CN108728884A - 一种磁场式单阳极阴极电泳涂装设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涂装设备领域，尤其涉及一种通过磁场对带电粒子产生洛伦兹力作用，进而极大程度地提高阴极待加工材料表面涂层均匀性和致密性的磁场式单阳极阴极电泳涂装设备，包括电泳槽以及在电泳槽内相对设置的阴极结构和阳极结构，电泳槽底部设有第一磁场发生机构，电泳槽相对的两侧壁设有第二磁场发生机构。

Description

一种磁场式单阳极阴极电泳涂装设备

技术领域

本发明涉及涂装设备领域，尤其涉及一种通过磁场对带电粒子产生洛伦兹力作用，进而极大程度地提高阴极待加工材料表面涂层均匀性和致密性的磁场式单阳极阴极电泳涂装设备。

背景技术

电泳涂装是一种特殊的涂膜形成方法，仅适用于与一般涂料不同的电泳涂装专用的水性涂料，在汽车配件的涂装领域中应用尤为广泛。它是将具有导电性的被涂物浸渍在装满水稀释的、浓度比较低的电泳涂料槽中作为阳极或阴极、在槽中另设置与其相对应的阴极或阳极，在两极间通直流电，在被涂物上析出均一、水不溶的涂膜的一种涂装方法。根据被涂物的极性和电泳涂料的种类，电泳涂装法可分为阳极电泳涂装和阴极电泳涂装，其中阴极电泳涂装的被涂物为阴极，所采用的电泳涂料是阳离子型。

而电泳涂装往往需要用到电泳设备，电泳设备根据待加工工件的极性可分为阴极和阳极，另在阴极电泳涂装设备中可根据待加工工件的需求再分为单阳极和双阳极电泳，阴极电泳涂装所需用的设备即阴极电泳涂装设备，其通常包括有主要的电泳槽、阴极结构和阳极结构，以及起到辅助性功能的过滤装置、热交换装置、极夜循环系统、直流脉冲电源、置换槽/备用槽、涂装室、清洗设备和超滤回收装置，以适应不同电泳涂装工作。

但是目前市面上所采用的阴极电泳涂装设备，尤其是单阳极的阴极电泳涂装设备在电泳涂装加工时，由于带电粒子的电泳方向由阳极直接指向阴极，因此电泳到达待加工工件的侧面的带电粒子较少，电泳沉积效果较差，而正朝向阳极一面的待加工工件的电泳沉积效果较优，涂层较厚，产生了待加工工件外表面电泳沉积涂层的均匀性较差的问题。

中国专利局于2012年4月25日公开了一种一体化水平凝胶电泳装置的发明专利授权，授权公告号为CN102423633A，该装置主要由以下部分组成：注塑成的水平电泳装置应带有一个介于阳极槽和阴极槽之间的凝胶槽；该装置的第一个内槽壁将阳极槽和凝胶槽分隔开，该内槽壁上有一可掰断的脆弱部分，该装置的另一个内槽壁将阴极槽和凝胶槽分隔开，该内槽壁上也有一可掰断的脆弱部分；贮存在阳极槽和阴极槽中的电泳缓冲液；处于凝胶槽中的预制胶，其底边直接与电泳槽模具的内侧底部相接触；将凝胶槽、阳极槽和阴极槽组合在一起就组成了即用型的一体化电泳装置。其简化了电泳的处理过程和操作步骤，提高了工作效率，降低了成本，并避免了设备清洗和维护消耗的时间。但在提高加工效果上没有得到提升。

