1、电铸过程PLC控制程序设计 江海职业技术学院毕 业 设 计毕业设计题目： 电铸过程PLC控制程序设计 姓 名学 号 ： 所在系 （部）： 专 业 及班级： 指 导 教 师： 完 成 日 期： 摘要随着科学技术的发展，电铸技术能够制备出某些用普通机械加工方法难以制造, 并且具有特殊形状的金属零件, 能够极为准确地复制出芯模的形状,其适用范围广，电铸制品的性能可以控制，投资少。但在电铸过程中，浓差极化增加，电流密度减小，电铸时间增加，生产率也降低。当电铸件表面是凹凸不平时，则在电铸过程时其电场分布不均，其电铸质量大大的降低。另外由于电铸液的成分、浓度、酸碱度、温度等变化的不受控制会造成铸件内应力过
2、大，从而导致变形、起皱、开裂或剥落。本文介绍了电铸加工的特性以及原理，以及电铸加工的基本设备，和具体的工艺流程及参数。着重介绍电铸加工试验系统中的PLC控制试验，介绍了PLC的工作原理以及硬件构造，再通过PLC对温度、通电时间、搅拌工作与否的控制以及对电源正负极的变换控制，从而间接的控制电源的工作状态、电解液的浓度，使得克服其缺陷。并画出其PLC控制接线图，并运用PLC编程软件编制出控制程序以及梯形图转换。最后进行实验参数优化，为其实际应用建立工艺基础。关键词：电铸加工 PLC 控制原理 程序 摘要 . 1目录.3第一章 绪 论.61.1电铸过程（PLC）控制与实验控制.61.1.1 概述.6
3、1.1.2 电铸加工的特点及应用.61.2 特种加工内容简述.71.2.1 电解研磨加工原理.81.2.2 电铸加工原理.91.3 课题研究目的及内容.111.4 本章小结.12第二章 技术基础.132.1 电铸技术的原理及特点.132.1.1 基本原理.132.1.2电铸加工的特点.152.2 电铸的基本设备.162.3电铸的分类（合金电铸与复合电铸）.182.3.1 合金电铸技术.182.3.2 复合电铸技术.192.4 具体工艺流程及参数.192.4.1 镀液配制.192.4.2 模具涂覆流程.202.4.3 铸造与脱模.202.4.4 铸件检视与品质测试.212.4.5 电铸金属质量的
4、计算.222.4.6脉冲电源参数设置.232.5 本章小结.23第三章 PLC及程序.243.1 PLC应用基础.243.1.1 PLC的未来展望.243.1.2 PLC的硬件构成及工作原理.263.2实验中用到的PLC装置.303.2.1温度测量及控制装置.303.2.2搅拌控制装置.323.2.3电源控制装置.323.3 PLC接线图、梯形图、控制程序.333.3.1接线图.333.3.2梯形图.363.3.3控制程序.383.4 本章小结.39第四章 电铸实验.404.1电铸实验的过程.404.2铜的电铸工艺试验.404.3 本章小结.43第五章 总结.44致谢.45参考文献.46第一章
5、 绪 论1.1电铸过程（PLC）控制与试验介绍1.1.1 概述 电铸（electroforming）技术是一种利用电解沉积原理将原材料加工成所需工件的制造技术。应用电解沉积的制造，包括电铸和电镀。电铸和电镀二者最大的差异在电镀制造的目的在于利用电解沉积形成工件表面的镀膜，提升工件表面精度、抗腐蚀能力等性能。而电铸制造在生产一个本身具备所需相关力学性能的工件。因此，电铸制造技术，会更重视铸件本身内应力、抗拉（抗压）强度、硬度及材料的组织。由于电铸技术制造的零件比任何其它方法具有更高的精度 ,能完全复制形状复杂且具有不同粗糙度的表面 ,所以采用了电铸技术制造表面粗糙度样块。与机械加工制造的表面粗糙
