一種錐形內腔表面涂層加工裝置及其加工方法與流程

本發明涉及材料表面改性加工技術領域，更進一步地涉及一種錐形內腔表面涂層加工裝置及其加工方法。

背景技術：

現代高新技術的發展，不僅對材料提出了更多更新的性能要求，也對材料表面的性質改造提供了更多更新的技術手段，越來越多的新技術已經被應用在材料表面工程，在國民經濟的各個領域收到了日益明顯的經濟效益和社會效益。

表面工程技術是經過表面預處理，通過表面涂覆、表面改性或多種材料表面改造技術復合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態、化學成分、組織結構和應力狀態等，以獲取所需要的表面性能的工程技術。該技術的優點是是能夠以多種方法制備出優于材料本體性能的表面功能薄層，賦予被加工部件耐高溫、防腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、防輻射等性能。這層材料與制作部件的整體材料相比，厚度薄、面積小，并能極大地提升材料的使用價值。

針對錐形變徑內腔表面的涂覆改性加工，傳統的加工技術包括熱噴涂技術、離子束技術和氣相沉積技術等。總體來說主要存在以下的技術問題：1、涂層薄膜與材料基體的結合性能不高，出現疏松不均勻的情況、容易產生褶皺；2、涂層薄膜的厚度難以參數化控制，由于錐形變徑內腔表面的加工面彎曲，使得錐形曲面的涂層厚度難以測量和控制；3、難以加工微小的錐形變徑內腔器件，錐形變徑內腔表面具有一定的封閉性，可加工的空間狹小，加大了表面的改性加工難度。

因此，對于本領域的技術人員來說，如何設計一種能夠均勻地涂覆改性涂層的裝置，使其能夠在變徑內腔表面上加工出均勻一致的涂層薄膜，是目前本領域的技術人員需要解決的技術問題。

技術實現要素：

本發明提供一種錐形內腔表面涂層加工裝置，能夠在變徑內腔表面上加工出均勻一致的涂層薄膜，而且其厚度可通過轉速的控制而改變，涂層的成型效果更好。具體方案如下：

一種內腔表面涂層加工裝置，包括：

工作箱；

設置于所述工作箱內、用于夾持固定工件的工件夾具；

能夠帶動所述工件夾具作變速旋轉的第一轉動裝置；

能夠伸入所述工件的內腔、并能夠向內腔表面噴涂涂料的噴料裝置，所述噴料裝置能夠沿軸向移動；

能夠帶動所述噴料裝置與所述工件夾具作同軸轉動的第二轉動裝置；

對所述噴料裝置提供涂料的涂液供料盒；

連接所述涂液供料盒和所述噴料裝置、用于供給涂料的供料管；

對所述工件的內腔加熱的加熱裝置。

可選地，所述噴料裝置為能夠繞圓心旋轉的噴射圓盤，所述噴射圓盤的中心開設通孔，從所述供料管流出的涂料經通孔流到所述噴射圓盤的表面。

可選地，所述供料管為軟管；所述供料管與所述噴射圓盤轉動連接，所述噴射圓盤與所述供料管相對轉動。

可選地，所述噴射圓盤的通孔上連接固定硬質的轉動管，所述轉動管與所述噴射圓盤同步旋轉；所述供料管與所述轉動管轉動連接送料。

可選地，所述涂液供料盒設置于所述工作箱的最底部，所述工件夾具設置于所述工作箱的頂部。

可選地，所述加熱裝置環繞在所述供料管的外周，所述加熱裝置通過頂部圓周開設的通孔向所述工件的內腔噴射熱風。

可選地，所述工件夾具的頂部還設置上擋板，所述第一轉動裝置設置于所述上擋板上。

可選地，所述工作箱內可拆卸地設置收集板，所述收集板用于收集從所述工作上流下涂料。

此外，本發明還提供一種錐形內腔表面涂層加工方法，包括：

將工件夾持在工件夾具上；

啟動第一傳動裝置和第二傳動裝置，使所述工件夾具和所述噴料裝置分別以ω21和ω1的轉速同向旋轉；

啟動涂液供料盒，使涂料以穩定的速度通過供料管輸送到所述噴料裝置；

啟動所述噴料裝置(4)作軸向移動，使涂料涂布在所述工件的內腔表面；

提升所述工件夾具的轉速至ω22，使涂料在所述工件的內腔表面形成均勻致密的薄膜；

提升所述工件夾具的轉速至ω23，并開啟加熱裝置，使涂層固化成型。

可選地，ω1的轉速為1000r/min，ω21的轉速為180～300r/min，ω22的轉速為3000～3500r/min，ω23的轉速為3500～4000r/min。

