CN108179461B - 一种中空金属零件内壁抛光方法 - Google Patents

一种中空金属零件内壁抛光方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属增材制造抛光处理技术领域，涉及一种中空金属零件内壁抛光方法，首先通过金属零件模型设计时，在金属零件内孔中安置同轴阴极，将金属零件模型和同轴阴极一起打印出来，然后用光固化零件密封金属零件内孔型腔两端并固定同轴阴极，将型腔充满抛光液，利用电化学抛光的方法进行抛光处理，最后反转电极将同轴阴极破坏并取出，得到抛光后的金属零件，实现了3D打印金属零件的复杂形状内孔的抛光，克服了传统机械加工方法无法抛光3D打印的中空复杂形金属零件内孔的问题，解决了电化学方法抛光金属零件内壁不均匀的问题，提高了3D打印中空复杂形状金属零件内孔的表面质量，扩展了3D打印金属零件的应用前景和后处理技术道路。

Description

一种中空金属零件内壁抛光方法
技术领域：
本发明属于金属增材制造抛光处理技术领域，具体涉及一种中空金属零件内壁抛光方法，采用电化学抛光方法对3D打印成型的中空金属零部件中空部分的内壁进行抛光，尤其适用于中空部分形状复杂的金属零件。
背景技术：
当今制造产业中，金属增材主要是通过选择性激光熔化技术(SLM)、电子束熔化技术(EBM)和激光熔覆技术(LMD)这三大技术制造的，其中的选择性激光熔化技术与电子束熔化技术能够应用于加工复杂形状中空结构金属零件，不过，其打印的金属零件表面质量没有达到直接应用的水平，对金属零件表面进行抛光处理能够解决这一问题；抛光是指利用机械、化学或电化学的作用，使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的加工方法，是利用抛光工具和磨料颗粒或其他抛光介质对工件表面进行的修饰加工；例如，中国专利201710774022.7公开的一种汽车方向盘转向蜗杆抛光方法采用抛光机抛光蜗杆，待抛光的蜗杆用抛光组件夹住，抛光组件驱动蜗杆转动，抛光组件设置在公转盘上，公转盘带动抛光组件沿公转盘的轴心线360°转动，且抛光组件在随公转盘转动过程中，公转盘每转动180°，抛光组件驱动蜗杆的转动方向改变一次；中国专利201410275439.5公开的一种金属表面等离子体与脉冲放电复合抛光加工方法的工艺过程是：首先采用射频振荡产生等离子体磁流体通道，对待抛光加工的金属表面凸起部位进行脉冲放电，产生的等离子弧经过磁流体通道后，得到强度和密度增强的等离子弧，该增强等离子弧对金属表面凸起部位进行轰击，使该部位形成阳极斑点后蒸发去除，并通过放电极性的调节实现去除凸起的光亮化，实现该位置的抛光加工；中国专利200810010281.3公开的金刚石膜的固态稀土金属高速抛光方法中，抛光工具为固态稀土金属抛光盘(或抛光研具)，由抛光盘(或抛光研具)与金刚石膜的相对运动而产生的摩擦热，在金刚石膜和固态稀土金属抛光盘接触界面形成热化学反应环境，溶蚀金刚石膜抛光表面凸点碳原子，对金刚石膜进行抛光，抛光过程在一般大气环境下进行，可实现平面金刚石膜和任意曲面金刚石膜的抛光，其中曲面金刚石膜的抛光可采用包络法和成型法两种方法，包络法采用球头固态稀土金属抛光棒为抛光工具，成型法采用固态稀土金属成型抛光头为抛光工具；中国专利201410513538.2公开的一种电化学抛光金属互连晶圆结构的方法包括：步骤一，电化学抛光晶圆产品中的部分晶圆，获取抛光一合格晶圆所需的平均时间T0，步骤二，测量晶圆产品中任一晶圆O的厚度前置D0，并与前值目标值D比对；步骤三，对晶圆O进行电化学抛光；步骤四，清洗晶圆O；步骤五，测量晶圆O的厚度后值D1；步骤六，判断晶圆O的厚度后值D1是否满足后值目标值D’的要求，将晶圆O返工或送入后续CMP模块；其中，抛光晶圆O所需的时间T＝T0+[(D0-D)/(K*RR)]*60，RR为抛光速率，K为常系数，其中抛光速率RR随着抛光晶圆产品的批次数的增加而变缓，常系数K由晶圆产品的形貌决定；中国专利201180056582.X公开的一种电化学抛光金属物体的方法，所述金属物体特别选自铜(Cu)、锌(Zn)、银(Ag)、锡(Sn)、金(Au)和铂(Pt)以及含有这些金属中至少一种的合金，其方法在于，金属物体与阳极导电连接，并与阴极一起浸入到电解质溶液中，然后向电极施加电压，电解质溶液含有以下成分或由以下全部成分组成：(a)2～50质量％的至少一种乙氧基化的醇；(b)2～50质量％的至少一种选自磺酸和磺酸盐的物质；(c)0.2～10质量％的至少一种无机酸；(d)6～50质量％的至少一种液态烃；以及(e)5～90质量％的水；其中所述电解质溶液的pH值至少为1；以上专利涉及的电化学抛光也称电解抛光，是以被抛工件为阳极，不溶性金属为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通以直流电而产生有选择性的阳极溶解，从而达到工件表面光亮度增大的效果抛光方法，电解抛光原理是工件上脱离的金属离子与抛光液中的磷酸形成一层磷酸盐膜吸附在工件表面，黏膜在凸起处较薄，凹处较厚，因凸起处电流密度高而溶解快，随黏膜流动，凹凸不断变化，粗糙表面逐渐被整平，电解抛光的优点有三点：⑴内外色泽一致，光泽持久，机械抛光无法抛到的凹处也可整平；⑵生产效率高，成本低廉；⑶增加工件表面抗腐蚀性；但是，复杂形状中空结构的金属零件内孔无法通过传统抛光方法或者上述专利涉及的抛光方法进行抛光处理，不能解决复杂形状中空结构的金属零件内孔的光洁度问题，致使复杂形状中空结构的金属零件的应用受到了限制，同时也制约了3D打印技术的应用范围。