中国专利局还于2012年7月18日公开了一种电泳涂装装置的发明专利授权，授权公告号为CN102586840A，其提供一种能够通过抑制异物向下一车辆或后方的车辆的附着，来提高将多个车辆连续地送入电泳槽而进行的电泳工程的生产性的电泳涂装装置及电泳涂装方法。所述电泳涂装装置将车辆浸渍在充满于电泳槽的电泳液中，能够一边使所述车辆在所述电泳槽内运送一边进行电泳涂装，所述电泳涂装装置包括能够在所述电泳槽内搅拌所述电泳液的搅拌装置，所述搅拌装置至少包括：对于所述车辆，能够朝向与所述被涂物的运送方向相对的方向，以相互不同的输出喷出所述电泳液的右侧面循环系统及左侧面循环系统。其确实在一定程度上改善了被涂物各侧表面涂装的均匀性，但其装置过于庞大复杂，在现有的阴极电泳涂装设备上无法进行改造，需配置新设备，成本较高，且其采用分别对左右两侧面进行电泳涂装的方式来提高侧面涂装的均匀性，其仍难以保证稳定的高均匀性涂装，并且无法对涂层的致密性作出改善。

发明内容

为解决现有技术中所采用的阴极电泳涂装设备，尤其是单阳极的阴极电泳涂装设备在电泳涂装加工时，由于带电粒子的电泳方向由阳极直接指向阴极，因此电泳到达待加工工件的侧面的带电粒子较少，电泳沉积效果较差，而正朝向阳极一面的待加工工件的电泳沉积效果较优，涂层较厚，产生了待加工工件外表面电泳沉积涂层的均匀性较差的问题，本发明提供了一种通过磁场对带电粒子产生洛伦兹力作用，进而极大程度地提高阴极待加工材料表面涂层均匀性和致密性的磁场式单阳极阴极电泳涂装设备。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种磁场式单阳极阴极电泳涂装设备，包括电泳槽以及在电泳槽内相对设置的阴极结构和阳极结构，电泳槽底部设有第一磁场发生机构，电泳槽相对的两侧壁设有第二磁场发生机构。

利用第一磁场发生机构和第二磁场发生机构产生的磁场与电泳槽中阴极和阳极产生的电场相互作用，使得由阳极移动向阴极的带电粒子产生复杂曲线运动，首先仅在磁场作用下时，匀速运动的带电粒子作匀速圆周运动，运动半径主要取决于磁感应强度和带电粒子的运动速度，而在电场和磁场叠加的电磁场中时，带电粒子会做更加复杂的曲线运动，其产生的洛伦兹力F由带电粒子的电荷量q、电场强度E、带电粒子的速度v和磁感应强度B决定，其公式为：F≡q(E+v×B)，其中qE为电场力项，qvB为磁场力项，该公式的积分公式形式为：F＝∫V(pE+J×B)dr，其中V是积分的体积，p是电荷密度，E是电场强度，J是电流密度，B是磁感应强度，dr是微小体元素，根据积分公式可以更好地预测带电粒子的运动路径，因此在本发明所提供的装置中，借用积分公式计算，结合待加工工件的待加工面所处位置来设定磁感应强度、电场强度以及电流密度等各认为可控数据，可保证带电粒子能够均匀沉积在待加工工件的待加工面上，此外由于本发明磁场由第一磁场发生机构和第二磁场发生机构两者共同提供，其产生的合磁感应强度方向与带电粒子初始运动方向存在的θ角度差，由于该角度差的存在使得带电粒子做具有一定规律周期性的螺旋运动，结合以上的公式中可进一步推导出以下三个公式：

其中R是螺旋半径，m是带电粒子质量，v是带电粒子线速度，θ是合磁感应强度方向与带电粒子初始运动方向的夹角角度，B是磁感应强度，q是带电粒子的电荷量；

其中T是螺旋运动周期，π是圆周率，m是带电粒子质量，B是磁感应强度，q是带电粒子的电荷量；

其中h是螺距，π是圆周率，m是带电粒子质量，v是带电粒子线速度，θ是合磁感应强度方向与带电粒子初始运动方向的夹角角度，B是磁感应强度，q是带电粒子的电荷量；

根据以上公式结合阴阳极间距和待加工工件的待加工面所处位置设定参数，可实现在待加工工件的待加工面上的高度稳定均匀的电泳涂装。

另一方面，由于外加磁场的存在，带电粒子在电泳沉积时受到洛伦兹力的作用产生螺旋加速效果，进而可在阴极待加工工件的待加工面上进行产生致密沉积的效果。提高涂层的致密性，减少涂层中气泡或断层等缺陷的产生，大大提高了电泳涂装效果和质量。

