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1、目 录摘要第一章 电铸技术及其应用与发展11.1电铸技术的应用与发展现状11.2喷射电铸及其特点3第二章 喷射电铸设备系统的总体设计42.1设计目的与要求42.2设备系统总体结构组成4第三章 直流电源的设计63.1设计目的与要求63.2整流电路概述63.2.1单相半波整流电路63.2.2 单相全波整流电路73.2.3单相桥式整流电路83.3整流电路的设计103.3.1整流桥的选择103.3.2滤波电容的选取11第四章 电解液喷射循环与加热系统设计与制作134.1电解液喷射循环系统组成134.2阳极喷腔与喷嘴的设计与加工144.2.1阳极腔的设计144.2.2阳极腔的加工154.2.3喷嘴的设计
2、与加工174.3电解液槽设计与制作204.4电解液加热与温度控制系统21第五章 旋转阴极的设计与制作225.1旋转阴极的结构设计225.2 阴极旋转驱动电机的选择225.2.1电机概述225.2.2单相异步电动机的结构与工作原理225.3旋转阴极的调速235.3.1单相异步电动机的调速235.4旋转阴极的结构设计与制作245.4.1电机的支撑结构设计245.4.2阴极与电机连接设计255.4.3阴极接线柱设计26附录：喷嘴与喷腔的数控加工程序28结论40致谢41参考文献摘要本论文设计出了喷射电铸设备。电铸是一种利用金属离子阴极电沉积原理制取产品的工艺技术，为了达到喷射电铸这种加工方法的设备须满
3、足有直流电源系统，喷射系统，阴极按设定轨迹运动系统。根据这个方案设计出按工作要求各系统：用调压器，整流桥，组成的电压可调的平衡的直流电源；由喷嘴、阳极喷腔、耐酸磁力泵、电解液槽、溢流阀与调节阀以及流量计等部分组成能控制比较稳定的流量和温度并能循环使用电解液的喷射系统，由阴极、单相异步电动机与速度控制器、电动机支撑结构等部分组成能使阴极按0500r/min范围内无级调速的旋转阴极系统。这些系统有机的组合成了能进行喷射电铸加工的设备。关键词：喷射、整流、阴极、电铸第一章 电铸技术及其应用与发展电铸是一种利用金属离子阴极电沉积原理制取产品的工艺技术。它具有极高的复制精度和重复精度。电铸工艺过程一般有
4、下列步骤组成：（1）芯模制造由设计图纸制造或由实物复制芯模；（2）导电层/分离层处理对非金属和金属芯模表面要分别进行导电层和分离层处理；（3）电沉积金属采用的沉积金属由镍、铜、铁、镍钴合金等；（4）脱模和背衬机械和化学方法脱模，有时需要在非工作表面上加固背衬材料。电铸属于交叉学科，涉及到材料、电化学和工程等领域。作为一种制造技术，电铸工艺的高复制精度和简单性是其它制造技术无法比拟的，电铸是一种强大的、用途广泛的工业制造技术。1.1电铸技术的应用与发展现状1837年俄国科学家Jacobi首先发明了电铸铜，1842年德国Bottger教授发明了电铸镍，1869年俄国财政部印刷所发明了电铸铁。电铸工
5、艺方法从其发明至今已有一百多年的历史。目前应用最为广泛的电铸金属为镍、铜、铁。电铸技术在工业中的早期应用主要局限于复制艺术品和印刷制版。近半个多世纪以来，电铸在工业中的应用日渐广泛，主要用来制取各种难以用机械加工方法制得的或是加工成本很高的零件。近年来，工业的迅速发展使得各种精密异型、复杂微细的金属零部件以及各种相关模具制造的需求大幅增加，电铸作为一种精密制造技术受到了高度的重视。如今它在精密模具、航空宇航、兵器、微细加工等制造领域中已经得到了很多重要的应用。如：火箭发动机喷管、表面粗糙度样规、电加工电极、激光防伪商标模板、破甲药型罩、微型飞行器零件等。电铸技术在航空宇航、核工业、微机械等高科
6、技领域的成功应用已使其受到世界制造业的瞩目。目前，电铸技术研究主要向着两个方向发展：（1）新型高性能电铸材料和工艺装备研究与应用，（2）探索制备特型零件的工艺方法和开拓新的应用领域。合金电铸和复合电铸是目前电铸技术的一个重要发展方向。为了克服电铸单质金属的缺点，提高电铸材料的性能，研究人员开展了合金电铸的研究。合金电铸以镍基合金为主，目前已开展了Ni-Co、Ni-Fe、Ni-Mn等二元合金电铸的研究。这些合金在硬度、耐磨性等方面显示出特殊的优点，适合于工业上的不同需求。此外，电铸Ni-Co-Mn、Co-W、Co-W-Ni、Co-P合金等可用来制备各种零件。金属基复合材料具有一系列的优点，被认为
