CN109554739B - 一种扫描式微弧氧化处理装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扫描式微弧氧化处理装置和方法，处理装置包括固定头、供液管和抽液管，其中，所述固定头包括固定头本体和设置在固定头本体外壁的绝缘层，固定头本体采用导电材料制成，内部加工有电解液通道，固定头外部设置有夹持部，固定头本体通过第一导线与电源负极连接；供液管的一端固定于固定头的电解液通道出口端，且供液管的内部通道与电解液通道重合，另一端为自由端；抽液管套合固定于供液管的外侧，抽液管的内径大于供液管的外径，抽液管一端封闭，另一端相对于供液管的自由端向外延伸设定距离，形成回液区。该装置可以实现以简单扫描的方式来实现工件表面复杂区域的微弧氧化处理，适合对大尺寸工件的局部区域的微弧氧化处理。

Description

一种扫描式微弧氧化处理装置和方法

技术领域

本发明属于表面工程技术和设备领域，涉及一种微弧氧化处理方法和装置，具体涉及一种可在工件表面上实现复杂轨迹扫描的微弧氧化处理方法及实现该方法的装置。

背景技术

微弧氧化是一种将铝、镁、钛等有色金属或其合金置于特殊的电解液中,通过等离子体放电直接在金属或合金表面原位生长陶瓷氧化物的技术。其实质是当铝、镁、钛等有色金属或其合金置于脉冲放电环境的电解液中时，样品表面因受极端电压作用而发生等离子体放电，所产生的高温高压条件使铝、镁、钛原子与溶液中的氧结合生成能与基体以冶金方式结合的氧化铝、氧化镁、氧化钛陶瓷层。微弧氧化膜层与基体结合牢固，结构致密，韧性高，具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击、电绝缘、生物活性等特性，因此在航空航天、机械、电子、装饰、医疗器械等领域具有广阔的应用前景。

尽管微弧氧化技术存在诸多优点，但是也存在许多技术弊端，其中一个技术弊端就是所需的功耗很高，这一方面是由于维持微弧放电需要高电压，另一方面是由于目前传统的微弧氧化处理模式为浸入式，即工件必须放在电解液槽中进行处理，工件和电解液的接触区域面积较大，工件与电解液的接触区域均会发生放电，导致所需的放电电流较大，因此浸入式微弧氧化处理模式的功耗普遍很高。另外如果仅需在工件的局部区域进行微弧氧化处理，那么这种浸入式微弧氧化处理模式就很难满足上述需要。为了解决微弧氧化技术的上述难题，一些研究人员开始研究非浸入式微弧氧化处理技术，例如公开号为CN101037782A、名称为“大面积工件表面的微弧氧化处理方法及其装置”的专利通过功能罩把工件待处理表面与外界环境完全隔开，并将工件的待处理表面变为电解槽内壁的组成部分，从而对工件表面的局部区域进行微弧氧化。但是上述公开专利存在如下弊端：(1)只能对工件表面进行定点微弧氧化处理，无法对工件表面的复杂区域进行微弧氧化处理；(2)功能罩内部电解液无法与外界电解液进行循环和处理，微弧放电进行一段时间后电解液的成分、浓度、温度、pH值等均会发生变化，后续的微弧放电过程的稳定性会受到影响。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种扫描式微弧氧化处理装置和方法。该装置通过供液管向工件表面喷射电解液，抽液管将参与了放电过程的电解液及时抽走，可以实现以简单扫描的运动方式来实现工件表面复杂区域的微弧氧化处理，也适合对大尺寸工件的局部区域进行微弧氧化处理。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种扫描式微弧氧化处理装置，包括固定头、供液管和抽液管，其中，所述固定头包括固定头本体和设置在固定头本体外壁的绝缘层，固定头本体采用导电材料制成，内部加工有电解液通道，固定头外部设置有夹持部，固定头本体通过第一导线与电源负极连接；

供液管的一端固定于固定头的电解液通道出口端，且供液管的内部通道与电解液通道重合，另一端为自由端；

抽液管套合固定于供液管的外侧，抽液管的内径大于供液管的外径，抽液管一端封闭，另一端相对于供液管的自由端向外延伸设定距离，形成回液区；抽液管的靠近封闭端的位置处设置有抽液口；

供液管和抽液管均绝缘设置。

固定头设置有夹持部，便于将固定头夹持在立式机床的Z轴夹头上。固定头本体采用导电材料制成，可以通过向固定头本体施加电压，使流经电解液通道的电解液带电。电解液通过固定头上的电解液通道、供液管和抽液管喷至施加电压的待加工工件的表面，进行微弧氧化处理，通过对抽液管上的抽液口施加一定的吸力，将完成微弧氧化的电解液通过回液区和抽液管抽回回收，便于将完成微弧氧化的电解液进行回收，避免带电的电解液喷洒在工件的其他无需微弧氧化或微弧氧化工艺要求不同的位置，进而可以实现采用简单扫描的方式来实现工件表面复杂区域的微弧氧化处理，也适合对大尺寸工件的局部区域进行微弧氧化处理。同时，将电解液循环利用，可以维持电解液成分、组分浓度、温度、pH值等的恒定，以保持后续微弧放电过程的稳定性。

