一种用于液束电铸方形截面金属结构的喷嘴制造技术

本发明专利技术公开了一种用于液束电铸方形截面金属结构的喷嘴，喷嘴呈横截面为矩形的等壁厚中空方管状，设有上导流段和四周设有微栅缝和微栅的下导流段，微栅包括位于喷嘴各边中部的中部微栅和四角边处的角微栅。微栅缝的宽度w1和中部微栅的宽度w2相等。角微栅的厚度w3等于喷嘴的壁厚w5，宽度w4等于w5与w2之和。微栅的下端的侧边设有45

【技术实现步骤摘要】
一种用于液束电铸方形截面金属结构的喷嘴


[0001]本专利技术涉及一种用于液束电铸方形截面金属结构的喷嘴，属于电沉积加工


技术介绍

[0002]电铸是基于电化学沉积原理实现精密特征与零件制造的特种加工技术。射流电铸是最具代表性的电铸技术之一，因具有限域性好、操作自由度高等优点，在金属增材制造领域极具发展潜力。液束电铸（王伟,明平美等.微液柱限域电沉积加工技术研究[A].第18届全国特种加工学术会议论文集（摘要）[C].中国机械工程学会特种加工分会,2019:1.）是一种特殊形式的射流电铸技术。该技术以低流速的电铸液液束作为电流和物质传递载体，以扫描方式逐层叠加实现金属结构的制备和零件制造，对于形状复杂且微小精密零件的制备（如申请号为CN201910761689.2的专利所描述的技术方案）具有巨大优势。
[0003]目前，液束电铸所用的喷嘴一般为圆形口喷嘴，这种喷嘴虽然可制备出结构对称性好的圆形截面柱状金属零件，但因受电铸液液束四周表面张力的作用，它所形成的液束的流速常常呈现中心高、外周低的不均匀分布特征。而且，如需制造出宽度比圆形口喷嘴的直径大得多的金属制件时，需采用反复移位扫描的方式来实现，即使这样，所制得的金属零件的截面形状也难以呈现如期的方形特征，而且这种移位扫描方式不可避免地导致电铸层搭接或遗缝缺陷的出现。对此，若直接使用方形口喷嘴（尤其是大长宽比方形口喷嘴）理应会带来一定的积极效果，但是，常规的方形口喷嘴极难达到理想的制备要求。这是因为，如图4所示，当较低流速的电铸液液流离开方形口喷嘴进入加工间隙时形成电铸液液束，液束就不再受喷嘴内壁面的表面张力的约束与定形作用而处于相对自由状态，此时，液束因受气液交界面处的表面张力作用以及表面积最小化效应作用，在离开方形口喷嘴的一段微小距离后逐渐变形，原受方形口喷嘴长边侧内壁面更大表面张力作用的液束先变短并趋圆以减小其表面积，进而变成椭圆形截面液束，然后进一步变成圆形截面液束，就这样，方形口喷嘴最终失去了其形成方形截面液束的应有作用，所以基于常规的方形口喷嘴无法液束电铸出期待的方形截面金属结构。
[0004]虽然以极高的电铸液流速、更小的加工间隙可使离开方形口喷嘴的电铸液液束维持较长一段距离的方形截面特征以至阴极基底表面，但这样的液束对阴极基底冲击强大，流场分布极不均匀，且液流反射现象严重，不适宜作为电铸的工具载体，更不可能基于此电铸出高质量的方形截面金属结构。也有以掩膜电铸（如申请号为CN201810822448.X的专利所描述的技术方案）方式先采用高工艺成本的光刻工艺制备方形胶膜结构，然后进行电沉积复制，但该方法严重依赖于操作步骤复杂的光刻制膜工艺，而且无法制备出空间变化自由的三维复杂形状制件。针对以上不足，本专利技术提出了一种以液束电铸方式可一次性高效地成型高精度的方形截面金属结构的喷嘴。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种以液束电铸方式可一次性高效地成型高精度的方形截面金属结构的喷嘴。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是：一种用于液束电铸方形截面金属结构的喷嘴，其特征在于：所述的喷嘴呈横截面为矩形的等壁厚中空方管状，设有上导流段和四周设有微栅缝和微栅的下导流段；所述的微栅包括位于喷嘴各边中部的中部微栅和位于喷嘴四角边处的角微栅；所述的微栅缝的宽度w1和中部微栅的宽度w2相等；所述的角微栅的厚度w3等于喷嘴的壁厚w5，角微栅的宽度w4等于w5与w2之和；所述的微栅的下端的侧边设有45
°
倒角；所述的微栅缝和微栅的高度相等；所述的喷嘴的长边长为其短边长的2倍以上；所述的微栅缝的宽度w1为50μm~200μm；所述的微栅缝的高度为5mm~10mm。
