本發(fā)明涉及電鑄技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及碳纖維增強金屬的電鑄制造工藝及裝置。

背景技術(shù)：

電鑄技術(shù)作為一種精密特種加工方法，利用金屬離子在陰極表面電沉積的原理進行零件的制造，具有復(fù)制精度高、重復(fù)精度高、適用范圍廣、制品可控性強、生產(chǎn)成本低等特點，廣泛應(yīng)用于航空宇航、精密模具以及兵器工業(yè)。

在傳統(tǒng)電鑄制造技術(shù)中還存在一些問題尚未解決。例如電鑄層厚度均勻性較差、容易出現(xiàn)缺陷、力學(xué)性能不夠理想。其中，力學(xué)性能對電鑄制造技術(shù)的發(fā)展具有較大影響。為使電鑄的零件滿足力學(xué)性能要求，勢必要增大其壁厚，這就導(dǎo)致電鑄時間的延長，進而導(dǎo)致電鑄層厚度均勻性持續(xù)變差，電鑄層出現(xiàn)缺陷的可能性也越來越高。

為此，科研人員常使用細化晶粒、磨擦輔助、合金增強、顆粒增強、連續(xù)纖維增強方法來提高電鑄層強度。其中，使用連續(xù)纖維增強電鑄層的強度的效率最為顯著。因為理論上來說，如果在電鑄層受載方向上有序摻雜大量具有高強度的連續(xù)纖維，那么在電鑄層受到拉伸時，這些高性能的連續(xù)纖維能夠比電鑄金屬本身承受高得多的載荷，進而提高整個電鑄層的強度。

與其它增強纖維相比，碳纖維具有更高的強度和比強度以及良好的耐高溫性、耐酸堿性、耐疲勞性，并且價格便宜，因此碳纖維是一種優(yōu)異的增強纖維。

市售碳纖維絲線為幾百上千根碳纖維單絲構(gòu)成的束狀纖維，在電鑄成型過程中，電鑄液難以滲透入束狀纖維內(nèi)部使每根碳纖維單絲均與電鑄液接觸，導(dǎo)致制得的碳纖維增強電鑄層內(nèi)部有大量空隙且很多碳纖維單絲處于懸空狀態(tài)，未起到增強作用。此外，如何將碳纖維大量、有序的加入電鑄層中，也是一個難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于此，申請人進行研究及改進，提供一種提高電鑄層強度特別是碳纖維增強電鑄層強度的方法，提供碳纖維柔性受壓條件下的電鑄工藝和裝置，可以制備致密度高、缺陷少、抗拉強度高的碳纖維增強電鑄層。

為了解決上述問題，本發(fā)明采用如下方案：

一種碳纖維增強金屬的電鑄制造裝置，包括電鑄系統(tǒng)及碳纖維纏繞系統(tǒng)；所述電鑄系統(tǒng)包括電鑄液循環(huán)過濾系統(tǒng)、電鑄液溫控系統(tǒng)、電鑄電源、安裝于電鑄槽中的帶有旋轉(zhuǎn)電機的陰極芯模、陽極鎳，所述陰極芯模與電源負極連接，所述陽極鎳與電源正極連接；所述電鑄液循環(huán)過濾系統(tǒng)包括連接于電鑄槽與加熱槽之間的第一磁力泵及第二磁力泵，所述第一磁力泵將電鑄液從電鑄槽中抽入加熱槽，第二磁力泵將加熱槽中的電鑄液通過過濾器后抽入電鑄槽；所述電鑄液溫控系統(tǒng)包括置于加熱槽內(nèi)的熱電偶、加熱絲及電鑄槽外的溫度控制器；所述碳纖維纏繞系統(tǒng)包括儲絲筒、導(dǎo)輥、張緊輥及導(dǎo)向器，碳纖維繞接于導(dǎo)輥、張緊輥及導(dǎo)向器上，碳纖維的兩端分別纏繞于所述儲絲筒及陰極芯模上。

本發(fā)明還提供了一種所述碳纖維增強金屬的電鑄制造裝置的制造工藝，包括：

將碳纖維從儲絲筒中抽出，依次繞接在導(dǎo)輥、張緊輥、導(dǎo)向器上，最后與陰極芯模相連；

開啟第一磁力泵、第二磁力泵及各自管路上的閥門，使得電鑄液實現(xiàn)循環(huán)過濾；

開啟溫度控制器，控制電鑄液溫度在電鑄全過程保持在43±2℃；

設(shè)置旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)速，設(shè)置導(dǎo)向器14的移動速度；

