CN104668676A - 制造电化学加工用工具的方法以及用该方法制造的工具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制造电化学加工用工具的方法以及用该方法制造的工具，特别涉及一种制造型管电解加工用的管型电极的方法。在该方法中，提供了由导电材料制成的管，然后在所述管的外侧面上形成电绝缘层。该形成电绝缘层的步骤包括以下两个步骤中的至少一个：至少在所述管的外侧面的靠近前端的区域上用微弧氧化法形成陶瓷涂层；至少在所述管的外侧面的靠近前端的区域上用下述方法形成搪瓷涂层。该形成搪瓷涂层的方法包括：通过喷涂、刷涂或浸渍的方法将包括搪瓷和粘合剂的浆料至少涂覆于所述管的外侧面的靠近前端的区域，然后在300摄氏度到1000摄氏度之间的温度下加热所述浆料使其扩散。此外，本发明也涉及用所述方法制造的管型电极。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造电化学加工用的工具的方法以及用该方法制造的工具，尤其是涉及一种制造型管电解加工钻孔用的工具的方法以及用该方法制造的工具。
背景技术
电化学加工是用电化学力代替机械力来从工件上去除材料，其被广泛用来在一些难以加工的导电工件/部件上钻孔。作为电化学加工的一种形式，型管电解加工（shaped-tube electrolytic machining，STEM）钻孔是一种不接触的电化学钻孔工艺，其用施加了电压的空电极（管型电极）去除材料，可用来产生高深宽比结构的孔。STEM钻孔技术可用来在导电工件上钻出又小又深的孔，被用来加工涡轮叶片上的冷却空气孔。
一般地，用于STEM工艺的型管电极会在其外侧面形成一层树脂类型或聚合物类型涂层，来获得电绝缘性能和更好的耐腐蚀性能。而型管电极的前端面被用作阴极加工工具，其上没有涂层，直接暴露于电解液。在STEM钻孔过程中，在型管电极的前端区域发生的电化学反应中产生的氢会降低涂层的结合力，破坏涂层粘附作用，导致附着失败，尤其是对于在有氢存在的情况下会发生氧化的阴极材料而言，所述附着失败的情况会发生得更加迅速。此外，电解液高速冲液导致电极前端区域的涂层结合力降低，而电极前端区域附近，在电极与其所钻的孔之间相互作用之处常发生涂层刮擦，导致所述电极前端区域的涂层很容易剥落。当所述型管电极用来钻很深的孔时，涂层甚至可能从所述电极表面脱落下来。所述毁坏和剥落，可能导致工艺过程不稳定，所钻的孔质量不合格，甚至会导致管型电极发生弯曲和钻孔失败。因此，为了解决这个问题，需要提供一种具有抗剥落涂层的STEM电极。
发明内容
本发明的一方面涉及一种制造型管电解加工用的管型电极的方法。在该方法中，提供了由导电材料制成的管，然后在所述管的外侧面上形成电绝缘层。该形成电绝缘层的步骤包括以下两个步骤中的至少一个：至少在所述管的外侧面的靠近前端的区域上用微弧氧化法形成陶瓷涂层；至少在所述管的外侧面的靠近前端的区域上用下述方法形成搪瓷涂层。该形成搪瓷涂层的方法包括：通过喷涂、刷涂或浸渍的方法将包括搪瓷和粘合剂的浆料至少涂覆于所述管的外侧面的靠近前端的区域，然后在300摄氏度到1000摄氏度之间的温度下加热所述浆料使其扩散。
