新型工具电极制造方法赖尚丁,秦贵斌(机械工程系)摘要:用电火花法加工复杂形状模腔的关键之 一是工具电极的制造。为了解决一般电极材料价高,复杂型腔难以加工等问题,通过试验研究,推 出了一种以石膏和塑料为基本材料,采用非金属电镀工艺制造工具电极的新方法。关键词:工具电 极,工艺,石膏,塑料,塑料上镀中图分类号:TG706;TQ153.3IJUto1987 年全世界塑料产量虽然达到8637万余吨,有了较大的增长,并超过按体积计算的世界粗钢总产 量的95%,但仍然满足不了社会的总需求。这是因为塑料制品在逐步取代金属制品、木制品、纸 制品,应用范围日益广泛,用量与日俱增的缘故。按照目前的发展速度,到本世纪末,有ZO%的 塑料制品可用来代替金属制品。随着科学技术的发展,塑料的发展前景是极其广阔的。成型加工是 使塑料成为具有实用价值制品的重要方法。目前,塑料成型加工方法已达三、四十种之多,其中最 主要的是注射、挤出、吹塑和压制。这四种方法约占塑料成型加工总量的70~80%。其共同特 点是都需要模具。由此可见,塑料模具的需要量将是很大的。可是模具的设计和制造存在着难度大 、成本高、周期长等缺点。特别是要使造型复杂的塑料制品形象、逼真,由于现有模具制造工艺的 不足,往往变得十分困难。这也是我国塑料包装品、装饰品、玩具产品等长期处于落后状态的原因 之一。电火花成型加工是塑料模具加工的主要方法之一。工具电极的材料及其制造是电火花成型加 工中所要考虑的重要问题。当前,常用的电极材料有紫铜.、石墨、铸铁、钢、黄铜L铜钨合金、 银钨合金等,电极结构型面主要是通过机械加工的方法获得。由于这些材料本身的特点以及机械加 工本身的局限性,要想得到结构比较复杂,并且又能满足损耗小、加工稳定、速度高、来源丰富、 价格低廉等方面综合要求的工具电极显得相当困难。特别是单件小批生产或仿制、试制产品时,这 方面的问题将更加突出。因此.寻找更为理想的工具电极材料及其制造方法,并对其电火花成型加 工的工艺参数进行系统研究是一项有价值的工作。1工艺原理及其过程1.l制造石膏模型模型的 形状与所需的工具电极形状相同,但石有模的尺寸要考虑ABS涂料和紫铜镀层的厚度。石膏模型 制成后应烘干除去水份。1.2封闭处理由于石膏是吸水性材料,所以要进行封闭处理。
封闭处理 的方法是将ABS颗粒100g和500mL三氯甲烷混合搅匀,用浸或喷的方式涂在石膏模型的 表面。待干燥后即形成ABS塑料膜。为叙述方便,本文将完成封闭处理的石膏模型称之为“电极 毛坯”。1.3机械粗化机械粗化的方法是用粒度为100~180#的砂纸将模型均匀打磨,并 吹去余砂。其目的是尽可能增加紫铜镀层与ABS塑料膜之间的接触面积。用砂纸打磨后ABS塑 料膜表面在微观上比打磨前更为粗糙,于是与紫铜镀层的接触面积也就相应增加。1.4化学除油 除油的目的在于除去制品表面的污垢。这一工序通常在机械粗化之后化学粗化之前进行。虽然化学 粗化也能迅速地除掉任何污垢,但是为了确保塑料膜表面能均匀地进行化学粗化,这一工序还是必 要的。化学除油的方法是将电极毛坯在除油液中抖动清洗。除油液的配方是Na。PO。:50g /L,Na。CO。;30g/L。1.5化学粗化这一工序是为了进一步增强紫铜镀层与电极毛 坯表面的结合力。其方法是将电极毛坯置于由CrO。;33g/L,H。SO。:870n。L /L配成的粗化液中0.5~2n。ill。在机化过程中,ABS中的橡胶相B(J二烯)粒子 会被氧化溶蚀,而树脂相A、S(丙烯一本乙烯)不受影响。当粗化过程结束后,电极毛坯的表面 就留下了大量微小的空穴(囹1)。空穴的密度达60万个/cm’。当这些空穴在电镀时被紫铜 材料填充后,紫铜镀层被锚合在电极毛坯表面的微小空穴内,像批钮一样地将紫铜镀层与电极毛坯 的塑料膜连接起来(见图2所示人这是紫钢镀层与电极毛坯表面之间结合力增强的主要因素。图I ABS塑料膜经化学处理后表面产生了空穴的剖面示意图玉.6敏化和活化图2紫铜镀层与ABS 塑料膜的锚合示意图电极毛坯表面是一层塑料膜。塑料膜是不导电的,要在其表面进行金属电沉积 ,必须先用化学还原法沉积一层导电金属膜。为了诱导初始的化学还原金属层,塑料膜表面上必须 存在金属晶核,它是下一工序化学地铜的还原反应的催化剂,一般选用把金属,这是因为把金属易 还原而不易钝化。塑料膜上把金属核心的形成过程是,先将经过化学粗化的电极毛坯浸入敏化剂中 进行敏化处理。敏化剂的配方为:SllCI。:10g/L,HCI:2.5IL/L。由于S llCI。是一种具有一定吸附能力的物质,所以当电极毛坯在敏化剂中浸泡后,它的塑料膜表面 上有大量的SnCI。分子吸附,经水洗后,塑料膜表面上就会留下大量的Sll(OH)CI沉 积物。产生这种沉积物的原因是,敏化剂中浸泡过的电极毛坯,用水清洗时,吸附在塑料膜表面上 的二价锡会发生如下的水解反应:SllC【z+H;O(过量)——Sll(Oil)C!4+ llC!,接下来再将电极毛坯浸入活化剂进行活化处理。