7、是对宇航、航空等部门的发展带来重大变革的新型材料，复合电铸是制备这类材料的一种重要手段。目前电铸复合材料有两种类型：一种是在电铸金属时，在芯模表面缠绕高强度的纤维丝而获得镶嵌有纤维的金属电铸层，以达到强化电铸层的目的；另一种是在电铸液中加入弥散的固体颗粒，使其与金属离子共沉积而形成含有固体颗粒的金属层。复合电铸层主要是以镍、铜为基，用氧化物、碳化物、氮化物以及金刚石等高硬度微粒来强化基体金属。这类材料在制造业中得到了很多应用，如金属基的金刚石模具等。有些用复合电铸得到的零件可以大大降低重量，这对航空、航天、兵器工业来说具有重要意义。由于电铸复合材料集中了金属与非金属以及碳化物、氧化物和氮化物等
8、的一些优良性能，因而将会得到广泛的应用。电铸纳米金属材料是另一个十分具有发展前景的研究方向。由于电铸技术是依靠离子堆砌成型制造产品，所以在适当的条件下可以得到纳米晶的铸层结构。在常规的电铸中，电铸层的晶粒尺寸一般都较大，性能指标不够理想。已有的研究表明，减小沉积层的晶粒尺寸可以使材料的性能得到提高，而且电沉积法被认为是制备致密纳米晶材料的很有前途的方法之一。电铸得到的纳米晶铜和纳米晶镍药型罩，其破甲侵彻性能好于微米晶药型罩。采用高频脉冲电流、高速冲液和添加剂等措施可以电铸得到纳米晶镍，采用喷射电铸分别制备了纳米晶铜、镍和镍-钴合金。电铸技术发展的一个最重要的成果是在微机电系统（MEMS）制造领
9、域的成功应用。微细电铸与X射线同步辐射掩膜刻蚀技术相结合而形成的LIGA技术、以紫外光光刻代替同步X射线源刻蚀所形成的准LIGA技术，已经成为制造三维微细金属零件的主要方法。在微细制造方面，通过利用电铸技术，可以制造微细齿轮、微传感器、微马达、微陀螺仪以及微细电火花加工电极等。电铸与快速成型技术相结合用于制造金属工/模具。近年来，快速成型技术已趋向快速制造和快速工模具的制造，如快速制造电火花电极或塑料模具；用快速成型制成的母模电铸铜，可用作电火花电极进行模具型腔的加工；用快速成型制成的母模电铸镍，可直接制造塑料模具，将电铸技术与快速成型技术结合还可直接成型金属零件。电铸与快速成型相结合可大大缩
10、短模具的制造周期，有着良好的经济和社会效益。电铸技术虽然具有高制造精度等许多优点，但也存在着以下几个方面的缺点和局限性：(1) 电沉积速度低(2) 铸层均匀性差(3) 铸层易出现缺陷采用脉冲电流电铸、阴极移动、压缩空气搅拌、机械搅拌、高速冲液和喷液、电极表面摩擦法等方法可克服电铸中存在的缺点，提高电铸速度和细化电铸层晶粒。1.2喷射电铸及其特点直流电铸时，如果对电解液不采取搅拌等措施来加强对流传质，则会由于受扩散传质速度的影响，在电解液中产生浓差极化，形成较厚的扩散层厚度。在电铸过程中，由于受到极限电流密度的限制，实际使用的电流密度不能过高。否则，非但不能提高电铸的速度，反而会大大恶化铸层的质
11、量。提高电铸速度最有效的途径是通过降低浓差极化，减小扩散层的厚度来提高极限电流密度。喷射电铸是将含有高浓度铸层金属离子的电解液经由喷嘴以一定的压力和流速喷向阴极表面进行电铸的一种工艺形式。该工艺由于采用了射流的形式，有效地改善了液相传质特点，显著地减小了扩散层的厚度，提高了阴极极限电流密度，从而具有实际可用电流密度大、电流效率高、金属结晶细化和铸层致密的优点。喷射电铸时，由于能够将含有高浓度金属离子的电铸液以强制的方式通过喷嘴高速喷向阴极表面，因而能迅速补充阴极表面金属离子的数量，从而大大提高了物质迁移速度，而且电铸液以强烈的紊流形式流动，极大地降低了浓差极化，有效地减小了扩散层的厚度，大大提
