快速模具成形中孔(槽)電鑄工藝研究

摘 要:電鑄法快速制造模具工藝中，對孔(槽)結構的電鑄進行了初步的實驗研究，總結了金屬在孔中沉積的規律，首次提出孔(槽)可電鑄徑深比的有效范圍，探討了深孔電鑄中質量問題的解決方案。

關鍵詞:電鑄模具;深孔電鑄;實驗模型

中圖分類號:TB

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)12-0310-02

1 引言

為了適應產品快速開發及中、小批量生產的需求，基于快速原型的快速模具技術應運而生，其中電鑄法成形金屬型腔是有效手段之一?，F代產品造型的復雜、多樣，使模具不可避免地具有深孔或窄槽結構，這給電鑄的質量及效果帶來新的問題。本課題就探索孔(槽)電鑄工藝的變化規律，并對電鑄時的徑深比極限值做探索性的實驗研究，為電鑄模具設計提供設計參考。

2 實驗裝置及孔模型建立

2.1 實驗裝置

電鑄裝置工作原理簡圖如圖1所示。

圖1 電鑄裝置工作原理圖

2.2 深孔模型建立

電鑄實驗模型采用有機玻璃棒和有機玻璃板用丙酮粘結而成。在模型的一面分別鉆直徑為4mm、6mm、10mm、12mm、15mm、17mm、20mm，深度為50mm的孔。如圖2所示。

圖2 電鑄實驗模型結構示意圖

令孔徑為D，孔深為h，則徑深比B=D/h。

3 實驗及數據記錄

將圖2所示電鑄實驗模型放入電鑄槽中進行電鑄，經過30個小時的電鑄過程，模型表面得到平均厚度約1mm的銅沉積層，電鑄樣品結果如圖3所示:

圖3 深孔電鑄效果圖

用千分尺測得電鑄實驗模型上各孔內距端口0-10mm、10-20mm、20-30mm、30-40mm、40-50mm內側圓柱面和孔底面的平均厚度，數據記錄如表1所示。

表1 利用千分尺測得各個孔內數據如下表所示

深度h(mm)孔徑D(mm)徑深比D/h0-1cm平均厚度(mm)1-2cm平均厚度(mm)2-3cm平均厚度(mm)3-4cm平均厚度(mm)4-5cm平均厚度(mm)底部平均厚度(mm)

50

48%******

612%0.40.280.180.12**

1020%0.60.560.520.460.430.30

1224%0.650.590.550.50.470.45

1530%0.690.650.60.560.530.48

1734%0.70.680.660.60.580.50

2040%0.790.760.750.730.690.55

*測量誤差較大，不做參考。

4 實驗結果及分析

4.1 實驗結果

根據以上數據，把不同直徑孔的相同位置平均厚度分布和孔壁不同位置的沉積厚度分布，用origin軟件作出曲線如圖3、圖4所示。

圖4 不同直徑孔的孔壁平均厚度分布圖(不同顏色表示的是孔壁距端口的距離)

圖5 孔壁不同位置的沉積厚度分布圖

從圖4中可以看出，孔徑12mm(D/h=24%)處存在一個共同的拐點，在拐點之前曲線陡峭、分散，說明小于12mm的孔金屬沉積很慢，且壁厚不均勻;拐點之后曲線平緩、集中，說明大于12mm的孔金屬沉積較均勻。經過反復的實驗，現象都與之相同。所以，徑深比小于24%，孔壁厚均勻性要求較高時，不適宜應用電鑄成形的方法加工。

從圖4中還可以看出:雖然孔徑D大小差別很大，但是各個孔中的相同位置的平均壁厚的變化規律基本相同，總體的趨勢是隨著孔徑的變大，孔中相同位置的厚度增大。說明不同徑深比D/h的孔，相同位置的沉積厚度變化規律相同。

從圖5中可以看出，孔中0-10mm的平均壁厚要遠大于其它部分的平均壁厚，說明尖端放電原理在深孔電鑄時表現的非常明顯。電鑄加工精度要求比較高的模具，電鑄完成以后，最好對深孔的入口處進行打磨后期處理。

不同直徑的孔電鑄厚度均是隨著孔深的增加而變小，孔內側電鑄表面電鑄沉積厚度隨著孔深增加呈線性遞減變化規律。說明孔徑一定的情況下，孔深h值越大，金屬電鑄沉積難度越大。從不同孔徑厚度分布曲線的線性擬合可以看出孔徑越大，擬合線的斜率的絕對值變小，說明:孔深h一定的情況下，孔徑D越大，孔內電鑄沉積厚度越均勻。

