用于借由固体电解质对多个自由运动的物品进行电解抛光的设备的制作方法

1.本发明涉及用于对没有牢固保持的大规模的金属进行干式电解抛光的系统。属于工业金属抛光领域的这种系统导致可应用于需要用于大规模的部件的高质量抛光的行业，例如汽车、航空、装饰、表制造、医疗、牙科行业等。


背景技术：

2.存在对大规模金属部件进行抛光的工业需求。目前，大规模的工业金属抛光是借由研磨工艺或借由在液体中的电解抛光来进行的。
3.使用研磨剂的抛光系统呈现一系列缺点。由于研磨与表面和研磨剂之间的压力有关，因此其在所施用的表面上缺乏均匀性。最暴露的部件遭受更多的研磨剂作用，这产生顶点和边缘的限定丢失。研磨系统导致研磨剂被夹杂在金属表面中，降低了耐久性、化学耐性和拉伸强度。
4.在使用研磨剂的抛光中，部件可以与研磨剂一起引入鼓、筒等中，其允许在单个过程中处理多个部件，而不需要单独保持每个部件。
5.此外，存在使用液体的电解抛光系统。尽管这些系统不产生夹杂物，但它们显示出某些局限性。电解抛光系统对微米量级的粗糙度具有平滑效应。常规的电解抛光商业系统通常要求粗糙度的降低范围为初始粗糙度的50％至60％。在许多应用中，这种平滑水平是不够的。这些系统倾向于暴露金属下面的晶体结构。这产生台阶表面、孔和与金属结构有关的其它缺陷。
6.最近，在2016年，已经开发了使用颗粒(自由固体物质)作为固体电解质的干式电解抛光方法。在专利es2604830中详细描述的发明公开了被牢固地保持和连接到阳极的金属部件如何在容器内运动，所述容器包含导电自由固体物质(固体电解质颗粒)和阴极。在文献es2721170(a1)中详细描述了用于该过程的颗粒。该方法产生了金属消除的过程，在该过程中金属表面接触颗粒，这意味着在粗糙度峰值上，因为仅在接触点处存在电流的流通，从而产生具有良好的结果而不影响顶点或边缘的抛光过程。这种技术意味着抛光行业的革命，因为它允许处理例如铁、钢、钴铬、青铜、钛、镍合金、锌等金属并具有优异的结果。
7.由于该过程仅发生在接触点处，因此对于均匀抛光，部件相对于固体电解质颗粒的相对运动是必要的，这确保了整个表面被处理。运动的不足带来一些问题，例如不均匀的结果(对比内部部件的暴露部件)，出现在没有运动的点处的“弧坑(crater)”等等。为此，这种技术需要以单独的方式牢固地保持部件，因为它们在不形成流体并且产生机械阻力的颗粒介质中运动。在实践中，这转化为需要具有施加一定力的夹具或元件的保持器。为此，每个部件需要给定的时间用来安装、检查和拆卸保持器。尽管这在具有高附加值的单个部件和小规模部件中可以是可接受的缺点，但是这限制了这种方法在大规模工业生产的情况下的应用。
8.为了能够将这种新兴的干式电解抛光技术扩展到大规模的工业生产中，有必要利
用允许同时处理大量部件的新系统来克服所述限制。主要的挑战是在不必逐个牢固地保持待抛光部件的同时赋予它们电连接性，并且同时，在固体电解质颗粒和待抛光部件的表面之间发生充足的相对运动。据我们目前所知，尚不存在任何符合所述技术特征的设备。
9.本发明提供了用于抛光多个金属部件的设备，其不具有研磨抛光或液体电化学的缺点，也不具有使用固体电解质的电解抛光的限制。


技术实现要素：

10.为了达到这些目的并避免上述限制，本发明提出了具有同时处理多个部件的能力的用于使用固体电解质颗粒的电解抛光的系统。
11.本发明的主要方面是元件(1)，其允许容纳多个部件并赋予它们电连接性，同时能够使其产生部件相对于待抛光部件表面的相对运动。
12.本发明的用于借由固体电解质对金属表面进行电解抛光的设备包括：
