一种新的电铸阳极轮廓设计方法

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan．252012V01．33No．1182．188ISSN1000—6893ON11-1929／Vhttp：#hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．eclu．cn文章编号：1000—6893(2012)01—0182—07一种新的电铸阳极轮廓设计方法章勇，朱增伟，高虹，朱获*南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016摘要：拉瓦尔喷管的电铸层有一定的均匀性要求。在电铸过程中，电铸阳极的轮廓和位置决定了阴极表面电流密度的分布，并最终影响电铸层的均匀性。为此，设计了一种新的阳极轮廓优

2、化方法，在进行阳极轮廓优化设计时，只需在编制的优化程序中输入阴极轮廓，通过ANSYS软件进行电场分析，程序根据阴极上不同位置电场强度的强弱，自动逐步调整对应点的阳极轮廓，以改善阴极表面的电流密度分布均匀性，即可得到优化后的阳极轮廓。采用该优化方法，可以快速得到所需的阳极轮廓，且通用性强。对某型喷管外壁进行阳极轮廓优化设计后，制得了厚度最大处与最小处比值为1．26的电铸镍层。关键词：电铸；喷管；阳极；优化设计；电场中图分类号：V434．2}TQl53．4文献标识码：A电铸技术是一种精密特种加工方法，它利用金属离子在阴极表面电沉积的原理实现零件的成形加工，具有较高的复制精度和重复

3、精度。目前，该技术已广泛应用于传统工艺难以加工的零部件上，如：液体火箭发动机推力室身部、精密模具、波导管、药型罩和超声速风洞喷管等[1喝]。阴极电流密度的大小影响着电沉积的速度和电铸层的组织结构。在进行复杂形状零件的电铸时，由于阴极电流密度分布不均匀，会造成电铸层的厚度和材料组织结构不均匀[7]。为解决这一问题，国内外研究者采取了诸多措施，如：严格控制电铸工艺参数、增大溶液的导电能力和分散能力、采用正负脉冲电流、改善芯模结构设计、添加辅助阴极、屏蔽阳极以及采用组合式阳极等【8‘1引。但这些方法的使用只能针对具体的情况采取相应的措施。大量研究和试验表明，只有采用相应形状的阳极，

4、才能从根本上解决电铸过程中阴极表面电流密度分布不均匀的问题。文献[14]基于对电化学加工中的电场分析，提出了利用AN—SYS软件进行电场分析和优化设计的方法，来进行电化学加工中的电极设计。ANSYS软件提供了若干种优化方法可供用户调用[15‘，其中一阶优化方法，可用于阳极轮廓的优化设计，经过优化后的阳极，能改善电铸中阴极电流密度分布的均匀性。但由于使用该算法计算量大，耗时较多，不能保证最佳求解；且在均匀性要求较高时，难以获得满足要求的阳极轮廓；再加上该算法作为一种通用的优化方法，并不能完全解决电铸阳极轮廓优化中的所有问题。因此设计出一套优化速度快、精度高的阳极轮廓设计方案，并

5、把它运用到生产实践中具有重要意义。本文设计了一种优化方法，在ANSYS软件基础上进行二次开发，利用ANSYS软件的电场分析功能对电铸阳极轮廓进行优化设计，以改善收稿日期：2011-05·16；退修日期：2011-06-20；录用日期：2011-09．19；网络出版时同：2011-10．1114：10网络出版地址：www．cnkinet／kcms／detail／111929．V20111011．1410．002．h打nIDOl：CNKI：11．1929／V．20111011．1410．002基金项目：国家自然科学基金(50975143)；航空科学基金(2009ZE52048)；

6、南京航空航天大学基本科研业务费专项科研项目(NS2010151)*通讯作者．reI．：025-84891077E-mail：出rIJ@黼．e山．∞乳用接武

7、ZhangY．ZhuZw，GaoH。etal．Newdesignmethodofelectroforrninganodeprofile．ActaAeronauticaetAs加onauticaSinica，2012，33(1)：182-188．章勇，朱增伟，高虹，等．一种新的电铸阳龊轮尊设计方法．航空学援，20

8、2．33(1)：182．188．章勇等：一种新的电铸阳极轮廓设计方法183阴极表面电流密度分布的均匀性。1电场分

9、析由文献[13]和文献[14]可知，电铸电场分布的数学模型示意图如图1所示，其表达式为V29=耋+考=。伽2【，(1)9。一0塑l，，一翌f，，：0磊h1一磊

10、rz一式中：妒为电极电位；妒。和仇分别为阳极和阴极电位；己，为阳极电压；z和Y分别为横坐标和纵坐标；，l为工件阴极表面各处的法向坐标。筹=o图1电场分析数学模型示意图Fig．1Schematicdiagramofmathematicalmodelforelectricfieldanalysis由此可以得到在封闭区域n内任何一点P(x，y)处的电势