6、度样块相比, 电铸技术具有加工精度高加工成本低并且更适合大批量生产等优点。1.1.2 电铸加工的特点及应用（1）电铸加工的特点电铸技术能够制备出某些用普通机械加工方法难以制造, 并且具有特殊形状的金属零件, 其最大的优点是具有高度 “ 逼真性” , 能够极为准确地复制出芯模的形状, 因此, 该工艺具有相当高的复制精度; 另外, 在电铸过程中对芯模无任何损害而具有相当高的重复精度。适用范围广。电铸可以使难以加工的内型面变为易于加工的外型面, 因而该工艺在具有精密和复杂内表面零件的制造方面得到了较为广泛地应用; 另外, 电铸还被用来制造某些具有超细、超薄结构, 以及无缝或中空的零件。可以控制电铸制
7、品的性能。通过改变所沉积金属的种类和工艺参数, 或通过使用添加剂等工艺措施, 即可使所制备零件的物理、机械性能在很大范围内变化, 以满足实际应用中的不同需求。投资少。电铸技术是一种“ 增材” 加工技术, 设备投资较少, 而且其废品还可以作为阳极材料得到再利用。正是由于电铸技术具有上述诸多的优点, 尤其是其高度的逼真性和极强的适应性, 在实际应用中不仅能够从物体表面制备精确的复制件, 而且还可以加工具有复杂形状和特殊理化性能的制品, 因而使其在许多领域得到愈来愈广泛的应用。（2）电铸制造的应用在光电、电子、微机电等产业快速发展，且强调轻薄短小、提升附加价值的今天，传统的车、铣、刨、磨、钻等机械加
8、工方式，已无法满足精密微结构模具的制作，故精密电铸制造的应用势必日益受到重视，其所使用的制造领域如下：1、可复制精细的表面轮廓花纹。如唱片模，工艺美术品模， 纸币、证券、邮票的印刷版等； 2、可按制品复制注塑模具和玻璃模型腔，型腔耐腐蚀性好；3、电铸电火花型腔加工用的电极，导电性好；4、可制造复杂、高精度的空心零件和薄壁零件。 如波导管等；5、可制造表面粗糙度标准样块、反光镜、表盘、异型孔喷嘴等特殊零件。微电铸是一种高效率且精密的模成型技术，以前主要应用于票据印制、低价模具复制，今日则广泛应用于光盘片、全像片及光学原模复制。在未来的光电、电子以及微机电产业蓬勃发展的带动下，精密电子制造技术及应
9、用皆具有极大的发展空间。电铸制造生产的产品及其衍生的产品充斥在日常的生活中。从光盘、手机、电脑标志、汽车上的部分零件，都可能经过电铸制造的处理。在微机电的制造领域，精密电铸亦有举足轻重的地位。下图所示： a.光盘 b.手机 c.电脑标志 d.汽车零件1.2 特种加工内容简述随着计算机技术、微电子技术、自动控制技术、国防军工和航空航天技术发展迅速， 与此同时， 高度、高韧性、高强度和高脆性等难切削材料的应用日益广泛， 制造精密细小、形状复杂和结构特殊工件的求也在日益增加。社会需求与技术进步的结合促使特种加工技术不断进步和快速发展。所谓特种加工，是一种利用化学能、电能、声能、机械能以及光能和热能对
10、金属或非金属材料进行加工的方法。其工作原理不同于传统的机械切削方法， 即加工过程中工件与所用工具之间没有明显的切削力， 工具材料的硬度也可低于工件材料的硬度。特种加工技术在国内外各行各业的应用中取得了巨大成效， 它们有着各自的特点， 特殊材料或特殊结构工件的加工工艺性发生了根本变化，解决了传统加工方法所遇到的各种问题，已经成为现代工业领域中不可缺少的重要加工手段和关键制造技术。特种加工与一般机械切削加工相比， 有其独特的优点， 在某种场合上， 它是一般机械切削加工的补充， 扩大了机械加工的领域。它具有以下较为突出的特点。（1） 不用机械能，与加工对象的机械性能无关，有些加工方法，如激光加工、电