作为优选，所述设置在相对两侧壁内的第二磁场发生机构产生同向的磁场。

由于第二磁场发生机构设置在相对两侧壁内，若产生逆向、反向的磁场，会在电泳槽中产生更加复杂的磁场，该复杂磁场不但无法使大大提高了各个参数的计算和设置的难度，而且在电泳涂装的沉积效果上不产生良好的提升作用，而同向的磁场可提高磁场的稳定性和均匀性，有利于提高电泳涂装的沉积效果。

作为优选，所述第一磁场发生机构和第二磁场发生机构均通过永磁铁产生磁场。

永磁铁产生的磁场由均一稳定且能够非常长效地保持恒定的优点，但也存在难以调整的缺点。

作为优选，所述第一磁场发生机构和第二磁场发生机构均通过导电线圈产生磁场。

导电线圈产生的磁场在永磁铁产生的磁场上进一步优化，其不但具有产生磁场均一稳定且能够非常长效地保持恒定的优点，还具有磁场方便可调，容易控制，进而适应各类和各条件待加工工件的电泳涂装加工。

作为优选，所述导电线圈连接可调直流脉冲电源或恒定可调直流电源。

可调直流脉冲电源产生波动性磁场，适当地控制磁场的波动范围可使得仅需一次设定即可完成对复杂待加工工件的电泳涂装加工，并且可调直流脉冲电源可使用复杂电泳体系中不同带电粒子的沉积，可实现单次电泳涂装加工制备多层涂层的效果，而恒定可调直流电源则可用于快速加工，相较于可调直流脉冲电源具有更高的加工效率，涂层致密性也将略高于前置。

作为优选，其特征在于，所述阴极结构设有转向机构，转向机构前端固定连接有夹持部。

夹持部用以夹持待加工工件，或夹持与待加工工件稳定连接的辅助工件，圆柱形的转向机构可沿其轴心转动，可在待加工工件无法完全浸渍在电泳液中时转动使得待加工工件各部分均能够周期性地浸渍在电泳液中进行电泳涂装加工，并且在一定程度上可提高待加工工件安装的便捷性。

本发明的有益效果是：

1)通过洛伦兹力作用使得带电粒子可均匀电泳至待加工工件的各面，实现对待加工工件外表面高度均匀性地加工；

2)洛伦兹力使得带电粒子产生螺旋加速效果，提高涂层的致密性；

3)可选用不同电源连接导电线圈，产生不同的电泳涂装效果，方便可控；

4)阴极的转向机构可进一步电泳涂装加工的均匀性，并且在一定程度上可提高待加工工件安装的便捷性。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明第一磁场发生机构所发生的磁场示意图；

图3为本发明第二磁场发生机构所发生的磁场示意图；

图4为普通阴极电泳涂装设备电泳涂装加工时带电粒子移动路径图；

图5为本发明设备电泳涂装加工时所产生的其中一种带电粒子移动路径示意图；

图中，1电泳槽，101第一磁场发生机构，102第二磁场发生机构，2阳极结构，201阳极柱，3阴极结构，301夹持部，302转向机构，4待加工工件，401电泳加工涂层。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步清楚详细的描述说明。

实施例1

如图1所示的一种磁场式单阳极阴极电泳涂装设备，包括电泳槽1以及在电泳槽1内相对设置的阴极结构3和阳极结构2，其中阴极结构3设有转向机构302，转向机构302前端固定连接有夹持部301，阳极结构2包含有一个提供电泳所需带电粒子的阳极柱201，电泳槽1底部设有第一磁场发生机构101，电泳槽1相对的两侧壁设有第二磁场发生机构102，设有第二磁场发生机构102的两侧壁与设有阴阳极的两侧壁相交错。以及普通阴极电泳涂装设备中常规设有的起到辅助性功能的过滤装置、热交换装置、极夜循环系统、直流脉冲电源、置换槽/备用槽、涂装室、清洗设备和超滤回收装置。

