本實用新型涉及材料表面改性加工技術(shù)領(lǐng)域，更進一步地涉及一種錐形內(nèi)腔表面涂層加工裝置。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代高新技術(shù)的發(fā)展，不僅對材料提出了更多更新的性能要求，也對材料表面的性質(zhì)改造提供了更多更新的技術(shù)手段，越來越多的新技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用在材料表面工程，在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域收到了日益明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

表面工程技術(shù)是經(jīng)過表面預(yù)處理，通過表面涂覆、表面改性或多種材料表面改造技術(shù)復(fù)合處理，改變固體金屬表面或非金屬表面的形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)等，以獲取所需要的表面性能的工程技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)點是是能夠以多種方法制備出優(yōu)于材料本體性能的表面功能薄層，賦予被加工部件耐高溫、防腐蝕、耐摩擦、抗疲勞、防輻射等性能。這層材料與制作部件的整體材料相比，厚度薄、面積小，并能極大地提升材料的使用價值。

針對錐形變徑內(nèi)腔表面的涂覆改性加工，傳統(tǒng)的加工技術(shù)包括熱噴涂技術(shù)、離子束技術(shù)和氣相沉積技術(shù)等?？傮w來說主要存在以下的技術(shù)問題：1、涂層薄膜與材料基體的結(jié)合性能不高，出現(xiàn)疏松不均勻的情況、容易產(chǎn)生褶皺；2、涂層薄膜的厚度難以參數(shù)化控制，由于錐形變徑內(nèi)腔表面的加工面彎曲，使得錐形曲面的涂層厚度難以測量和控制；3、難以加工微小的錐形變徑內(nèi)腔器件，錐形變徑內(nèi)腔表面具有一定的封閉性，可加工的空間狹小，加大了表面的改性加工難度。

因此，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，如何設(shè)計一種能夠均勻地涂覆改性涂層的裝置，使其能夠在變徑內(nèi)腔表面上加工出均勻一致的涂層薄膜，是目前本領(lǐng)域的技術(shù)人員需要解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型提供一種錐形內(nèi)腔表面涂層加工裝置，能夠在變徑內(nèi)腔表面上加工出均勻一致的涂層薄膜，而且其厚度可通過轉(zhuǎn)速的控制而改變，涂層的成型效果更好。具體方案如下：

一種錐形內(nèi)腔表面涂層加工裝置，包括：

工作箱；

設(shè)置于所述工作箱內(nèi)、用于夾持固定工件的工件夾具；

能夠帶動所述工件夾具作變速旋轉(zhuǎn)的第一轉(zhuǎn)動裝置；

能夠伸入所述工件的內(nèi)腔、并能夠向內(nèi)腔表面噴涂涂料的噴料裝置，所述噴料裝置能夠沿軸向移動；

能夠帶動所述噴料裝置與所述工件夾具作同軸轉(zhuǎn)動的第二轉(zhuǎn)動裝置；

對所述噴料裝置提供涂料的涂液供料盒；

連接所述涂液供料盒和所述噴料裝置、用于供給涂料的供料管；

對所述工件的內(nèi)腔加熱的加熱裝置。

可選地，所述噴料裝置為能夠繞圓心旋轉(zhuǎn)的噴射圓盤，所述噴射圓盤的中心開設(shè)通孔，從所述供料管流出的涂料經(jīng)通孔流到所述噴射圓盤的表面。

可選地，所述供料管為軟管；所述供料管與所述噴射圓盤轉(zhuǎn)動連接，所述噴射圓盤與所述供料管相對轉(zhuǎn)動。

可選地，所述噴射圓盤的通孔上連接固定硬質(zhì)的轉(zhuǎn)動管，所述轉(zhuǎn)動管與所述噴射圓盤同步旋轉(zhuǎn)；所述供料管與所述轉(zhuǎn)動管轉(zhuǎn)動連接送料。