11、火花加工、等离子弧加工、电化学加工等，是利用热能、化学能、电化学能等，这些加工方法与工件的硬度强度等机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。（2） 非接触加工，不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，因此， 工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度， 故使刚性极低元件及弹性元件得以加工。（3） 微细加工，工件表面质量高，有些特种加工，如超声、电化学、水喷射、磨料流等，加工余量都是微细进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面。（4） 不存在加工中的机械应变或大面积的热应变，可获得较低的表面粗糙度
12、， 其热应力、残余应力、冷作硬化等均比较小，尺寸稳定性好。（5） 两种或两种以上的不同类型的能量可相互组合形成新的复合加工， 其综合加工效果明显， 且便于推广使用。（6） 特种加工对简化加工工艺、变革新产品的设计及零件结构工艺性等产生积极的影响。本调研主要涉及的是电化学加工。1.2.1电解研磨加工原理电解磨削是电解作用与机械磨削相结合的一种特种加工，又称电化学磨削，英文简称ECG。电解磨削是20世纪50年代初美国人研究发明的。原理是工件作为阳极与直流电源的正极相连；导电磨轮作为阴极与直流电源的负极相连。磨削时，两者之间保持一定的磨削压力，凸出于磨轮表面的非导电性磨料使工件表面与磨轮导电基体之间
13、形成一定的电解间隙(约0.020.05毫米)，同时向间隙中供给电解液。在直流电的作用下，工件表面金属由于电解作用生成离子化合物和阳极膜。这些电解产物不断地被旋转的磨轮所刮除，使新的金属表面露出，继续产生电解作用，工件材料便不断地被去除，从而达到磨削的目的。电解液一般采用硝酸钠亚硝酸钠和硝酸钾等成分混合的水溶液，不同的工件材料所用电解液的成分也不同。导电磨轮由导电性基体(结合剂)与磨料结合而成，主要为金属结合剂金刚石磨轮电镀金刚石磨轮铜基树脂结合剂磨轮陶瓷渗银磨轮和碳素结合剂磨轮等，按不同用途选用。电解磨削适合于磨削各种高强度高硬度热敏性脆性等难磨削的金属材料，如硬质合金高速钢钛合金不锈钢镍基合
14、金和磁钢等。用电解磨削可磨削各种硬质合金刀具塞规轧辊耐磨衬套模具平面和不锈钢注射针头等。电解磨削的效率一般高于机械磨削，磨轮损耗较低，加工表面不产生磨削烧伤裂纹残余应力加工变质层和毛刺等，表面粗糙度一般为R 0.630.16微米，最高可达R 0.040.02微米。采用适应控制技术可进一步提高电解磨削的加工稳定性和自动化程度。同时，为了提高加工精度，采用兼有纯机械磨削能力的导电磨轮，粗加工时靠电解磨削的高效率完成大部分加工量，然后切断电解电源，靠纯机械磨削磨掉精加工余量，这样能显着提高加工精度。电解磨削方式已从平面磨削扩大到内圆磨削外圆磨削和成形磨削。电解加工的原理也可与珩磨和超精加工结合起来，
15、成为电解珩磨和电解超精加工。 电解研磨加工原理图1.2.2 电铸加工的原理 电铸（electroforming）技术是利用阳极电解阴极沉积成型的加工方式，进行模铸的加工，其原理与电镀相同。比较电铸与电镀的基本差异在于电镀沉积层较薄且与基材紧密的结合，电镀层成为工件的一部分。电铸层较厚且需要与母模完全脱离成一独立成品。电铸的成品主要强调机能性，因此成品的硬度、抗拉强度等力学性质受到重视。这与电镀所得电镀层注重光泽、平滑、耐磨及耐腐蚀等，有明显不同。因此二者电解液成分及操作条件均不同。电铸加工原理图电铸加工原理图如上所示，其加工原理为：用可导电的原模作阴极，电铸材料作阳极，电铸材料的金属盐溶液作电