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容器(6)，
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元件(1)，其能够容纳至少两个金属部件，这意味着包含所述部件(2)，以避免它们在所述电解抛光过程中能出来，并且同时允许它们在所述元件(1)内仍然能够具有给定的运动，并且借由第一电极(4a)赋予它们电连接性，
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第二电极(4b),
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电源(3)，其连接到第一电极(4a)和(4)连接到第二电极(4b),
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介质，其由在气体环境中的固体电解质的颗粒(5)组成，以及
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装置，其用于使所述颗粒(5)产生相对于待抛光的金属部件(2)的相对运动。
19.在图1中可以看到本发明的基本示意图。
20.待抛光的部件(2)放置在元件(1)中，其中它们接触连接到电源(3)的第一电极(4a)。此后，供应通过介质的颗粒(5)在部件(2)和第二电极(4b)之间流动的电流。该系统使颗粒产生相对于待抛光的部件的相对运动。颗粒(5)不是接触部件的整个表面，而是它们在几何上被限制为仅接触粗糙峰。仅在这些接触点处发生电流的流通，并且仅在那里发生氧化还原反应，该氧化还原反应可以生成颗粒所消除的氧化物、盐等。以这种方式，在粗糙峰处发生金属的选择性消除，从而产生抛光整体效果。
21.容纳部件的元件(1)被设计成使得部件接触连接到电源(3)的导体材料的电极，并且使得介质的颗粒(5)与待抛光的部件(2)具有充足的接触、连接度和运动。元件(1-a)电极可以是金属或导体聚合物。元件(1)容纳待抛光的部件(2)，这意味着，元件(1)包含部件(2)，避免它们能够在抛光过程中出来，同时允许它们在元件(1)内仍然能够具有给定的运动。这种方式，避免了必须单独保持每个部件，这转化成显著减少手工工作时间。
22.为了使其具有长的使用寿命，优选地，电极是耐电或化学腐蚀的金属，例如不锈钢、钛铂、经辐照的钛、mmo涂覆的钛等。
23.电极可以是网格。在某些构造中，电极必须是具有允许颗粒流动但不会使待抛光的部件脱离的适当尺寸的网格。
24.元件(1)可具有用于几个部件的隔室或可用于它们中的每个部件的隔室。优选地，元件(1)被划分隔室以避免部件之间的接触和标记。隔室的壁可以是导体，从而延伸第一电极(4a)的表面并有利于部件电连接。这种构造适用于由于它们的几何形状而具有与基部的
电接触问题的部件。替代地，隔室壁可以是非导体聚合物材料，只要确保部件与基部充分接触，从而确保充分的电连接性。
25.待抛光的部件(2)可以是导体材料。它们必须至少在要接收所施加的电流的点处接触元件(1)阳极。部件的形状和尺寸决定了部件(2)相对于颗粒(5)的介质的最佳运动，以及元件(1)的最佳设计。
26.电源(3)向元件(1)提供电流并且该电流针对两个电极(4a、4b)具有相反的符号。
27.在较简单的情况下，所施加的电流是直流电流，其对用作第一电极(4a)的元件(1)是正的，对第二电极(4b)是负的。