12、高了极限电流密度。所以喷射电铸可以以远高于其它电铸工艺的电流密度进行电沉积，从而实现了在阴极表面单位面积上的高速电铸。研究结果表明，喷射电铸时可以使用的阴极电流密度是普通电铸电流密度的几十倍甚至更高，从而实现了采用高电流密度进行电铸。第二章 喷射电铸设备系统的总体设计2.1设计目的与要求本文为院青年基金课题喷射电铸块体纳米晶铜的制备的研究内容。喷射电铸设备系统的设计与制作是为了满足制备纳米晶铜的试验需要。为了达到试验目标，设计的试验装置需要满足以下要求：1、试验用电解液为酸性硫酸铜溶液，电解液的喷射流速015m/s，采用耐酸磁力泵；2、喷嘴：圆喷嘴口径1，2，3mm，扁喷嘴口径20 mm1 m
13、m，材料为有机玻璃；3、工作直流电压0220V，电流02A；4、电解液槽能容纳电解液2030L，材料为工程塑料；5、电解液温度可控，电解液采用电阻加热，热电偶及温度控制仪控制电解液温度，温度控制范围为00800C。6、通过电机控制阴极转动，转速范围0500r/min。2.2设备系统总体结构组成根据试验要求，设计的喷射电铸设备系统如图2.1所示。设备系统主要由电解液喷射循环系统、电铸直流电源、电解液加热及温度控制系统以及旋转阴极系统等部分组成。电铸直流电源主要是为电铸时提供电压0220V、电流02A的脉动较小的工作直流电。电解液喷射循环系统主要由喷嘴、阳极喷腔、耐酸磁力泵、电解液槽、溢流阀与调节
14、阀以及流量计等部分组成。该系统主要功能是为电铸时提供具有一定压力和流速的流经喷嘴的电解液，并能将电铸过程中喷射到阴极工件上的电解液进行回收循环利用。电解液加热及温度控制系统主要由热电偶、电阻加热器和温度控制仪组成，其主要作用是将电解液加热并保持在所设定的温度值。旋转阴极系统主要由阴极、单相异步电动机与速度控制器、电动机支撑结构等部分组成。该系统能实现阴极转速在0500r/min范围内无级调速。图2.1喷射电铸设备系统结构示意图第三章 直流电源的设计3.1设计目的与要求试验对电铸直流电源的要求为：（1）直流电压在0220之可调，工作最大电流为2安培；（2）直流电压要平稳脉动较小。一般直流电源由如
15、下部分组成：（1）整流电路：是将工频交流电转换为脉动直流电；（2）滤波电路：将脉动直流中的交流成分滤除，减少交流成分，增加直流成分；（3）稳压电路采用负反馈技术，对整流后的直流电压进一步进行稳定。试验中要求得到0220V的可调直流电压，因此，本文所设计的直流电源的结构原理方框图如图3.1所示。图3.1整流滤波方框图 3.2整流电路概述3.2.1单相半波整流电路 单相半波整流电路如下图3.2 (a)所示，波形图如下图3.2(b)所示。根据图3.2可知，输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。负载上输出平均电压为：流过负载和二极管的平均电流为：(a) 电路图 (b)
16、波形图图3.2单相半波整流电路 3.2.2 单相全波整流电路 单相全波整流电路如下图 3.3(a)所示，波形图如下图 3.3(b)所示。 (a) 电路图 (b) 波形图 图3.3单相全波整流电路根据图3.3（b）可知，全波整流电路的输出平均电压为：为了使全波整流的输出电压平稳，可以采用简单的滤波元件。3.2.3单相桥式整流电路 1、工作原理单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，其电路与波形图如图3.5所示。整流电路工作时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周；当负半周时，二极管D2、D4导通，在负载电阻上
17、得到正弦波的负半周；在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。2、参数计算根据图3-5可知，输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压为：流过负载的平均电流为：流过二极管的平均电流为：二极管所承受的最大反向电压为：流过负载的脉动电压中包含有直流分量和交流分量，可将脉动电压做傅里叶分析，此时谐波分量中的二次谐波幅度最大。脉动系数S定义为二次谐波的幅值与平均值的比值。（a）桥式整流电路 （b）波形图 图3.5相桥式整流电路 综上所述比较可知：单相半波整流的优点是：结构简单，使用元件少；其缺点是：只利用了电源的半个周期，所以电源利用率较低，输出的直流
