專利名稱：金屬零件內(nèi)孔壁面紊流結(jié)構(gòu)的電化學加工工藝的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及金屬零件內(nèi)孔壁面紊流結(jié)構(gòu)的電化學加工工藝，屬特 種加工技術(shù)領域。
(二)
背景技術(shù)：
為了降低能源消耗，"十一五"國家方針中提出要將能源消費降 低兩成，由此開發(fā)高效、節(jié)能的能源消耗設備尤其重要，如使用在航 空航天、微電子散熱、能源與化工、余熱回收、空調(diào)制冷、太陽能等 領域中的高效節(jié)能換熱器、冷凝器、預熱器等。為了提高設備換熱性 能、降低能源消耗，研究人員通過分析證明了在傳熱部件中加工出若 干冷卻通道(如加工光滑光滑直孔等)可以增強換熱性能，改善設備
的使用壽命；特別是將換熱通道側(cè)壁加工成具有紊流結(jié)構(gòu)的粗糙肋時 (如內(nèi)矩形凹/凸肋、內(nèi)螺旋肋、不規(guī)則的內(nèi)凸起等)，其傳熱性能 可以得到大幅度的增強，傳熱效率可以提高到光滑孔的300%;除此 之外，這種結(jié)構(gòu)可以進一步減少換熱設備的傳熱面積、縮小體積、降 低設備材料的消耗。金屬零件內(nèi)孔壁面紊流結(jié)構(gòu)的加工已引起國內(nèi)外 研究人員的普遍關注。
金屬零件內(nèi)孔壁面紊流結(jié)構(gòu)的加工方法，比較有代表性的包括以 下幾種(1)如滾壓加工方法[PatentNo.: US 6,760,972 B2]是利用帶 滾輪的滾壓工具，以一定的壓力在待加工管材表面作相對滾動，使金 屬表面產(chǎn)生塑性變形，加工出圓弧形、錐形凹槽以及其他形狀的表面 結(jié)構(gòu)，它主要適用于管壁較薄、加工材料硬度不大的管殼式異型管加
4工。(2)機床輔助刻切方法[中國專利CN 1038360C]是由機床的刀 頭帶動刻刀沿著徑向插入刀盒，刀盒用絲扣與平動桿連接，當平動桿 在管內(nèi)向前運動時，刻刀被刀頭的錐體頂出而刻入管壁，隨著平動桿 的運動，刻刀在管壁上刻出凹槽，控制刀頭與管壁的接觸可以加工出 不同深度的凹槽，這種加工方法由于平動桿和刀具安裝在一起運動， 不能加工小尺寸的孔徑。(3)激光珩磨方法是通過粗珩、激光造型 和精珩三道工序完成的，用激光加工實現(xiàn)表面微結(jié)構(gòu)加工，然后再進 行珩磨，去除微結(jié)構(gòu)周圍"多余金屬"，這種加工方法要采用專門的激 光器，成本較高。(4)腐蝕加工方法[PatentNo.:US6，303,193 Bl〗 是利用通電狀態(tài)下金屬材料發(fā)生電化學溶解的原理進行，利用專門設 計的工具電極，控制加工時間、加工電壓實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的加工，但以往 的加工方法中都需要制作專門的工具電極，而且對于形狀較復雜的電 極制作困難或難以實現(xiàn)。因此有必要研究一種低成本、高效、表面質(zhì) 量好的金屬零件內(nèi)孔壁面紊流結(jié)構(gòu)制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有金屬零件內(nèi)孔壁面紊流結(jié)構(gòu)的加工方法 所存在的不足，提供一種低成本、高效、表面質(zhì)量好的加工技術(shù)方法。