本發明提供一種錐形內腔表面涂層加工裝置，包括工作箱、工件夾具、第一轉動裝置、噴料裝置、第二轉動裝置、涂液供料盒、供料管和加熱裝置等結構。工作箱是承載安裝結構，其內部用于安裝其他的部件，工件夾具用于夾持固定工件；第一轉動裝置能夠帶動工件夾具和工件作變速旋轉，使工件以不同的轉速轉動。

噴料裝置能夠伸入工件的內腔，并能夠向其內腔表面噴涂涂料，同時噴料裝置能夠沿自身的轉軸作上下移動；第二轉動裝置能夠帶動噴料裝置與工件夾具作同軸轉動。涂液供料盒通過供料管向噴料裝置提供涂料，同時通過加熱裝置對工件的內腔進行加熱。

在使用時，工件夾持在工件夾具上，啟動第一傳動裝置和第二傳動裝置，使噴料裝置和工件夾具分別旋轉。通過涂液供料盒經供料管向噴料裝置輸送涂料，涂料被噴料裝置噴射到工件的內腔表面，啟動噴料裝置作軸向移動，使涂料涂布在工件內腔表面所需涂裝的位置，此時涂料的狀態為點塊狀。接著提升工件夾具的轉速，此時涂料在工件的內腔表面形成均勻致密的薄膜。再提升工件夾具的轉速，并開啟加熱裝置，使工件的內腔達到成膜溫度，在合適的溫度下涂層固化成型，形成一張厚度符合要求的涂層薄膜。

本發明所提供的裝置能夠在變徑內腔表面上加工出均勻一致的涂層薄膜，而且其厚度可通過轉速的控制而改變，涂層的成型效果更好。

此外，本發明還提供了一種錐形內腔表面涂層加工方法，可以實現相同的技術效果。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明提供的錐形內腔表面涂層加工裝置的結構圖；

圖2a為低速噴射吸附階段的示意圖；

圖2b為提速涂液鋪展階段的示意圖；

圖2c為高速旋轉固化階段的示意圖；

圖3所示，為涂液在內腔表面的受力示意圖

其中包括：

上擋板1、第一轉動裝置11、工件2、工件夾具3、噴料裝置4、轉動管41、加熱裝置5、工作箱6、收集板61、涂液供料盒7、供料管8。

具體實施方式

本發明的核心在于提供一種錐形內腔表面涂層加工裝置，能夠在變徑內腔表面上加工出均勻一致的涂層薄膜，而且其厚度可通過轉速的控制而改變，涂層的成型效果更好。

為了使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面將結合附圖及具體實施方式，對本申請的錐形內腔表面涂層加工裝置及其加工方法進行詳細的介紹說明。

如圖1所示，為本發明提供的錐形內腔表面涂層加工裝置一種具體實施方案的結構示意圖。其主要包括工作箱6、工件夾具3、第一轉動裝置11、噴料裝置4、第二轉動裝置、涂液供料盒7、供料管8和加熱裝置5等結構。工作箱6作為整個裝置的外殼部分，起保護作用，在工作箱6的內部設置其他各個結構，分別安裝在工作箱6內的固定結構上。

工件夾具3用于夾持固定工件2，工件夾具3在第一轉動裝置11的帶動下能夠作變速旋轉，使工件2能夠保持某特定的轉速轉動。工件夾具3具備良好的自定心能力，實現工件2的高速轉動。工件夾具3優選地采用三爪卡盤結構，在各個卡爪與工件2接觸的表面上設置一層高強度橡膠材料，在保證足夠的夾緊力的前提下，保護工件2的外表面。

