CN101491851B - 金属零件内孔壁面紊流结构的电化学加工工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属零件内孔壁面紊流结构的电化学加工工艺，所述的加工工艺为：先在金属零件的待加工部位加工出孔径≥2mm的光滑圆孔，接着在圆孔孔壁上用涂胶喷头按设定的形状涂覆一层绝缘胶，待孔壁绝缘胶固化后，再将一金属丝置于圆孔的中心轴线上；然后通过电解或电铸在孔壁上加工得到紊流结构，最后用绝缘胶清洗剂去除先前固化的绝缘胶。本发明采用专门的设备，根据要求直接在零件内孔壁面涂覆绝缘胶，可以有效的屏蔽电化学加工中的电场影响，省略了电化学加工过程中工具电极的制备，降低了生产周期、生产成本；同时通过对涂胶头运动轨迹的控制，可以涂覆出复杂结构的图形，从而可加工不同的紊流结构。

Description

金属零件内孔壁面紊流结构的电化学加工工艺 

(一)技术领域

本发明涉及金属零件内孔壁面紊流结构的电化学加工工艺，属特种加工技术领域。 

(二)背景技术

为了降低能源消耗，“十一五”国家方针中提出要将能源消费降低两成，由此开发高效、节能的能源消耗设备尤其重要，如使用在航空航天、微电子散热、能源与化工、余热回收、空调制冷、太阳能等领域中的高效节能换热器、冷凝器、预热器等。为了提高设备换热性能、降低能源消耗，研究人员通过分析证明了在传热部件中加工出若干冷却通道(如加工光滑光滑直孔等)可以增强换热性能，改善设备的使用寿命；特别是将换热通道侧壁加工成具有紊流结构的粗糙肋时(如内矩形凹/凸肋、内螺旋肋、不规则的内凸起等)，其传热性能可以得到大幅度的增强，传热效率可以提高到光滑孔的300％；除此之外，这种结构可以进一步减少换热设备的传热面积、缩小体积、降低设备材料的消耗。金属零件内孔壁面紊流结构的加工已引起国内外研究人员的普遍关注。 

金属零件内孔壁面紊流结构的加工方法，比较有代表性的包括以下几种：(1)如滚压加工方法[Patent No.：US 6,760,972 B2]是利用带滚轮的滚压工具，以一定的压力在待加工管材表面作相对滚动，使金属表面产生塑性变形，加工出圆弧形、锥形凹槽以及其他形状的表面结构，它主要适用于管壁较薄、加工材料硬度不大的管壳式异型管加 工。(2)机床辅助刻切方法[中国专利：CN 1038360C]是由机床的刀头带动刻刀沿着径向插入刀盒，刀盒用丝扣与平动杆连接，当平动杆在管内向前运动时，刻刀被刀头的锥体顶出而刻入管壁，随着平动杆的运动，刻刀在管壁上刻出凹槽，控制刀头与管壁的接触可以加工出不同深度的凹槽，这种加工方法由于平动杆和刀具安装在一起运动，不能加工小尺寸的孔径。(3)激光珩磨方法是通过粗珩、激光造型和精珩三道工序完成的，用激光加工实现表面微结构加工，然后再进行珩磨，去除微结构周围“多余金属”，这种加工方法要采用专门的激光器，成本较高。(4)腐蚀加工方法[Patent No.：US 6,303,193 B1]是利用通电状态下金属材料发生电化学溶解的原理进行，利用专门设计的工具电极，控制加工时间、加工电压实现微结构的加工，但以往的加工方法中都需要制作专门的工具电极，而且对于形状较复杂的电极制作困难或难以实现。因此有必要研究一种低成本、高效、表面质量好的金属零件内孔壁面紊流结构制造方法。 