固定头的表面设置有绝缘层，以防止对工作人员产生安全隐患。

优选的，所述供液管为圆管。

优选的，所述供液管的内径为5-20mm。

优选的，抽液管相对于供液管的自由端向外延伸出的距离为5-10mm。

对抽液管施加抽力时，电解液在抽力的作用下相对于供液管的自由端在回液区向外流动，在抽液管的阻挡作用下改变方向，朝向抽力的施加方向运动，实现电解液的回收。该处回液区的设置，一方面便于电解液与待加工工件表面充分接触，另一方面便于将微弧反应后的电解液及时抽回，防止电解液溅洒在工件的其他区域，对工件造成不必要的损害。

优选的，所述供液管与抽液管共轴设置。

进一步优选的，所述供液管的内径与供液管和抽液管之间的间隙的径向宽度比为1.2-1.5:1。

便于将电解液及时抽走。

优选的，所述供液管和抽液管均采用绝缘材料制成。可以避免对工作人员造成安全隐患。

一种扫描式微弧氧化处理方法，包括如下步骤：

1)将固定头的夹持部夹持在立式机床的夹头上，将待加工工件放置于立式机床的工作台上，并确保工件与工作台电隔离；

2)将工件通过导线与微弧氧化电源的正极连接，将固定头通过导线与微弧氧化电源的负极连接；

3)将固定头的电解液通道入口与外部供液泵连接，将抽液管的抽液口与抽液泵连接，使抽液流量比供液流量大；

4)调整机床的夹头位置，使抽液管端部距离工件表面1-2mm；

5)机床的夹头移动，带动微弧氧化处理装置按设定路线移动，实现工件表面的微弧氧化处理。

立式机床的z轴是竖直的，安装和操作以及微弧氧化处理比较方便。抽液管端部距离工件表面1-2mm，一方面可以保证电解液与工件表面充分接触，另一方面可以将微弧反应完的电解液及时抽走，既可避免电解液喷到外界环境中，又可使电解液能够与外界电解液形成循环，维持电解液的组成稳定。抽液管与工件表面距离过大，电解液容易流到外界中，距离过小，抽液管容易与工件表面接触，对工件表面造成损伤。

优选的，步骤3)中，抽液泵的抽液速度比供液泵的供液速度大5％-30％。

优选的，步骤5)中，夹头的移动速度为2-20mm/s。

本发明的有益效果是：

(1)本发明可以通过圆柱形供液管和抽液管的简单扫描运动来实现工件表面复杂区域的微弧氧化处理，也非常适合对大尺寸工件的局部区域进行微弧氧化处理；

(2)在本发明的微弧氧化过程中，供液管向工件表面喷射电解液，工件与电解液接触区域发生微弧放电，紧接着抽液管会将参与了放电过程的电解液及时地抽走，新鲜的电解液可以不断地从供液管中喷向工件表面，从而实现了电解液的循环处理，此外由于抽液泵的抽液流量要比供液泵的供液流量大5％～30％，还可以避免电解液流到外界环境中，从而实现工件表面的局部封闭式微弧氧化处理；

(3)本发明的微弧氧化处理装置可以安装在普通立式机床上来对工件进行微弧氧化处理，如果工件尺寸较大，也可以将该装置安装于龙门机床上，甚至可以安装在机器人的机械臂末端来对超大工件的局部区域进行微弧氧化处理，因此该本发明的方法和装置具有较高的柔性，可以适应不同尺寸的工件。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的三维图示意图。

图3为本发明的微弧氧化处理装置的扫描轨迹示意图。

图中：1-导线，2-导线，3-机床Z轴夹头，4-绝缘层，5-微弧氧化电解液，6-固定头，7-供液管，8-抽液管，9-工件。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

具体实施方式一：一种扫描式微弧氧化处理方法所使用的装置由固定头6，供液管7和抽液管8组成。固定头6夹持在立式机床Z轴夹头3上，供液管7的一端插入固定头6的底部凹槽内，抽液管8套在供液管7上，如图1和2所示。

固定头6为金属材料且四周涂覆绝缘层4，其外形为圆柱体，通过导线2与微弧氧化电源的负极连接，圆柱体底部加工有一圆形凹槽，圆柱体侧面加工有一外部电解液入口，圆柱体内部加工出连接底部圆形凹槽和侧面电解液入口的流道。

供液管7为绝缘材料制作而成的圆柱形管，管的外径与固定头6的底部圆形凹槽的直径相等。

抽液管8为绝缘材料制作而成的圆柱形管，管的底部开口直径等于管的内径，管的顶部开口直径与供液管7的外径相等，管的侧面加工有一内部电解液出口。

所使用的机床为立式电火花成型加工机，Z轴上有圆柱形电极的夹头，工作台为大理石材质，微弧氧化电源为脉冲电源，电压幅值200V～800V可调，电流10A～20A可调，工件为铝金属，固定头为钢，四周的绝缘层为绝缘橡胶，供液管和抽液管材料为硬质塑料，供液管和固定头底部凹槽为过盈配合，供液管和抽液管为过盈配合。

