一种修复SLM成型件的电解-电沉积加工装置及方法

本发明属于利用射流电解-电沉积方法修复表面缺陷的领域，具体涉及一种修复slm成型件的电解-电沉积组合加工装置及方法。

背景技术：

slm技术由于可以直接成型冶金结合、形状复杂的高精度金属零件，成为了目前最前沿的增材制造技术，是近年来快速成型领域的研究热点。slm是一种基于激光熔化金属粉末的快速成型技术，能直接制造组织致密、机械性能良好、高精度的金属零件。该技术在航空部件、刀具模具、珠宝首饰及个性化医学生物植入体制造可方面，具有独特的优势。

虽然同传统制造技术相比，slm技术有很多的优势，但是成型件表面质量较差是该成型技术最大的缺陷。研究表明，在选择性激光烧结过程中，较高的激光能量密度会极大的增加粉末熔化量，从而导致球化，造成成型件表面凸起；同时激光功率不够或激光扫描速度太快又会造成金属粉末未完全熔覆就凝固，从而导致孔洞，造成成型件表面孔隙率高。一些恶劣工况下，表面孔隙率高会造成工件耐磨性及耐腐蚀性较差，此时成型件表面需要一定的耐磨性及耐腐蚀性措施。可见，slm成型件的表面粗糙度对零件性能影响很大。

射流电解是一种slm成型件理想的后处理方法。在射流电解过程中，slm成型件作为阳极，紫铜制圆柱状喷嘴作为阴极，高速流动的电解液从喷嘴中流出，喷射到slm成型件表面使其发生氧化反应并会产生一定量的溶解，同时流动的电解液及时带走两极间的阳极蚀除产物以及其他杂质。与其他后处理方式相比，射流电解具有加工定域性好，加工效率高、表面光整性好、无变质层等特点，能够针对性地处理slm成型件表面球化凸起及微裂纹等现象。

射流电沉积方法是一种理想的表面涂层制备方法。在射流电沉积过程中，slm成型件作为阴极，镍珠或镍棒作为阳极，电镀液从圆柱状喷嘴中高速流出，喷射到slm成型件表面，可在成型件表面形成ni沉积层，起到提高表面耐磨性及耐腐蚀性的作用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种修复slm成型件的电解-电沉积组合加工装置及方法，以解决slm技术中成型件表面质量较差的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种修复slm成型件的电解-电沉积组合加工装置，包括第一电磁换向控制阀、小型六轴机械臂、计算机控制系统、工作台、第二电磁换向控制阀；所述第一电磁换向控制阀和第二电磁换向控制阀工作位均有a、b、p、t四个油口；所述小型六轴机械臂前端固定有喷嘴，喷嘴的尾部通过输液管道与第一电磁换向控制阀的油口b连接；

整个加工过程和数控机械装置均由计算机控制系统控制，该系统的编写应基于技术专家对slm成型件表面缺陷的评估，综合射流电解和射流电沉积的经验参数和有限元分析结果。该系统中应包含扫描次数、扫描距离等优选工艺参数，这些信息应根据实际加工要求进行取整取得最优效果。

所述第一电磁换向控制阀的油口t通过输液管道连接第一溶液箱，且该输液管道中设有第一流量控制阀和第一液压泵；所述第一溶液箱通过输液管道与第二电磁换向控制阀的油口t连接；

所述第一电磁换向控制阀的油口p通过输液管道连接第二溶液箱，且该输液管道中设有第二流量控制阀和第二液压泵；所述第二溶液箱通过输液管道与第二电磁换向控制阀的油口p连接；

所述第一电磁换向控制阀的油口a通过输液管道连接第三溶液箱，且该输液管道中设有第三流量控制阀和第三液压泵；所述第三溶液箱通过输液管道与第二电磁换向控制阀的油口a连接。

所述第二电磁换向控制阀的油口b通过输液管道与工作台底部相连；

进一步的，所述第二电磁换向控制阀与第一溶液箱、第二溶液箱、第三溶液箱以及工作台的连接的输液管道上分别设有一个过滤器。

进一步的，所述喷嘴采用圆柱状结构，喷嘴下部为圆台形状，喷嘴内部为一上宽下窄状的通孔，通孔下端直径为3mm，确保加工过程中材料蚀除或添加具有定域性。工作状态下，溶液通过顶端进液口流入，从喷嘴下端喷出。

