一种高硬度表面多尺度功能微结构制备方法与装置与流程

本发明涉及高硬度表面功能微结构，尤其涉及一种高硬度表面多尺度功能微结构制备方法与装置。

背景技术：

诸如车刀、铣刀等高硬度表面刀具，在航空航天、船舶汽车领域中加工难加工材料时存在切削力大、刀具磨损严重等问题，所以如何改善刀具切削性能，延长刀具寿命成为了技术研究的热点。

而在高硬度表面刀具上设计高硬度表面功能微结构，能广泛用于加工钛合金、陶瓷以及高温镍基合金等难加工材料；但是，目前在高硬度表面上制备多尺度功能微结构的研究十分有限，如公开号为cn201010290499.6的专利公开了一种多层次非晶合金基微结构的制备方法，通过该方法制备的多层次非晶合金基微结构的表面精度可达到亚纳米精度要求，并可在任何地方形成可贯通的微结构，且力学和热稳定性检测表明该多层次非晶合金基微结构可在700℃和500mpa下安全使用。但此微结构光刻制备成本很高，且只有单一尺度的微结构，因此研制高效、经济、便捷的多尺度功能微结构制备方法与装置具有十分必要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有刀具、齿轮等高硬度表面磨损严重、散热困难、使用寿命短等不足，提供一种高硬度表面功能微结构制备方法与装置。本发明受生物表面多尺度微结构具有良好的耐磨和散热等多种特性的启发而提出；本发明是一种将特殊型仿生毫米或亚毫米级结构与微米或亚微米级结构同时配置在高硬度表面上形成的多尺度功能微结构；是一种制备特定仿生功能微结构的单点金刚石刀具设计方法，是一种制备特定仿生功能微结构的多刃金刚石刀具设计方法，在高硬度表面上形成多尺度功能微结构的制备方法；是一种采用毫米级倒圆台形(或其他形状)单点金刚石刀尖在高硬度表面上垂直或刻划形成毫米级功能微结构的制备方法；是一种采用微米级圆锥形(或其他形状)金刚石刀尖在高硬度表面上垂直及旋转，或者刻划形成微米或亚微米级功能微结构的制备方法；是一种单点金刚石刀尖垂直及旋转，或者刻划伺服驱动控制工艺；是一种集成高硬度表面精密定位、单点金刚石刀尖设计和刀具精密伺服驱动控制于一体的仿生多尺度功能微结构精密制备装置。

本发明一种高硬度表面多尺度功能微结构制备方法，具体步骤如下：

步骤一、采用金刚石制作单点金刚石刀尖；然后，将单点金刚石刀尖烧结在一个刀柄上制成单点金刚石刀具。所述的单点金刚石刀尖呈倒圆台形，单点金刚石刀尖的母线与中心轴线的夹角θ1＝θ，21.5°≤θ≤23.5°，单点金刚石刀尖的最大直径d1＝d，1mm≤d≤2mm；单点金刚石刀尖的最小直径d2＝d，0.1mm≤d≤0.2mm；单点金刚石刀尖的高h1＝1.5h，0.5mm≤h≤1.5mm。

步骤二、采用金刚石制作多刃金刚石刀尖；然后，在多刃金刚石刀尖的侧面上与多刃金刚石刀尖底面相距高度为h2＝0.5h的位置处烧结n颗金刚石颗粒，1≤n≤6；金刚石颗粒呈圆锥形，底面直径为d3，0.03mm≤d3≤0.1mm；最后，将多刃金刚石刀尖烧结在另一个刀柄上制成多刃金刚石刀具。所述的多刃金刚石刀尖整体呈倒圆台形，多刃金刚石刀尖的母线与中心轴线的夹角等于θ1，多刃金刚石刀尖的最大直径等于d1；多刃金刚石刀尖的最小直径等于d2；多刃金刚石刀尖的高等于h1。

步骤三、首先将固定支架和xyz三轴滑台固定在底座上，将激振器固定在固定支架上；然后，将z轴向旋转驱动件固定在xyz三轴滑台上，夹具固定在z轴向旋转驱动件上；最后，通过夹具将待加工工件夹紧。

