);所述的二氧化碳气瓶(1)和高压泵(2)用于使用时向反应器(4)提供二氧化碳气体;其特征在于:还包括移动阳极组件(5)和移动阴极组件(6);
所述的移动阳极组件(5)包括Z向直线电机(51)、驱动丝杠(52)、阳极连接杆(53)和移动阳极(54);Z向直线电机(51)固定安装在反应器(4)的本体(41)的上部;驱动丝杠(52)与Z向直线电机(51)传动连接;阳极连接杆(53)与驱动丝杠(52)固定连接;驱动丝杠(52)内置有与之绝缘的弹性导电线圈;移动阳极(54)与阳极连接杆(53)固定连接;移动阳极(54)通过阳极连接杆(53)和驱动丝杠(52)内置的弹性导电线圈外接直流电源(8)的正极;移动阳极组件(5)的移动阳极(54)由Z向直线电机(51)通过驱动丝杠(52)和阳极连接杆(53)的传动,可在反应器(4)的本体(41)内上下往复运动;
所述的移动阴极组件(6)包括X向直线电机(61)、X向导轨(62)、X向移动块(63)、Y向直线电机(64)、Y向导轨(65)、Y向移动块(66)和夹具(67);X向直线电机(61)固定安装在反应器(4)的本体(41)上;X向导轨(62)分前后设有2根;X向导轨(62)固定安装在反应器(4)的本体(41)内的下端面上;X向移动块(63)安装在X向导轨(62)上且在X向直线电机(61)的驱动下可依托X向导轨(62)左右向直线滑动;
Y向直线电机(64)固定安装在X向移动块(63)的上端面上;Y向导轨(65)分左右设有2根;Y向导轨(65)固定安装在X向移动块(63)的上端面上且Y向导轨(65)与X向导轨(62)垂直设置;Y向移动块66的上端面上涂覆有绝缘工程塑料;Y向移动块(66)安装在Y向导轨(65)上且在Y向直线电机(64)的驱动下可依托Y向导轨(65)前后向直线滑动;
夹具(67)的材质为耐酸、耐高压和高硬度的绝缘工程塑料;夹具(67)设置在Y向移动块(66)的上端面上,用于使用时夹持阴极基体(7);使用时,阴极基体(7)与直流电源(8)的负极电连接;
移动阴极组件(6)的X向直线电机(61)和Y向直线电机(64)以及移动阳极组件(5)的Z向直线电机(51)的运行均由数控控制器(3)控制;
所述的驱动丝杠(52)的材质为不锈钢,内部中空;阳极连接杆(53)为内置铜制框架且外履绝缘、耐酸、耐高压的工程塑料的杆体件;所述的驱动丝杠(52)与阳极连接杆(53)的连接处以及阳极连接杆(53)与移动阳极(54)的连接处均用高压密封圈进行密封;
所述的移动阳极(54)包括基体(54-1)和电极(54-2);基体(54-1)的材质为玻璃,基体(54-1)由上圆柱体部和下圆柱体部一体组成,基体(54-1)的上圆柱体部的直径小于下圆柱体部的直径,基体(54-1)的上圆柱体部与阳极连接杆(53)固定连接;电极(54-2)设置在基体(54-1)内且位于基体(54-1)的轴心线上。
2.根据权利要求1所述的基于超临界流体3D电沉积加工装置,其特征在于:所述的基体(54-1)的下圆柱体部的直径为5mm;基体(54-1)的下圆柱体部的下端设有倾斜角度控制在
60°的向上的斜面内凹缺口(54-3)或设有底部内凹的圆周面距基体(54-1)的下圆柱体部的外周面1mm的弧形内凹缺口(54-4);所述的电极(54-2)为直径1-2mm的不溶性的Pt丝。
3.根据权利要求1所述的基于超临界流体3D电沉积加工装置,其特征在于:所述的X向移动块(63)和Y向移动块(66)均为不锈钢材质的中空的方形体件;且Y向移动块(66)的尺寸小于X向移动块(63)的尺寸。
4.根据权利要求1所述的基于超临界流体3D电沉积加工装置用于加工零部件的方法,其特征在于:包括以下步骤:
①阴极基体预先化学镀处理:在作为被加工零部件的阴极基体(7)的表面镀上一层易于进行电沉积的金属;
②安装阴极基体:将阴极基体(7)通过移动阴极组件(6)的夹具(67)固定在Y向移动块(66)的上端面上;调节移动阳极(54)的上下向位置,使其不与移动阴极组件(6)相干涉;
③制备超临界流体:在反应器(4)中加入配置好的含表面添加剂和电沉积缓释剂的二元体系电镀液或者复合电镀液;密闭后,向反应器(4)中通入二氧化碳气体,控制反应器(4)内的温度在35~70℃、压力在8~20MPa的范围内,形成以超临界二氧化碳乳化液为载体的三元电沉积体系;
④电沉积加工:接通电源,设定电沉积参数和移动阳极(54)相对阴极基体(7)的位置;
在数控控制器(3)的控制以及机械搅拌器(42)的搅拌辅助下进行电沉积以在阴极基体(7)的外表面得到所需的电沉积层;
⑤电沉积加工完毕后处理:电沉积加工完毕后,通过后处理,即得到所需性能和形状的零部件。
5.根据权利要求4所述的基于超临界流体3D电沉积加工装置用于加工零部件的方法,其特征在于:所述的步骤①中,阴极基体(7)的表面镀上约10μm厚的均匀铜层;所述的步骤③中,含表面添加剂和电沉积缓释剂的二元体系电镀液为镍盐溶液或铜盐溶液;表面添加剂为由十二烷基类化合物和醚类化合物组成的添加剂;所述的镍盐或铜盐溶液的浓度为
300~500g/L;表面添加剂的浓度为0.1~2g/L;电沉积缓释剂为浓度30g/L~60g/L的硼酸,电镀液pH值控制在2~6。
6.根据权利要求4所述的基于超临界流体3D电沉积加工装置用于加工零部件的方法,其特征在于:所述的步骤④中,数控控制器(3)控制移动阳极(54)和移动阴极组件(6)按设定的轨迹运动;移动阳极(54)相对于作为阴极主体的阴极基体(7)的上下移动最大单向行程为5cm;电沉积加工过程由多个加工区间串联构成,每个加工区间分为沉积区间和抬刀区间;电沉积时间为2~5小时,每个沉积区间时长控制为30min,抬刀区间时长控制为2min;抬刀区间内,移动阴极组件(6)静止。
7.根据权利要求6所述的基于超临界流体3D电沉积加工装置用于加工零部件的方法,其特征在于:所述的电沉积区间时,移动阳极(54)的底部与阴极基体(7)的间距控制为1cm。
8.根据权利要求4所述的基于超临界流体3D电沉积加工装置用于加工零部件的方法,其特征在于:所述的步骤④中,机械搅拌器(42)左右向水平间歇搅拌;机械搅拌器(42)的搅2
拌速率为200~500rpm;直流电源(8)输出的电流密度为1~13 A/dm。