一种修复slm成型件的电解-电沉积组合加工方法，包括以下步骤：

(1)修复前先对待修复的slm成型件表面进行预处理；超声波震荡脱脂除油后，蒸馏水清洗、晾干后将其夹持到加工区工作台上。

(2)对待修复的slm成型件表面进行射流电解处理：

2.1)小型六轴机械臂夹持喷嘴移动到待修复的slm成型件的表面凸起处上方；

2.2)第一电磁换向控制阀和第二电磁换向控制阀中的滑阀移至中位，油口a与油口b相通，第三液压泵通电，第三溶液箱中的电解液经输液管道流入喷嘴；

2.3)将喷嘴连接到电源负极，待修复的slm成型件连接到电源的正极，打开电源，调节电压，喷嘴与待修复的slm成型件间形成闭合回路，待修复的slm成型件表面凸起处因电解而产生材料蚀除，工作台内的电解液通过工作台底部的输液管道，经过过滤器充分过滤后流回到第三溶液箱内，达到电解液循环的目的；

2.4)通过计算机控制系统操控小型六轴机械臂，小型六轴机械臂控制喷嘴在待修复的slm成型件表面按照轨迹移动，逐渐将其表面缺陷处修复平整；

2.5)电解加工表面修复过程完成后，关闭电源，关闭第三液压泵，喷嘴上移至安全距离；

2.6)第一电磁换向控制阀和第二电磁换向控制阀中的滑阀移至右位，油口b与油口t相通，打开第一液压泵，第一溶液箱中的蒸馏水溶液通过输液管道流入工作台，充分清洗工作台表面残留的电解液后通过输液管道回流到第一溶液箱中；

(3)射流电沉积修复：

3.1)在喷嘴中插入镍棒，控制小型六轴机械臂夹持喷嘴移动至电解后的slm成型件表面上方；

3.2)第一电磁换向控制阀和第二电磁换向控制阀中的滑阀移至左位，第一电磁换向控制阀和第二电磁换向控制阀各自的油口a与油口b相通，打开第二液压泵，第二溶液箱中的电镀液通过输液管道流入喷嘴；

3.3)将喷嘴中的镍棒接入电源正极，电解后的slm成型件接入电源负极；打开电源，喷嘴与电解后的slm成型件形成闭合回路，调节电压，经过一段时间后，电解后的slm成型件表面形成镍镀层；阳极的镍棒发生氧化反应逐渐溶解，不断向溶液中补充ni⁺，使溶液中的ni⁺保持动态平衡；工作台中的电镀液通过底部的输液管道经过滤器过滤后流回到第二溶液箱中，达到电镀液循环的目的；

3.4)电沉积修复过程完成后，关闭电源，关闭第三液压泵(14)，喷嘴(4)上移至安全距离；

3.5)第一电磁换向控制阀(2)和第二电磁换向控制阀(7)中的滑阀移至右位，油口b与油口t相通，打开第一液压泵(12)，第一溶液箱(9)中的蒸馏水溶液通过输液管道流入工作台(6)，充分清洗工作台(6)表面残留的电解液后通过输液管道回流到第一溶液箱(9)中；

(4)修复效果的检测：将单次射流电解修复过程或射流电沉积修复过程设定为一个修复单元，在某一个修复单元结束之后，slm成型件应进行硬度检测和外形几何尺寸的检测，如未达到指定指标可继续重复上一单元的修复过程，直到达到合格指标，最后将检测结果合格的slm成型件验收。

进一步的，所述步骤(2)中电解液为质量浓度为10％nacl溶液。

进一步的，所述步骤(3)中电镀液选用瓦特镍配方，具体成分为260g/l的硫酸镍、40g/l的氯化镍、40g/l硼酸、5g/l的糖精；采用质量浓度为10％的氨水溶液对电镀液的ph值进行调节，使电镀液ph值在4±0.2范围内。其中硫酸镍为主盐，是镍离子的主要提供者。氯化镍为活化剂可防止阳极钝化并提高溶液的导电性。硼酸是最常用且效果最优的缓冲剂，能保证沉积过程中电镀液的ph值稳定。糖精的加入可以达到细化晶粒的效果。

进一步的，所述步骤(2)中喷嘴为电解用紫铜材料喷嘴，通孔下端直径为3mm，喷嘴下端面离待修复的slm成型件距离为1mm，具有一定压力的溶液通过输液管道从通孔流入并从喷嘴下端喷射到待修复的slm成型件表面。

进一步的，所述步骤(3)中喷嘴为电沉积用工程塑料喷嘴，通孔下端直径为3mm，喷嘴下端面离电解后的slm成型件距离为5mm。

进一步的，所述步骤(2)中电源采用直流电源，电流密度为100a/cm²；电解液流量为240l/h，加工时电解液温度由恒温水浴控制在25℃，以保证电解液具有良好的活性，充分发挥作用。

进一步的，所述步骤(3)中电源采用直流电源，电流密度为100a/dm²，电镀液流量为240l/h，加工时电镀液温度由恒温水浴控制在60℃，以保证糖精具有良好的活性，充分发挥作用。