16、铸液，在直流电源的作用下，溶液中金属离子在阴极上获得电子成为金属原子而沉积镀覆在阴极原模表面，阳极上的金属原子交出电子成为正金属离子进入镀液，对金属离子进行补充，以保持其浓度基本不变。阳极原模上电铸层逐渐加厚，当达到预定厚度时即可取出，设法与原模分离，即可获得与原模型面凹凸相反的电镀件。电铸成品的精度完全取决于母模设计的精度，只要模具设计得当，其复制精度可达到次微米级。电铸的基本加工工作原理，将铸造的材料接在阳极，模具接在阴极。当电铸加工开始时，阳极发生电解作用，金属材料电解成金属阳离子析出，被吸引至阴极获得电子还原沉积于母模上。电化学加工是当前迅速发展的一种特种加工方式，是利用电极在电解液中
17、发生的电化学作用对金属材料进行成型加工，已经被广泛应用在涡轮、齿轮、异型孔等复杂型面、型孔的加工以及炮管内膛线加工和去毛刺等工艺过程。本设计用到了利用阴极金属的沉积作用进行镀覆加工。这种加工技术又分电镀、电铸、涂镀（刷镀）、复合镀及光电成形等。本设计主要涉及的是电铸工艺。1.3 课题研究的内容及目的1.3.1 研究内容1、对电铸工艺的研究 一般来讲, 在电铸加工的主要工艺过程中应包括以下内容: 原模表面处理；电铸至规定厚度；衬背处理；脱模；清洗干燥；成品。在电铸过程中，如果电流密度过大，易使沉积金属的结晶粗大，强度低，因此一般电铸的电流密度不会太大，生产率也较低。在电铸加工过程中，溶液必须连续
18、过滤及搅拌。同时，为了使镀层厚薄均匀，凸出部分有时要加屏蔽，在凹入部分加装助阳极。要严格控制电铸液的成分、浓度、酸碱度、温度、电流密度等。通常开始时电流不宜过大，以后逐渐增加，中间不宜停电，以免分层，是铸件内应力过大而导致变形。脱模的方式视原模材料不同而异。2、通过PLC对温度、通电时间、搅拌工作与否以及电源正负极的变换控制1、对温度的控制：温度到一定值时热电偶发出电信号，经PLC控制停止加热，保持在一定的温度。2、电源开关接入定时继电器，接通时通电，计时器工作，到达预定时间后断开，以保证工作时间，使实验的成品大小一致。3、对搅拌工作的控制：当实验的阴极原模为圆轴时，工作开始则搅拌开始，工作结
19、束则搅拌结束，中途可以控制可以使其暂停。 4、对电源正负极变换的控制：在电源线路上接继电器接触器主开关，再接入定时继电器，当到达预定时间后，电源的正负极变换。1.3.2 研究目的随着科学技术的发展，电铸技术能够制备出某些用普通机械加工方法难以制造, 并且具有特殊形状的金属零件, 能够极为准确地复制出芯模的形状,其适用范围广，电铸制品的性能可以控制，投资少。 正是由于电铸技术具有上述诸多的优点, 使其在模具制造中以挥主要作用， 因而使其在许多领域得到愈来愈广泛的应用。本课题构造电铸加工试验系统，并进行电铸加工PLC控制试验，熟悉其加工特性以及原理，了解PLC的工作原理，熟悉PLC程序的编制以及梯
20、形图的变换，进行参数优化，为其实际应用建立工艺基础。1.4 本章小结 本章主要对所研究的课题进行了介绍，对于特种加工技术现状与发展趋势进行了阐述，分析了电铸技术的重要性，介绍了电铸技术在生产制造业的广泛应用，同时阐述了课题来源，对电铸原理及工艺进行了分析最后介绍了本文的主要研究内容及目的。第二章 技术基础2.1 电铸技术的基本原理及特点2.1.1基本原理电铸加工是通过在阴极芯模上沉积金属得到复制件, 制造出金属零部件的电化学工艺, 具有极高的复制精度。1837年俄罗斯科学家Jacobi发明了电铸铜工艺, 德国科学家伯特格尔教授又在1842年发明了镍的电铸工艺, 俄罗斯的财政部1869年又发明了