可選地，所述涂液供料盒設(shè)置于所述工作箱的最底部，所述工件夾具設(shè)置于所述工作箱的頂部。

可選地，所述加熱裝置環(huán)繞在所述供料管的外周，所述加熱裝置通過頂部圓周開設(shè)的通孔向所述工件的內(nèi)腔噴射熱風(fēng)。

可選地，所述工件夾具的頂部還設(shè)置上擋板，所述第一轉(zhuǎn)動裝置設(shè)置于所述上擋板上。

可選地，所述工作箱內(nèi)可拆卸地設(shè)置收集板，所述收集板用于收集從所述工作上流下涂料。

本實用新型提供一種錐形內(nèi)腔表面涂層加工裝置，包括工作箱、工件夾具、第一轉(zhuǎn)動裝置、噴料裝置、第二轉(zhuǎn)動裝置、涂液供料盒、供料管和加熱裝置等結(jié)構(gòu)。工作箱是承載安裝結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部用于安裝其他的部件，工件夾具用于夾持固定工件；第一轉(zhuǎn)動裝置能夠帶動工件夾具和工件作變速旋轉(zhuǎn)，使工件以不同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。

噴料裝置能夠伸入工件的內(nèi)腔，并能夠向其內(nèi)腔表面噴涂涂料，同時噴料裝置能夠沿自身的轉(zhuǎn)軸作上下移動；第二轉(zhuǎn)動裝置能夠帶動噴料裝置與工件夾具作同軸轉(zhuǎn)動。涂液供料盒通過供料管向噴料裝置提供涂料，同時通過加熱裝置對工件的內(nèi)腔進行加熱。

在使用時，工件夾持在工件夾具上，啟動第一傳動裝置和第二傳動裝置，使噴料裝置和工件夾具分別旋轉(zhuǎn)。通過涂液供料盒經(jīng)供料管向噴料裝置輸送涂料，涂料被噴料裝置噴射到工件的內(nèi)腔表面，啟動噴料裝置作軸向移動，使涂料涂布在工件內(nèi)腔表面所需涂裝的位置，此時涂料的狀態(tài)為點塊狀。接著提升工件夾具的轉(zhuǎn)速，此時涂料在工件的內(nèi)腔表面形成均勻致密的薄膜。再提升工件夾具的轉(zhuǎn)速，并開啟加熱裝置，使工件的內(nèi)腔達到成膜溫度，在合適的溫度下涂層固化成型，形成一張厚度符合要求的涂層薄膜。

本實用新型所提供的裝置能夠在變徑內(nèi)腔表面上加工出均勻一致的涂層薄膜，而且其厚度可通過轉(zhuǎn)速的控制而改變，涂層的成型效果更好。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本實用新型提供的錐形內(nèi)腔表面涂層加工裝置的結(jié)構(gòu)圖；

圖2a為低速噴射吸附階段的示意圖；

圖2b為提速涂液鋪展階段的示意圖；

圖2c為高速旋轉(zhuǎn)固化階段的示意圖；

圖3所示，為涂液在內(nèi)腔表面的受力示意圖

其中包括：

上擋板1、第一轉(zhuǎn)動裝置11、工件2、工件夾具3、噴料裝置4、轉(zhuǎn)動管41、加熱裝置5、工作箱6、收集板61、涂液供料盒7、供料管8。

具體實施方式

本實用新型的核心在于提供一種錐形內(nèi)腔表面涂層加工裝置，能夠在變徑內(nèi)腔表面上加工出均勻一致的涂層薄膜，而且其厚度可通過轉(zhuǎn)速的控制而改變，涂層的成型效果更好。

為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本實用新型的技術(shù)方案，下面將結(jié)合附圖及具體實施方式，對本申請的錐形內(nèi)腔表面涂層加工裝置進行詳細的介紹說明。