28.所施加的电流也可以是交流电流、整流交流电流或脉冲电流。为了对所施加的电流进行控制，优选地，电源提供脉冲电流，可以调节正和负脉冲的时长、电压或强度、以及它们之间的暂停。优选地，源将具有电流电压和强度的指示器。所施加的脉冲取决于待抛光的材料、部件的几何形状和尺寸。例如，为了抛光碳钢的部件，可以使用12v直流电流。然而，其它金属需要使用微脉冲。例如，为了抛光钛的部件，可以使用以下脉冲电流：在0v下10微秒；在30v下10微秒；在0v下10微秒；在-30v下30微秒。
29.第一电极(4a)连接到元件(1)的第一电极(4a)的相反电极，该相反电极是与部件(2)接触的电极。在第一电极(4a)的抛光过程中，其位于固体电解质的颗粒(5)的中间。此时，电流通过固体电解质的颗粒(5)的介质在第一电极(4a)和待抛光的部件(2)之间流动。第一电极(4a)可以是任何导体材料。优选地，电极为耐电和化学腐蚀的金属，例如不锈钢、钛铂、经辐照的钛、mmo涂覆的钛。
30.在其中进行该方法的导体介质由在气态介质中的固体电解质的颗粒(5)组成。这些固体电解质的颗粒(5)具有以可测量的方式导电的能力，并且能够从金属表面消除氧化物和盐。优选地，固体电解质的颗粒由在凝胶相中或在孔隙中保留液体的离子交换树脂形成。所保留的液体可以是中性的、酸性的或碱性的，这取决于待抛光的金属。在抛光钢的优选构造中，液体是5％甲磺酸的溶液。在抛光铬-钴合金的优选构造中，液体是4％硫酸的溶液。颗粒可以具有不同的形状：球状、透镜状、不规则状、砾石型、棒状、纤维状等。优选地，颗粒具有稍微球状的形状，这便于在表面上移动和滚动。优选地，颗粒的平均直径小于900微米。
31.为了增加颗粒(5)介质的迁移率，使用流化介质是合适的。优选地，使用振动来使介质流化。这种振动可以施加在一个或几个点上，例如，在包容颗粒的容器(6)中以改善介质的一般运动，或者在用于控制颗粒与部件接触的时间的元件(1)中。使用振动不排除使用其它流化方法。
32.为了使抛光过程成功，必须存在待抛光的部件(2)相对于颗粒(5)的相对运动。必须考虑部件的几何形状及它们在元件(1)中的位置来设计该运动。这种运动可以借由不同的系统来实现。
33.在本发明的实施例中，颗粒(5)相对于部件(2)的相对运动可以用图2中示意的“沙漏状”系统来获得。在容器(6)的中间部分处，元件(1)位于其包容部件(2)的位置，并通过第一电极(4a)连接到电源(3)。第二电极(4b)可以位于初始在4a和部件上方的中间部分处，或者可替代地，锚定在容器(6)上。颗粒初始位于容器的底部。存在允许转动容器(6)的电动系统。当其被转动时，通过位于中心的元件而发生颗粒的下落，这些元件至少是元件(1)和第
一电极(4a)。当颗粒的下落持续时，发生电接触，该电接触闭合了连接到4a的部件和第二电极4b之间的电路，这产生了电解抛光效果。如果第二电极(4b)初始处于部件上方，则当容器(6)转动时，第二电极(4b)将处于下方并且第一电极(4a)处于上方。在这种情况下，系统可以具有改变电极(4a、4b)的极性的控制。
34.可选地，该设备包括位于容器内在与第二电极(4b)相对的一侧上的第三电极(4c)。该系统可以具有在每次转动时激活适当的电极的控制，以确保电流的流通从元件(1)的第一电极(4a)开始(以使)部件接触并到达元件(1)的电极，并且取决于由颗粒(5)组成的介质的运动而发生电流流通向上到第二电极或第三电极(4c)。目的是具有能够在颗粒(5)后续到达元件(1)中的部件(2)之前与颗粒(5)接触的电极(4b或4c)。这意味着，系统具有两个电极(4b、4c)，一个电极在元件(1)的上侧，另一个电极在元件(1)的下侧，以及用于在每次转动时激活和去激活电极(4b、4c)的装置，从而只有在那一时刻位于上侧的电极被通电，从而确保部件(2)之间能够存在电接触，由电极(4a)通电，流过颗粒(5)运动中的介质向上到在此时激活的电极(4b或4c)。