(三)发明内容

本发明目的是针对现有金属零件内孔壁面紊流结构的加工方法所存在的不足，提供一种低成本、高效、表面质量好的加工技术方法。 

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下： 

一种金属零件内孔壁面紊流结构的电化学加工方法：先在金属零件的待加工部位加工出光滑圆孔，接着在光滑圆孔孔壁上用涂胶喷头按设定的形状涂覆一层绝缘胶，待孔壁绝缘胶固化后，再将一金属丝置于圆孔的中心轴线上；然后通过如下方式之一在孔壁上加工得到紊流结构：a)以金属零件作为阳极，以金属丝作为阴极，施加电压， 通过电解加工在孔壁上形成凹槽状紊流结构；b)以金属零件为阴极，以金属丝为阳极，施加电压，通过电铸加工在孔壁上形成凸起状紊流结构；在加工得到紊流结构后，将金属零件浸泡在绝缘胶清洗剂中，去除掉先前固化的绝缘胶。 

下面对上述技术方案作具体说明。 

本发明中光滑直孔的加工方法可以采用钻削、电火花或者电解加工等方法。本发明一般控制光滑圆孔的孔径≥2mm，比如在2～3mm，此时金属丝的直径一般在0.3～0.5mm。 

本发明采用涂胶喷头在孔壁上涂覆绝缘胶，涂胶喷头的结构如图8所示，包括涂胶喷头支撑杆和涂胶喷嘴，涂胶喷嘴出口为扁长方形，出口的宽度决定了涂胶的宽度，高度觉得了涂胶的厚度；涂胶时，喷头在机床主轴的带动下，作旋转和进给运动，从而可以在孔壁涂敷出不同结构形状的绝缘胶。涂胶喷头的尺寸可以根据光滑圆孔的孔径来定。 

本发明具体推荐所述的电铸加工按照如下进行：在金属零件外表面涂覆一层绝缘胶固化后，将其置于装有电铸液的电解液槽中，使电铸液进入孔壁和金属丝的间隙；以金属零件为阴极、以金属丝为阳极，所述的金属丝通过放丝轮和收丝轮控制沿轴向运动，施加电压，在孔壁上未涂覆绝缘层部位金属离子电沉积，形成凸起状紊流结构。 

所述的金属丝沿轴向运动的速度为0.1-0.5m/s。 

电铸过程中，使用与阳极材料相同的金属盐溶液作为电铸液，本发明使用不锈钢丝或铜丝作为阳极，相应地，电铸液可使用FeCl₂溶液或CuSO₄溶液；电铸过程采用稳流电源，电流密度的大小一般控制在0.01～0.03A/cm²，电铸沉积层的厚度可以根据所施加的电流及 加工时间来控制。 

本发明所述的电解加工具体按照如下进行：以金属零件为阳极、以金属丝作为阴极，使电解液从孔壁与金属丝间的间隙冲刷流过，施加电压，孔壁未涂覆绝缘层部位被电解蚀除，形成凹槽状紊流结构。 

所述的电解液由压力泵传输从孔壁与金属丝间的间隙流过，保持压力为1-5MPa，电解液在冲刷过程中，电解产物也被电解液冲走。 

所述的电解加工过程中，金属丝可采用不锈钢丝；电解液一般可选用NaCl、NaNO₃、NaClO₃溶液等，通常控制电解液浓度为120g/L～300g/L，加工电压设置为5～15V，加工时间则可根据所要求的尺寸及施加的电压大小，由法拉第定律分析来定。电解液温度一般保持在20～30℃。 

所述的电解加工中使用的金属丝为实心金属丝或中空金属管，其中中空金属管方便装夹，使用中空金属管时光滑圆孔末端保持密闭，能实现电解液从金属管进给到光滑圆孔中。 

本发明所述的绝缘胶选用环氧树脂材料和固化剂的混合物，所述的环氧树脂材料可使用352AUV胶、WF-106UV胶、623A-80UV胶等，所述的固化剂选自三乙烯四胺、二丙烯三胺或三甲基六亚甲基二胺，所述环氧树脂材料和固化剂的质量比推荐为100∶7～25。本发明中绝缘胶的固化过程可在常温下进行，也可以适当加热以加快固化速度。 

本发明在金属零件加工得到紊流结构后，需用绝缘胶清洗剂将先前固化在孔壁(当采用电铸加工时，在金属零件外表面也涂覆有绝缘胶)上的绝缘胶去除，本领域技术人员可以根据所使用的绝缘胶来自行选择绝缘胶清洗剂，如本发明所述绝缘胶选用环氧树脂材料和固化 剂的混合物，则清洗剂可采用丙酮、甲乙酮、环已酮、苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯等。 

