一种一体多面复杂零件电镀层厚度控制装置及方法

专利类型 发明公开 法律事件 公开; 实质审查;
专利有效性 实质审查 当前状态 实质审查
申请号 CN202411857740.7 申请日 2024-12-17
公开(公告)号 CN119824513A 公开(公告)日 2025-04-15
申请人 中航西安飞机工业集团股份有限公司; 申请人类型 企业
发明人 高晓颖; 王浩军; 杨慧智; 史建猛; 庄钦伟; 王洋; 第一发明人 高晓颖
权利人 中航西安飞机工业集团股份有限公司 权利人类型 企业
当前权利人 中航西安飞机工业集团股份有限公司 当前权利人类型 企业
省份 当前专利权人所在省份:陕西省 城市 当前专利权人所在城市:陕西省西安市
具体地址 当前专利权人所在详细地址:陕西省西安市西飞大道一号 邮编 当前专利权人邮编:710089
主IPC国际分类 C25D21/12 所有IPC国际分类 C25D21/12C25D17/06C25D17/10C25D5/00
专利引用数量 0 专利被引用数量 0
专利权利要求数量 8 专利文献类型 A
专利代理机构 中国航空专利中心 专利代理人 兰岚;
摘要 本 发明 属于电 镀 技术领域,具体涉及一种一体多面复杂零件 电镀 镀层厚度控制装置及方法。应用于待电镀一体多面复杂零件中各待镀电镀面不同镀层厚度要求的同时电镀过程,其特征在于,包括电镀模具、辅助 阳极 、辅助 阴极 、 电极 固定机构、 电流 控制单元;所述电镀模具具有与待电镀一体多面复杂零件共形的型腔,用于承托固定待电镀一体多面复杂零件;所述辅助阳极呈板状,所述辅助阴极呈棒状;所述辅助阳极与所述辅助阴极分别成对设置于距离各待镀面一侧一定距离处,所述辅助阳极与所述辅助阴极通过所述电极固定机构与所述电镀模具固定连接;所述电流控制单元分别与各所述辅助阳极电连接,通过所述电流控制单元分别单独控制各所述辅助阳极的电流 密度 。
权利要求

1.一种一体多面复杂零件电镀层厚度控制装置,应用于待电镀一体多面复杂零件中各待镀电镀面不同镀层厚度要求的同时电镀过程,其特征在于,包括电镀模具、辅助阳极、辅助阴极电极固定机构、电流控制单元;所述电镀模具具有与待电镀一体多面复杂零件共形的型腔,用于承托固定待电镀一体多面复杂零件;所述辅助阳极呈板状,所述辅助阴极呈棒状;所述辅助阳极与所述辅助阴极分别成对设置于距离各待镀面一侧一定距离处,所述辅助阳极与所述辅助阴极通过所述电极固定机构与所述电镀模具固定连接;所述电流控制单元分别与各所述辅助阳极电连接,通过所述电流控制单元分别单独控制各所述辅助阳极的电流密度
2.根据权利要求1所述的一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制装置,其特征在于,所述电极固定机构包括支架、电极固定骨架、阳极支臂、阴极环槽套;所述支架的其中一侧端面与所述电镀模具固定连接,另一侧端面固定连接有所述电极固定骨架,所述阳极支臂一端与所述电极固定骨架固定连接,另一端通过夹持结构固定辅助阳极;所述阴极环槽套套设固定与所述电极固定骨架上,所述阴极环槽套的环槽具有收口结构,所述辅助阴极固定于所述阴极环槽套的环槽内。
3.根据权利要求2所述的一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制装置,其特征在于,对于大型一体多面复杂零件,同一待镀电镀面的辅助阳极通过多个所述电极固定骨架支撑固定,通过电极板将多个所述电极固定骨架电串联,所述电流控制单元通过所述铜电极板与辅助阳极电连通。
4.根据权利要求3所述的一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制装置,其特征在于,当相邻多面待镀电镀面的镀层厚度要求相同时,通过铜电极板将相邻待镀面对应电极固定机构电串联,通过所述电流控制单元同时控制相邻辅助阳极电流。
5.根据权利要求1所述的一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制装置,其特征在于,所述电流控制单元采用镇流器
6.根据权利要求1所述的一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制装置,其特征在于,所述辅助阳极、辅助阴极与各待镀面的相对空间位置,以及各电流控制单元的设定电流密度,根据各待镀面的镀层厚度要求通过有限元仿真计算确定。
7.一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制方法,采用权利要求1‑6任意一项所述的一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制装置,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:通过有限元仿真计算确定一体多面复杂零件的各待镀面所需的电流以及辅助阳极、辅助阴极的尺寸和相对空间位置;
步骤2:根据所述步骤1中确定的各待镀面所需的电流以及辅助阳极、辅助阴极的尺寸和相对空间位置,采用电镀模具与电极固定机构对一体多面复杂零件及各待镀面对应的辅助阳极、辅助阴极进行装夹固定,并对根据所述步骤1确定的电流密度各待镀面对应的辅助阳极的电流控制单元进行设置;
步骤3:根据各待镀电镀层厚度要求,设置电镀条件进行电镀。
8.根据权利要求7所述的一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制方法,其特征在于,在所述步骤1中,通过有限元仿真计算确定一体多面复杂零件的各待镀面所需的电流以及辅助阳极、辅助阴极的尺寸和相对空间位置具体包括如下步骤:
1‑1用CAD软件对电镀槽体和待镀零件建立三维几何模型,模型尺寸应于实物一致;
1‑2利用电化学工作站测定镀液电导率、镀层金属电阻率、电化学沉积反应价态、电镀效率、阴极伏安特性数据、阳极材料和辅助阳极材料的阳极伏安特性数据,用于后续有限元软件计算;
1‑3通过有限元仿真软件划分网格,设定边界条件,分以下两各边界:
(1)固壁边界条件:对于反应器的边界可以认为是绝缘体,因此法向电流密度为0;
(2)电极边界条件:电位差驱动电化学反应(极化)η=V‑U‑Eη=f(cηJη)U是电极电势,V是金属电势,E为电极平衡电势。