且第一磁场发生机构101和第二磁场发生机构102均通过相同的铁氧体永磁铁产生同向的磁场。

第一磁场发生机构101产生的磁感应强度如图2所示并沿图中B1虚线竖直向上，第二磁场发生机构102产生的磁感应强度如图3所示，且第一磁场发生机构101与第二磁场发生机构102所产生的合磁场强度分别为0.55T和1.1T，因此产生的合磁感应强度为B＝1.22984T，合磁感应强度与带电粒子速度/电场强度的夹角θ为63.43°，也可直接计算出sinθ＝0.8944，cosθ＝0.4472，通过以上数据结合带电粒子螺旋运动的三个公式：

其中R是螺旋半径，m是带电粒子质量，v是带电粒子线速度，θ是合磁感应强度方向与带电粒子初始运动方向的夹角角度，B是磁感应强度，q是带电粒子的电荷量；

其中T是螺旋运动周期，π是圆周率，m是带电粒子质量，B是磁感应强度，q是带电粒子的电荷量；

其中h是螺距，π是圆周率，m是带电粒子质量，v是带电粒子线速度，θ是合磁感应强度方向与带电粒子初始运动方向的夹角角度，B是磁感应强度，q是带电粒子的电荷量；

再代入公式，其中q是带电粒子的电荷量，E是电场强度，L是阳极柱201到待加工工件4所需加工部位的距离，m是带电粒子质量。

进而对三个公式进行改进，得到新的三个公式：

其中R是螺旋半径，E是电场强度，L是阳极柱201到待加工工件4所需加工部位的距离，θ是合磁感应强度方向与带电粒子初始运动方向的夹角角度，B是磁感应强度，；

其中T是螺旋运动周期，π是圆周率，m是带电粒子质量，B是磁感应强度，q是带电粒子的电荷量；

其中h是螺距，π是圆周率，E是电场强度，L是阳极柱201到待加工工件4所需加工部位的距离，θ是合磁感应强度方向与带电粒子初始运动方向的夹角角度，B是磁感应强度。

代入已知数据，再测量阳极柱201到待加工工件4所需加工部位的距离以及所需加工部位距其阳极柱201底端投影的距离，将其距离设为螺旋半径R，并尽可能缩小螺距h，即可开始电泳涂装加工过程。在批量加工的过程中只需保证待加工工件4安装位置保持相对稳定，保持各参数稳定即可实现快速且高质量的电泳涂装加工，其中带电粒子运动路径类似图5中的A2虚线所示，在待加工工件4表面形成高度均匀且致密的电泳加工涂层401。更换待加工工件4仅需再次进行简单计算，对电场强度进行调节即可。

实施例2

如图1所示的一种磁场式单阳极阴极电泳涂装设备，包括电泳槽1以及在电泳槽1内相对设置的阴极结构3和阳极结构2，其中阴极结构3设有转向机构302，转向机构302前端固定连接有夹持部301，阳极结构2包含有一个提供电泳所需带电粒子的阳极柱201，电泳槽1底部设有第一磁场发生机构101，电泳槽1相对的两侧壁设有第二磁场发生机构102，设有第二磁场发生机构102的两侧壁与设有阴阳极的两侧壁相交错。以及普通阴极电泳涂装设备中常规设有的起到辅助性功能的过滤装置、热交换装置、极夜循环系统、直流脉冲电源、置换槽/备用槽、涂装室、清洗设备和超滤回收装置。

且第一磁场发生机构101和第二磁场发生机构102均通过导电线圈产生同向的磁场，导电线圈连接可调直流脉冲电源，且第一磁场发生机构101和第二磁场发生机构102产生的磁感应强度相等，均为0.05～0.8T。因此产生的合磁感应强度为合磁感应强度与带电粒子速度/电场强度的夹角θ为45°，也可直接计算出通过以上数据结合带电粒子螺旋运动的三个公式：