活化剂的配方是:PdCI。:0.2 5g/L,IICI:2.5mL/L。在活化处理的过程中,电极毛坯的塑料膜表面上进行这样 的氧化还原反应:Pd’”SI。’-——Pd4+511‘一这个反应进行的较快,一般在室温 下有0.5~5min即可。还原了的把金属呈胶体状微粒沉积在电极毛坯表面上,它具有较强的 催化活性。当将电极毛坯浸入化学镀铜溶液中时,这些微粒沉积物就成为催化中心,使化学镀铜的 反应速度加快。1.7化学镀铜化学镀铜的目的,是为了在电极毛坯表面形成一层电的金属层,从 而为下一工序的电镀创造条件。将经过敏化和活化处理过的电极毛坯浸入化学镀铜液中15~20 min。化学镀铜液主要由两部分组成:一部分是含有铜盐的溶液(甲液);另一部分是含有还原 剂的溶液(乙液)。这两种溶液预先分别配制,在使用时再将它们混合在一起。甲液的配方比例为 :CuSO。:10g/L,NaOH;10g/L.乙液的配方比例为:HCHO:10mL/ L,NaKC.11。O6:25g/L。由于化学镀铜时使用的还原剂(IICHO)只有在碱 性条件下才能起作用,所以整个溶液在使用过程中必须维持较高的pH值。这个配方中的CuSO 。是提供氧化剂Cu’”的主盐。NaKC。H。O。既是络合剂,可以防止在碱性溶液中CU’ ”生成CU(OH)。沉淀,又是一个缓冲剂,可以维持反应所需的最适宜的pH值。NaOH是 化学镀铜反应中必不可少的组分,它创造了进行反应所需的碱性环境。化学镀铜液配制时发生如下 反应:C。ISO。+2NaOlpel==ru(OFI)。子十Na。SO。CU(OH)。 -f-3C。H。Og——「CU(C。H。O。)31-+ZOll化学镀铜时电极毛坯表面发 生的反应是:ZrCU(C。H.O。)。v-+HCHO+4OH二二二ZCU++6C。H。 Or+CO。++3H。O在化学镀铜时,反应温度必须严格控制。升高温度虽然反应速度加快了 ,但是生成的氧化亚铜(Cu。O)也多,为此,温度不应高于32C。但是,温度也不应过低, 过低则Na。SO。易于析出,它附着在零件表面上影响铜的沉积,且会形成绿色斑点,一般温度 不应低于20℃。化学镀铜时不应使用金属挂具,以免加速溶液失效。最好使用塑料挂具。1.8 电镀化学镀铜后得到的镀层很薄,因此必须进行电镀。电镀液的成分为CU5q:200yL,1 1。SO。:50g/L。用作工具电极的镀层厚度必须达到lmm以上,用这样的电极在电火花 成型加工机床上进行模具加工,模具工件表面所获得的粗糙度与用紫铜律作电极加工的效果相当。 在电脉冲宽度为8ms,脉冲间隔为7ms,电流为4~5A,电极为正极,工件为负极,工件材 料为普通结构钢的条件下,电极损耗约为10%左右。2设计工具电极构形时的注意事项设计工具 电极的构报时,除了要考虑模具对工具电极的形状要求外,还应考虑以下因素。(l)要避免直角 和尖角;(2)标记和符号要采用流畅的行书、草书和手写体;(3)厚度不应太薄,也不宜有突 变;(4)不要有过深的四部、小孔和盲孔;(5)尽量不采用螺纹和金属嵌件;(6)要考虑电 镀时的装挂和电火花成型加工时的电极安装;(7)留有镀层余量。3结论用这种新方法制造工具 电极省工省料,效益显著,其应用前景是非常乐观的。不仅可以节省价格高的材料而且与整体紫铜 电极相比使得复杂工具电极的制作更为容易。可以大大减少模具的设计、制造费用,缩短制造周期 。参考文献||1曾华梁等.电镀工艺手册.北京:机械工业出版社,1989.2郭鹤桐等.电 镀工艺学.天津:天津科学技术出版社,1985.3李鸿年等.实用电镀工艺学.北京:国防工 业出版社,1990.4陈传梁.特种加工技术.北京:北京科学技术出版社,1989.Ont heNewMethodsofMakingTool──ElectrodesinEDM¥L aiShangding;QinGuibin(Dept.ofMechanicalEngi neering)Abstract:Themetbedtomakethetool-ele ctricesinEDMisoneofthekeyproblemsinworkingo utthecavitieswithacomplexcontour.Oneofthewe akpontsofthetraditionalmethodsliesinthehigh valueoftheelectrodematerialsandtheshapingofcomplicatedprofiles.TheauthorsofthispapersuggesttosubstitutetheplastertogetherwiththeABSplasticsforthecommon-usedgraphiteorbronze
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