一种原位共液电化学复合加工装置与方法
专利汇可以提供一种原位共液电化学复合加工装置与方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种原位共液电化学复合加工装置与方法，属于 电化学加工 领域。该装置包括射流 电沉积 加工系统、 电解 光整系统、电化学复原系统、导电基底和金属层。基于该装置，先通过射流电沉积工艺在导电基底上沉积一层金属层，再采用电解光整系统对已沉积金属层表面进行光整加工，去除金属层的积瘤、毛刺等 缺陷 ，然后利用电化学复原系统对电解液进行复原，以实现电解液中高价态 金属离子 按需供应与循环，维持光整加工的 可持续性 和整个电化学反应体系的动态平衡，交替反复进行射流电沉积加工-电化学光整加工-电化学复原加工，直到所加工零件达到加工要求。本发明结构简单，加工成本低，加工 精度 和效率高，能很好地解决射流电沉积层所存在的问题。，下面是一种原位共液电化学复合加工装置与方法专利的具体信息内容。
1.一种原位共液电化学复合加工装置，其特征在于：它包括射流电沉积系统、电解光整系统、电化学复原系统、导电基底（9）和金属层（10）；所述的射流电沉积系统包括喷头（7）、电沉积电源（8）和电解液束（12）；所述的喷头（7）与导电基底（9）正对设置；所述的电解光整系统包括电解加工电源（1）、电解库仑计（2）、连接块（3）、前竖直阴极（4）、后竖直阴极（5）、水平阴极（6）和电解液（11）；所述的电解加工电源（1）的正极与导电基底（9）连接；所述的电解加工电源（1）的负极和电解库仑计（2）串接后再与前竖直阴极（4）、后竖直阴极（5）和水平阴极（6）连接；所述的前竖直阴极（4）包括前竖直阴极高电流密度区（4-1）和前竖直阴极低电流密度区（4-2）；所述的后竖直阴极（5）包括后竖直阴极高电流密度区（5-1）和后竖直阴极低电流密度区（5-2）；所述的水平阴极（6）包括水平阴极高电流密度区（6-1）和水平阴极低电流密度区（6-2）；所述的电化学复原系统包括电化学复原库仑计（13）、电化学复原电源（14）和不溶性阳极（15）；所述的电化学复原电源（14）的正极与不溶性阳极（15）连接；所述的电化学复原电源（14）的负极和电化学复原库仑计（13）串接后再与前竖直阴极（4）连接。
2.根据权利1所述的一种原位共液电化学复合加工装置，其特征在于：所述的电沉积电源（8）的正极和负极分别与竖直放置的喷头（7）和水平放置的导电基底（9）连接。
3.根据权利1所述的一种原位共液电化学复合加工装置，其特征在于：所述的前竖直阴极（4）、后竖直阴极（5）和不溶性阳极（15）均垂直安设在水平放置的连接块（3）上，且前竖直阴极（4）和后竖直阴极（5）之间的距离可调。
4.根据权利1所述的一种原位共液电化学复合加工装置，其特征在于：所述的不溶性阳极（15）与前竖直阴极（4）之间的距离可在1mm 5mm范围内变化。
~
5.根据权利1所述的一种原位共液电化学复合加工装置，其特征在于：所述的前竖直阴极（4）、后竖直阴极（5）和水平阴极（6）均可控转动。
6.根据权利1或5所述的一种原位共液电化学复合加工装置，其特征在于：所述的前竖直阴极（4）、后竖直阴极（5）和水平阴极（6）均为孔隙率为80% 95%、直径为1mm 5mm且呈圆柱~ ~
状的多孔金属棒。
7.根据权利1所述的一种原位共液电化学复合加工装置，其特征在于：所述的电解液（11）和电解液束（12）中均含有10g/L 40g/L可变价态金属离子。
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8.一种原位共液电化学复合加工方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、射流电沉积加工：调整喷头（7）相对于导电基底（9）的高度，打开喷头（7）的开关，让由喷头（7）喷出的电解液束（12）垂直喷射向导电基底（9），接通电沉积电源（8）的同时驱动喷头（7）按设定轨迹相对于导电基底（9）作扫描移动，此时，导电基底（9）上电沉积出一层金属层（10），当喷头（7）扫描到设定轨迹的终点时，关闭电沉积电源（8），断开喷头（7）的开关，并使喷头（7）退出加工区；