開動旋轉(zhuǎn)電機、導(dǎo)向器、電鑄電源，整個裝置開始運轉(zhuǎn)；

當(dāng)碳纖維加入量達到所需值時，關(guān)閉旋轉(zhuǎn)電機和導(dǎo)向器；

當(dāng)電鑄金屬將碳纖維完全包裹并達到預(yù)定厚度后，切斷所有電源，停止電鑄，去除陰極芯模，清洗干燥，脫模處理后，得到碳纖維增強電鑄層。

作為上述技術(shù)方案的進一步改進：

所述電鑄槽中還設(shè)置有位于所述陰極芯模一側(cè)的柔性受壓裝置，所述柔性受壓裝置包括柔性壓緊輥、安裝于柔性壓緊輥上的微壓力傳感器，所述柔性壓緊輥通過受壓運動機構(gòu)調(diào)節(jié)與陰極芯模之間的間距；所述受壓運動機構(gòu)包括導(dǎo)軌及導(dǎo)軌控制器，所述微壓力傳感器與所述導(dǎo)軌控制器連接。

所述柔性壓輥緊貼陰極芯模的一側(cè)具有吸水性能的彈性物質(zhì)。

進一步地，由于設(shè)置有柔性受壓裝置，本發(fā)明的制造工藝，還包括：

設(shè)置壓電傳感器的參數(shù)并開啟導(dǎo)軌控制器電源，使得柔性壓緊輥與陰極芯模之間的壓力保持恒定。

作為上述制造工藝的進一步改進：

電鑄與碳纖維纏繞可以同時進行。

所述碳纖維的形態(tài)為連續(xù)紗線。

向電鑄槽中噴射電鑄液的出液速度不小于1m/s。

陰極芯模旋轉(zhuǎn)速度為0～120rad/min之間。

本發(fā)明的技術(shù)效果在于：

1、利用柔性受壓裝置中的吸水彈性材料將電鑄液補充入碳纖維束內(nèi)部，防止制得的電鑄層內(nèi)部出現(xiàn)孔洞；

2、利用碳纖維纏繞系統(tǒng)將碳纖維高效、有序地鋪設(shè)在陰極芯模表面；

3、利用柔性受壓裝置將碳纖維以恒定力將碳纖維緊貼于陰極芯模表面，防止電鑄過程中碳纖維斷裂；

4、利用柔性受壓裝置與陰極芯模之間相對的摩擦、擠壓，有效地將副反應(yīng)生成的吸附在碳纖維和陰極芯模上的氫氣泡以及其他雜質(zhì)剝離，從而避免制得的電鑄層表面缺陷的形成；

5、柔性受壓裝置的應(yīng)用可以加快液相傳質(zhì)過程，減薄擴散層厚度，減小濃差極化，從而使得電沉積在高電流密度下可以正常進行，獲得晶粒細小的電鑄層。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明中柔性受壓裝置的結(jié)構(gòu)圖。

圖中：1、15-導(dǎo)輥；2、儲絲筒；3、加熱絲；4、熱電偶；5、陽極鎳珠；6、柔性壓緊裝置；7、沖液裝置；8、陰極芯模；9、電鑄槽；10、電鑄電源；11、20-閥門；12、過濾器；13、第一磁力泵；14、導(dǎo)向器；16、碳纖維；17、張緊輥；18、溫度控制器；19、第二磁力泵；21微壓電傳感器；22、碳纖維增強電鑄層；23、導(dǎo)電環(huán)；24、旋轉(zhuǎn)電機控制盒；25、旋轉(zhuǎn)電機；26、導(dǎo)軌；27、導(dǎo)軌控制器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式作進一步說明。

如圖1所示，本實施例的碳纖維增強金屬的電鑄制造裝置，包括電鑄系統(tǒng)及碳纖維纏繞系統(tǒng)；電鑄系統(tǒng)包括電鑄液循環(huán)過濾系統(tǒng)、電鑄液溫控系統(tǒng)、電鑄電源10、安裝于電鑄槽9中的帶有旋轉(zhuǎn)電機25的陰極芯模8、陽極鎳5，陰極芯模8與電源負極連接，陽極鎳5與電源正極連接；電鑄液循環(huán)過濾系統(tǒng)包括連接于電鑄槽9與加熱槽之間的第一磁力泵13及第二磁力泵19，第一磁力泵13將電鑄液從電鑄槽9中抽入加熱槽，第二磁力泵19將加熱槽中的電鑄液通過過濾器12后抽入電鑄槽9；電鑄液溫控系統(tǒng)包括置于加熱槽內(nèi)的熱電偶4、加熱絲3及電鑄槽9外的溫度控制器18；如圖1、圖2所示，碳纖維纏繞系統(tǒng)包括儲絲筒2、導(dǎo)輥1、張緊輥17及導(dǎo)向器14，碳纖維16繞接于導(dǎo)輥1、張緊輥17及導(dǎo)向器14上，碳纖維16的兩端分別纏繞于儲絲筒2及陰極芯模8上。導(dǎo)向器14可以在水平方向（圖1中所示為前后方向）往返移動，帶動碳纖維16纏繞并鋪滿整個陰極芯模8表面。