如圖1所示，為本實用新型提供的錐形內(nèi)腔表面涂層加工裝置一種具體實施方案的結(jié)構(gòu)示意圖。其主要包括工作箱6、工件夾具3、第一轉(zhuǎn)動裝置11、噴料裝置4、第二轉(zhuǎn)動裝置、涂液供料盒7、供料管8和加熱裝置5等結(jié)構(gòu)。工作箱6作為整個裝置的外殼部分，起保護作用，在工作箱6的內(nèi)部設(shè)置其他各個結(jié)構(gòu)，分別安裝在工作箱6內(nèi)的固定結(jié)構(gòu)上。

工件夾具3用于夾持固定工件2，工件夾具3在第一轉(zhuǎn)動裝置11的帶動下能夠作變速旋轉(zhuǎn)，使工件2能夠保持某特定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。工件夾具3具備良好的自定心能力，實現(xiàn)工件2的高速轉(zhuǎn)動。工件夾具3優(yōu)選地采用三爪卡盤結(jié)構(gòu)，在各個卡爪與工件2接觸的表面上設(shè)置一層高強度橡膠材料，在保證足夠的夾緊力的前提下，保護工件2的外表面。

噴料裝置4能夠伸入工件2的內(nèi)腔，從而向內(nèi)腔表面噴涂涂料，噴料裝置4能夠沿軸向移動。除了垂直運動以外，噴料裝置4通過第二轉(zhuǎn)動裝置帶動與工件夾具3作同軸轉(zhuǎn)動，移動的方向是其轉(zhuǎn)軸的方向。第一轉(zhuǎn)動裝置11和第二轉(zhuǎn)動裝置可采用伺服電機，能夠?qū)崿F(xiàn)變速轉(zhuǎn)動，速度的變化穩(wěn)定、勻速，伺服電機通過齒輪或帶輪的傳動方式驅(qū)動工件夾具3和噴料裝置4。

工作箱6內(nèi)還設(shè)有對噴料裝置4提供涂料的涂液供料盒7；涂液供料盒7和噴料裝置4之間連接供料管8，涂液供料盒7內(nèi)的涂料經(jīng)過供料管8向噴料裝置4供給。供液的速度和總量可由涂液供料盒7進行參數(shù)化控制，調(diào)節(jié)涂層薄膜的厚度。另外還包括對工件2的內(nèi)腔加熱的加熱裝置5。

在使用時，工件2被夾持在工件夾具3上，啟動第一傳動裝置11和第二傳動裝置，使工件夾具3和噴料裝置4分別旋轉(zhuǎn)。通過涂液供料盒7經(jīng)供料管8向噴料裝置4輸送涂料，涂料被噴料裝置4噴射到工件2的內(nèi)腔表面，啟動噴料裝置4作軸向移動，使涂料涂布在工件內(nèi)腔表面所需涂裝的位置，此時涂料的狀態(tài)為點塊狀。接著提升工件夾具3的轉(zhuǎn)速，此時涂料在工件2的內(nèi)腔表面形成均勻致密的薄膜。再提升工件夾具3的轉(zhuǎn)速，并開啟加熱裝置5，使工件2的內(nèi)腔達到成膜溫度，在合適的溫度下涂層固化成型，形成一張厚度符合要求的涂層薄膜，完成涂裝。

本實用新型所提供的裝置能夠在變徑內(nèi)腔表面上加工出均勻一致的涂層薄膜，而且其厚度可通過轉(zhuǎn)速的控制而改變，涂層的成型效果更好。

在上述基礎(chǔ)上，噴料裝置4具體為能夠繞圓心旋轉(zhuǎn)的噴射圓盤，噴射圓盤的中心開設(shè)通孔，從供料管8流出的涂料經(jīng)通孔流到噴射圓盤的表面。如圖2a至圖2c所示，分別表示涂層薄膜成型過程三個階段的過程圖。涂料先流到噴射圓盤的上表面圓心處，噴射圓盤通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，把圓心處的涂液均勻地涂布在噴射圓盤的表面，涂料在圓盤的末端可以均勻地噴射出去，因此涂料液滴可以定量、穩(wěn)定地噴射到環(huán)形內(nèi)腔表面同一高度的圓周，這也是薄膜厚度一致的前提。