18、成份比较，输出波形的脉动大；变压器电流含有直流成份，容易饱和；半波整流只用在要求不高，输出电流较小的场合。单相全波整流流的优点是：电源利用率高，输出电压比半波整流提高了一倍，每个管子仅提供输出电流的一半；其缺点是：要求管子耐压要高，带中心抽头的变压器工艺复杂，成本高。单相桥式整流拥有单相全波的所有优点，又克服了它的缺点，而且单相桥式整流电路的变压器中只有交流电流流过，而半波和全波整流电路中均有直流分量流过。根据试验要求，并结合三种整流电路的特点，直流电源中选择单相桥式整流电路。3.3整流电路的设计3.3.1整流桥的选择根据试验条件要求，选择调压器的调压范围为0240V。根据所需要的直流电压为0
19、220V、电流为02A的参数来选择整流二极管。流过整流二极管的电流为：1A调压器二次侧的电压的有效值：0183.33V整流二极管所承受最高反向电压为：256.67V经计算我用选用整流桥二极管KBPC50A-10，其参数为：电流10A，电压1000V。图3.6所示为所选用的整流桥。图3.6整流桥实物图整流桥有四个接线端子，其中一对接交流电，一对是整流以后输出的电流。在整流桥的直流输出端并连一个量程0220V的电压表显示输出直流电压，同时在输出端串连一个量程02A的电流表显示输出端的直流电流。3.3.2滤波电容的选取经过整流后的电压是脉动的直流电，为了减少波动，通常要加滤波器。滤波器可分为：电容滤
20、波器（C滤波器），电感滤波器（LC滤波器），形滤波器三类。其中电容滤波电路简单，输出电压U0较高，但是外特性较差，且具有电流冲击。因此，电容滤波器一般用于要求输出电压较高，负载电流较小的场合。这些比较符合我们设备的要求。滤波电容的作用是使滤波后输出的电压为稳定的直流电压，其工作原理是整流电压高于电容电压时电容充电，当整流电压低于电容电压时电容放电，在充放电的过程中，使输出电压基本稳定。由于电容的储能作用，使得输出波形比较平滑，脉动成分降低输出电压的平均值增大。滤波电路中二极管的导电角小于180o，导电时间缩短。因此，在短暂的导电时间内流过二极管很大的冲击电流，必须选择较大容量的电容。电容的放电
21、时间=RLC越大，放电过程越慢，输出电压中脉动（纹波）成分越少，滤波效果越好。一般取（35）T/2，T为电源交流电压的周期。查资料可知电容的计算公式为：RLC（35）其中RL负载电阻C电容容量T电源周期电铸中负载电阻RL=200，电源周期T=0.02s，取系数为4，则可得到：C=0.0002F=200因此，选用直流电压为220V，容量为220的电容滤波。根据所选用电器元件，将其按照正确的连接方法组装起来，得到如图3.7所示的电压值可调的直流电源。图3.7 直流电整体图第四章 电解液喷射循环与加热系统设计与制作电解液喷射循环系统设计的目的是为了使液体能从电解液槽中按一定的方向与流量流出，并根据要
22、求喷到阴极上去。试验中所使用的电铸液为酸性电解液，而且在喷射电铸时电铸液要以一定的压力喷出，所以所制作的设备要求耐酸碱腐蚀，连接处密封要好。4.1电解液喷射循环系统组成电解液喷射循环系统主要由喷腔部分、储液部分和其他连接部件组成，如图4.1所示。图4.1电解液喷射循环系统1、阳极喷腔与喷嘴 2、流量计 3、可调节流阀4、溢流阀 5、磁力泵 6、电解液槽喷腔部分主要由喷嘴和阳极腔组成。从该部分喷出来的液体直接对工件进行加工，所以该部分是整个循环系统最为重要的一部分。储液部分主要由回收槽和储液槽两部分组成。回收槽的主要功能是：存放加工工件并在加工的同时把喷嘴喷出的液体进行回收。而储液槽则是为该循环
