一种锥形内腔表面涂层加工装置及其加工方法与流程

本发明涉及材料表面改性加工技术领域，更进一步地涉及一种锥形内腔表面涂层加工装置及其加工方法。

背景技术：

现代高新技术的发展，不仅对材料提出了更多更新的性能要求，也对材料表面的性质改造提供了更多更新的技术手段，越来越多的新技术已经被应用在材料表面工程，在国民经济的各个领域收到了日益明显的经济效益和社会效益。

表面工程技术是经过表面预处理，通过表面涂覆、表面改性或多种材料表面改造技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等，以获取所需要的表面性能的工程技术。该技术的优点是是能够以多种方法制备出优于材料本体性能的表面功能薄层，赋予被加工部件耐高温、防腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、防辐射等性能。这层材料与制作部件的整体材料相比，厚度薄、面积小，并能极大地提升材料的使用价值。

针对锥形变径内腔表面的涂覆改性加工，传统的加工技术包括热喷涂技术、离子束技术和气相沉积技术等。总体来说主要存在以下的技术问题：1、涂层薄膜与材料基体的结合性能不高，出现疏松不均匀的情况、容易产生褶皱；2、涂层薄膜的厚度难以参数化控制，由于锥形变径内腔表面的加工面弯曲，使得锥形曲面的涂层厚度难以测量和控制；3、难以加工微小的锥形变径内腔器件，锥形变径内腔表面具有一定的封闭性，可加工的空间狭小，加大了表面的改性加工难度。

因此，对于本领域的技术人员来说，如何设计一种能够均匀地涂覆改性涂层的装置，使其能够在变径内腔表面上加工出均匀一致的涂层薄膜，是目前本领域的技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明提供一种锥形内腔表面涂层加工装置，能够在变径内腔表面上加工出均匀一致的涂层薄膜，而且其厚度可通过转速的控制而改变，涂层的成型效果更好。具体方案如下：

一种内腔表面涂层加工装置，包括：

工作箱；

设置于所述工作箱内、用于夹持固定工件的工件夹具；

能够带动所述工件夹具作变速旋转的第一转动装置；

能够伸入所述工件的内腔、并能够向内腔表面喷涂涂料的喷料装置，所述喷料装置能够沿轴向移动；

能够带动所述喷料装置与所述工件夹具作同轴转动的第二转动装置；

对所述喷料装置提供涂料的涂液供料盒；

连接所述涂液供料盒和所述喷料装置、用于供给涂料的供料管；

对所述工件的内腔加热的加热装置。

可选地，所述喷料装置为能够绕圆心旋转的喷射圆盘，所述喷射圆盘的中心开设通孔，从所述供料管流出的涂料经通孔流到所述喷射圆盘的表面。

可选地，所述供料管为软管；所述供料管与所述喷射圆盘转动连接，所述喷射圆盘与所述供料管相对转动。

可选地，所述喷射圆盘的通孔上连接固定硬质的转动管，所述转动管与所述喷射圆盘同步旋转；所述供料管与所述转动管转动连接送料。

可选地，所述涂液供料盒设置于所述工作箱的最底部，所述工件夹具设置于所述工作箱的顶部。

可选地，所述加热装置环绕在所述供料管的外周，所述加热装置通过顶部圆周开设的通孔向所述工件的内腔喷射热风。

可选地，所述工件夹具的顶部还设置上挡板，所述第一转动装置设置于所述上挡板上。

可选地，所述工作箱内可拆卸地设置收集板，所述收集板用于收集从所述工作上流下涂料。

此外，本发明还提供一种锥形内腔表面涂层加工方法，包括：

将工件夹持在工件夹具上；

启动第一传动装置和第二传动装置，使所述工件夹具和所述喷料装置分别以ω21和ω1的转速同向旋转；

启动涂液供料盒，使涂料以稳定的速度通过供料管输送到所述喷料装置；

启动所述喷料装置(4)作轴向移动，使涂料涂布在所述工件的内腔表面；

提升所述工件夹具的转速至ω22，使涂料在所述工件的内腔表面形成均匀致密的薄膜；

提升所述工件夹具的转速至ω23，并开启加热装置，使涂层固化成型。

可选地，ω1的转速为1000r/min，ω21的转速为180～300r/min，ω22的转速为3000～3500r/min，ω23的转速为3500～4000r/min。

本发明提供一种锥形内腔表面涂层加工装置，包括工作箱、工件夹具、第一转动装置、喷料装置、第二转动装置、涂液供料盒、供料管和加热装置等结构。工作箱是承载安装结构，其内部用于安装其他的部件，工件夹具用于夹持固定工件；第一转动装置能够带动工件夹具和工件作变速旋转，使工件以不同的转速转动。