具體地，供料管8為軟管，可采用橡膠管，軟管可隨著噴料裝置4的上下移動發(fā)生變形，適應(yīng)不同的高度。供料管8與噴射圓盤轉(zhuǎn)動連接，采用圓柱鉸接的連接方式，噴射圓盤與供料管8相對轉(zhuǎn)動。另外，除了將供料管8整體設(shè)置為軟管以外，還可采用其他的設(shè)置形式，

噴射圓盤的通孔上連接固定硬質(zhì)的轉(zhuǎn)動管41，轉(zhuǎn)動管41與噴射圓盤同步旋轉(zhuǎn)，涂料能夠從轉(zhuǎn)動管41的端部流出。供料管8與轉(zhuǎn)動管41的另一端轉(zhuǎn)動連接送料，此時可通過第二轉(zhuǎn)動裝置帶動轉(zhuǎn)動管41并進一步帶動噴射圓盤。當(dāng)然，也可以將供料管8整體設(shè)置為硬管，此時與涂液供料盒7采用滑動配合連通，可在涂液供料盒7內(nèi)滑動。

在上述任一技術(shù)方案及其相互組合的基礎(chǔ)上，涂液供料盒7設(shè)置于工作箱6的最底部，工件夾具3設(shè)置于工作箱6的頂部。這種實施形式是一種具體的安排順序，由下向上依次為涂液供料盒7、供料管8、加熱裝置5、噴料裝置4、工件夾具3，涂料從底部向頂部流動，更容易控制液體的流量。當(dāng)然，也可以按相反的順序來布置各個部件，只要使工件夾具3和噴料裝置4在水平面上轉(zhuǎn)動即可。

加熱裝置5環(huán)繞在供料管8的外周，供料管8從加熱裝置5的中心穿過，加熱裝置5通過頂部圓周開設(shè)的通孔向工件2的內(nèi)腔噴射熱風(fēng)。加熱裝置5主要的作用是在工作的過程中，通過加熱的方式把正在成形的涂層薄膜進行凝固，使涂液中的溶劑部分在溫度較高的環(huán)境中，蒸發(fā)分離出涂液，使涂液的濃度和粘性不斷增大，也加速了涂液的凝結(jié)，使固化后的涂層薄膜與環(huán)形內(nèi)腔表面有效結(jié)合，使其性能穩(wěn)定良好。合理的控制加熱溫度可以達到控制涂液凝固速度和品質(zhì)的作用。通過此加熱方式，可以適應(yīng)任何可加工的工件，包括單開口的復(fù)雜錐形變徑內(nèi)腔，極大地提高了適用范圍。

另外，在工件夾具3的頂部還設(shè)置上擋板1，第一轉(zhuǎn)動裝置11設(shè)置于上擋板1上。上擋板1不僅用于安裝第一轉(zhuǎn)動裝置11，還可以阻擋工件2上飛濺出的涂料，當(dāng)工件2的轉(zhuǎn)速到達一定的高度時會有部分漆料飛濺而出。

在工作箱6內(nèi)可拆卸地設(shè)置收集板61，收集板61呈圓環(huán)狀，設(shè)置在工件2以下，用于收集從所述工作2上流下的涂料，若收集到一定量以后可以將其拆卸清理或進行更換。