因此，研发设计一种能够满足3D打印成型的复杂形状中空结构的金属零件内孔光洁度要求的抛光方法，具有社会和经济价值。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术中传统机械加工方法无法抛光3D打印成型的中空复杂形状金属零件内壁的问题以及电化学方法抛光的金属零件内壁不均匀的问题，研发设计一种能够满足3D打印成型的复杂形状中空结构的金属零件内孔光洁度要求的抛光方法。
为了实现上述目的，本发明涉及的中空金属零件内壁抛光方法的工艺过程包括设计与打印、密封抛光和反转破坏共三个步骤：
(一)设计与打印：设计金属零件模型时，在金属零件内孔中添加一个与内孔形貌尺寸相对应的同轴阴极模型，同轴阴极模型的中部设置有1-3个易破结构，使用3D打印机将金属零件与同轴阴极一起打印成型，完成金属零件模型和同轴阴极模型的设计以及金属零件与同轴阴极的打印；
(二)密封抛光：用与金属零件内孔形状相适应的光固化密封环密封金属零件内孔的两端并固定同轴阴极，将封闭的内孔作为电化学抛光池，在电化学抛光池中通入抛光液，以同轴阴极作为阴极，以金属零件内孔的表面作为阳极，利用金属零件的中空结构对金属零件内孔的表面进行电化学抛光；
(三)反转破坏：反转电极，以同轴阴极作为阳极，以金属零件内孔的表面作为阴极，对同轴阴极的易破结构进行熔断，拆除光固化密封圈，排除抛光液，将破坏后的同轴阴极从金属零件内孔中取出，完成反转破坏，实现金属零件内孔的表面的抛光。
本发明涉及的同轴阴极的材质包括铁基、镍基和钛基材料，同轴阴极的尺寸根据金属零件内孔尺寸选取；易破结构为网状支撑结构；光固化密封圈的材料为光固化树脂，光固化密封圈的尺寸根据金属零件内孔尺寸选取；抛光液根据需抛光的金属材料选取。
本发明与现有技术相比，首先通过金属零件模型设计时，在金属零件内孔中安置同轴阴极，将金属零件模型和同轴阴极一起打印出来，然后用光固化零件密封金属零件内孔型腔两端并固定同轴阴极，将型腔充满抛光液，利用电化学抛光的方法进行抛光处理，最后反转电极将同轴阴极破坏并取出，得到抛光后的金属零件，实现了3D打印金属零件的复杂形状内孔的抛光，克服了传统机械加工方法无法抛光3D打印的中空复杂形金属零件内孔的问题，并且巧妙解决了电化学方法抛光金属零件内壁不均匀的问题，提高了3D打印中空复杂形状金属零件内孔的表面质量，扩展了3D打印金属零件的应用前景和3D打印金属零件的后处理技术道路。
附图说明：
图1为本发明的工艺流程框图。
图2为本发明涉及的步骤(一)的原理示意图。
图3为本发明涉及的步骤(二)的原理示意图。
图4为本发明涉及的步骤(三)的熔断原理示意图。
图5为本发明涉及的步骤(三)的破坏原理示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施例涉及的中空金属零件内壁抛光方法的工艺过程包括设计与打印、密封抛光和反转破坏共三个步骤：
(一)设计与打印：设计金属零件模型时，在金属零件内孔1中添加一个与内孔形貌尺寸相对应的同轴阴极模型，同轴阴极2的中部设置有1-3个网状结构的断裂点3，使用3D打印机将金属零件与同轴阴极2一起打印成型，完成金属零件模型和同轴阴极模型的设计以及金属零件与同轴阴极2的打印；
(二)密封抛光：将金属零件与同轴阴极2一齐切下，清除金属零件内部的粉末，用与金属零件内孔形状相适应的光固化密封环4密封金属零件内孔1的两端并固定同轴阴极2，将封闭的内孔作为电化学抛光池，在电化学抛光池中通入抛光液5，以同轴阴极2接入电源阴极，金属零件内孔1的表面接入电源阳极，利用金属零件的中空结构对金属零件内孔1的表面进行电化学抛光；
(三)反转破坏：反转电极，将同轴阴极2接入电源阳极，将金属零件内孔1的表面接入电源阴极，对同轴阴极2的断裂点3进行熔断，拆除光固化密封圈4，排除抛光液5，将腐蚀破坏后的同轴阴极2从金属零件内孔1中取出，完成反转破坏，实现金属零件内孔1的表面的抛光。
本实施例涉及的同轴阴极的材质包括铁基、镍基和钛基材料，同轴阴极的尺寸根据金属零件内孔尺寸选取；易破结构为网状支撑结构；光固化密封圈的材料为光固化树脂，光固化密封圈的尺寸根据金属零件内孔尺寸选取；抛光液根据需抛光的金属材料选取。