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下 一種金屬零件內(nèi)孔壁面紊流結(jié)構(gòu)的電化學加工方法先在金屬零 件的待加工部位加工出光滑圓孔，接著在光滑圓孔孔壁上用涂膠噴頭 按設定的形狀涂覆一層絕緣膠，待孔壁絕緣膠固化后，再將一金屬絲 置于圓孔的中心軸線上；然后通過如下方式之一在孔壁上加工得到紊 流結(jié)構(gòu)a)以金屬零件作為陽極，以金屬絲作為陰極，施加電壓，通過電解加工在孔壁上形成凹槽狀紊流結(jié)構(gòu)；b)以金屬零件為陰極， 以金屬絲為陽極，施加電壓，通過電鑄加工在孔壁上形成凸起狀紊流 結(jié)構(gòu)；在加工得到紊流結(jié)構(gòu)后，將金屬零件浸泡在絕緣膠清洗劑中，
去除掉先前固化的絕緣膠。
下面對上述技術(shù)方案作具體說明。 本發(fā)明中光滑直孔的加工方法可以采用鉆削、電火花或者電解加
工等方法。本發(fā)明一般控制光滑圓孔的孔徑^2mm，比如在2 3mm， 此時金屬絲的直徑一般在0.3 0.5mm。
本發(fā)明采用涂膠噴頭在孔壁上涂覆絕緣膠，涂膠噴頭的結(jié)構(gòu)如圖 8所示，包括涂膠噴頭支撐桿和涂膠噴嘴，涂膠噴嘴出口為扁長方形， 出口的寬度決定了涂膠的寬度，高度覺得了涂膠的厚度；涂膠時，噴 頭在機床主軸的帶動下，作旋轉(zhuǎn)和進給運動，從而可以在孔壁涂敷出 不同結(jié)構(gòu)形狀的絕緣膠。涂膠噴頭的尺寸可以根據(jù)光滑圓孔的孔徑來 定。
本發(fā)明具體推薦所述的電鑄加工按照如下進行在金屬零件外表 面涂覆一層絕緣膠固化后，將其置于裝有電鑄液的電解液槽中，使電 鑄液進入孔壁和金屬絲的間隙；以金屬零件為陰極、以金屬絲為陽極， 所述的金屬絲通過放絲輪和收絲輪控制沿軸向運動，施加電壓，在孔 壁上未涂覆絕緣層部位金屬離子電沉積，形成凸起狀紊流結(jié)構(gòu)。
所述的金屬絲沿軸向運動的速度為0.1-0.5m/s。
電鑄過程中，使用與陽極材料相同的金屬鹽溶液作為電鑄液，本 發(fā)明使用不銹鋼絲或銅絲作為陽極，相應地，電鑄液可使用FeCl2溶 液或CuS04溶液；電鑄過程采用穩(wěn)流電源，電流密度的大小一般控 制在0.01 0.03A/cm2，電鑄沉積層的厚度可以根據(jù)所施加的電流及
6加工時間來控制。
本發(fā)明所述的電解加工具體按照如下進行以金屬零件為陽極、 以金屬絲作為陰極，使電解液從孔壁與金屬絲間的間隙沖刷流過，施 加電壓，孔壁未涂覆絕緣層部位被電解蝕除，形成凹槽狀紊流結(jié)構(gòu)。
所述的電解液由壓力泵傳輸從孔壁與金屬絲間的間隙流過，保持 壓力為l-5MPa，電解液在沖刷過程中，電解產(chǎn)物也被電解液沖走。
所述的電解加工過程中，金屬絲可采用不銹鋼絲；電解液一般可 選用NaCl、NaN03、NaC103溶液等，通常控制電解液濃度為120g/L 300g/L，加工電壓設置為5 15V，加工時間則可根據(jù)所要求的尺寸 及施加的電壓大小，由法拉第定律分析來定。電解液溫度一般保持在 20 30°C。
所述的電解加工中使用的金屬絲為實心金屬絲或中空金屬管，其 中中空金屬管方便裝夾，使用中空金屬管時光滑圓孔末端保持密閉， 能實現(xiàn)電解液從金屬管進給到光滑圓孔中。
本發(fā)明所述的絕緣膠選用環(huán)氧樹脂材料和固化劑的混合物，所述 的環(huán)氧樹脂材料可使用352AUV膠、WF-106UV膠、623A-80UV膠 等，所述的固化劑選自三乙烯四胺、二丙烯三胺或三甲基六亞甲基二 胺，所述環(huán)氧樹脂材料和固化劑的質(zhì)量比推薦為100: 7 25。本發(fā)明 中絕緣膠的固化過程可在常溫下進行，也可以適當加熱以加快固化速 度。