步骤四、制备中心倒圆台凹坑微结构阵列或v形沟槽微结构阵列，具体过程如下：

将步骤一制成的单点金刚石刀具与激振器的输出端固定，然后启动激振器，将激振器的振动频率调整为f，50hz≤f≤200hz，振幅调整为a，a＝h；xyz三轴滑台和z轴向旋转驱动件驱动待加工工件运动，单点金刚石刀具在待加工工件的待加工表面压印出中心倒圆台凹坑微结构阵列或犁削出v形沟槽微结构阵列；最后，停止激振器的振动。

所述的中心倒圆台凹坑微结构阵列由m行n列仿生微结构组成，m≥4，n≥7；所述的仿生微结构由中心倒圆台凹坑和位于中心倒圆台凹坑外沿的弧形面组成；中心倒圆台凹坑的母线与中心轴线的夹角为θ，中心倒圆台凹坑的高度为h；中心倒圆台凹坑的最小直径为d；相邻仿生微结构的中心距为l1，1mm≤l1≤3mm。

所述的v形沟槽微结构阵列由等距布置的m个v形沟槽组成；v形沟槽的高度等于h，两侧壁夹角等于θ，底部槽宽等于d，长度为l，5mm≤l≤15mm；相邻两个v形沟槽的中心距等于l1。

步骤五、制备微米或亚微米级功能微结构，具体如下：

xyz三轴滑台带动待加工工件下移z，15mm≤z≤30mm；拆卸单点金刚石刀具，并将步骤二制成的多刃金刚石刀具固定在激振器的输出端；接着xyz三轴滑台带动待加工工件上移z；然后，启动激振器，激振器的振动频率保持为f，振幅保持为a。若步骤四制备出的是中心倒圆台凹坑微结构阵列，则xyz三轴滑台和z轴向旋转驱动件同时驱动待加工工件运动，多刃金刚石刀具在待加工工件的每个仿生微结构的中心倒圆台凹坑圆周侧面上压印出沿周向均布的两个螺旋形微米或亚微米级功能微结构；其中，在每个仿生微结构的中心倒圆台凹坑内压印螺旋形微米或亚微米级功能微结构时，xyz三轴滑台不动，z轴向旋转驱动件带动待加工工件以角速度ω旋转角度β，5°/s≤ω≤45°/s，5°≤β≤90°。若步骤四制备出的是v形沟槽微结构阵列，则xyz三轴滑台单独驱动待加工工件运动，多刃金刚石刀具在待加工工件的每个v形沟槽两侧壁压印出对称的两个连续折线形微米或亚微米级功能微结构；其中，在每个v形沟槽内压印连续折线形微米或亚微米级功能微结构时，xyz三轴滑台带动待加工工件沿x向平移距离l。

本发明高硬度表面多尺度功能微结构制备装置，包括四自由度定位机构、夹具、激振器、单点金刚石刀具和多刃金刚石刀具。所述的四自由度定位机构包括xyz三轴滑台和z轴向旋转驱动件；所述的xyz三轴滑台包括x轴向直线滑台、y轴向直线滑台和z轴向直线滑台；所述的x轴向直线滑台包括x轴向伺服电机、x轴向丝杆、x轴向滑块、x轴向导轨和x轴向座体；x轴向座体固定在底座上；x轴向丝杆与x轴向座体构成转动副，并由x轴向伺服电机驱动；x轴向滑块与x轴向丝杆构成螺旋副，并与固定在x轴向座体上的x轴向导轨构成滑动副；所述的y轴向直线滑台包括y轴向伺服电机、y轴向丝杆、y轴向滑块、y轴向导轨和y轴向座体；y轴向丝杆与y轴向座体构成转动副，并由y轴向伺服电机驱动；y轴向座体固定在x轴向座体上；y轴向滑块与y轴向丝杆构成螺旋副，并与固定在y轴向座体上的y轴向导轨构成滑动副；所述的z轴向直线滑台包括z轴向伺服电机、z轴向丝杆、z轴向滑块、z轴向导轨和z轴向座体；z轴向丝杆与z轴向座体构成转动副，并由z轴向伺服电机驱动；z轴向座体固定在y轴向滑块上；z轴向滑块与z轴向丝杆构成螺旋副，并与固定在z轴向座体上的z轴向导轨构成滑动副；所述的z轴向旋转驱动件与z轴向滑块固定，并驱动夹具绕z轴旋转。所述的激振器直接固定在固定支架上，或激振器由xyz三轴移动平台驱动，xyz三轴移动平台固定在固定支架上；xyz三轴移动平台的结构与xyz三轴滑台的结构相同；固定支架固定在底座上。单点金刚石刀具或多刃金刚石刀具与激振器的输出端固定。