35.在“沙漏型”实施例中，当转动发生时，可能需要控制颗粒的下落，以使得当已到达最终位置时发生颗粒通过(1)。
36.为了控制颗粒(5)的下落，可以使用几种策略。如图2中所示，优选地，借由至少两个穿孔板(7、8)来控制颗粒(5)的下落，该至少两个穿孔板(7、8)中每一者位于第二电极(4b)或第三电极(4c)与容器(6)的最靠近所述电极的端部之间。穿孔板(7、8)的孔优选为直径的范围为球形颗粒的平均直径的2倍至5倍的圆形。这意味着，对于具有0.7mm平均直径的颗粒，具有2.5mm圆形孔的穿孔板将是最佳的。颗粒(5)穿过穿孔板(7、8)的下落的控制优选地通过对穿孔板(7、8)施加振动来实现。在容器(6)转动发生之后，颗粒位于容器的其中一个端部与穿孔板(7或8)之一者的上方之间。由于颗粒(5)是粒状材料，因为弧、桥等的构造所以它们几乎不会通过孔而下落，避免了颗粒(5)继续通过孔而下落。当穿孔板(7、8)的振动被激活与颗粒接触时，所述桥、弧等失去稳定性，颗粒(5)开始以连续方式流动。这允许在没有大量颗粒下落的情况下进行全转动过程，直到获得最终位置并且穿孔板(7或8)的振动已经被激活，这防止了颗粒(5)的不受控制的下落。以这种方式，在所有部件上获得了更均匀的处理。
37.在本发明的另一实施例中，颗粒(5)相对于部件(2)的相对运动可以用图3中示意的“水轮型”系统来实现。在该系统中，一个或多个元件(1)连接到中心轴，当系统处于工作中时，它们能够围绕该中心轴转动。围绕元件(1)的轴线的圆形路径的一部分在颗粒(5)的介质内延伸。元件(1)连接到电源(3)。电极(4)可以与元件(1)一起运动，或者可替代地被锚定到颗粒(5)的容器(6)上。
38.在本发明的另一实施例中，颗粒相对于部件的相对运动用如图4中可见的颗粒“再循环”系统来实现。颗粒(5)从容器(6)的底部再循环向上到上部分。这产生颗粒(5)的连续流动。在该流动中，一个或多个元件(1)位于与源(3)连接的位置处包容待抛光的部件(2)。第二电极(4b)位于元件(1)附近。该设备可以包括振动器以改善颗粒的运动(流动性)。
39.在本发明的另一个实施例中，颗粒相对于部件的相对运动借由“活塞”系统来实现。在图5中，示出了颗粒(5)如何借由活塞而在垂直方向上运动。还可以在水平方向上产生这种运动，或者使用几个活塞来产生颗粒的运动。具有部件并连接到源(3)的元件(1)位于
颗粒的这种运动中。该系统可以由若干个活塞组成，这些活塞不是一起操作而是进行互补运动。
40.如果电脉冲与压缩周期相协调，则该系统能够改善部件上的结果。使电脉冲与压缩周期同步增加了电导率并确保了部件上的均匀动作。
41.在本发明的另一实施例中，颗粒的介质(5)可以处于振动中，但没有平移运动，元件(1)是穿行过颗粒的介质的元件。在容器(6)中，设有具有振动的颗粒(5)，元件(1)在该振动中运动，并保持待抛光的部件(2)连接到电极(4a)。元件(1)的运动允许颗粒在运动中接触待抛光的部件的表面。第二电极(4b)可以与元件(1)一起运动或锚定在容器(6)上。
42.在本发明的另一实施例中，为了产生颗粒的运动，使用环形振动器或圆形振动器。这种类型的振动器产生固体电解质的颗粒(5)的循环流动。在该流动中，定位有一个或几个适当定向的元件(1)与部件(2)、一个或几个电极(4)，并且与源(3)有相关的连接。
43.在本发明的另一个实施例中，为了产生运动，存在“油漆搅拌器型”系统。在该系统中，颗粒(5)的运动借由具有沿不同轴的旋转或具有其组合的快速宏观来回平移来实现。该系统产生对包容颗粒(5)的容器(6)、具有部件(2)的元件(1)以及电极(4)的所述运动。元件(1)和(4)相对于容器(6)的壁是刚性的。