本发明的另一方面涉及一种用于型管电解加工的管型电极。该管型电极包括：由导电材料制成的管、以及在所述管的外侧面上形成的电绝缘层。该电绝缘层包括至少位于所述管的外侧面的靠近前端的区域上的用微弧氧化法形成的陶瓷涂层和用下述方法形成的搪瓷涂层中的至少一个。其中形成搪瓷涂层的方法包括：通过喷涂、刷涂或浸渍的方法将包括搪瓷和粘合剂的浆料至少涂覆于所述管的外侧面的靠近前端的区域，然后在300摄氏度到1000摄氏度之间的温度下加热所述浆料使其扩散。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1中的示意图显示了用一种示例性的型管电解加工（STEM）钻孔系统在工件上加工小径深孔的情况。
图2中的示意图显示了STEM钻孔用的一个示例性的管型电极的前端附近部分。
图3是STEM钻孔用的一个示例性的管型电极的横截面示意图。
具体实施方式
除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语可包括物理的或者机械的连接，也可包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。
本文中所使用的近似性的语言可用于定量表述，表明在不改变基本功能的情况下可允许数量有一定的变动。因此，用“大约”、“左右”等语言所修正的数值不限于该准确数值本身。在一些实施例中，“大约”或“约”表示允许其修正的数值在正负百分之十（10%）的范围内变化，比如，“约100”表示的可以是90到110之间的任何数值。此外，在“大约第一数值到第二数值”的表述中，大约同时修正第一和第二数值两个数值。在某些情况下，近似性语言可能与测量仪器的精度有关。
本发明实施例涉及型管电解加工（STEM）钻孔、STEM钻孔工具、以及制造STEM钻孔工具的方法。如图1所示，在一种示例性的STEM钻孔过程中，可用管型电极102在工件104上加工小径深孔。所述管型电极102用夹持装置106夹持，其中该夹持装置106还可作为电源连接器，接于电源108的阴极。电源108的阳极连接于工件104。所述管型电极102是长的，具有两个纵长端，其中前端作用于被钻孔的工件104，另一端（尾端）连接于电解液歧管110。该电解液歧管110通过泵114与电解液槽112相连，以通过所述泵114从所述电解液槽112向所述电解液歧管110提供加压的电解液。所述管型电极102内有电解液通道116，用来让电解液从所述电解液歧管110流到管型电极102与工件104相互作用的电极前端。用驱动装置118来驱动所述管型电极102动作。在驱动装置118和连接于管型电极102的电解液歧管110之间可设置一个连接机构120来实现驱动装置118和管型电极102之间的刚性连接，以使驱动装置118能驱动电极准确进给。用控制装置122来控制所述STEM钻孔过程，所述控制装置122为驱动装置118提供进给控制，为泵114和电解液槽112提供压力和电解液条件控制，为电源108提供功率调节器控制。为了防止所述长的管型电极102在STEM钻孔过程中发生偏移，可在工件104和夹持装置106之间设置一个可拆卸的导套124，用来引导管型电极102的运动。
在本发明的一些实施例中，所述管型电极102长达1000毫米或更长，且其口径可小于2毫米，比如，约为1.6毫米或更小，因此，通过该管型电极102可加工获得深宽比高达300：1或更高的孔。
如图2所示，一般地，所述管型电极102为外侧面上覆有电绝缘层132的导电管130。在STEM钻孔的过程中，从电解液通道116流出的电解液冲刷所述管型电极102的没有覆盖电绝缘层的前端面134、以及位于该前端面上的电绝缘层和管型电极基体的连接处136。