其中R是螺旋半径，m是带电粒子质量，v是带电粒子线速度，θ是合磁感应强度方向与带电粒子初始运动方向的夹角角度，B是磁感应强度，q是带电粒子的电荷量；

其中T是螺旋运动周期，π是圆周率，m是带电粒子质量，B是磁感应强度，q是带电粒子的电荷量；

其中h是螺距，π是圆周率，m是带电粒子质量，v是带电粒子线速度，θ是合磁感应强度方向与带电粒子初始运动方向的夹角角度，B是磁感应强度，q是带电粒子的电荷量；

再代入公式，其中q是带电粒子的电荷量，E是电场强度，L是阳极柱201到待加工工件4所需加工部位的距离，m是带电粒子质量。

进而对三个公式进行改进，得到新的三个公式：

其中R是螺旋半径，E是电场强度，L是阳极柱201到待加工工件4所需加工部位的距离，θ是合磁感应强度方向与带电粒子初始运动方向的夹角角度，B是磁感应强度，；其中T是螺旋运动周期，π是圆周率，m是带电粒子质量，B是磁感应强度，q是带电粒子的电荷量；

其中h是螺距，π是圆周率，E是电场强度，L是阳极柱201到待加工工件4所需加工部位的距离，θ是合磁感应强度方向与带电粒子初始运动方向的夹角角度，B是磁感应强度。

代入已知数据，再测量阳极柱201到待加工工件4所需加工部位的距离以及所需加工部位距其阳极柱201底端投影的距离，将其距离设为螺旋半径R，并尽可能缩小螺距h，即可开始电泳涂装加工过程。在批量加工的过程中只需保证待加工工件4安装位置保持相对稳定，保持各参数稳定即可实现快速且高质量的电泳涂装加工，其中带电粒子运动路径类似图5中的A2虚线所示，在待加工工件4表面形成高度均匀且致密的电泳加工涂层401。更换待加工工件4仅需再次进行简单计算，对电场强度和第一磁场发生机构101、第二磁场发生机构102中导电线圈所产生的磁感应强度进行调节即可，其中调节第一磁场发生机构101和第二磁场发生机构102所产生的磁感应强度使需注意调整前后所产生的合磁感应强度与带电粒子运动速度/电场强度的角度差θ是否发生改变。

对比例

以市售普通单阳极阴极电泳涂装设备进行电泳涂装加工，其带电粒子运动路径如图4中的A1虚线所示，其仅在待加工工件4朝向阳极结构2方向的一端生产较厚且较均匀的电泳加工涂层401。

检测

以汽车轮毂电泳涂装加工为例，采用相同的涂层原料，对实施例1、实施例2和对比例阴极电泳加工制备的涂层进行检测，其结果如下：

其中厚度检测均以测量20次取均值获得，从中可明显看出本发明磁场式单阳极阴极电泳涂装设备所产生的电泳涂装加工效果远远优于现有技术的普通单阳极阴极电泳涂装设备。

Claims (6)

1.一种磁场式单阳极阴极电泳涂装设备，包括电泳槽以及在电泳槽内相对设置的阴极结构和阳极结构，其特征在于，电泳槽底部设有第一磁场发生机构，电泳槽相对的两侧壁设有第二磁场发生机构。

2.根据权利要求1所述的一种磁场式单阳极阴极电泳涂装设备，其特征在于，所述设置在相对两侧壁内的第二磁场发生机构产生同向的磁场。

3.根据权利要求2所述的一种磁场式单阳极阴极电泳涂装设备，其特征在于，所述第一磁场发生机构和第二磁场发生机构均通过永磁铁产生磁场。

4.根据权利要求2所述的一种磁场式单阳极阴极电泳涂装设备，其特征在于，所述第一磁场发生机构和第二磁场发生机构均通过导电线圈产生磁场。

5.根据权利要求4所述的一种磁场式单阳极阴极电泳涂装设备，其特征在于，所述导电线圈连接可调直流脉冲电源或恒定可调直流电源。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种磁场式单阳极阴极电泳涂装设备，其特征在于，所述阴极结构设有转向机构，转向机构前端固定连接有夹持部。