进一步的，所述电源的两极分别与喷嘴和slm成型件相连，液压泵启动后，溶液流经喷嘴喷射到成型件表面形成闭合回路，构成电化学加工的必要条件。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明以提高slm成型件表面质量为目标，结合射流电解蚀除材料以及射流电沉积添加材料的工艺特点，实现对slm成型件表面缺陷的精准快速修复。

(2)本发明通过小型六轴机械臂夹持喷嘴在待修复的slm成型件表面移动的方式，克服了传统机械或手工打磨只能修复平面的缺点，实现了在slm成型件三维表面修复缺陷的目标。

(3)本发明通过电磁换向控制阀控制输液管道间的连接，将电解液与电镀液有效隔离开来，在执行任一加工过程后，换向控制阀都会打开蒸馏水管道，清洗喷嘴及工作台内部，确保两种溶液不会相互污染。

附图说明

图1是本发明的装置示意图；

图2是本发明的电磁换向控制阀结构示意图；

图3是本发明中喷嘴的剖视结构示意图，(a)是电解专用紫铜材料喷嘴的剖视结构示意图；(b)是电沉积专用工程塑料喷嘴的剖视结构示意图；

图4是本发明的slm成型件表面缺陷修复过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1所示，一种修复slm成型件的电解-电沉积组合加工装置，包括第一电磁换向控制阀2、小型六轴机械臂3、计算机控制系统5、工作台6、第二电磁换向控制阀7；整个加工过程和数控机械装置均由计算机控制系统6控制，该系统的编写应基于技术专家对slm成型件表面缺陷的评估，综合射流电解和射流电沉积的经验参数和有限元分析结果。该系统中应包含扫描次数、扫描距离等优选工艺参数，这些信息应根据实际加工要求进行取整取得最优效果。所述第一电磁换向控制阀2和第二电磁换向控制阀7工作位均有a、b、p、t四个油口；所述小型六轴机械臂3前端固定有喷嘴4，喷嘴4共拥有六个自由度，可在空间中沿着x、y、z轴移动或转动，小型六轴机械臂3可按系统指令驱动喷嘴到达指定位置，根据预先设定好的程序进行进行相关修复工作。喷嘴4的尾部通过输液管道与第一电磁换向控制阀2的油口b连接；

所述第一电磁换向控制阀2的油口t通过输液管道连接第一溶液箱9，且该输液管道中设有第一流量控制阀15和第一液压泵12；所述第一溶液箱9通过输液管道与第二电磁换向控制阀7的油口t连接；

所述第一电磁换向控制阀2的油口p通过输液管道连接第二溶液箱10，且该输液管道中设有第二流量控制阀16和第二液压泵13；所述第二溶液箱10通过输液管道与第二电磁换向控制阀7的油口p连接；

所述第一电磁换向控制阀2的油口a通过输液管道连接第三溶液箱11，且该输液管道中设有第三流量控制阀17和第三液压泵14；所述第三溶液箱11通过输液管道与第二电磁换向控制阀7的油口a连接。

所述第二电磁换向控制阀7的油口b通过输液管道与工作台6底部相连；

所述第二电磁换向控制阀7与第一溶液箱9、第二溶液箱10、第三溶液箱11以及工作台6的连接的输液管道上分别设有一个过滤器8。

所述喷嘴4采用圆柱状结构，喷嘴4下部为圆台形状，喷嘴4内部为一上宽下窄状的通孔，通孔下端直径为3mm，可视加工要求进行更换，确保加工过程中材料蚀除或添加具有定域性。工作状态下，溶液通过喷嘴4顶端进液口流入，从喷嘴4下端喷出。

一种修复slm成型件的电解-电沉积组合加工方法，包括以下步骤：

(1)修复前先对待修复的slm成型件表面进行预处理；超声波震荡脱脂除油后，蒸馏水清洗、晾干后将其夹持到加工区工作台上。

(2)对待修复的slm成型件表面进行射流电解处理：

2.1)实验使用电解用紫铜材料喷嘴4，如图3(a)所示，喷嘴4采用圆柱状结构，喷嘴4下部为圆台形状，通孔下端直径为3mm，喷嘴4内部为一上宽下窄状的通孔，喷嘴4顶端与输液管道相连，小型六轴机械臂3夹持喷嘴4移动到待修复的slm成型件的表面凸起处上方，喷嘴4下端面离待修复的slm成型件距离为1mm，具有一定压力的溶液通过输液管道从通孔流入并从喷嘴4下端喷射到待修复的slm成型件表面。

2.2)第一电磁换向控制阀2和第二电磁换向控制阀7中的滑阀移至中位，如图2所示，油口a与油口b相通，第三液压泵14通电，第三溶液箱11中的质量浓度为10％nacl电解液经输液管道流入喷嘴4；