在本发明的实施例中，以数十微米厚度的陶瓷或搪瓷涂层为所述管型电极的电绝缘层。其中所述陶瓷或搪瓷涂层的厚度可以是大于10微米，或进一步地，大于30微米，或更进一步地，大于50微米。所述陶瓷或搪瓷涂层通过一定方法制成，不仅能提供好的电绝缘性能和可靠的抗腐蚀性能，涂层与基体的结合力也好，表面质量硬且平滑，这可确保电极前端部分的陶瓷或搪瓷涂层能耐受电解液的强力冲刷、以及电极与其所钻的孔的内壁之间频繁的刮擦，而不会从电极基体上剥落下来。
其中，所述陶瓷涂层是通过微弧氧化（micro arc oxidation，MAO）法获得的，所述搪瓷涂层是通过以下方法获得的：将包括搪瓷和粘合剂的浆料通过喷涂、刷涂或浸渍的方法覆于基体的表面，在约300至1000摄氏度的温度下加热所述浆料使其扩散。微弧氧化法和前述制备搪瓷涂层的方法都是有成本效益的涂层制备方法，所述用微弧氧化法制得的陶瓷涂层和用前述方法制得的搪瓷涂层是坚硬致密的涂层，有极好的抗化学腐蚀性能和低孔隙度，用于需要持续几个小时才能完成一次钻的STEM深孔加工过程时，可给STEM电极提供极好的抗刮擦性能。
在本发明的一个方面，提供了一种制造STEM钻孔用的管型电极的方法。在该方法中，先提供一个导电管，然后在该管的外侧面上形成电绝缘层。在所述在管的外侧面上形成电绝缘层的步骤中，至少在管的外侧面的靠近管的的前端的区域通过微弧氧化法形成陶瓷涂层或是通过以下方法形成搪瓷涂层：将包括搪瓷和粘合剂的浆料通过喷涂、刷涂或浸渍的方法覆于基体的表面，在约300至1000摄氏度的温度下加热所述浆料使其扩散。通常所述粘合剂为有机材料。
所述导电管可用不同的导电材料制成，如可用来制STEM电极的金属材料，包括但不限于钛（Ti）、铜（Cu）和不锈钢。所述管可能足够细长，以在导电材料上加工深宽比高于100：1或甚至高于300：1的小径深孔。
所述管的外侧面是指管的外周面，外侧面的靠近前端的区域是指靠近管的前端的一截外侧面，其自管的前端开始，在管内流过的电解液的流动方向上有一定的长度（L，如图2所示）。所述长度L可以占管的总长度的0.5-10%，或进一步地，0.5-5%，或更进一步地，0.5-3%。在一些实施例中，所述长度L在约5毫米到100毫米的范围内，或进一步地，在约5毫米到50毫米的范围内，或更进一步地，在约5毫米到30毫米的范围内。
为了防止所述细长的STEM管型电极的前端在其所加工的孔内发生抖动，可在所述管的外侧面上设置稳定结构。所述稳定结构可以是凸出于所述管的外侧面的一种结构，或更适宜的，是凸出于所述管的外侧面的靠近前端的区域的一种结构。在具体的实施例中，所述稳定结构可以是环形突起，或是包括一个或多个的突块。比如，如图3所示，所述稳定结构包括凸出于所述管的外侧面的靠近前端的区域的结节状突块140。对于所述结节状突块的数量没有限制，根据具体的需要，所述管上可设两个或更多这样的结节状突块。比如，可在管的外侧面的靠近前端的区域上相对的两侧分别设置一个所述结节状突块，或者是在管的外侧面的靠近前端的区域上设置沿周向排成一圈的多个所述结节状突块。所述结节状突块等稳定结构，部分填充了STEM电极及其所加工的孔之间的空隙，因而能减少STEM电极的前端可能发生的抖动。在一些实施例中，所述稳定结构凸出所述管的外侧面的高度约在0.1毫米到0.5毫米的范围内，或进一步地，在0.1毫米到0.3毫米的范围内。
在一些具体的实施例中，至少在所述管的外侧面的靠近前端的区域上通过微弧氧化法形成陶瓷涂层。在一些实现方式中，所述微弧氧化法形成的陶瓷涂层覆盖整个管的外侧面。在一些实现方式中，只在外侧面的靠近前端的区域上用微弧氧化法形成陶瓷涂层，而在外侧面的其他区域形成树脂类型或聚合物型涂层。