[0007]所述的喷嘴的长边长为2mm~20mm，壁厚w5为100μm~500μm。
[0008]所述的喷嘴由耐酸碱腐蚀的电绝缘材料制成。
[0009]本专利技术的工作原理如下。
[0010]基于本专利技术，当电铸液液流以0.5m/s~3m/s的较低流速从喷嘴的上导流段进入并流经下导流段时，因微栅缝的设置，电铸液液流与喷嘴四周内壁面的接触面积相比于上导流段时大幅减小，进而大幅减小了液流与喷嘴内壁面的表面张力作用和液阻，又因为微栅缝的宽度仅为50μm~200μm，这样渗入到微栅缝中的电铸液会在微栅缝间形成被表面张力严重束缚的液膜。如此情况下，流经喷嘴下导流段的液流一方面与喷嘴四周内壁面的表面张力作用小，液阻小，而且也不容易从喷嘴下导流段的四周微栅缝中流出，此时，液流的方形截面形状仍维持不变。当液流快离开喷嘴下导流段进入加工间隙时，方形截面的液流因为前期在喷嘴各侧内壁（包括长边侧内壁和短边侧内壁）单位面积上所承受的表面张力几乎相等（微栅和微栅缝把沿内壁面流动的液流进行了表面张力近似均等化），这样，液流离开喷嘴后形成的方形截面的液束就不会如常规喷嘴一样出现长边侧内壁与短边侧内壁因所受表面张力的巨大差异而产生受力不平衡现象（该现象易导致液束横截面迅速变形以至于最终出现由方变圆的现象）。而且，这样的喷嘴因给液流承受更小的表面张力作用，液阻小，且长、短边内壁面的单位表面张力近似均等，所以由其流出并形成的液束流速更快、方形截面形状维持更长久。当电铸液流经微栅底部时，因微栅的底部的侧边设有45
°
倒角，使得液流与微栅的接触面积进一步减小，且微栅缝隙加大，从而有利于液流突破表面张力的束缚作用，从微栅缝底部的缝隙（加工间隙）向四周流走。随着喷嘴上方不断有新的电铸液流入，电铸过程中形成的液束得以持续更新。
[0011]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果。
[0012]（1）能实现大宽度、方形截面金属结构的一次性成型。本专利技术为克服常规方形口喷嘴极难制备出高精度方形截面金属结构的不足，提出的喷嘴呈横截面为矩形的等壁厚中空方管状，设有上导流段和四周设有微栅缝和微栅的下导流段。因微栅缝的设置可大幅减小电铸液液流与喷嘴内壁的接触面积，使液流进入加工间隙形成液束前承受更小的表面张力作用，且液阻也相应减小，从而在形成液束后有利于减缓液束的收缩变形，进而可使液束维持较长距离的原有方形截面形状以至阴极基底表面，进而电铸出方形截面金属结构。本专利技术巧妙地利用附加设置微栅所能同时达到的降表面张力、导流、减阻的综合效果，克服了现有圆形口喷嘴和常规方形口喷嘴的不足，解决了方形截面液流在离开喷嘴形成方形截面液
束后难以长距离保形难题，进而为实现大宽度、高精度方形截面金属结构的液束电铸提供了技术与条件保障。
[0013]（2）能以更高精度、更高效率制备方形截面金属结构。若使用传统的圆形口喷嘴以反复移位扫描的方式实现大宽度金属结构的制备，电铸层不可避免地出现搭接或遗缝等缺陷，且制得的金属结构横截面难以实现方形特征。相比之下，本专利技术提出的喷嘴无需多次扫描可一次性高效地成型高精度的方形截面金属结构，效率更高且无电铸层搭接或遗缝等缺陷。此外，基于本专利技术，也可制造出空间变化复杂的三维方形截面金属构件。
[0014]（3）制造成本低，加工要求不高，易于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于液束电铸方形截面金属结构的喷嘴，其特征在于：所述的喷嘴（1）呈横截面为矩形的等壁厚中空方管状，设有上导流段（1
‑
1）和四周设有微栅缝（2）和微栅（3）的下导流段（1
‑
2）；所述的微栅（3）包括位于喷嘴（1）各边中部的中部微栅（3
‑
1）和位于喷嘴（1）四角边处的角微栅（3
‑
2）；所述的微栅缝（2）的宽度w1和中部微栅（3
‑
1）的宽度w2相等；所述的角微栅（3
‑
2）的厚度w3等于喷嘴（1）的壁厚w5，角微栅（3
...

【专利技术属性】
技术研发人员：明平美，张亚楠，周涛，李真明，牛屾，闫亮，李欣潮，王伟，曹军，崔成强，
申请(专利权)人：南通美精微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：