具体实施方式二：工件为钛金属，固定头为铜，四周的绝缘层为绝缘塑料，供液管和抽液管材料为硬质塑料，供液管插入固定头底部凹槽，并通过粘接剂进行固定和密封，抽液管套在供液管上，并通过粘接剂进行固定和密封。

具体实施方式三：供液管与固定头底部凹槽通过螺纹进行连接，抽液管套在供液管上并通过螺纹进行连接，其他条件同实施方式一。

具体实施方式四：作为一种具体的实施方式，抽液管与供液管还可以做成一个整体。

具体实施方式五：如图1和图3所示，一种扫描式微弧氧化处理方法，包括如下步骤：

步骤一：将本发明装置的固定头6夹持在立式机床的Z轴夹头3上，将工件放置于立式机床工作台上，并确保工件与机床工作台电隔离；

步骤二：将工件9通过导线1与微弧氧化电源的正极连接，将固定头6通过导线2与微弧氧化电源的负极连接；

步骤三：将固定头6的电解液入口与外部供液泵连接，将抽液管8的电解液出口与外部抽液泵连接；

步骤四：根据工件表面上所需要形成的微弧氧化区域对机床的X和Y轴的运动轨迹进行数控编程，通过移动机床的X、Y、Z轴来调整工件9和抽液管8的相对位置；

步骤五：开启供液泵和抽液泵，开启外部微弧氧化电源，执行步骤四中所编写的数控代码，供液管7和抽液管8将按照预定轨迹在工件9表面上方运动；

步骤六：供液管7和抽液管8从原点运动到轨迹终点后再从轨迹终点原路返回到原点，该过程为一个扫描周期，如图3中O→E→O为一个扫描周期，扫描过程中供液管向工件表面喷射电解液，在脉冲电压作用下，工件表面与电解液接触区域被陶瓷化，抽液管将微弧氧化过程的电解液抽走，一方面可避免电解液喷到外界环境中，另一方面可使电解液能够与外界电解液槽形成循环；

步骤七：重复步骤六直至工件9表面上所形成的微弧氧化层达到预期要求。

本实施方式中调整工件9和抽液管8的相对位置确保抽液管8底部距离工件9表面1～2mm，抽液管8相对于供液管7的自由端向外延伸出的距离为5-10mm。

抽液泵的抽液流量要比供液泵的供液流量大5％～30％，以确保供液管中喷向工件表面的电解液不会流向外界环境中。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种扫描式微弧氧化处理装置，其特征在于：包括固定头、供液管和抽液管，其中，所述固定头包括固定头本体和设置在固定头本体外壁的绝缘层，固定头本体采用导电材料制成，内部加工有电解液通道，固定头外部设置有夹持部，固定头本体通过第一导线与电源负极连接；

供液管的一端固定于固定头的电解液通道出口端，且供液管的内部通道与电解液通道重合，另一端为自由端；

抽液管套合固定于供液管的外侧，抽液管的内径大于供液管的外径，抽液管一端封闭，另一端相对于供液管的自由端向外延伸设定距离，形成回液区；抽液管的靠近封闭端的位置处设置有抽液口；

抽液管相对于供液管的自由端向外延伸出的距离为5-10mm；

所述供液管与抽液管共轴设置；

所述供液管的内径与供液管和抽液管之间的间隙的径向宽度比为1.2-1.5:1；

所述供液管和抽液管均采用绝缘材料制成。

2.根据权利要求1所述的扫描式微弧氧化处理装置，其特征在于：所述供液管为圆管。

3.根据权利要求1所述的扫描式微弧氧化处理装置，其特征在于：所述供液管的内径为5-20mm。

4.如权利要求1-3任一项所述扫描式微弧氧化处理装置的处理方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)将固定头的夹持部夹持在立式机床的夹头上，将待加工工件放置于立式机床的工作台上，并确保工件与工作台电隔离；

2)将工件通过导线与微弧氧化电源的正极连接，将固定头通过导线与微弧氧化电源的负极连接；

3)将固定头的电解液通道入口与外部供液泵连接，将抽液管的抽液口与抽液泵连接，使抽液流量比供液流量大；

4)调整机床的夹头位置，使抽液管端部距离工件表面1-2mm；

5)机床的夹头移动，带动微弧氧化处理装置按设定路线移动，实现工件表面的微弧氧化处理。

5.根据权利要求4所述的处理方法，其特征在于：步骤3)中，抽液泵的抽液速度比供液泵的供液速度大5％-30％。

6.根据权利要求4所述的处理方法，其特征在于：步骤5)中，夹头的移动速度为2-20mm/s。

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