在所述微弧氧化法中，将金属基体（所述导电管）放置于脉冲电场下的水溶液电解浴中，其中，在施加了端电压的情况下，所述基体的表面上发生火花放电。所述火花放电产生高温，使得基体的金属原子与电解液溶液中的活化氧离子结合形成具有陶瓷结构和特性的涂层。所述涂层具有极好的机械性能，包括但不限于耐磨性和硬度，所述涂层还与金属基体的表面具有很强的结合力。
在一些具体的实施例中，至少在所述管的外侧面的靠近前端的区域上通过以下方法形成搪瓷涂层：将包括搪瓷和粘合剂的浆料通过喷涂、刷涂或浸渍的方法覆于基体的表面，在约300至1000摄氏度的温度下加热所述浆料使其扩散。在一些实现方式中，所述方法形成的搪瓷涂层覆盖整个管的外侧面。在一些实现方式中，只在外侧面的靠近前端的区域上用所述方法形成搪瓷涂层，而在外侧面的其他区域形成树脂类型或聚合物型涂层。
在所述形成搪瓷涂层的方法中，通过喷涂、刷涂或浸渍等方法将包含搪瓷和粘合剂的浆料涂覆于基体（所述导电管）的表面，在一些实现方式中，所述浆料是通过静电喷粉器喷涂到基体表面，或是通过刷子等工具刷涂到基体表面的。在一些实现方式中，可将所述基体浸渍或部分浸渍到所述浆料中，以让至少部分的基体上涂覆有所述浆料。所述通过喷涂、刷涂或浸渍等方法将包含搪瓷和粘涂覆于基体上的浆料吸附于基体的表面形成浆料层，在约300摄氏度到1000摄氏度的温度下加热所述浆料层使其扩散，然后使其流平固化形成最后的搪瓷涂层。用所述方法形成的搪瓷涂层的机械性能很好，与基体的结合力强，抗腐蚀和老化能力也强。
在一个具体的实施例中，所述搪瓷涂层是通过静电喷涂法形成的。在一个具体的实施例中，是将浆料刷在整个所述管的外侧面，然后在约300摄氏度到1000摄氏度的温度下进行加热扩散。在一个具体的实施例中，是将所述管浸渍在所述浆料在中，以在整个管的外侧面上涂覆上一层浆料层，然后在约300摄氏度到1000摄氏度的温度下进行加热扩散。
不管是用微弧氧化法形成的陶瓷涂层还是用前述方法形成的搪瓷涂层的硬度都高，与一般的涂层，如树脂涂层相比，其用于STEM钻孔时要耐用得多，可使管型电极的前端区域更能耐受STEM钻孔过程中产生的更高的冲刷压力，而不会发生剥落。所述更高压的STEM钻孔过程适合用来制造更深的孔，比如，将来可能需要的更大尺寸的涡轮叶片上的冷却孔。此外，微弧氧化法和前述形成搪瓷涂层的方法都是低成本的方法，用这样的方法来为所述管型电极形成涂层可降低管型电极的总体造价。
在另一个方面，本发明实施例提供了一种用于STEM钻深孔的管型电极。所述管型电极在其管的外侧面上有一层电绝缘层，该电绝缘层包括至少位于外侧面的靠近前端的区域上的用微弧氧化法形成的陶瓷涂层或是通过以下方法形成的搪瓷涂层：将包括搪瓷和粘合剂的浆料通过喷涂、刷涂或浸渍的方法覆于基体的表面，在约300至1000摄氏度的温度下加热所述浆料使其扩散。
如前所述，所述外侧面的靠近前端的区域是指靠近管的前端的一截外侧面，其自管的前端开始在管内流过的电解液的流动方向上有一定的长度。可在所述管的外侧面的靠近前端的区域上设置稳定结构，且该稳定结构凸出外侧面一定的高度，因此，在所述管上形成涂层成为管型电极后，该管型电极上也有对应的突出于其外侧面的稳定结构，具体形式可如前所述。
在一些具体的实施例中，所述电绝缘层包括位于所述管的外侧面的靠近前端的区域的用微弧氧化法形成的陶瓷涂层。在一些实现方式中，所述电绝缘层包括覆盖整个管的外侧面的用微弧氧化法形成的陶瓷涂层。在一些实现方式中，所述电绝缘层包括位于外侧面的靠近前端的区域的用微弧氧化法形成陶瓷涂层、以及位于外侧面上其余区域的树脂类型或聚合物型涂层。