与现有加工技术相比较，本发明具有以下优点： 

(1)采用专门的设备，根据要求直接在零件内孔壁面涂覆绝缘胶，从而有效的屏蔽电化学加工中的电场影响，省略了电化学加工过程中工具电极的制备，降低了生产周期、生产成本。 

(2)通过对涂胶头运动轨迹的控制，可以涂覆出复杂结构的图形，从而加工不同的紊流结构。 

(3)电沉积过程中电极丝保持往复运动，可以保持电解液的更新，同时对加工过程起到搅拌作用。 

综上分析，本发明所述零件内孔壁面紊流结构加工技术工艺过程简单、易掌握，投资小、加工效率高。 

(四)附图说明

图1是金属零件内孔壁面涂覆绝缘胶示意图。 

图2是金属零件内孔壁面涂覆不同形状的绝缘胶示意图。 

图3是采用实心金属丝电解加工去除零件材料示意图。 

图4是采用中空金属管电解加工去除零件材料示意图。 

图5是在电解加工作用下金属零件内孔壁面形成紊流结构示意图。 

图6是在电铸加工作用下金属零件内孔壁面形成紊流结构示意图。 

图7是加工后得到的金属零件内孔壁面不同紊流结构形状。 

图8是本发明使用的涂胶喷头的结构示意图。 

图1中标号名称：1、金属零件，2a、绝缘胶，3、光滑圆孔，4、光滑圆孔孔壁，5、电机，6、涂胶器旋转方向，7、涂胶喷头。 

图2中标号名称：2b、交叉结构的绝缘胶结构，其他与图1相同。 

图3中标号名称：8a、电解加工用电源，9a、实心金属丝，10、电解液流动方向，其他与图2相同。 

图4中标号名称：9b、中空金属管，其他与图3相同。 

图5中标号名称：11、凹槽状紊流结构，其他与图3相同。 

图6中标号名称：8b、电铸加工用电源，12、金属零件外表面，13、电铸用金属丝，14、金属丝运动方向，15、凸起状紊流结构，其他与图3相同。 

图7中标号名称：15a、凸台状紊流结构，15b、螺旋状凸起紊流结构。 

图8中标号名称：16、涂胶喷头支撑杆，17、涂胶喷嘴。 

(五)具体实施方式

下面以具体实施例来进一步阐述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此： 

实施例1(凹槽状紊流结构)： 

在金属零件1上预先采用电火花方法加工出一孔径3mm的光滑圆孔3。接下来，如图1所示，将涂胶喷头7装夹在机床主轴上，并深入光滑圆孔3内，涂胶喷头7在机床电机4带动下可以实现不同形式的运动(如周向和径向进给6)，涂胶喷头所喷出的胶的速度由一外接压力泵控制，绝缘胶2选用352AUV环氧树脂胶，固化剂选用三乙烯四胺，每100份树脂用10份固化剂：100℃下3小时固化。 

待绝缘胶2固化后，将金属零件1安装在电解加工机床上，工件连接电解加工用电源8a的正极，选择一实心金属丝9a穿过光滑圆孔中心轴线并连接电源的负极，浓度为150g/L的NaNO₃电解液为加工介质，电解液由一压力泵传输从孔壁与金属丝间的间隙中流过，并保持压力2MPa，设置加工电压8V。 

则电解10min后，在孔壁形成具有凹槽状的紊流结构11，凹槽深度在0.25mm左右。接下来将工件浸泡在环氧树脂清洗剂甲苯(浓度100％)中2小时，去除掉先前固化在壁面上的绝缘胶。 

