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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