说明书全文

一种一体多面复杂零件电镀层厚度控制装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于电镀技术领域,具体涉及一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制装置及方法。

背景技术

[0002] 电镀工艺在工业制造领域应用广泛,可以显著改善零件的表面性能。然而,在对一体多面复杂零件多个面同时电镀的过程中,难以同时控制每个面的镀层厚度。现有技术中,通常通过制作辅助阳极、辅助阴极和采用单一电极系统的方式来控制不同面镀层的厚度,这种传统的电镀方法往往通过分面电镀完成,局部超厚的镀层厚度往往通过后期机械加工和人工打磨完成,耗时且费;而且每个面的电流分配无法精确控制,不同面分配到的电流密度有差距,因而导致不同面的镀层厚度无法精准控制。
[0003] 为了解决上述问题,亟需设计一种能够同时对一体多面零件多个区域进行同时电镀,保证零件不同面镀层厚度均能达到要求的装置及方法。

发明内容

[0004] 本发明的目的:为了解决上述问题,本发明基于有限元仿真、电化学和工装设计建立了一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制装置及方法。
[0005] 本发明的技术方案:根据本发明的第一方面,提出一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制装置,应用于待电镀一体多面复杂零件中各待镀电镀面不同镀层厚度要求的同时电镀过程,包括电镀模具、辅助阳极、辅助阴极、电极固定机构、电流控制单元;所述电镀模具具有与待电镀一体多面复杂零件共形的型腔,用于承托固定待电镀一体多面复杂零件;所述辅助阳极呈板状,所述辅助阴极呈棒状;所述辅助阳极与所述辅助阴极分别成对设置于距离各待镀面一侧一定距离处,所述辅助阳极与所述辅助阴极通过所述电极固定机构与所述电镀模具固定连接;所述电流控制单元分别与各所述辅助阳极电连接,通过所述电流控制单元分别单独控制各所述辅助阳极的电流密度。
[0006] 在一个可能的实施例中,所述电极固定机构包括支架、电极固定骨架、阳极支臂、阴极环槽套;所述支架的其中一侧端面与所述电镀模具固定连接,另一侧端面固定连接有所述电极固定骨架,所述阳极支臂一端与所述电极固定骨架固定连接,另一端通过夹持结构固定辅助阳极;所述阴极环槽套套设固定与所述电极固定骨架上,所述阴极环槽套的环槽具有收口结构,所述辅助阴极固定于所述阴极环槽套的环槽内。
[0007] 在一个可能的实施例中,对于大型一体多面复杂零件,同一待镀电镀面的辅助阳极通过多个所述电极固定骨架支撑固定,通过电极板将多个所述电极固定骨架电串联,所述电流控制单元通过所述铜电极板与辅助阳极电连通。
[0008] 在一个可能的实施例中,当相邻多面待镀电镀面的镀层厚度要求相同时,通过铜电极板将相邻待镀面对应电极固定机构电串联,通过所述电流控制单元同时控制相邻辅助阳极电流。
[0009] 在一个可能的实施例中,所述电流控制单元采用镇流器。分别通过各镇流器单独设置设定电流。
[0010] 在一个可能的实施例中,所述辅助阳极、辅助阴极与各待镀面的相对空间位置,以及各电流控制单元的设定电流密度,根据各待镀面的镀层厚度要求通过有限元仿真计算确定。
[0011] 根据本发明的第二方面,提出一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制方法,采用上述的一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制装置,包括如下步骤:
[0012] 步骤1:通过有限元仿真计算确定一体多面复杂零件的各待镀面所需的电流以及辅助阳极、辅助阴极的尺寸和相对空间位置;