所述的单点金刚石刀具包括刀柄和烧结在刀柄上的单点金刚石刀尖。所述的单点金刚石刀尖呈倒圆台形，单点金刚石刀尖的母线与中心轴线的夹角θ1＝θ，21.5°≤θ≤23.5°，单点金刚石刀尖的最大直径d1＝d，1mm≤d≤2mm；单点金刚石刀尖的最小直径d2＝d，0.1mm≤d≤0.2mm；单点金刚石刀尖的高h1＝1.5h，0.5mm≤h≤1.5mm。

所述的多刃金刚石刀具包括刀柄和烧结在刀柄上的多刃金刚石刀尖；所述多刃金刚石刀尖的侧面上与多刃金刚石刀尖底面相距高度为h2＝0.5h的位置处烧结n颗金刚石颗粒，1≤n≤6；所述的金刚石颗粒呈圆锥形，底面直径为d3，0.03mm≤d3≤0.1mm；所述的多刃金刚石刀尖整体呈倒圆台形，多刃金刚石刀尖的母线与中心轴线的夹角等于θ1，多刃金刚石刀尖的最大直径等于d1；多刃金刚石刀尖的最小直径等于d2；多刃金刚石刀尖的高等于h1。

进一步，所述的z轴向旋转驱动件采用z轴向旋转电缸；z轴向旋转电缸的缸体固定在z轴向滑块上，夹具固定在z轴向旋转电缸的推杆上。

进一步，所述的z轴向旋转驱动件采用z轴向电机，z轴向电机的壳体固定在z轴向滑块上，夹具固定在z轴向电机的输出轴上。

本发明具有的有益效果是：

本发明受贝壳表面多尺度复合结构的启发，在高硬度表面加工功能微结构，具体是通过特质单点金刚石刀具(单刃与双刃或多刃的结合)将特殊型仿生毫米或亚毫米级结构与微米或亚微米级结构同时配置在高硬度表面上，形成多尺度功能微结构，能提高高硬度表面的硬度、强度、耐磨性和精度，对高硬度加工行业的发展有着十分重要的意义。以切削加工为例，通过多尺度仿生功能微结构的加入，在刀尖高硬度表面上形成一种特殊的复合微结构，使润滑液更能滞留在刀尖表面，以减小切削时的摩擦力，达到减小表面磨损，保护刀具、延长刀具使用寿命的目的。

附图说明

图1为本发明高硬度表面多尺度功能微结构制备装置的立体图。

图2为本发明中单点金刚石刀具的立体图。

图3为本发明中多刃金刚石刀具的立体图。

图4为图2中a处刀具的放大示意图。

图5为图3中b处刀具的放大示意图。

图6为本发明在工件加工表面上制备出中心倒圆台凹坑微结构阵列和螺旋形微米或亚微米级功能微结构的立体图。

图7为本发明在工件加工表面上制备出v形沟槽微结构阵列和连续折线形微米或亚微米级功能微结构的立体图。

图8为本发明在工件加工表面上制备出的多尺度功能微结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述。

一种高硬度表面多尺度功能微结构制备方法，具体步骤如下：

步骤一、采用金刚石制作单点金刚石刀尖，如图4所示，其中，单点金刚石刀尖呈倒圆台形，单点金刚石刀尖的母线与中心轴线的夹角θ1＝θ＝22.5°，单点金刚石刀尖的最大直径d1＝d＝1.5mm；单点金刚石刀尖的最小直径d2＝d＝0.2mm；单点金刚石刀尖的高h1＝1.5h＝1.5mm；然后，将单点金刚石刀尖烧结在一个刀柄上制成单点金刚石刀具(单刃)，如图2所示。单点金刚石刀具用于制作毫米-亚毫米级功能微结构。