使用時可以按照以下步驟進行操作：

將工件2夾持在工件夾具3上；

啟動第一傳動裝置和第二傳動裝置，使工件夾具3和噴料裝置4分別以ω21和ω1的轉(zhuǎn)速同向旋轉(zhuǎn)；

啟動涂液供料盒7，使涂料以穩(wěn)定的速度通過供料管8輸送到噴料裝置4，涂料通過噴射轉(zhuǎn)盤均勻地噴涂；

啟動噴料裝置4作軸向移動，使涂料涂布在工件2的內(nèi)腔表面所需要設(shè)置涂層的部分；

提升工件夾具3的轉(zhuǎn)速至ω22，使涂料在工件2的內(nèi)腔表面形成均勻致密的薄膜；

提升工件夾具3的轉(zhuǎn)速至ω23，并開啟加熱裝置5，使涂層固化成型。

因為不同厚度的薄膜涂層需要不同的轉(zhuǎn)速和溫度參數(shù)，本實用新型在此給出一種具體的實施例：以60℃溫度下制備200um PVDF/PTFE復(fù)合膜為例進行說明，具體的轉(zhuǎn)速為ω1為1000r/min，ω21為180～300r/min，ω22為3000～3500r/min，ω23為3500～4000r/min，分為三個階段進行，即技術(shù)方案中的低速噴射吸附階段等三個階段，ω1、ω21、ω22、ω23要依據(jù)加工要求進行相應(yīng)的設(shè)定，可使ω22與ω23相等。

如圖2a至圖2c所示，噴涂過程主要包括三個階段，分別為低速噴射吸附階段、提速涂液鋪展階段和高速旋轉(zhuǎn)固化階段。

(1)低速噴射吸附階段：將具有一定粘度的涂液裝入涂液供料裝置7，啟動噴料裝置4和工件2，使其分別達到某一穩(wěn)定的較低旋轉(zhuǎn)速度ω1和ω21，啟動涂液供料裝置7，使涂液以穩(wěn)定的速度通過供料管道輸送到噴射圓盤的圓心處，在噴射圓盤產(chǎn)生的離心力作用下，涂液在噴射圓盤涂布均勻后噴射出去，以一定的速度撞擊并吸附沉積在垂直的環(huán)形內(nèi)腔表面，形成一個圓周的涂液吸附帶；同時使噴射圓盤進行軸向移動，從內(nèi)徑大的位置移動到內(nèi)徑小的位置，噴射吸附形成一個沉積面，此時的涂液狀態(tài)為點塊狀。

如圖3所示，為涂液在內(nèi)腔表面的受力示意圖。在低速噴射吸附階段較低的速度ω1下，涂液經(jīng)過噴料裝置4噴射出來，在垂直內(nèi)腔表面和錐形的內(nèi)腔表面吸附沉積的過程中，受到的平行于環(huán)形內(nèi)腔表面的剪切拉應(yīng)力F_剪切和結(jié)合力F_結(jié)合，等于或大于點塊狀涂液自身的重力G，主要平衡了涂液向下流動的趨勢，使得涂液吸附沉積在內(nèi)腔的表面，形成點塊狀的涂液狀態(tài)。此階段所供給的涂液量比涂層薄膜所需的涂液量要多。

(2)提速涂液鋪展階段：在低速噴射吸附階段得到的吸附沉積面后，提高工件2的旋轉(zhuǎn)速度ω2，在剪切拉應(yīng)力F剪切和離心壓力F_離的作用下，使得到的點塊狀涂液進行鋪展，涂層逐漸變薄，成為一塊平整的涂層薄膜，不斷提高工件2的旋轉(zhuǎn)速度達到某一穩(wěn)定值ω22，得到一張均勻、致密的涂層薄膜。

在提速涂液鋪展階段，提高工件的旋轉(zhuǎn)速度至ω22，使涂液所受的剪切拉應(yīng)力F_剪切和離心壓力F_離增大，保持較高的速度ω22，涂液受到持續(xù)的較大的F_剪切和F_離(在較大的轉(zhuǎn)速作用下，此時有F_剪切>>G、F_結(jié)合>>G，涂液的自身重力的影響可以忽略不計)，在F_剪切的作用下，涂液迅速沿著內(nèi)腔的表面向兩邊鋪展，厚度逐漸變薄、變均勻，在F_離的作用下，鋪展涂布的涂液與內(nèi)腔表面的結(jié)合界面更加地致密，使其與表面結(jié)合得更加緊密。F_剪切和F_結(jié)合主要作用于涂液和內(nèi)腔表面之間的結(jié)合層，使結(jié)合層更加致密和均勻，提升了涂層薄膜和和內(nèi)腔表面的結(jié)合性能。