喷料装置能够伸入工件的内腔，并能够向其内腔表面喷涂涂料，同时喷料装置能够沿自身的转轴作上下移动；第二转动装置能够带动喷料装置与工件夹具作同轴转动。涂液供料盒通过供料管向喷料装置提供涂料，同时通过加热装置对工件的内腔进行加热。

在使用时，工件夹持在工件夹具上，启动第一传动装置和第二传动装置，使喷料装置和工件夹具分别旋转。通过涂液供料盒经供料管向喷料装置输送涂料，涂料被喷料装置喷射到工件的内腔表面，启动喷料装置作轴向移动，使涂料涂布在工件内腔表面所需涂装的位置，此时涂料的状态为点块状。接着提升工件夹具的转速，此时涂料在工件的内腔表面形成均匀致密的薄膜。再提升工件夹具的转速，并开启加热装置，使工件的内腔达到成膜温度，在合适的温度下涂层固化成型，形成一张厚度符合要求的涂层薄膜。

本发明所提供的装置能够在变径内腔表面上加工出均匀一致的涂层薄膜，而且其厚度可通过转速的控制而改变，涂层的成型效果更好。

此外，本发明还提供了一种锥形内腔表面涂层加工方法，可以实现相同的技术效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的锥形内腔表面涂层加工装置的结构图；

图2a为低速喷射吸附阶段的示意图；

图2b为提速涂液铺展阶段的示意图；

图2c为高速旋转固化阶段的示意图；

图3所示，为涂液在内腔表面的受力示意图

其中包括：

上挡板1、第一转动装置11、工件2、工件夹具3、喷料装置4、转动管41、加热装置5、工作箱6、收集板61、涂液供料盒7、供料管8。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种锥形内腔表面涂层加工装置，能够在变径内腔表面上加工出均匀一致的涂层薄膜，而且其厚度可通过转速的控制而改变，涂层的成型效果更好。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图及具体实施方式，对本申请的锥形内腔表面涂层加工装置及其加工方法进行详细的介绍说明。

如图1所示，为本发明提供的锥形内腔表面涂层加工装置一种具体实施方案的结构示意图。其主要包括工作箱6、工件夹具3、第一转动装置11、喷料装置4、第二转动装置、涂液供料盒7、供料管8和加热装置5等结构。工作箱6作为整个装置的外壳部分，起保护作用，在工作箱6的内部设置其他各个结构，分别安装在工作箱6内的固定结构上。

工件夹具3用于夹持固定工件2，工件夹具3在第一转动装置11的带动下能够作变速旋转，使工件2能够保持某特定的转速转动。工件夹具3具备良好的自定心能力，实现工件2的高速转动。工件夹具3优选地采用三爪卡盘结构，在各个卡爪与工件2接触的表面上设置一层高强度橡胶材料，在保证足够的夹紧力的前提下，保护工件2的外表面。

喷料装置4能够伸入工件2的内腔，从而向内腔表面喷涂涂料，喷料装置4能够沿轴向移动。除了垂直运动以外，喷料装置4通过第二转动装置带动与工件夹具3作同轴转动，移动的方向是其转轴的方向。第一转动装置11和第二转动装置可采用伺服电机，能够实现变速转动，速度的变化稳定、匀速，伺服电机通过齿轮或带轮的传动方式驱动工件夹具3和喷料装置4。

工作箱6内还设有对喷料装置4提供涂料的涂液供料盒7；涂液供料盒7和喷料装置4之间连接供料管8，涂液供料盒7内的涂料经过供料管8向喷料装置4供给。供液的速度和总量可由涂液供料盒7进行参数化控制，调节涂层薄膜的厚度。另外还包括对工件2的内腔加热的加热装置5。

在使用时，工件2被夹持在工件夹具3上，启动第一传动装置11和第二传动装置，使工件夹具3和喷料装置4分别旋转。通过涂液供料盒7经供料管8向喷料装置4输送涂料，涂料被喷料装置4喷射到工件2的内腔表面，启动喷料装置4作轴向移动，使涂料涂布在工件内腔表面所需涂装的位置，此时涂料的状态为点块状。接着提升工件夹具3的转速，此时涂料在工件2的内腔表面形成均匀致密的薄膜。再提升工件夹具3的转速，并开启加热装置5，使工件2的内腔达到成膜温度，在合适的温度下涂层固化成型，形成一张厚度符合要求的涂层薄膜，完成涂装。

本发明所提供的装置能够在变径内腔表面上加工出均匀一致的涂层薄膜，而且其厚度可通过转速的控制而改变，涂层的成型效果更好。

在上述基础上，喷料装置4具体为能够绕圆心旋转的喷射圆盘，喷射圆盘的中心开设通孔，从供料管8流出的涂料经通孔流到喷射圆盘的表面。如图2a至图2c所示，分别表示涂层薄膜成型过程三个阶段的过程图。涂料先流到喷射圆盘的上表面圆心处，喷射圆盘通过旋转产生离心力，把圆心处的涂液均匀地涂布在喷射圆盘的表面，涂料在圆盘的末端可以均匀地喷射出去，因此涂料液滴可以定量、稳定地喷射到环形内腔表面同一高度的圆周，这也是薄膜厚度一致的前提。