23、系统提供有一定要求的电解液。储液槽内放置有电阻加热器、测温用热电偶。其他连接部分包括回液管、送液管和溢流阀等元件。回液管是用于连接回收槽与储液槽，即将加工工件的剩余液体回送到储液槽。送液管则是用于连接储液槽与阳极腔，即将电解液送到阳极腔。溢流阀等元件则是调节整个管路中的液体压力和流量。4.2阳极喷腔与喷嘴的设计与加工4.2.1阳极腔的设计阳极腔由腔体和堵头两部分组成。根据要求，设计出以螺纹结构相结合的阳极腔的腔体和堵头，其零件图和实物如图4-2（腔体）和图4-3（堵头）所示。保证其应有的密封性，腔体的另一端也是螺纹孔，该孔是为连接喷嘴而设计的，腔体的侧面还有一个直径25mm的孔是电解液入口。(
24、a) 结构图(b) 实物图图4.2 腔体零件图与实物图(a) 结构图(b) 实物图图4.3 喷腔堵头零件图与实物图4.2.2阳极腔的加工喷腔中要有电解液流过，堵头是要把喷腔密封起来的，都是要和喷射液接触的，所以材料是要耐腐蚀，价格也要合理，容易找到，易加工，阳极喷腔采用工程塑料。阳极喷腔采用数控机床进行加工，腔体与堵头的加工工艺如表4.1（腔）、表4.2（堵头）所示，加工车刀刀位分配如表4.3、表4.4所示，加工数控程序见附录I、V所示。表4.1喷腔加工工艺工序号加工内容设备5车端面，钻扩较孔并车内螺纹，保证总长割掉多余料数控车床10 车另一端面，钻8.5的通孔数控车床15手动攻M101.5的
25、内螺纹攻丝一套20钻扩25的孔数控铣床表4.2堵头加工工艺工序号工序内容设 备5车端面， 50外圆并车外螺纹，钻10的孔，保证总长割掉多余料数控车床10车另一端面与30外圆数控车床15把30的圆柱铣成20mm20mm数控铣床表4.3喷腔加工车刀刀位分配刀位号刀具名称1端面车刀2镗刀3内割刀460度内螺纹刀表4.4堵头加工车刀刀位分配刀位号刀具名称1端面车刀2外圆车刀360度外螺纹刀4厚4mm的割刀4.2.3喷嘴的设计与加工在喷嘴的设计中，为了达到喷射的目的我们共设计了两种类型的喷嘴：圆喷嘴和扁喷嘴。喷嘴材料为机玻璃。1、圆喷嘴的设计与加工圆喷嘴直接与阳极喷腔连接，根据试验要求设计了三种尺寸的喷
26、嘴口径d，即d=1mm、2mm、3mm，喷嘴的结构尺寸如图4.4所示。 (a) 结构图(b) 实物图图4.4 圆喷嘴圆喷嘴采用数控机床进行加工，其加工工艺如表4.5所示，加工车刀刀位分配如表4.6所示，加工数控程序见附录所示。表4.5圆喷嘴加工工艺工序号工序内容设备5车端面、外圆，加工螺纹保证总长的情况下割掉工件数控车床10 车另一端端面并钻通孔数控车床表4.6圆喷嘴车刀刀位分配刀位号刀具名称1端面车刀2外圆车刀360度外螺纹刀4厚4mm的割刀2、扁喷嘴的设计与加工扁喷嘴外形尺寸为40mm40mm5mm，由上下两部分组成，两部分组合在一起形成一个出口端尺寸为20mm1mm的长方形窄缝，其结构与
27、实物如图4.5所示。a结构图b实物图图4.5 扁喷嘴扁喷嘴采用数控机床进行加工，两部分的加工工艺分别如表4.7、表4.8所示，数控加工程序见附录所示。表4.7扁喷嘴加工工艺(厚为15mm)工序号工序内容设备5通过找正装夹分别铣4个侧面，在一个侧面钻8.5的孔数控铣床10 找正装夹后在正面钻10的孔并钻4的通孔数控铣床15 手动攻螺纹攻丝一套表4.8 扁喷嘴加工工艺(厚为5mm)工序号工序内容设备5通过找正装夹分别铣4个侧面数控铣床10 铣正面上的凹槽，钻4的通孔数控铣床3、连接头加工工艺当使用扁喷嘴进行喷射电铸试验时，需要连接头来连接扁喷嘴与阳极喷腔。设计的连接头结构与加工的实物如图4.6所示
28、。连接头的材料为有机玻璃。连接头的加工工艺与加工刀位设计分别如表4.9、4.10所示，数控加工程序如附录所示。 （a）结构图 （b）实物图图4.6 连接头表4.9连接头加工工艺工序号工序内容设备5车端面、一端外圆、13的台阶、螺纹并割掉足够长的工件数控车床10车另一端端面、外圆与螺纹数控车床15钻7的孔数控车床表4.10连接头加工车刀刀位分配刀位号刀具名称1端面车刀2外圆车刀360度外螺纹刀4厚4mm的割刀4.3电解液槽设计与制作电解液槽为长方体，其尺寸为长450mm、宽450mm、高450mm，制作的实物如图4.7所示。电解液槽的材料为耐酸碱的工程塑料。通过将切割好的板用胶水胶合而成。图4.
