1。4 本章小结

本章介绍了射流电沉积技术的历史和目前研究的基本情况,并阐述了本次毕 业设计的主要工作内容

第二章 微粒射流电沉积工作平台的设计

2。1 电沉积的基本理论

金属电沉积,泛指采用传统的电解电镀的方法在阴极电极表面上生成阳极金 属沉积层的过程。本次实验的实验原理就是利用这一工作原理来还原金属沉积层 修复或再制造工件的过程。电沉积的主要过程包括三个方面:阳极反应过程、液 相传质过程和阴极反应过程。

2。2 电沉积的基本过程

通过对图 2。1 电化学反应过程的分析可知,本次实验中,阳极铜棒上发生的

电化学反应是氧化反应,阴极 304 不锈钢板上发生的电化学反应是还原反应。在 射流电沉积过程中,电流通过电解质溶液(本实验使用的是 CuSO4 混合少量浓 H2SO4 的溶液)时,阳极棒上金属铜原子(Cu)失去电子被喷射到电镀液中而发 生氧化反应;电镀液中的铜离子(Cu2+)在阴极上结合电子还原成铜原子(Cu) 而沉积到阴极金属板(本实验采用了化学性能稳定的奥氏体 304 不锈钢)表面。论文网

具体反应原理如下:

阳极铜棒表面:Cu-2e-= Cu2+

氧化反应阴极钢板表面: Cu2++2e-= Cu 还原反应

图 2。1 电沉积原理示意图

2。3 电沉积机构的整体结构设计

如图 2。2 所示,本次实验的整体机构,可以用一句话概括,麻雀虽小五脏俱 全,它由专为本实验特殊改装的小型数控机床、喷嘴系统、电解槽、回收罐、磁 吸水泵、电源等部分组成。

图 2。2 电沉积机构的整体结构图

如图 2。3 所示,电镀液循环系统由电解槽、PVC 输液管路、磁吸水泵、浮 子流量计四大部分构成。

图 2。3 循环回路原理图

2。3。1 数控机床的选择

数控机床在射流电沉积过程中发挥的作用无可取代,金属薄片的喷涂长度、 循环次数、步进速度,完全由数控机床控制,准确的说,是由用户输入的数控程 序所控制。本次实验使用一台内置众为兴数控系统的 C000031B 数控铣床。该系 统使用了全中文的操作界面,操作简单。关键是铣床平台能够保证喷嘴系统和电 解槽的装夹。数控机床的主要参数如下图 2。4 所示。

图 2。4 数控机床技术参数图

2。3。2 喷嘴系统的设计

电镀液喷出的方向、形状、流量和压力主要由喷嘴的喷口控制,它影响着金 属离子结晶生成晶格、晶粒的最终形态。本次实验选用了特殊定制的方形喷嘴, 电镀液喷出时从喷嘴口喷出一个形状为 20×1mm 的长条,便于使用数控机床编 程控制扫描。喷嘴使用了白色工程塑料作为制作材料,这种材料最大的特点有以 下几个方面:较强的耐腐蚀性、较强的绝缘性、不受磁场/电场影响、较长的寿 命等等,各项性能完全满足本次试验的材料要求。

方形喷嘴由连接头和扁形喷口两部分组成。连接头起到连接阳极腔和扁形喷 口的作用,但是有一个很大的缺陷,就是强度太低,安装的时候用力过大的话, 连接头会断裂。这是本次实验装置最脆弱的地方,有可能的话下一步将重点改进 连接头的强度。

图 2。5 阳极腔设计图

图 2。6 扁形喷嘴、连接头尺寸图

图 2。7 扁形喷嘴内部结构设计图

2。3。3 电解槽的选取

电解槽的尺寸由以下因素决定:⑴数控机床的行程。本次实验使用的一台改 装过的小型数控机床,所以它的 XYZ 轴行程很小,这个因素决定了选择电解槽 的尺寸不能过大,使用过程中,过大的电解槽会很容易导致机床超程、报警;⑵ 机床的工作台大小。本次使用的数控机床是一台微型机床,这就导致了其实际的 工作台很窄,这个因素决定了选择电解槽的尺寸不能过大,否则会出现无法安装 的现象;⑶与其他实验器材的尺寸配合。在实际操作过程中,要充分考虑电解槽 与喷嘴的高度尺寸的配合,不能太高,太高的话在操作过程中会出现碰撞现象, 轻则破坏实验精度,重则损坏喷嘴等实验器材,也不能太低,太低的话在操作过 程中,电镀液在压力的作用下,会四处喷溅,污染实验设备。

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