[0013] 步骤2:根据所述步骤1中确定的各待镀面所需的电流以及辅助阳极、辅助阴极的尺寸和相对空间位置,采用电镀模具与电极固定机构对一体多面复杂零件及各待镀面对应的辅助阳极、辅助阴极进行装夹固定,并对根据所述步骤1确定的电流密度各待镀面对应的辅助阳极的电流控制单元进行设置;
[0014] 步骤3:根据各待镀电镀层厚度要求,设置电镀条件进行电镀。
[0015] 在一个可能的实施例中,在所述步骤1中,通过有限元仿真计算确定一体多面复杂零件的各待镀面所需的电流以及辅助阳极、辅助阴极的尺寸和相对空间位置具体包括如下步骤:
[0016] 1‑1用CAD软件对电镀槽体和待镀零件建立三维几何模型,模型尺寸应于实物一致;
[0017] 1‑2利用电化学工作站测定镀液电导率、镀层金属电阻率、电化学沉积反应价态、电镀效率、阴极伏安特性数据、阳极材料和辅助阳极材料的阳极伏安特性数据,用于后续有限元软件计算;
[0018] 1‑3通过有限元仿真软件划分网格,设定边界条件,分以下两各边界:
[0019] (1)固壁边界条件:对于反应器的边界可以认为是绝缘体,因此法向电流密度为0;
[0020]
[0021] (2)电极边界条件:电位差驱动电化学反应(极化)
[0022] η=V‑U‑Eη=f(cηJη)
[0023]
[0024] U是电极电势,V是金属电势,E为电极平衡电势。
[0025] 通过上述理论模型简化与边界条件设置,对于特定溶液,电镀沉积的物质的量,只与电流密度的分布有关,即最终仿真镀层厚度的计算,转换为计算电流密度分布,然后再根据采集的镀液的电化学性能数据进行积分计算,即可得到零件的镀层后的分布。
[0026] 首先通过有限元仿真计算一体多面复杂零件不同面所需的电流以及辅助阳极、辅助阴极的尺寸和距离;其次根据有限元仿真计算得到的辅助阳极和辅助阴极的尺寸,进行辅助阳极和辅助阴极制造;之后针对一体多面零件,设计多电极系统,通过电极系统实现多个面的电流和电压控制;最后通过固定夹具设计优化,固定夹具用于固定辅助阳极和辅助阴极,保证其与被镀零件的相对位置稳定,并与辅助电极形成一个整体,完成电镀工装的设计和制造。
[0027] 本发明有益效果:本发明通过有限元仿真计算、实验测量的方法,建立了一种控制一体多面零件电镀镀层厚度均匀性的方法,包括:槽液数据采集、零件和槽体建模、固定夹具设计和制造,对一体多面复杂零件不同面的电流和电压进行控制,从而获得要求镀层。附图说明
[0028] 图1为本发明优选实施例的一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制装置电镀模具结构示意图;
[0029] 图2为本发明优选实施例的一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制装置的局部放大图;
[0030] 图3为本发明优选实施例的一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制装置电极固定机构4示意图;
[0031] 图4为本发明优选实施例的零件模型示意图;
[0032] 图5为本发明优选实施例的一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制方法步骤一中的有限元仿真软件划分网格;
[0033] 图6为本发明优选实施例的一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制方法步骤一中的有限元计算出的辅助阳极、辅助阴极的位置和尺寸;
[0034] 图7为本发明优选实施例的一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制方法步骤一中一体多面零件表面的镀层厚度分布示意图。具体实施方式