如圖1、圖2所示，電鑄槽9中還設(shè)置有位于陰極芯模8一側(cè)的柔性受壓裝置，柔性受壓裝置包括柔性壓緊輥6、安裝于柔性壓緊輥6上的微壓力傳感器21，柔性壓輥6緊貼陰極芯模8的一側(cè)具有吸水性能的彈性物質(zhì)。柔性壓緊輥6通過受壓運動機構(gòu)調(diào)節(jié)與陰極芯模8之間的間距；受壓運動機構(gòu)包括導(dǎo)軌26及導(dǎo)軌控制器27，微壓力傳感器21與導(dǎo)軌控制器27連接。隨著電鑄的進行，電鑄層越來越厚，柔性壓緊輥6對碳纖維的壓力越來越大。為了防止碳纖維斷裂，在柔性壓緊輥6表面布置微壓電傳感器21，當(dāng)柔性壓緊輥6與陰極芯模8之間的壓力值高于設(shè)定值時，導(dǎo)軌26在導(dǎo)軌控制器27的帶動下向左移動，保證碳纖維始終在設(shè)定的壓力下不斷纏繞并鋪滿整個陰極芯模8，防止碳纖維被拉斷。電鑄系統(tǒng)中的陰極芯模8通過軸與旋轉(zhuǎn)電機25相連，導(dǎo)電環(huán)23穿在軸上與電鑄電源負極相連，起到引電的作用。

本實施例的利用碳纖維增強金屬的電鑄制造裝置的制造工藝，包括以下過程：

將碳纖維16從儲絲筒2中抽出，依次繞接在導(dǎo)輥1、張緊輥17、導(dǎo)向器14上，最后與陰極芯模8相連；

開啟第一磁力泵13、第二磁力泵19及各自管路上的閥門11、20，使得電鑄液實現(xiàn)循環(huán)過濾；

開啟溫度控制器18，控制電鑄液溫度在電鑄全過程保持在43±2℃；

通過旋轉(zhuǎn)電機控制盒24設(shè)置旋轉(zhuǎn)電機25的轉(zhuǎn)速，設(shè)置導(dǎo)向器14的移動速度；

開動旋轉(zhuǎn)電機25、導(dǎo)向器14、電鑄電源10，整個裝置開始運轉(zhuǎn)；

當(dāng)碳纖維16加入量達到所需值時，關(guān)閉旋轉(zhuǎn)電機25和導(dǎo)向器14；

當(dāng)電鑄金屬將碳纖維16完全包裹并達到預(yù)定厚度后，切斷所有電源，停止電鑄，去除陰極芯模8，清洗干燥，脫模處理后，得到碳纖維增強電鑄層22。

由于本發(fā)明中增設(shè)了柔性受壓裝置，故在上述實施例中，在開啟旋轉(zhuǎn)電機25、導(dǎo)向器14、電鑄電源10之前，需設(shè)置壓電傳感器21的參數(shù)并開啟導(dǎo)軌控制器電源，使得柔性壓緊輥6與陰極芯模8之間的壓力保持恒定。

上述制造工藝中，電鑄與碳纖維纏繞可以同時進行，碳纖維16的形態(tài)為連續(xù)紗線。

向電鑄槽9中噴射電鑄液的出液速度不小于1m/s，可有效地將電鑄反應(yīng)產(chǎn)生的氣體和溶液中的雜質(zhì)沖走，防止氣泡和雜質(zhì)進入沉積的金屬中。

陰極芯模8旋轉(zhuǎn)速度為0～120rad/min之間，在保證纖維絲不被拉斷的前提下，可盡可能提高陰極芯模8的旋轉(zhuǎn)速度，從而保證較高的工作效率。

以上所舉實施例為本發(fā)明的較佳實施方式，僅用來方便說明本發(fā)明，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，若在不脫離本發(fā)明所提技術(shù)特征的范圍內(nèi)，利用本發(fā)明所揭示技術(shù)內(nèi)容所作出局部改動或修飾的等效實施例，并且未脫離本發(fā)明的技術(shù)特征內(nèi)容，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)特征的范圍內(nèi)。