21、电铸铁, 俄国最早开展电铸的应用,但主要局限在印刷版的制作和精美的金属工艺品的复制, 应用范围十分有限。电铸在工业中广泛应用约始于20世纪50、60年代, 最广泛使用的电铸金属是铜、镍、铁, 主要用来制取很难或无法用机械加工方法制造的零件。近年来, 电铸制造各种精密复杂的微细金属零部件及其各种相关模具, 受到了高度的重视。如同上面提到的电铸（electroforming）技术是利用阳极电解阴极沉积成型的加工方式，惊喜模铸的加工，其原理与电镀相同。比较电铸与电镀的基本差异在于电镀沉积层较薄且与基材紧密的结合，电镀层成为工件的一部分。电铸层较厚且需要与母模完全脱离成一独立成品。电铸的成品主要强调机
22、能性，因此成品的硬度、抗拉强度等力学性质受到重视。这与电镀所得电镀层注重光泽、平滑、耐磨及耐腐蚀等，有明显不同。因此二者电解液成分及操作条件均不同。 2.1 电铸原理图电铸成品的精度完全取决于母模设计的精度，只要模具设计得当，其复制精度可达到次微米级。电铸的基本加工工作原理，将铸造的材料接在阳极，模具接在阴极。当电铸加工开始时，阳极发生电解作用，金属材料电解成金属阳离子析出，被吸引至阴极获得电子还原沉积于母模上。整个电铸加工系统图是一个完整的配套系统（见图2.2），由机床、电源、输液系统以及控制系统四大部分组成。图2.2电解、电铸加工系统图加工时工件（阳极）接直流电源的正极，工具（阴极）接电源
23、的负极，两极之间保持较小的间隙（0.11mm），并通以524V、10500A/mm2的低电压、高电流密度的连续或脉冲直流电，同时有630m/s的高速电解液流过。电解液一般采用中性盐的水溶液，常用的为NaCl或NaNO3盐。在上述条件下，工件即按工具阴极的形状不断溶解，直到工件的形状和尺寸达到要求为止。此间，工具向工件以0.101.0mm/min速度缓慢进给。 电铸加工成型原理图如图2.3所示，图中的细竖线表示通过阴极与阳极间的电流，竖线的疏密程度表示电流密度的大小。加工开始时（见图2.3a），工件毛坯的形状与做为阴极的工具形状不一致，此时工件上各点与工具阴极表面的间隙不同，图中所标竖线疏密度也
24、不同，即阴极与阳极距离较近的地方通过的电流密度较大，电解液的流速也常较高，阳极溶解速度也就较快。随着阴极不断向阳极推进，两者之间的间隙逐渐趋于均匀化（见图2.3b）。当加工到一定深度，各点间隙平衡，即工件表面形成与阴极工作面基本啮合（见图2.3c）。 2.3 电铸加工成型图2.1.2 电铸加工的特点1）复制精度高。可用制品作为母模，准确地复制形状复杂的成形表面和细微纹路，制件表面粗糙度小，用同一原模能生产多个电铸件，复制品一致性好。 2）设备简单、操作容易，成本低。 3）电铸速度慢；电铸件厚度薄，壁厚不均匀；尺寸大而薄的铸件容易变形。 4) 适用制作塑料模型腔，耐腐蚀性好但不宜受冲击。 5) 可把零件的内表面加工转为母模的外表面加工，制造机械加工无法加工的复杂形面。 6) 通过电铸加工可获得高纯度的电极，导电性好。 7) 电铸件有较好的机械强度，不需热处理淬硬。综上所述，电铸加工对难加工材料、复杂形状零件的批量生产是一种高效、高表面质量、经济的工艺方法。目前在国内外已广泛地应用于机械模具、枪炮、航空发动机、火箭等制造业。近几十年，在民用工业如汽车、拖拉机、煤气的