具體通過工件2的旋轉(zhuǎn)速度來的控制涂層薄膜的厚度的關(guān)系為：

H∝(ω2)^-b

其中，ω2為工件2的旋轉(zhuǎn)速度，b是關(guān)于加熱過程中涂液溶劑蒸發(fā)速率的常數(shù)。

在蒸發(fā)速率一定的前提下，一定粘度的涂液可以通過控制工件2的旋轉(zhuǎn)速度ω2達到參數(shù)化控制涂層薄膜厚度的目的。

(3)高速旋轉(zhuǎn)固化階段：在提速涂液鋪展階段得到涂層薄膜后，保持工件2穩(wěn)定的高速旋轉(zhuǎn)速度，啟動加熱裝置5，使環(huán)形內(nèi)腔達到穩(wěn)定的成膜溫度，在該溫度下進行涂層薄膜固化和成形，最后形成一張厚度符合要求的涂層薄膜。

在高速旋轉(zhuǎn)固化階段，工件在達到提速涂液鋪展階段的高速旋轉(zhuǎn)且涂液進行充分的鋪展涂覆后，得到一層具有一定厚度的極薄且致密的涂層薄膜，此時涂液的剪切拉應(yīng)力F_剪切和內(nèi)腔表面與涂液的結(jié)合力F_結(jié)合相等，垂直方向和錐形方向上的作用力平衡，因此，在垂直方向和錐形方向上不再發(fā)生延展，達到平衡的狀態(tài)；離心壓力F_離在保持不變的情況下，達到致密、極薄的效果，且達到平衡狀態(tài)。保持高速的旋轉(zhuǎn)速度，開啟加熱裝置5，勻速地提升環(huán)形內(nèi)腔的溫度，達到涂層薄膜所需的蒸發(fā)溫度后，在高速的旋轉(zhuǎn)速度下恒溫蒸發(fā)固化處理一定的時間，得到符合要求厚度的涂層薄膜。

其中，具體的蒸發(fā)固化和成形過程中，涂層薄膜的厚度和涂液溶劑蒸發(fā)的速率的關(guān)系為：

H∝u^b

其中：b為關(guān)于溶劑蒸發(fā)速率的常數(shù)，u為涂液溶劑的蒸發(fā)速率。

在工件2的旋轉(zhuǎn)速度一定的前提下，一定粘度的涂液可以通過控制蒸發(fā)的速率u達到參數(shù)化控制涂層薄膜厚度的目的。

優(yōu)選的，低速噴射吸附階段、提速涂液鋪展階段和高速旋轉(zhuǎn)固化階段三個過程中均先加工內(nèi)徑較大且等徑的內(nèi)腔表面，后加工內(nèi)徑較小且變徑的內(nèi)腔表面。涂液在等徑內(nèi)腔表面和變徑內(nèi)腔表面上受力不同，導(dǎo)致涂液流動形式不一致的問題，需要通過設(shè)置不同的工件的旋轉(zhuǎn)速度、涂料供給量來達到涂層薄膜厚度、致密性、結(jié)合性能一致的要求。具體為內(nèi)徑較小的部位旋轉(zhuǎn)速度較大，供給量較多。

采用本實用新型提供的加工裝置，可以有效的提高對微細器件的錐形變徑內(nèi)腔表面的涂覆改性加工質(zhì)量，具體體現(xiàn)在涂覆的涂層薄膜和內(nèi)腔表面的結(jié)合層更加致密和均勻，提高了兩者的結(jié)合性能；且該涂層薄膜的厚度可以通過控制工件的旋轉(zhuǎn)速度和加熱蒸發(fā)固化的速率達到參數(shù)化控制的目的，解決現(xiàn)有技術(shù)無法參數(shù)化控制的難題；對于微小器件錐形變徑內(nèi)腔的涂覆，只要采用極小外徑的旋轉(zhuǎn)噴射臺即可解決，不僅解決了微小器件的加工難題，還擴大了裝置的適用范圍。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本實用新型。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理，可以在不脫離本實用新型的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本實用新型將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。