在一些具体的实施例中，所述电绝缘层包括位于所述管的外侧面的靠近前端的区域的通过以下方法形成的搪瓷涂层：将包括搪瓷和粘合剂的浆料通过喷涂、刷涂或浸渍的方法覆于基体的表面，在约300至1000摄氏度的温度下加热所述浆料使其扩散。在一些实现方式中，所述电绝缘层包括覆盖整个管的外侧面的用所述方法形成的搪瓷涂层。在一些实现方式中，所述电绝缘层包括位于外侧面的靠近前端的区域的用所述方法形成搪瓷涂层、以及位于外侧面上其余区域的树脂类型或聚合物型涂层。
本发明可用其他的不违背本发明的精神或主要特征的具体形式来概述。因此，本发明的上述实施方案都只能认为是对本发明的说明而不能限制本发明，本发明的范围是由权利要求书界定，而不是由上述具体实施方案界定的，因此，在与本发明的权利要求书相当的含义和范围内的任何改变，都应认为是包括在权利要求书的范围内。
Claims (10)
1.一种制造型管电解加工用的管型电极的方法，其包括：
提供由导电材料制成的管；
在所述管的外侧面上形成电绝缘层，其包括以下两个步骤中的至少一个：
至少在所述管的外侧面的靠近前端的区域上用微弧氧化法形成陶瓷涂层；和
至少在所述管的外侧面的靠近前端的区域上用以下方法形成搪瓷涂层：
通过喷涂、刷涂或浸渍的方法将包括搪瓷和粘合剂的浆料至少涂覆于所述管的外侧面的靠近前端的区域；以及
在300摄氏度到1000摄氏度之间的温度下加热所述浆料使其扩散。
2.如权利要求1所述的方法，其中，在所述导电管的外侧面上形成电绝缘层的步骤包括在所述管的外侧面的靠近前端的区域上用微弧氧化法形成陶瓷涂层。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述在所述导电管的外侧面上形成电绝缘层的步骤包括在所述管的外侧面的靠近前端的区域上用所述形成搪瓷涂层的方法形成陶瓷涂层。
4.如权利要求2或3所述的方法，其进一步包括在所述管的外侧面的其余区域形成树脂类型或聚合物类型的涂层。
5.一种用于型管电解加工用的管型电极，其包括：
用导电材料制成的管；以及
形成于所述管的外侧面上的电绝缘层，该电绝缘层包括至少位于所述管的外侧面的靠近前端的区域上的陶瓷涂层和搪瓷涂层中的至少一种，其中，
所述陶瓷涂层是用微弧氧化法形成的；
所述搪瓷涂层是用以下方法形成的：
通过喷涂、刷涂或浸渍的方法将包括搪瓷和粘合剂的浆料至少涂覆于所述管的外侧面的靠近前端的区域；以及
在300摄氏度到1000摄氏度之间的温度下加热所述浆料使其扩散。
6.一种如权利要求5所述的管型电极，其中，所述电绝缘层包括位于所述管的外侧面的靠近前端的区域上的用微弧氧化法形成的陶瓷涂层。
7.一种如权利要求5所述的管型电极，其中，所述电绝缘层包括位于所述管的外侧面的靠近前端的区域上的用所述搪瓷形成法所形成的搪瓷涂层。
8.一种如权利要求6或7所述的管型电极，其中，所述电绝缘层进一步包括位于所述管的外侧面的其余区域上的树脂涂层或聚合物涂层。
9.一种如权利要求2或3所述的方法或如权利要求6或7所述的管型电极，其中，所述陶瓷涂层或搪瓷涂层覆盖整个所述管的外侧面。
10.一种如权利要求1所述的方法或如权利要求5所述的管型电极，其中，所述管包括凸出于其外侧面的靠近前端的区域的稳定结构，该稳定结构的凸出高度在0.1毫米到0.5毫米的范围内。
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