[0035] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0036] 如图1、图2所示,一种一体多面复杂零件电镀镀层厚度控制装置,应用于待电镀一体多面复杂零件中各待镀电镀面不同镀层厚度要求的同时电镀过程,包括电镀模具1、辅助阳极2、辅助阴极3、电极固定机构4、电流控制单元;所述电镀模具具有与待电镀一体多面复杂零件共形的型腔,用于承托固定待电镀一体多面复杂零件;所述辅助阳极2呈板状,所述辅助阴极3呈棒状;所述辅助阳极2与所述辅助阴极3分别成对设置于距离各待镀面一侧一定距离处,所述辅助阳极2与所述辅助阴极3通过所述电极固定机构4与所述电镀模具1固定连接;所述电流控制单元分别与各所述辅助阳极2电连接,通过所述电流控制单元分别单独控制各所述辅助阳极2的电流密度。
[0037] 如图3所示,所述电极固定机构4包括支架4‑1、电极固定骨架4‑2、阳极支臂4‑3、阴极环槽套4‑4;所述支架4‑1的其中一侧端面与所述电镀模具1固定连接,另一侧端面固定连接有所述电极固定骨架4‑2,所述阳极支臂4‑3一端与所述电极固定骨架4‑2固定连接,另一端通过夹持结构固定辅助阳极2;所述阴极环槽套4‑4套设固定于所述电极固定骨架4‑2上,所述阴极环槽套4‑4的环槽具有收口结构,所述辅助阴极3固定于所述阴极环槽套的环槽内。
[0038] 对于大型一体多面复杂零件,同一待镀电镀面的辅助阳极通过多个所述电极固定骨架支撑固定,通过铜电极板将多个所述电极固定骨架电串联,所述电流控制单元通过所述铜电极板与辅助阳极电连通。
[0039] 当相邻多面待镀电镀面的镀层厚度要求相同时,通过铜电极板将相邻待镀面对应电极固定机构电串联,通过所述电流控制单元同时控制相邻辅助阳极电流。
[0040] 所述电流控制单元采用镇流器。分别通过各镇流器单独设置设定电流。
[0041] 所述辅助阳极2、辅助阴极3与各待镀面的相对空间位置,以及各电流控制单元的设定电流密度,根据各待镀面的镀层厚度要求通过有限元仿真计算确定。
[0042] 如图4‑7所示,一种控制一体多面零件电镀镀层厚度的方法,包括以下步骤:
[0043] 步骤一 有限元仿真计算辅助阳极、辅助阴极的尺寸和位置,以及零件不同区域所需的电流。
[0044] 1‑1用CAD软件对电镀槽体和待镀零件建立三维几何模型,模型尺寸应于实物一致,零件模型如图4所示;
[0045] 1‑2利用电化学工作站测定镀液电导率、镀层金属电阻率、电化学沉积反应价态、电镀效率、阴极伏安特性数据、阳极材料和辅助阳极材料的阳极伏安特性数据,用于后续有限元软件计算;
[0046] 1‑3通过有限元仿真软件划分网格,设定边界条件,分以下两各边界:
[0047] (1)固壁边界条件:对于反应器的边界可以认为是绝缘体,因此法向电流密度为0。
[0048]
[0049] (2)电极边界条件:电位差驱动电化学反应(极化)
[0050] η=V‑U‑Eη=f(cηJη)
[0051]
[0052] U是电极电势,V是金属电势,E为电极平衡电势。
[0053] 通过上述理论模型简化与边界条件设置,对于特定溶液,电镀沉积的物质的量,只与电流密度的分布有关,即最终仿真镀层厚度的计算,转换为计算电流密度分布,然后再根据采集的镀液的电化学性能数据进行积分计算,即可得到零件的镀层后的分布。
[0054] 有限元仿真软件划分网格见图5,辅助阳极、辅助阴极位置和尺寸见图6,仿真后镀层分布见图7。
[0055] 步骤二 按照步骤1中仿真计算得到的象形阳极和象形阴极的尺寸和距离,设计和制造多通道的电镀工装,其特征在于,包含工装主体、电极系统、模固定系统,所述工装主体为零件象形结构,所述电极系统包括辅助阳极和辅助阴极,所述固定夹具用于固定辅助阳极和辅助阴极的位置,限制电机系统与被镀零件的相对位置。
[0056] 2‑1设计电极系统,通过电极系统独立调节每个面的电流和电压;
[0057] 2‑2按照步骤1中仿真计算得到的辅助阳极和辅助阴极尺寸制造阳极和阴极;
[0058] 2‑3通过固定夹具固定辅助阳极和辅助阴极的位置,限制电机系统与被镀零件的相对位置,构成电镀工装,电镀工装结构如图1所示。
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