实施例2(凸台状紊流结构)： 

在金属零件1上采用电火花加工的方法预先加工出一直径2mm的光滑圆孔3，接下来采用与实例1相同的涂胶方法在光滑圆孔3内壁面涂覆一层绝缘胶2，待绝缘胶2固化后，将金属零件外表面12涂覆一层绝缘胶并放入装有电铸液的电解液槽内，电铸用金属丝13穿过金属零件1上的光滑圆孔中心轴线，电铸用金属丝13运动速度由放线轮和收线轮控制，随着电铸用金属丝13在孔内沿轴向运动，电铸液被带入光滑圆孔3中，选择合适的电解液种类与要沉积的金属相适应，在工件接通电铸用电源8b负极、电铸用金属丝13接通电铸用电源8b正极的情况下，电铸液中的金属离子沉积在光滑圆孔3内壁的金属裸露处，形成凸起的紊流结构15。随着电铸液中金属离子的浓度逐渐降低，电铸用金属丝13被氧化溶解补充了电铸液中的离子，促使反应稳定进行。 

本实施例绝缘胶组成和固化与实施例1相同。 

具体工艺参数如下：电铸用金属丝为直径0.3mm的铜丝，电铸 液为CuSO₄溶液，电流密度为0.02A/cm²，电铸用金属丝的运动速度为0.1m/s，加工2h后，在孔壁上形成凸起状紊流结构，凸起状紊流结构的凸出高度在0.1mm左右。接下来将工件浸泡在环氧树脂清洗剂丙酮(浓度100％)中浸泡2h，去除掉先前固化在壁面以及工件外表面的绝缘胶。 

当光滑圆孔3内壁面涂覆不同结构的绝缘胶时，可以制备出不同结构的紊流结构，如图15a所示的凸台状和图15b所示的螺旋状紊流结构。 

应理解的是，以上所述的是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，在阅读了本发明的上述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改而不背离本发明的精神与范围，这些等价形式同样落在本发明的范围内。 

Claims (6)

1.一种金属零件内孔壁面紊流结构的电化学加工工艺，其特征在于所述的加工工艺为：先在金属零件的待加工部位加工出光滑圆孔，接着在光滑圆孔孔壁上用涂胶喷头按设定的形状涂覆一层绝缘胶，待孔壁绝缘胶固化后，再将一金属丝置于圆孔的中心轴线上；然后通过如下方式之一在孔壁上加工得到紊流结构：a)以金属零件作为阳极，以金属丝作为阴极，施加电压，通过电解加工在孔壁上形成凹槽状紊流结构，所述的电解加工步骤如下：以金属零件为阳极、以金属丝作为阴极，使电解液从孔壁与金属丝间的间隙冲刷流过，施加电压，孔壁未涂覆绝缘层部位被电解蚀除，形成凹槽状紊流结构；b)以金属零件为阴极，以金属丝为阳极，施加电压，通过电铸加工在孔壁上形成凸起状紊流结构，所述的电铸加工步骤如下：在金属零件外表面涂覆一层绝缘胶固化后，将其置于装有电铸液的电解液槽中，使电铸液进入孔壁和金属丝的间隙，以金属零件为阴极、以金属丝为阳极，所述的金属丝通过放丝轮和收丝轮控制沿轴向运动，施加电压，在孔壁上未涂覆绝缘层部位金属离子电沉积，形成凸起状紊流结构；在加工得到紊流结构后，将金属零件浸泡在绝缘胶清洗剂中，去除掉先前固化的绝缘胶。

2.如权利要求1所述的金属零件内孔壁面紊流结构的电化学加工工艺，其特征在于所述的金属丝沿轴向运动的速度为0.1-0.5m/s。

3.如权利要求1所述的金属零件内孔壁面紊流结构的电化学加工工艺，其特征在于所述的电解液由压力泵传输从孔壁与金属丝间的间隙流过，保持压力为1～5MPa。

4.如权利要求1～3之一所述的金属零件内孔壁面紊流结构的电化学加工工艺，其特征在于所述的光滑圆孔的孔径≥2mm。

5.如权利要求1～3之一所述的金属零件内孔壁面紊流结构的电化学加工工艺，其特征在于所述的绝缘胶选用环氧树脂材料和固化剂的混合物，所述的固化剂选自三乙烯四胺、二丙烯三胺或三甲基六亚甲基二胺，所述环氧树脂材料和固化剂的质量比为100∶7～25。

6.如权利要求5所述的金属零件内孔壁面紊流结构的电化学加工工艺，其特征在于所述的绝缘胶清洗剂选自下列一种或两种以上的混合：丙酮、甲乙酮、环己酮、苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯。

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