29、7电解液槽4.4电解液加热与温度控制系统电铸中需要将电解液加热到所需要的温度，并保持恒定的温度。因此，设备系统中需要加热与温度控制装置。根据试验条件要求，设计了电解液加热与温度控制系统，该系统主要由热电偶、电阻加热器和温度控制仪等组成。为了便于安装和不影响试验中对电解液槽中电解液的搅拌，将用于加热的电阻器安装电解液槽的底部。由于电阻加热器直接与电解液接触，所以加热电阻器必须具有耐酸碱和电解液腐蚀的能力。为了解决这一问题，设计中将电阻加热器置于不锈钢套内，从而起到防止被腐蚀作用。所选用的电阻加热器的额定电压为220V，功率为1500W。第五章 旋转阴极的设计与制作5.1旋转阴极的结构设计旋转阴极
30、的设计目的是要获得具有无极调速的旋转阴极，无极调速范围为0500r/min。同时要求旋转阴极转动平稳、阴极导线引出方便、接触稳固可靠，与阴极相连的驱动电机轴及电机不被电解液腐蚀，阴极空间位置可调整。根据阴极的要求，设计了旋转阴极的结构，如图5.1所示。阴极旋转主要通过电机驱动，同时通过对电机的控制实现调速。图5.1旋转阴极的结构示意图5.2 阴极旋转驱动电机的选择5.2.1电机概述电动机是把电能转换成机械能的设备。电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。电动机按其功能可分为驱动电动机和控制电动机；按电能种类分为直流电动机和交流电动机；从电动机的转速与电
31、网电源频率之间的关系来分类可分为同步电动机与异步电动机；按电源相数来分类可分为单相电动机和三相电动机；按防护型式可分为开启式、防护式、封闭式、隔爆式、防水式、潜水式；按安装结构型式可分为卧式、立式、带底脚、带凸缘等；按绝缘等级可分为E级、B级、F级、H级等。5.2.2单相异步电动机的结构与工作原理根据试验条件要求和科研经费条件，选择驱动电机主要依据以下原则：在满足试验条件要求下，选用结构简单，运行可靠，维护方便，价格便宜的电动机及其调速控制装置。单相异步电动机具有方便调速，输出的转矩大，功率低，不费电；结构简单，使用和维护方便，价格便宜等特点。因此，阴极旋转驱动电动机选择为单相异步电动机。所选
32、单相异步电动机的参数如表5.1所示。表5.1单相异步电动机的参数电压220v 电流0.18A功率55W 转速1250r/min 类型YX-40单相异步电动机由定子和转子两大部分组成。定子部分由定子铁心、定子绕组、机座、端盖等部分组成，主要作用是通入交流电产生旋转磁场。转子部分由转子铁心、转子绕组、转轴等组成，作用是导体切割旋转磁场产生电磁转矩，拖动机械负载工作。当向单相异步电动机的定子绕组中通入单相交流电后，当电流在正半周及负半周不断交变时，其产生的磁场大小及方向也在不断变化（按正弦规律变化），但磁场的轴线则沿纵轴方向固定不动，这样的磁场称为脉动磁场。 当转子静止不动时转子导体的合成感应电动势
33、和电流为零，合成转矩为零，因此转子没有启动转矩。故单相异步电动机如果不采取一定的措施，单相异步电动机不能自行启动，如果用一个外力使转子转动一下，则转子能沿该方向继续转动下去。5.3旋转阴极的调速5.3.1单相异步电动机的调速单相异步电动机的调速原理与三相异步电动机调速一样，可以用改变电源频率（变频调速），改变电源电压（调压调速）和改变绕组的磁极对数（变极调速）等多种，其中目前使用最为普遍的是改变电源电压调速。调压调速有两个特点：一是电源电压只能从额定电压往下降；二是因为异步电动机的电磁转矩与电源电压平方成正比，因此电压降低时，电动机的转矩和转速都下降，所以这种调速方法只适用于转矩随转速下降而下