Claims (2)

1.一种中空金属零件内壁抛光方法，其特征在于工艺过程包括设计与打印、密封抛光和反转破坏共三个步骤：
(一)设计与打印：设计金属零件模型时，在金属零件内孔中添加一个与内孔形貌尺寸相对应的同轴阴极模型，同轴阴极模型的中部设置有1-3个易破结构，使用3D打印机将金属零件与同轴阴极一起打印成型，完成金属零件模型和同轴阴极模型的设计以及金属零件与同轴阴极的打印；
(二)密封抛光：用与金属零件内孔形状相适应的光固化密封环密封金属零件内孔的两端并固定同轴阴极，将封闭的内孔作为电化学抛光池，在电化学抛光池中通入抛光液，以同轴阴极作为阴极，以金属零件内孔的表面作为阳极，利用金属零件的中空结构对金属零件内孔的表面进行电化学抛光；
(三)反转破坏：反转电极，以同轴阴极作为阳极，以金属零件内孔的表面作为阴极，对同轴阴极的易破结构进行熔断，拆除光固化密封圈，排出抛光液，将破坏后的同轴阴极从金属零件内孔中取出，完成反转破坏，实现金属零件内孔的表面的抛光。
2.根据权利要求1所述的中空金属零件内壁抛光方法，其特征在于所述同轴阴极的材质包括铁基、镍基和钛基材料，同轴阴极的尺寸根据金属零件内孔尺寸选取；易破结构为网状支撑结构；光固化密封圈的材料为光固化树脂，光固化密封圈的尺寸根据金属零件内孔尺寸选取；抛光液根据需抛光的金属材料选取。
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