S2、电化学光整加工：把金属层（10）置于水平阴极（6）底部且位于前竖直阴极（4）与后竖直阴极（5）的中间，分别调整水平阴极（6）到金属层（10）上表面的距离以及前竖直阴极（4）、后竖直阴极（5）各自与金属层（10）侧壁间的距离，使它们相等且为0.1 1mm，且使水平~
阴极（6）和金属层（10）完全浸没于电解液（11）中，转动前竖直阴极（4）、后竖直阴极（5）和水平阴极（6），接通电解加工电源（1），让水平阴极（6）、前竖直阴极（4）和后竖直阴极（5）分别对金属层（10）的上表面和两侧面进行阴极无金属析出的电化学光整加工，与此同时，电解液（11）中的部分高价态金属离子被还原为低价态金属离子，当金属层（10）的上表面和两侧面的光洁度均达到加工要求后，停止光整加工，同时记录电解库仑计（2）的电量，关闭电解加工电源（1）；
S3、电化学复原加工：接通电化学复原电源（14），并调整前竖直阴极（4）与不溶性阳极（15）间的电压，使前竖直阴极（4）只出现析氢反应、不溶性阳极（15）只出现析氧反应，与此同时，电解液（11）中的低价态金属离子被析出的氧气氧化为高价态金属离子，当电解液（11）中无法检测到低价态金属离子时，关闭电化学复原电源（14），使前竖直阴极（4）、后竖直阴极（5）、水平阴极（6）和不溶性阳极（15）停止转动并退出加工区；
S4、通过调整电解液（11）的液面高度，让经步骤S3处理后的金属层（10）的上表面完全位于电解液（11）的外面；
S5、重复步骤S1、S2、S3、S4，直到所加工的零件达到所要求的高度和表面光洁度时结束所有操作。
9.根据权利1或5或8所述的一种原位共液电化学复合加工方法，其特征在于：所述的前竖直阴极（4）、后竖直阴极（5）和水平阴极（6）的转动速度均为0.5转/秒 5转/秒。
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一种原位共液电化学复合加工装置与方法
技术领域
背景技术
ZL201610170808.3的发明专利公布了一种电化学加工三维金属微结构的系统与方法。该专利通过添加横梁阴极、左侧阴极和右侧阴极在线对射流电沉积件/层进行溶解腐蚀加工，进而去除其表面积瘤、毛刺等缺陷，在一定程度上提高了射流电沉积的加工精度。但该专利所提出的系统与方法涉及到两个具有独自电解液体系的加工系统。在加工期间，两个独立的电解液系统需要反复更换，操作较为复杂，且反复更换电解液体系必然带来如反复清洗沉积件和沉积槽等复杂问题，导致加工效率偏低。因此，本发明提出一种原位共液电化学复合加工装置与方法。
发明内容
由喷头喷出的电解液束垂直喷射向导电基底，接通电沉积电源的同时驱动喷头以1mm/s~
5mm/s的移动速度按设定轨迹相对于导电基底作扫描移动，此时，导电基底上电沉积出一层金属层，当喷头扫描到设计轨迹终点时，关闭电沉积电源，断开喷头的开关，并使喷头退出加工区；
S2、电化学光整加工：把金属层置于水平阴极底部且位于前竖直阴极与后竖直阴极的中间，分别调整水平阴极到金属层上表面的距离以及前竖直阴极、后竖直阴极各自与金属层侧壁间的距离，使它们相等且为0.1mm 1mm，且使水平阴极和金属层完全浸没于电解液~
中，以0.5转/秒 5转/秒的速度转动前竖直阴极、后竖直阴极和水平阴极，接通电解加工电~
源，让水平阴极、前竖直阴极和后竖直阴极分别对金属层的上表面和两侧面进行阴极无金属析出的电化学光整加工，与此同时，前竖直阴极高电流密度区、后竖直阴极高电流密度区以及水平阴极高电流密度区周围电解液中的部分高价态金属离子被还原为低价态金属离子，前竖直阴极低电流密度区、后竖直阴极低电流密度区以及水平阴极低电流密度区发生析氢反应，当金属层的上表面和两侧面的光洁度均达到加工要求后，停止光整加工，同时记录电解库仑计的电量，并关闭电解加工电源；
S3、电化学复原加工：接通电化学复原电源，并调整前竖直阴极与不溶性阳极间的电压，使前竖直阴极只出现析氢反应、不溶性阳极只出现析氧反应，与此同时，电解液中的低价态金属离子被析出的氧气氧化为高价态金属离子，并取少量电解液进行检测，当电解液中无法检测到低价态金属离子时，关闭电化学复原电源，使前竖直阴极、后竖直阴极、水平阴极和不溶性阳极停止转动并退出加工区；