本發(fā)明在金屬零件加工得到紊流結(jié)構(gòu)后，需用絕緣膠清洗劑將先 前固化在孔壁(當采用電鑄加工時，在金屬零件外表面也涂覆有絕緣 膠)上的絕緣膠去除，本領域技術(shù)人員可以根據(jù)所使用的絕緣膠來自 行選擇絕緣膠清洗劑，如本發(fā)明所述絕緣膠選用環(huán)氧樹脂材料和固化
7劑的混合物，則清洗劑可采用丙酮、甲乙酮、環(huán)已酮、苯、甲苯、二 甲苯、苯乙烯等。
與現(xiàn)有加工技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下優(yōu)點-
(1) 采用專門的設備，根據(jù)要求直接在零件內(nèi)孔壁面涂覆絕緣 膠，從而有效的屏蔽電化學加工中的電場影響，省略了電化學加工過 程中工具電極的制備，降低了生產(chǎn)周期、生產(chǎn)成本。
(2) 通過對涂膠頭運動軌跡的控制，可以涂覆出復雜結(jié)構(gòu)的圖 形，從而加工不同的紊流結(jié)構(gòu)。
(3) 電沉積過程中電極絲保持往復運動，可以保持電解液的更
新，同時對加工過程起到攪拌作用。
綜上分析，本發(fā)明所述零件內(nèi)孔壁面紊流結(jié)構(gòu)加工技術(shù)工藝過程 簡單、易掌握，投資小、加工效率高。


圖1是金屬零件內(nèi)孔壁面涂覆絕緣膠示意圖。
圖2是金屬零件內(nèi)孔壁面涂覆不同形狀的絕緣膠示意圖。
圖3是采用實心金屬絲電解加工去除零件材料示意圖。
圖4是采用中空金屬管電解加工去除零件材料示意圖。
圖5是在電解加工作用下金屬零件內(nèi)孔壁面形成紊流結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6是在電鑄加工作用下金屬零件內(nèi)孔壁面形成紊流結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7是加工后得到的金屬零件內(nèi)孔壁面不同紊流結(jié)構(gòu)形狀。 圖8是本發(fā)明使用的涂膠噴頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中標號名稱1、金屬零件，2a、絕緣膠，3、光滑圓孔，4、
光滑圓孔孔壁，5、電機，6、涂膠器旋轉(zhuǎn)方向，7、涂膠噴頭。
圖2中標號名稱2b、交叉結(jié)構(gòu)的絕緣膠結(jié)構(gòu)，其他與圖1相同。 圖3中標號名稱8a、電解加工用電源，9a、實心金屬絲，10、
電解液流動方向，其他與圖2相同。
圖4中標號名稱9b、中空金屬管，其他與圖3相同。 圖5中標號名稱11、凹槽狀紊流結(jié)構(gòu)，其他與圖3相同。 圖6中標號名稱8b、電鑄加工用電源，12、金屬零件外表面，
13、電鑄用金屬絲，14、金屬絲運動方向，15、凸起狀紊流結(jié)構(gòu)，其
他與圖3相同。
圖7中標號名稱15a、凸臺狀紊流結(jié)構(gòu)，15b、螺旋狀凸起紊流 結(jié)構(gòu)。
圖8中標號名稱16、涂膠噴頭支撐桿，17、涂膠噴嘴。
具體實施例方式
下面以具體實施例來進一步闡述本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明的 保護范圍不限于此-實施例l (凹槽狀紊流結(jié)構(gòu))