具体地，供料管8为软管，可采用橡胶管，软管可随着喷料装置4的上下移动发生变形，适应不同的高度。供料管8与喷射圆盘转动连接，采用圆柱铰接的连接方式，喷射圆盘与供料管8相对转动。另外，除了将供料管8整体设置为软管以外，还可采用其他的设置形式，

喷射圆盘的通孔上连接固定硬质的转动管41，转动管41与喷射圆盘同步旋转，涂料能够从转动管41的端部流出。供料管8与转动管41的另一端转动连接送料，此时可通过第二转动装置带动转动管41并进一步带动喷射圆盘。当然，也可以将供料管8整体设置为硬管，此时与涂液供料盒7采用滑动配合连通，可在涂液供料盒7内滑动。

在上述任一技术方案及其相互组合的基础上，涂液供料盒7设置于工作箱6的最底部，工件夹具3设置于工作箱6的顶部。这种实施形式是一种具体的安排顺序，由下向上依次为涂液供料盒7、供料管8、加热装置5、喷料装置4、工件夹具3，涂料从底部向顶部流动，更容易控制液体的流量。当然，也可以按相反的顺序来布置各个部件，只要使工件夹具3和喷料装置4在水平面上转动即可。

加热装置5环绕在供料管8的外周，供料管8从加热装置5的中心穿过，加热装置5通过顶部圆周开设的通孔向工件2的内腔喷射热风。加热装置5主要的作用是在工作的过程中，通过加热的方式把正在成形的涂层薄膜进行凝固，使涂液中的溶剂部分在温度较高的环境中，蒸发分离出涂液，使涂液的浓度和粘性不断增大，也加速了涂液的凝结，使固化后的涂层薄膜与环形内腔表面有效结合，使其性能稳定良好。合理的控制加热温度可以达到控制涂液凝固速度和品质的作用。通过此加热方式，可以适应任何可加工的工件，包括单开口的复杂锥形变径内腔，极大地提高了适用范围。

另外，在工件夹具3的顶部还设置上挡板1，第一转动装置11设置于上挡板1上。上挡板1不仅用于安装第一转动装置11，还可以阻挡工件2上飞溅出的涂料，当工件2的转速到达一定的高度时会有部分漆料飞溅而出。

在工作箱6内可拆卸地设置收集板61，收集板61呈圆环状，设置在工件2以下，用于收集从所述工作2上流下的涂料，若收集到一定量以后可以将其拆卸清理或进行更换。

此外，本发明还提供了一种锥形内腔表面涂层加工方法，包括以下步骤：

将工件2夹持在工件夹具3上；

启动第一传动装置和第二传动装置，使工件夹具3和喷料装置4分别以ω21和ω1的转速同向旋转；

启动涂液供料盒7，使涂料以稳定的速度通过供料管8输送到喷料装置4，涂料通过喷射转盘均匀地喷涂；

启动喷料装置4作轴向移动，使涂料涂布在工件2的内腔表面所需要设置涂层的部分；

提升工件夹具3的转速至ω22，使涂料在工件2的内腔表面形成均匀致密的薄膜；

提升工件夹具3的转速至ω23，并开启加热装置5，使涂层固化成型。

因为不同厚度的薄膜涂层需要不同的转速和温度参数，本发明在此给出一种具体的实施例：以60℃温度下制备200um PVDF/PTFE复合膜为例进行说明，具体的转速为ω1为1000r/min，ω21为180～300r/min，ω22为3000～3500r/min，ω23为3500～4000r/min，分为三个阶段进行，即技术方案中的低速喷射吸附阶段等三个阶段，ω1、ω21、ω22、ω23要依据加工要求进行相应的设定，可使ω22与ω23相等。

如图2a至图2c所示，喷涂过程主要包括三个阶段，分别为低速喷射吸附阶段、提速涂液铺展阶段和高速旋转固化阶段。

(1)低速喷射吸附阶段：将具有一定粘度的涂液装入涂液供料装置7，启动喷料装置4和工件2，使其分别达到某一稳定的较低旋转速度ω1和ω21，启动涂液供料装置7，使涂液以稳定的速度通过供料管道输送到喷射圆盘的圆心处，在喷射圆盘产生的离心力作用下，涂液在喷射圆盘涂布均匀后喷射出去，以一定的速度撞击并吸附沉积在垂直的环形内腔表面，形成一个圆周的涂液吸附带；同时使喷射圆盘进行轴向移动，从内径大的位置移动到内径小的位置，喷射吸附形成一个沉积面，此时的涂液状态为点块状。