2.3)将喷嘴4连接到电源负极，待修复的slm成型件连接到电源的正极，经过一段时间确保电解液充分润湿待修复的slm成型件表面后，打开电源，喷嘴4与待修复的slm成型件间形成闭合回路，调节电压大小使得电流密度为100a/cm²。待修复的slm成型件表面缺陷处因电解而产生材料蚀除，工作台6内的nacl电解液通过工作台6底部的管道，经过过滤器8充分过滤后流回到第三溶液箱11内，达到电解液循环的目的；实验中电源采用直流电源，电流密度为100a/cm²。电解液流量为240l/h，加工时电解液温度由恒温水浴控制在25℃，以保证nacl电解液具有良好的活性，充分发挥作用。

2.4)通过计算机控制系统6操控小型六轴机械臂3，小型六轴机械臂3控制喷嘴4在待修复的slm成型件表面按照轨迹移动，逐渐将其表面缺陷处修复平整；

2.5)电解加工表面修复过程完成后，关闭电源，关闭第三液压泵14，喷嘴4上移至安全距离；

2.6)第一电磁换向控制阀2和第二电磁换向控制阀7中的滑阀移至右位，油口b与油口t相通，打开第一液压泵12，第一溶液箱9中的蒸馏水溶液通过输液管道流入工作台6，充分清洗工作台6表面残留的nacl电解液后通过输液管道回流到第一溶液箱9中，射流电解修复单元结束；

(3)射流电沉积修复：

3.1)更换电沉积用工程塑料喷嘴，喷嘴4采用圆柱状结构，喷嘴4下部为圆台形状，通孔下端直径为3mm，喷嘴4内部为一上宽下窄状的通孔，在喷嘴4中插入镍棒，如图3(b)所示，为沉积过程提供ni⁺。控制小型六轴机械臂3夹持喷嘴4移动至电解后的slm成型件表面上方，喷嘴4下端面离电解后的slm成型件距离为5mm；

3.2)第一电磁换向控制阀2和第二电磁换向控制阀7中的滑阀移至左位，第一电磁换向控制阀2和第二电磁换向控制阀7各自的油口a与油口b相通，打开第二液压泵13，第二溶液箱10中的电镀液通过输液管道流入喷嘴4；

3.3)将喷嘴4中的镍棒接入电源正极，电解后的slm成型件接入电源负极；经过一段时间确保电解液充分润湿电解后的slm成型件表面后，打开电源，喷嘴4与电解后的slm成型件形成闭合回路，调节电压大小使得电流密度为100a/dm²，经过一段时间后，电解后的slm成型件表面形成镍镀层；阳极的镍棒发生氧化反应逐渐溶解，不断向电镀液中补充ni⁺，使溶液中的ni⁺保持动态平衡；工作台6中的电镀液通过底部的输液管道经过滤器8过滤后流回到第二溶液箱10中，达到电镀液循环的目的；实验中电源采用直流电源，电流密度为100a/dm²，电解液流量为240l/h，加工时电镀液温度由恒温水浴控制在60℃，以保证糖精具有良好的活性，充分发挥作用。

3.4)电沉积加工表面修复过程完成后，关闭电源，关闭第三液压泵14，喷嘴4上移至安全距离。第一电磁换向控制阀2和第二电磁换向控制阀7中的滑阀移至右位，油口b与油口t相通，打开第二液压泵12，第二溶液箱9中的蒸馏水溶液通过输液管道流入工作台6，充分清洗工作台6表面残留的电镀液后通过输液管道回流到第一溶液箱9中，射流电沉积修复单元结束。修复过程示意图如图4所示；

(4)修复效果的检测：slm成型件表面修复应与效果检测配合完成。将单次射流电解修复过程或射流电沉积修复过程设定为一个修复单元，在某一个修复单元结束之后，slm成型件应进行硬度检测和外形几何尺寸的检测，如未达到指定指标可继续重复上一单元的修复过程，直到达到合格指标，最后将检测结果合格的slm成型件验收。

所述步骤(3)中电镀液选用瓦特镍配方，具体成分为260g/l的硫酸镍、40g/l的氯化镍、40g/l硼酸、5g/l的糖精；采用质量浓度为10％的氨水溶液对电镀液的ph值进行调节，使电镀液ph值在4±0.2范围内。其中硫酸镍为主盐，是镍离子的主要提供者。氯化镍为活化剂可防止阳极钝化并提高溶液的导电性。硼酸是最常用且效果最优的缓冲剂，能保证沉积过程中电镀液的ph值稳定。糖精的加入可以达到细化晶粒的效果。

对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。