34、降的负载。常用的调压调速又分为串电抗器调速、自耦变压器调速、串电容调速、绕组饶头调速、晶闸管调速、PTC元件调速等多种。 本文选择安装方便，价格便宜，调速性能好且可以实现无极调速的晶闸管调压调速。晶闸管调压调速是利用晶闸管的可控导通性，通过调整其导通角来改变电压的波形和有效值,进行降压调速。它是由分压电感器串接在电动机的主绕组上，并由整流器、晶体三极管、可调电阻器组成的控制电路并联在分压电感器上，由控制电路和分压电感器组成无级变速电路。该电路可以有效的连续改变分压电抗的数值，实现连续改变转速的目的。单相异步电动机的晶闸管调压调速控制电路如图5.2所示。由图可见，调速器电路由主电路和触发电路两部
35、分构成，在双向晶闸管的两端并接RC元件，是利用电容两端电压瞬时不能突变，作为晶闸管关断过电压的保护措施。图5.2晶闸管调压调速控制电路原理图5.4旋转阴极的结构设计与制作5.4.1电机的支撑结构设计为了让电动机工作的时候更稳定，安装和拆卸更加的方便,且使电动机可以水平或向下放置，我们为电动机设计了一个支架，在圆盘上焊接两个钢管，在每一个钢管上面各打一个通孔，用螺钉把电动机固定在两个钢管之间，要求螺钉的长度在34厘米之间，以让电动机固定的更加牢固而且可以任意调整方向。支撑结构如图5.3所示。图5.3支架支撑示意图1.支撑钢管（支起电机）2.紧固螺帽（紧固电机）3.螺柱（配合螺帽）4.抗震橡胶垫片
36、（减震）5.直角连接器（电机纵横向转动的关键装置）6.底座（需要一定的质量）5.4.2阴极与电机连接设计电机轴与阴极之间采用刚性连接，通过中间的耐酸碱腐蚀的尼龙棒连接，其连接结构如图5.4所示。 图5.4 阴极与电机轴连接结构示意图1.电机（旋转阴极主动力装置）2.旋转露出轴（旋转阴极动力传输器）3.销孔（定位/固定联轴器和露出轴）4.定位销（定位/固定联轴器和露出轴）5.管状尼龙棒（连接电机和工件的中间介质）尼龙6.金属垫片（连接电源阴极的导体）7.外螺纹柱（紧固工件）尼龙8.电铸工件（被加工电铸的工件）9.螺帽（紧固工件）尼龙连接旋转露出轴部分为中空管状，内径比电机旋转露出轴小0.10.3
37、mm，与电机露出轴的配合为过盈配合，靠近旋转轴的地方有一销孔，用来插入销固定两部分。与阴极连接接触部分主要材料是一可以导电的金属垫片。6.4.3阴极接线柱设计由于阴极在工作过程中旋转，连接阴极的导线不能直接与阴极相连。为了实现阴极导线能与被加工圆盘能实现电通，而且平稳通电，且与支架不可电通，我们设计了如图5.5所示的阴极接线柱结构。该结构具有以下几个特点：1、棒体与机座用绝缘体连接避免彼此导电2、棒体上的接触头与联轴器之间用弹簧卡片连接，这样接触性能比较好，可以满足设计需要的连续平稳电流。3、弹簧卡片使用了双向接触片，连接时避免了对电动机联轴器在运转过程中的单向受力现象，使电机运转性能更好，减
38、少了振动。 图5.5 阴极接线柱结构图1.紧固/定位螺帽2个（定位/紧固弹簧片）2. 外螺纹柱（配合螺帽）3.弹簧接触片（接触联轴器上的金属垫片）不锈钢4.金属棒不锈钢5.不锈钢管不锈钢6.尼龙棒芯（使金属棒和金属管之间实现绝缘）尼龙说明：阴极连接器的主体可分三部分钢管底座，阴极连接线金属杆和金属弹簧接触片。钢管用来和支架焊接，钢管内部配合了一个有机材料棒，用来和金属杆绝缘。将棒中间打孔，插入阴极连接线金属杆（不可和钢管接触）。金属杆上部打有外螺纹，配合两个定位螺帽，用来定位并紧固金属弹簧接触片。金属弹簧触片用来接触连轴器上的金属垫片，使电镀线路实现直流开路。将各部分结构安装连接起来，就构成了
39、旋转阴极结构，图5.6为制作的旋转阴极实物图。图5.6制作的旋转阴极实物图附录：喷嘴与喷腔的数控加工程序.喷腔加工程序 % O2008； T0101 F0.1；M03 S600；G00 X200 Z200；X62. Z2.；G01 Z0.；X0.；G00 X200 Z200；T0100 M05；T0202 M03 S700； G00 X200 Z200； X28. Z2.；G71 U1.5 R0.5；G71 P10 Q20 U-0.2 W0.05；N10 G00 X50；G01 Z0；X48.05 Z-1.；Z-30.；X35.；Z-140.；N20 G00 X28.；G70 P10 Q20；