如图3所示，为涂液在内腔表面的受力示意图。在低速喷射吸附阶段较低的速度ω1下，涂液经过喷料装置4喷射出来，在垂直内腔表面和锥形的内腔表面吸附沉积的过程中，受到的平行于环形内腔表面的剪切拉应力F_剪切和结合力F_结合，等于或大于点块状涂液自身的重力G，主要平衡了涂液向下流动的趋势，使得涂液吸附沉积在内腔的表面，形成点块状的涂液状态。此阶段所供给的涂液量比涂层薄膜所需的涂液量要多。

(2)提速涂液铺展阶段：在低速喷射吸附阶段得到的吸附沉积面后，提高工件2的旋转速度ω2，在剪切拉应力F剪切和离心压力F_离的作用下，使得到的点块状涂液进行铺展，涂层逐渐变薄，成为一块平整的涂层薄膜，不断提高工件2的旋转速度达到某一稳定值ω22，得到一张均匀、致密的涂层薄膜。

在提速涂液铺展阶段，提高工件的旋转速度至ω22，使涂液所受的剪切拉应力F_剪切和离心压力F_离增大，保持较高的速度ω22，涂液受到持续的较大的F_剪切和F_离(在较大的转速作用下，此时有F_剪切>>G、F_结合>>G，涂液的自身重力的影响可以忽略不计)，在F_剪切的作用下，涂液迅速沿着内腔的表面向两边铺展，厚度逐渐变薄、变均匀，在F_离的作用下，铺展涂布的涂液与内腔表面的结合界面更加地致密，使其与表面结合得更加紧密。F_剪切和F_结合主要作用于涂液和内腔表面之间的结合层，使结合层更加致密和均匀，提升了涂层薄膜和和内腔表面的结合性能。

具体通过工件2的旋转速度来的控制涂层薄膜的厚度的关系为：

H∝(ω2)^-b

其中，ω2为工件2的旋转速度，b是关于加热过程中涂液溶剂蒸发速率的常数。

在蒸发速率一定的前提下，一定粘度的涂液可以通过控制工件2的旋转速度ω2达到参数化控制涂层薄膜厚度的目的。

(3)高速旋转固化阶段：在提速涂液铺展阶段得到涂层薄膜后，保持工件2稳定的高速旋转速度，启动加热装置5，使环形内腔达到稳定的成膜温度，在该温度下进行涂层薄膜固化和成形，最后形成一张厚度符合要求的涂层薄膜。

在高速旋转固化阶段，工件在达到提速涂液铺展阶段的高速旋转且涂液进行充分的铺展涂覆后，得到一层具有一定厚度的极薄且致密的涂层薄膜，此时涂液的剪切拉应力F_剪切和内腔表面与涂液的结合力F_结合相等，垂直方向和锥形方向上的作用力平衡，因此，在垂直方向和锥形方向上不再发生延展，达到平衡的状态；离心压力F_离在保持不变的情况下，达到致密、极薄的效果，且达到平衡状态。保持高速的旋转速度，开启加热装置5，匀速地提升环形内腔的温度，达到涂层薄膜所需的蒸发温度后，在高速的旋转速度下恒温蒸发固化处理一定的时间，得到符合要求厚度的涂层薄膜。

其中，具体的蒸发固化和成形过程中，涂层薄膜的厚度和涂液溶剂蒸发的速率的关系为：

H∝u^b

其中：b为关于溶剂蒸发速率的常数，u为涂液溶剂的蒸发速率。

在工件2的旋转速度一定的前提下，一定粘度的涂液可以通过控制蒸发的速率u达到参数化控制涂层薄膜厚度的目的。

优选的，低速喷射吸附阶段、提速涂液铺展阶段和高速旋转固化阶段三个过程中均先加工内径较大且等径的内腔表面，后加工内径较小且变径的内腔表面。涂液在等径内腔表面和变径内腔表面上受力不同，导致涂液流动形式不一致的问题，需要通过设置不同的工件的旋转速度、涂料供给量来达到涂层薄膜厚度、致密性、结合性能一致的要求。具体为内径较小的部位旋转速度较大，供给量较多。

采用本发明提供的加工装置和方法，可以有效的提高对微细器件的锥形变径内腔表面的涂覆改性加工质量，具体体现在涂覆的涂层薄膜和内腔表面的结合层更加致密和均匀，提高了两者的结合性能；且该涂层薄膜的厚度可以通过控制工件的旋转速度和加热蒸发固化的速率达到参数化控制的目的，解决现有技术无法参数化控制的难题；对于微小器件锥形变径内腔的涂覆，只要采用极小外径的旋转喷射台即可解决，不仅解决了微小器件的加工难题，还扩大了装置的适用范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理，可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。