在金屬零件1上預先采用電火花方法加工出一孔徑3mm的光滑圓 孔3。接下來，如圖1所示，將涂膠噴頭7裝夾在機床主軸上，并深 入光滑圓孔3內(nèi)，涂膠噴頭7在機床電機4帶動下可以實現(xiàn)不同形式 的運動(如周向和徑向進給6)，涂膠噴頭所噴出的膠的速度由一外 接壓力泵控制，絕緣膠2選用352AUV環(huán)氧樹脂膠，固化劑選用三 乙烯四胺，每100份樹脂用10份固化劑IO(TC下3小時固化。
9待絕緣膠2固化后，將金屬零件1安裝在電解加工機床上，工件
連接電解加工用電源8a的正極，選擇一實心金屬絲9a穿過光滑圓孔 中心軸線并連接電源的負極，濃度為150g/L的NaN03電解液為加工 介質(zhì)，電解液由一壓力泵傳輸從孔壁與金屬絲間的間隙中流過，并保 持壓力2MPa，設置加工電壓8V。
則電解10min后，在孔壁形成具有凹槽狀的紊流結(jié)構(gòu)11，凹槽 深度在0.25mm左右。接下來將工件浸泡在環(huán)氧樹脂清洗劑甲苯(濃 度100%)中2小時，去除掉先前固化在壁面上的絕緣膠。
實施例2 (凸臺狀紊流結(jié)構(gòu))
在金屬零件1上采用電火花加工的方法預先加工出一直徑2mm 的光滑圓孔3，接下來采用與實例1相同的涂膠方法在光滑圓孔3內(nèi) 壁面涂覆一層絕緣膠2，待絕緣膠2固化后，將金屬零件外表面12 涂覆一層絕緣膠并放入裝有電鑄液的電解液槽內(nèi)，電鑄用金屬絲13 穿過金屬零件1上的光滑圓孔中心軸線，電鑄用金屬絲13運動速度 由放線輪和收線輪控制，隨著電鑄用金屬絲13在孔內(nèi)沿軸向運動， 電鑄液被帶入光滑圓孔3中，選擇合適的電解液種類與要沉積的金屬 相適應，在工件接通電鑄用電源8b負極、電鑄用金屬絲13接通電鑄 用電源8b正極的情況下，電鑄液中的金屬離子沉積在光滑圓孔3內(nèi) 壁的金屬裸露處，形成凸起的紊流結(jié)構(gòu)15。隨著電鑄液中金屬離子 的濃度逐漸降低，電鑄用金屬絲13被氧化溶解補充了電鑄液中的離 子，促使反應穩(wěn)定進行。
本實施例絕緣膠組成和固化與實施例1相同。
具體工藝參數(shù)如下電鑄用金屬絲為直徑0.3mm的銅絲，電鑄
10液為CuS04溶液，電流密度為0.02A/cm2，電鑄用金屬絲的運動速度 為0.1m/s，加工2h后，在孔壁上形成凸起狀紊流結(jié)構(gòu)，凸起狀紊流 結(jié)構(gòu)的凸出高度在O.lmm左右。接下來將工件浸泡在環(huán)氧樹脂清洗 劑丙酮(濃度100%)中浸泡2h，去除掉先前固化在壁面以及工件外 表面的絕緣膠。
當光滑圓孔3內(nèi)壁面涂覆不同結(jié)構(gòu)的絕緣膠時，可以制備出不同 結(jié)構(gòu)的紊流結(jié)構(gòu)，如圖15a所示的凸臺狀和圖15b所示的螺旋狀紊流 結(jié)構(gòu)。
應理解的是，以上所述的是本發(fā)明的具體實施例及所運用的技術(shù) 原理，在閱讀了本發(fā)明的上述內(nèi)容之后，本領域技術(shù)人員可以對本發(fā) 明作各種改動或修改而不背離本發(fā)明的精神與范圍，這些等價形式同 樣落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種金屬零件內(nèi)孔壁面紊流結(jié)構(gòu)的電化學加工工藝，其特征在于所述的加工工藝為先在金屬零件的待加工部位加工出光滑圓孔，接著在光滑圓孔孔壁上用涂膠噴頭按設定的形狀涂覆一層絕緣膠，待孔壁絕緣膠固化后，再將一金屬絲置于圓孔的中心軸線上；然后通過如下方式之一在孔壁上加工得到紊流結(jié)構(gòu)a)以金屬零件作為陽極，以金屬絲作為陰極，施加電壓，通過電解加工在孔壁上形成凹槽狀紊流結(jié)構(gòu)；b)以金屬零件為陰極，以金屬絲為陽極，施加電壓，通過電鑄加工在孔壁上形成凸起狀紊流結(jié)構(gòu)；在加工得到紊流結(jié)構(gòu)后，將金屬零件浸泡在絕緣膠清洗劑中，去除掉先前固化的絕緣膠。