S4、通过调整电解液的液面高度，让经步骤S3处理后的金属层的上表面完全位于电解液的外面；
S5、重复步骤S1、S2、S3、S4，直到所加工的零件达到所要求的高度和表面光洁度时结束所有操作。
具体实施方式
S2、电化学光整加工：把镍材质金属层10置于水平泡沫铜圆柱阴极6的底部且位于前竖直泡沫铜圆柱阴极4与后竖直泡沫铜圆柱阴极5的中间，分别调整水平泡沫铜圆柱阴极6到镍材质金属层10上表面的距离以及前竖直泡沫铜圆柱阴极4、后竖直泡沫铜圆柱阴极5各自与镍材质金属层10侧壁间的距离，使它们相等且为0.5mm，且使水平泡沫铜圆柱阴极6和镍材质金属层10完全浸没于含氨基磺酸镍（360g/L）、氯化镍（10g/L）、硼酸（25g/L）、高锰酸银（20g/L）的电解液11中，这样能为后续电化学光整加工步骤创造必要的加工间隙与电解液环境，以2转/秒的速度转动前竖直泡沫铜圆柱阴极4、后竖直泡沫铜圆柱阴极5和水平泡沫铜圆柱阴极6，接通电解加工电源1，让前竖直泡沫铜圆柱阴极4、后竖直泡沫铜圆柱阴极5和水平泡沫铜圆柱阴极6以2mm/s的速度沿S1步骤中圆柱形铂喷头7的运动轨迹作扫描移动，此时，水平泡沫铜圆柱阴极6、前竖直泡沫铜圆柱阴极4和后竖直泡沫铜圆柱阴极5分别对镍材质金属层10的上表面和侧壁进行阴极无金属析出的电化学光整加工，根据电化学溶解原理，突起部分的溶解去除速度更快，使得镍材质金属层10的上表面和侧壁变得更加光整，从而为后续的电沉积步骤提供更好的沉积条件，此时镍材质金属层10的上表面和侧壁（阳极）发生的反应为：
与此同时，前竖直泡沫铜圆柱阴极高电流密度区4-1、后前竖直泡沫铜圆柱阴极高电流密度区5-1以及水平泡沫铜圆柱阴极高电流密度区6-1周围电解液中高价态锰离子被还原为低价态锰离子，此时发生的反应为：
而前竖直泡沫铜圆柱阴极低电流密度区4-2、后竖直泡沫铜圆柱阴极低电流密度区5-2以及水平泡沫铜圆柱阴极低电流密度区6-2发生析氢反应，产生大量氢气，其反应为：
当镍材质金属层10的上表面和侧壁的光洁度均达到加工要求后，停止光整加工，同时记录电解库仑计2的电量，关闭电解加工电源1；
S3、电化学复原加工：接通电化学复原电源14，并调整前竖直泡沫铜圆柱阴极4与铂阳极15间的电压，使其电位低于镍离子的析出电位，避免金属镍离子的析出，进而使前竖直泡沫铜圆柱阴极4只出现析氢反应，产生大量氢气，其反应为：
使铂阳极15只出现析氧反应，产生大量的氧气，其反应为：
与此同时，电解液11中的低价态金属锰离子被析出的氧气氧化为高价态金属锰离子，此时发生的反应为：
电化学复原加工一定时间后，取出少量电解液11进行检测，向取出的少量电解液11中加入氢氧化钠溶液，如果出现氢氧化锰白色晶体，则将电解液11继续进行电化学复原加工，直到电解液11中无法检测到低价态金属锰离子时，记录电化学复原库仑计13的电量值，并关闭电化学复原电源14，使前竖直泡沫铜圆柱阴极4和铂阳极15停止转动并退出加工区，同时对电化学复原加工消耗的电量与电化学光整加工消耗的电量进行定量分析，并做记录，这样可以为下一步电化学复原加工中何时取少量电解液11进行检测提供判断依据，提高电化学复原加工的效率，实现多价态金属离子的及时按需供应与循环，进而维持光整加工的可持续性和整个电化学反应体系的动态平衡；
S4、通过调整含氨基磺酸镍（360g/L）、氯化镍（10g/L）、硼酸（25g/L）、高锰酸银（20g/L）的电解液的液面高度，让步骤S3电化学光整加工的镍材质金属层10上表面完全位于含氨基磺酸镍（360g/L）、氯化镍（10g/L）、硼酸（25g/L）、高锰酸银（20g/L）的电解液11的外面；
S5、重复步骤S1、S2、S3、S4，直到所加工的零件达到所要求的高度和表面光洁度时结束所有操作，经如此方式操作（射流电沉积加工-电化学光整加工-电化学复原加工交替反复进行），电化学加工制备出来的金属微结构与零件的精度与表面质量都比较理想。
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