44.优选地，元件(1)包括具有导体基部(1-a)的收容器，在导体基部(1-a)上放置部件(2)，导体基部(1-a)连接到源(3)并且优选地具有振动(1-b)。该基部(1-a)是金属网格或穿孔板，其允许颗粒(5)的通过它，同时保持待抛光的部件(2)。
45.为了避免部件具有过量的运动，可以借由使用不同的策略来限制该运动。可以将网格的表面划分隔室，以实现在每个隔室中装配一个或几个彼此不干涉的部件，这避免了可能的由部件之间的接触而导致的缺陷。部件通常可以覆盖有弹性的或刚性的非导体网格(1-c)，以使得部件保持适于如图6和图7中所示的过程的位置和取向。第二电极(4b)可以形成与图8中所示的元件(1)相同的结构的一部分，这样，电极之间的间隙被最小化并获得了更高的导电性。必须确保第二电极(4b)比导体部分(1-a)更靠近部件，以便在部件上发生抛光效果。
46.基于本发明的设备允许多个部件的抛光处理，避免了单独保持它们中的每一个部件的需要。这打开了以工业规模使用干式电解抛光工艺的大门，这意味着对当前技术水平的显著改进。利用这种设备，不仅能够产生抛光，而且能够产生金属表面钝化和阳极化。
47.通过本说明书中所提及的所有内容，我们认为可以理解该设备的操作，以再现本发明以及理解该新型系统的多个优点。
附图说明
48.为了补充正在进行的描述，并且为了有助于最好地理解本发明的特征，一组附图作为本说明书整体的一部分被附加在本说明书中，其中，出于说明而非限制的目的，展示如下：
49.图1-其示出了本发明的示意性基本视图。
50.图2-其示出了“沙漏状”构造的示意图。
51.图3-其示出了“水轮状”构造的示意图。
52.图4-其示出了“再循环状”构造的示意图。
53.图5-其示出了“活塞状”构造的示意图。
54.图6-其示出了元件(1)的构造的俯视图。
55.图7-其示出了图6的元件(1)的构造的侧视图。
56.图8-其示出了元件(1)的另一构造的俯视图。
具体实施方式
57.下面，描述了对40mm直径乘以0.5mm高度的雕刻不锈钢盘进行抛光的优选实施例。
58.该设备是图3中示意的“水轮型”。其具有四个元件(1)。每个元件(1)包括128(8
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16)个方形隔室，这些隔室被设计成各自容纳一个盘。每个隔室具有45mm的侧面和2mm的高度、具有5mm间隙的钛mmo网格的基部。网格基部连接到电源。存在具有10mm间隙的可移除网覆盖所有隔室，其避免了待抛光的盘在处理过程中从隔室出来。在网的上方，在网格基部的10mm处，存在另一用作电极(4)的钛mmo的网格，因此它连接到电源的互补电极。
59.每个元件(1)配备有振动器。每个元件(1)联接到旋转轴线，并且又具有自身的旋转中心。元件(1)相对于旋转中心的最终运动可以是圆形平移、轨道式、自由的、固定的等。联接到四个元件(1)的旋转轴线可根据高度进行调节。
60.电源(3)是允许控制正和负脉冲的电压和时长以及它们之间的暂停的脉冲源。为了抛光不锈钢盘，最佳参数为+15v 300ms；0v 10ms；15v 30ms；0v 10ms。
61.固体电解质的颗粒(5)是聚(苯乙烯-共乙烯基苯)的凝胶的球形颗粒，其尺寸分布的中心在750μm，磺化对应于1.7eq/l。凝胶的液体部分是5％甲磺酸的溶液。电解质颗粒包含在聚丙烯罐中，它包括能够注入气体和液体的出口。它具有四个振动器来流化全部的颗粒。