噴料裝置4能夠伸入工件2的內腔，從而向內腔表面噴涂涂料，噴料裝置4能夠沿軸向移動。除了垂直運動以外，噴料裝置4通過第二轉動裝置帶動與工件夾具3作同軸轉動，移動的方向是其轉軸的方向。第一轉動裝置11和第二轉動裝置可采用伺服電機，能夠實現變速轉動，速度的變化穩定、勻速，伺服電機通過齒輪或帶輪的傳動方式驅動工件夾具3和噴料裝置4。

工作箱6內還設有對噴料裝置4提供涂料的涂液供料盒7；涂液供料盒7和噴料裝置4之間連接供料管8，涂液供料盒7內的涂料經過供料管8向噴料裝置4供給。供液的速度和總量可由涂液供料盒7進行參數化控制，調節涂層薄膜的厚度。另外還包括對工件2的內腔加熱的加熱裝置5。

在使用時，工件2被夾持在工件夾具3上，啟動第一傳動裝置11和第二傳動裝置，使工件夾具3和噴料裝置4分別旋轉。通過涂液供料盒7經供料管8向噴料裝置4輸送涂料，涂料被噴料裝置4噴射到工件2的內腔表面，啟動噴料裝置4作軸向移動，使涂料涂布在工件內腔表面所需涂裝的位置，此時涂料的狀態為點塊狀。接著提升工件夾具3的轉速，此時涂料在工件2的內腔表面形成均勻致密的薄膜。再提升工件夾具3的轉速，并開啟加熱裝置5，使工件2的內腔達到成膜溫度，在合適的溫度下涂層固化成型，形成一張厚度符合要求的涂層薄膜，完成涂裝。

本發明所提供的裝置能夠在變徑內腔表面上加工出均勻一致的涂層薄膜，而且其厚度可通過轉速的控制而改變，涂層的成型效果更好。

在上述基礎上，噴料裝置4具體為能夠繞圓心旋轉的噴射圓盤，噴射圓盤的中心開設通孔，從供料管8流出的涂料經通孔流到噴射圓盤的表面。如圖2a至圖2c所示，分別表示涂層薄膜成型過程三個階段的過程圖。涂料先流到噴射圓盤的上表面圓心處，噴射圓盤通過旋轉產生離心力，把圓心處的涂液均勻地涂布在噴射圓盤的表面，涂料在圓盤的末端可以均勻地噴射出去，因此涂料液滴可以定量、穩定地噴射到環形內腔表面同一高度的圓周，這也是薄膜厚度一致的前提。

具體地，供料管8為軟管，可采用橡膠管，軟管可隨著噴料裝置4的上下移動發生變形，適應不同的高度。供料管8與噴射圓盤轉動連接，采用圓柱鉸接的連接方式，噴射圓盤與供料管8相對轉動。另外，除了將供料管8整體設置為軟管以外，還可采用其他的設置形式，

噴射圓盤的通孔上連接固定硬質的轉動管41，轉動管41與噴射圓盤同步旋轉，涂料能夠從轉動管41的端部流出。供料管8與轉動管41的另一端轉動連接送料，此時可通過第二轉動裝置帶動轉動管41并進一步帶動噴射圓盤。當然，也可以將供料管8整體設置為硬管，此時與涂液供料盒7采用滑動配合連通，可在涂液供料盒7內滑動。

在上述任一技術方案及其相互組合的基礎上，涂液供料盒7設置于工作箱6的最底部，工件夾具3設置于工作箱6的頂部。這種實施形式是一種具體的安排順序，由下向上依次為涂液供料盒7、供料管8、加熱裝置5、噴料裝置4、工件夾具3，涂料從底部向頂部流動，更容易控制液體的流量。當然，也可以按相反的順序來布置各個部件，只要使工件夾具3和噴料裝置4在水平面上轉動即可。