40、G00 Z200X200； T0200 M05；T0303 M03 S400；G00 X45. Z-30.；G01 X51. F0.08；G00 X45.；Z200.；X200.；T0300 M05；T0404 M03 S700；G00 X46. Z2. G76 P031060 Q20 R0.02；G76 X50. Z-28. P974 Q200 F1.5；G00 X200。 Z200.；T0400 M05；M30；%工件调头找正装夹后的加工程序%O2009T0101 F0.08；M03 S600；G00 X200. Z200.；X62. Z2.；G01 Z-1.；X0.；G00 X200.
41、Z200.；T0100 M05；M30；%然后用8.5的钻头钻控，然后手工攻螺纹。工件在铣床上找正装夹后，钻20的孔，然后用10的铣刀扩孔到25，其程序如下：%O2010； G17 G21 G40 G49 G80 G90；G90 G54 G00 X0 Y0；M03 S1000；G43 Z50 H1；Z5；G01 Z-15 F150；X20 T0；G02 X20 Y0 I-20 J0；G01 X0 Y0；G00 Z50 M05；G49 G00 Z100；G91 G28 Z0；M30；%.圆喷嘴加工程序%O2001T0101 F0.1；M03 S600；G00 X200. Z200.;X17. Z
42、2.;G01 Z0.;X0.;G00 X200. Z200.;T0100 M05;T0202 M03 S700 F0.08;G00 X17. Z2.;G01 X13.;Z-25.;G00 X15.;Z2.;G01 X8.;Z0.;X10. Z-1.;X-25.;G00 X200. Z200.;T0200 M05;T0303 M03 S700;G00 X12. Z5.;G76 P031060 Q20 R0.02;G76 X8.052 Z-10. P974 Q200 F1.5;G00 X200. Z200.;T0300 M05;T0404 F0.08;M03 S400;G00 X12. Z-25.
43、;G01 X0.;G00 X200. Z200.;T0400 M05;M30;%工件调头用百分表找正装夹后加工程序： % O2002； T0101 F0.08； M03 S600； G00 X200. Z200.； X12. Z-1.； G01 X0.； G00 X200. Z200.； T0100 M05； T0202 M03 S700； G00 X7. Z2.； G01 Z-1.； X12. Z-8.； G00 X200. Z200.； T0200 M05； M30； % 最后在尾座上装上适当的钻头钻出通孔。.扁喷嘴加工程序扁喷嘴a加工工艺侧面上孔的加工%O2005；G40 G49 G80 G90 G17 G21； G91 G28 Z0； M03 S500； G00 X0 Y0 Z100； G83 X0 Y0 Z20 R5 Q5 F150； G00 Z200； G91 G28 Z0； M30；%正面上的孔加工%O2006；G40 G49 G80 G90 G17 G21； G91 G28 Z0；G90 G54 G00 X0 Y0； M03 S500； G00 Z100； G99 G83 X-15 Y15 Z-15 R5 Q5 F150； Y-15； X15