忽略尖端放電的影響，我們比較10-20mm處到40-50mm處的電鑄沉積厚度不均勻程度，仍然可以看出孔徑大于12mm(D/h=24%)時，孔壁沉積厚度均勻性明顯增加。

綜上所述，提出孔(槽)電鑄的徑深比臨界值為24%，只有大于這個范圍時，孔壁沉積厚度較均勻。上述研究結果，可以指導生產實踐。

4.2 實驗分析

(1)當有深孔存在時，電鑄液不易在其中流動，孔內銅離子少，難以形成電鑄層。在銅沉積的過程中，溶液在孔內的流動性差，其主要原因是因為孔徑小、溶液流動阻力過大，使孔內的已反應的溶液無法及時更換，銅離子嚴重不足，而已有銅附著的部位也會受到溶液的浸蝕。

(2)孔口邊緣尖角處由于電場的尖端效應，電力線非常集中，因此金屬沉積

層很厚;而孔側壁對孔底起到了屏蔽作用，導致孔底電力線異常稀疏，金屬沉積層很薄。在電鑄過程中，電流場和金屬的這種不均勻分布是一種惡性循環。深孔處電場分布如圖6所示:

圖6 深孔處電場分布圖

隨著電鑄過程的持續，電場分布不均勻導致了金屬沉積層分布的不均勻，金屬沉積層分布的不均勻進一步加劇了電場的不均勻分布，結果使電鑄層的質量越來越差。

5 深孔電鑄的控制與對策

根據上述原因分析，對深孔電鑄銅所存在的實際情況，采取相應的工藝對策，針對最容易產生問題的部位加強重點控制。

(1)在電鑄前進行清洗時，一方面要選擇潤濕性能好的溶液;另一方面采取水平振動的裝置，使凹蝕液能順利的通過整個孔，使處理后所形成的氣泡排出，呈現理想的金屬光澤，增加導電層和電鍍層的結合力。

(2)要解決電鑄銅質量問題，必需保證沉銅溶液在孔內順利地流動，不斷地更換，使沉銅在孔壁表面形成致密的導電層。除了選擇活性比較高的電鑄液配方和比較寬的工藝條件外，主要就是為確保小孔溶液的流動性需增加相應的輔助設備，在電鑄孔的關鍵部位增加振動裝置，加強孔內氣泡逸出，保證電鑄液在孔內的自由流動，電鑄銅離子能充分的與孔壁接觸置換，提高孔內電鑄銅沉積密度和表面質量。

(3)可以采用輔助陽極的方法，在深孔里面，增加一個輔助陽極，增強深孔里的電場，額外提供金屬離子，使得深孔內部和外部有相同數量的金屬沉積。

(4)對于不是很深的孔，對電鑄模具均勻性要求很高時，當深孔外部達到電鑄要求之后，屏蔽已經電鑄好的部分，或者在已電鑄好部分涂覆絕緣材料，電鑄需要加厚的部分，這樣也可以減少深孔電鑄不均勻性的問題。

(5)還可以采用象形陽極的方法，把陽極制作成和需要電鑄的原型相似的形狀，使得深孔內外電場均勻分布。這種方法對陽極的形狀要求高，且陽極的選用不具備普遍性，所以一般不用這種方法來電鑄模具。

(6)對于較深孔結構，選用電鑄成形方法加工時，最好采用組合式電鑄成形制造，先采用常規方法將對應于芯模上溝槽的的電鑄制件的凸起部分作為獨立件加工出來，在電鑄時通過電沉積將這些獨立件與主體結構連接為一體。

6 結論

通過對不同直徑的孔在相同條件下進行電鑄實驗，電鑄實物模型真實，完全能反應在實際生產中孔(槽)電鑄的情況，得到結論如下:

(1)本文提出，孔(槽)電鑄的徑深比臨界值為24%。對于結構小于該值的孔，孔壁沉積厚度不均勻，要求較高時不適合用電鑄的方法加工;

(2)在孔徑不變的情況下，電鑄時金屬沉積厚度與孔深度的增加呈類似線性遞減變化;不同的孔徑，在相同深度的金屬沉積厚度變化規律相同;

(3)對有深孔的模具進行電鑄加工時，采用屏蔽和仿形陽極或輔助陽極的做法，可以控制金屬分布，獲得較均勻的電鑄層;采用組合式電鑄技術，可以提高較大寬深比溝槽的芯模電鑄質量。

參考文獻

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