加熱裝置5環繞在供料管8的外周，供料管8從加熱裝置5的中心穿過，加熱裝置5通過頂部圓周開設的通孔向工件2的內腔噴射熱風。加熱裝置5主要的作用是在工作的過程中，通過加熱的方式把正在成形的涂層薄膜進行凝固，使涂液中的溶劑部分在溫度較高的環境中，蒸發分離出涂液，使涂液的濃度和粘性不斷增大，也加速了涂液的凝結，使固化后的涂層薄膜與環形內腔表面有效結合，使其性能穩定良好。合理的控制加熱溫度可以達到控制涂液凝固速度和品質的作用。通過此加熱方式，可以適應任何可加工的工件，包括單開口的復雜錐形變徑內腔，極大地提高了適用范圍。

另外，在工件夾具3的頂部還設置上擋板1，第一轉動裝置11設置于上擋板1上。上擋板1不僅用于安裝第一轉動裝置11，還可以阻擋工件2上飛濺出的涂料，當工件2的轉速到達一定的高度時會有部分漆料飛濺而出。

在工作箱6內可拆卸地設置收集板61，收集板61呈圓環狀，設置在工件2以下，用于收集從所述工作2上流下的涂料，若收集到一定量以后可以將其拆卸清理或進行更換。

此外，本發明還提供了一種錐形內腔表面涂層加工方法，包括以下步驟：

將工件2夾持在工件夾具3上；

啟動第一傳動裝置和第二傳動裝置，使工件夾具3和噴料裝置4分別以ω21和ω1的轉速同向旋轉；

啟動涂液供料盒7，使涂料以穩定的速度通過供料管8輸送到噴料裝置4，涂料通過噴射轉盤均勻地噴涂；

啟動噴料裝置4作軸向移動，使涂料涂布在工件2的內腔表面所需要設置涂層的部分；

提升工件夾具3的轉速至ω22，使涂料在工件2的內腔表面形成均勻致密的薄膜；

提升工件夾具3的轉速至ω23，并開啟加熱裝置5，使涂層固化成型。

因為不同厚度的薄膜涂層需要不同的轉速和溫度參數，本發明在此給出一種具體的實施例：以60℃溫度下制備200um PVDF/PTFE復合膜為例進行說明，具體的轉速為ω1為1000r/min，ω21為180～300r/min，ω22為3000～3500r/min，ω23為3500～4000r/min，分為三個階段進行，即技術方案中的低速噴射吸附階段等三個階段，ω1、ω21、ω22、ω23要依據加工要求進行相應的設定，可使ω22與ω23相等。

如圖2a至圖2c所示，噴涂過程主要包括三個階段，分別為低速噴射吸附階段、提速涂液鋪展階段和高速旋轉固化階段。

(1)低速噴射吸附階段：將具有一定粘度的涂液裝入涂液供料裝置7，啟動噴料裝置4和工件2，使其分別達到某一穩定的較低旋轉速度ω1和ω21，啟動涂液供料裝置7，使涂液以穩定的速度通過供料管道輸送到噴射圓盤的圓心處，在噴射圓盤產生的離心力作用下，涂液在噴射圓盤涂布均勻后噴射出去，以一定的速度撞擊并吸附沉積在垂直的環形內腔表面，形成一個圓周的涂液吸附帶；同時使噴射圓盤進行軸向移動，從內徑大的位置移動到內徑小的位置，噴射吸附形成一個沉積面，此時的涂液狀態為點塊狀。

如圖3所示，為涂液在內腔表面的受力示意圖。在低速噴射吸附階段較低的速度ω1下，涂液經過噴料裝置4噴射出來，在垂直內腔表面和錐形的內腔表面吸附沉積的過程中，受到的平行于環形內腔表面的剪切拉應力F_剪切和結合力F_結合，等于或大于點塊狀涂液自身的重力G，主要平衡了涂液向下流動的趨勢，使得涂液吸附沉積在內腔的表面，形成點塊狀的涂液狀態。此階段所供給的涂液量比涂層薄膜所需的涂液量要多。

(2)提速涂液鋪展階段：在低速噴射吸附階段得到的吸附沉積面后，提高工件2的旋轉速度ω2，在剪切拉應力F剪切和離心壓力F_離的作用下，使得到的點塊狀涂液進行鋪展，涂層逐漸變薄，成為一塊平整的涂層薄膜，不斷提高工件2的旋轉速度達到某一穩定值ω22，得到一張均勻、致密的涂層薄膜。