2、 如權(quán)利要求1所述的金屬零件內(nèi)孔壁面紊流結(jié)構(gòu)的電化學加工工 藝，其特征在于所述的電鑄加工步驟如下在金屬零件外表面涂覆一 層絕緣膠固化后，將其置于裝有電鑄液的電解液槽中，使電鑄液進入 孔壁和金屬絲的間隙；以金屬零件為陰極、以金屬絲為陽極，所述的 金屬絲通過放絲輪和收絲輪控制沿軸向運動，施加電壓，在孔壁上未 涂覆絕緣層部位金屬離子電沉積，形成凸起狀紊流結(jié)構(gòu)。
3、 如權(quán)利要求2所述的金屬零件內(nèi)孔壁面紊流結(jié)構(gòu)的電化學加工工 藝，其特征在于所述的金屬絲沿軸向運動的速度為0.1-0.5m/s。
4、 如權(quán)利要求1所述的金屬零件內(nèi)孔壁面紊流結(jié)構(gòu)的電化學加工工 藝，其特征在于所述的電解加工步驟如下以金屬零件為陽極、以金 屬絲作為陰極，使電解液從孔壁與金屬絲間的間隙沖刷流過，施加電壓，孔壁未涂覆絕緣層部位被電解蝕除，形成凹槽狀紊流結(jié)構(gòu)。
5、 如權(quán)利要求4所述的金屬零件內(nèi)孔壁面紊流結(jié)構(gòu)的電化學加工工 藝，其特征在于所述的電解液由壓力泵傳輸從孔壁與金屬絲間的間隙 流過，保持壓力為1 5MPa。
6、 如權(quán)利要求1~5之一所述的金屬零件內(nèi)孔壁面紊流結(jié)構(gòu)的電化學加工工藝，其特征在于所述的光滑圓孔的孔徑^2mm。
7、 如權(quán)利要求1~5之一所述的金屬零件內(nèi)孔壁面紊流結(jié)構(gòu)的電化學 加工工藝，其特征在于所述的絕緣膠選用環(huán)氧樹脂材料和固化劑的混 合物，所述的固化劑選自三乙烯四胺、二丙烯三胺或三甲基六亞甲基 二胺，所述環(huán)氧樹脂材料和固化劑的質(zhì)量比為100: 7~25。
8、 如權(quán)利要求7所述的金屬零件內(nèi)孔壁面紊流結(jié)構(gòu)的電化學加工工 藝，其特征在于所述的絕緣膠清洗劑選自下列一種或兩種以上的混 合丙酮、甲乙酮、環(huán)己酮、苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬零件內(nèi)孔壁面紊流結(jié)構(gòu)的電化學加工工藝，所述的加工工藝為先在金屬零件的待加工部位加工出孔徑≥2mm的光滑圓孔，接著在圓孔孔壁上用涂膠噴頭按設定的形狀涂覆一層絕緣膠，待孔壁絕緣膠固化后，再將一金屬絲置于圓孔的中心軸線上；然后通過電解或電鑄在孔壁上加工得到紊流結(jié)構(gòu)，最后用絕緣膠清洗劑去除先前固化的絕緣膠。本發(fā)明采用專門的設備，根據(jù)要求直接在零件內(nèi)孔壁面涂覆絕緣膠，可以有效的屏蔽電化學加工中的電場影響，省略了電化學加工過程中工具電極的制備，降低了生產(chǎn)周期、生產(chǎn)成本；同時通過對涂膠頭運動軌跡的控制，可以涂覆出復雜結(jié)構(gòu)的圖形，從而可加工不同的紊流結(jié)構(gòu)。
文檔編號B23H9/00GK101491851SQ200810163768
公開日2009年7月29日 申請日期2008年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月31日
發(fā)明者偉 彭, 王明環(huán), 明 陳 申請人:浙江工業(yè)大學