在提速涂液鋪展階段，提高工件的旋轉速度至ω22，使涂液所受的剪切拉應力F_剪切和離心壓力F_離增大，保持較高的速度ω22，涂液受到持續的較大的F_剪切和F_離(在較大的轉速作用下，此時有F_剪切>>G、F_結合>>G，涂液的自身重力的影響可以忽略不計)，在F_剪切的作用下，涂液迅速沿著內腔的表面向兩邊鋪展，厚度逐漸變薄、變均勻，在F_離的作用下，鋪展涂布的涂液與內腔表面的結合界面更加地致密，使其與表面結合得更加緊密。F_剪切和F_結合主要作用于涂液和內腔表面之間的結合層，使結合層更加致密和均勻，提升了涂層薄膜和和內腔表面的結合性能。

具體通過工件2的旋轉速度來的控制涂層薄膜的厚度的關系為：

H∝(ω2)^-b

其中，ω2為工件2的旋轉速度，b是關于加熱過程中涂液溶劑蒸發速率的常數。

在蒸發速率一定的前提下，一定粘度的涂液可以通過控制工件2的旋轉速度ω2達到參數化控制涂層薄膜厚度的目的。

(3)高速旋轉固化階段：在提速涂液鋪展階段得到涂層薄膜后，保持工件2穩定的高速旋轉速度，啟動加熱裝置5，使環形內腔達到穩定的成膜溫度，在該溫度下進行涂層薄膜固化和成形，最后形成一張厚度符合要求的涂層薄膜。

在高速旋轉固化階段，工件在達到提速涂液鋪展階段的高速旋轉且涂液進行充分的鋪展涂覆后，得到一層具有一定厚度的極薄且致密的涂層薄膜，此時涂液的剪切拉應力F_剪切和內腔表面與涂液的結合力F_結合相等，垂直方向和錐形方向上的作用力平衡，因此，在垂直方向和錐形方向上不再發生延展，達到平衡的狀態；離心壓力F_離在保持不變的情況下，達到致密、極薄的效果，且達到平衡狀態。保持高速的旋轉速度，開啟加熱裝置5，勻速地提升環形內腔的溫度，達到涂層薄膜所需的蒸發溫度后，在高速的旋轉速度下恒溫蒸發固化處理一定的時間，得到符合要求厚度的涂層薄膜。

其中，具體的蒸發固化和成形過程中，涂層薄膜的厚度和涂液溶劑蒸發的速率的關系為：

H∝u^b

其中：b為關于溶劑蒸發速率的常數，u為涂液溶劑的蒸發速率。

在工件2的旋轉速度一定的前提下，一定粘度的涂液可以通過控制蒸發的速率u達到參數化控制涂層薄膜厚度的目的。

優選的，低速噴射吸附階段、提速涂液鋪展階段和高速旋轉固化階段三個過程中均先加工內徑較大且等徑的內腔表面，后加工內徑較小且變徑的內腔表面。涂液在等徑內腔表面和變徑內腔表面上受力不同，導致涂液流動形式不一致的問題，需要通過設置不同的工件的旋轉速度、涂料供給量來達到涂層薄膜厚度、致密性、結合性能一致的要求。具體為內徑較小的部位旋轉速度較大，供給量較多。

采用本發明提供的加工裝置和方法，可以有效的提高對微細器件的錐形變徑內腔表面的涂覆改性加工質量，具體體現在涂覆的涂層薄膜和內腔表面的結合層更加致密和均勻，提高了兩者的結合性能；且該涂層薄膜的厚度可以通過控制工件的旋轉速度和加熱蒸發固化的速率達到參數化控制的目的，解決現有技術無法參數化控制的難題；對于微小器件錐形變徑內腔的涂覆，只要采用極小外徑的旋轉噴射臺即可解決，不僅解決了微小器件的加工難題，還擴大了裝置的適用范圍。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理，可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。