步骤二、采用金刚石制作多刃金刚石刀尖，如图5所示，其中，多刃金刚石刀尖整体呈倒圆台形，多刃金刚石刀尖的母线与中心轴线的夹角等于θ1，多刃金刚石刀尖的最大直径等于d1；多刃金刚石刀尖的最小直径等于d2；多刃金刚石刀尖的高等于h1。在多刃金刚石刀尖的侧面上与多刃金刚石刀尖底面相距高度为h2＝0.5h＝0.5mm的位置处烧结沿周向均布的n颗金刚石颗粒，优选地n＝2；金刚石颗粒呈圆锥形，底面直径d3＝0.05mm；然后，将多刃金刚石刀尖烧结在另一个刀柄上制成多刃金刚石刀具(三刃)，如图3所示。多刃金刚石刀具用于制作微米-亚微米级功能微结构。

步骤三、如图1所示，首先将固定支架11和xyz三轴滑台固定在底座上，将振动频率范围为50～200hz的激振器9固定在固定支架11上；然后，将z轴向旋转驱动件4固定在xyz三轴滑台上，夹具6固定在z轴向旋转驱动件4上；通过夹具6将待加工工件7夹紧。

步骤四、制备中心倒圆台凹坑微结构阵列或v形沟槽微结构阵列，具体过程如下：

将步骤一制成的单点金刚石刀具与激振器9的输出端固定，然后启动激振器9，将激振器的振动频率f调整为200hz，振幅a调整为1.5m；xyz三轴滑台和z轴向旋转驱动件4驱动待加工工件7运动，单点金刚石刀具在待加工工件7的待加工表面压印出中心倒圆台凹坑微结构阵列或犁削(边压印边沿直线运动)出v形沟槽微结构阵列；最后，停止激振器的振动；中心倒圆台凹坑微结构阵列如图6和8所示，v形沟槽微结构阵列如图7和8所示，中心倒圆台凹坑微结构阵列和v形沟槽微结构阵列均是一种毫米或亚毫米级功能微结构。

中心倒圆台凹坑微结构阵列由m行n列仿生微结构组成，m＝9，n＝9；仿生微结构由中心倒圆台凹坑和位于中心倒圆台凹坑外沿的弧形面(是由于单点金刚石刀具压印而排挤到中心倒圆台凹坑外沿而形成的)组成；中心倒圆台凹坑的母线与中心轴线的夹角θ满足θ＝22.5°，中心倒圆台凹坑的高度h＝1mm；中心倒圆台凹坑的最小直径d＝0.2mm；相邻仿生微结构的中心距l1＝2mm。

v形沟槽微结构阵列由等距布置的m个v形沟槽组成；v形沟槽的高度等于h，两侧壁夹角等于θ，底部槽宽等于d，长度l＝10mm；相邻两个v形沟槽的中心距等于l1。

步骤五、制备微米或亚微米级功能微结构，具体如下：

xyz三轴滑台带动待加工工件7下移30mm；拆卸单点金刚石刀具，并将步骤二制成的多刃金刚石刀具固定在激振器9的输出端；接着xyz三轴滑台带动待加工工件7上移30mm，使得待加工工件的待加工表面与多刃金刚石刀具接触。然后，启动激振器9，激振器的振动频率保持为f，振幅保持为a。若步骤四制备出的是中心倒圆台凹坑微结构阵列，则xyz三轴滑台和z轴向旋转驱动件4同时驱动待加工工件7运动，多刃金刚石刀具在待加工工件7的每个仿生微结构的中心倒圆台凹坑圆周侧面上压印出沿周向均布的两个螺旋形微米或亚微米级功能微结构；加工完成的工件表面如图6所示；其中，在每个仿生微结构的中心倒圆台凹坑内压印螺旋形微米或亚微米级功能微结构时，xyz三轴滑台不动，z轴向旋转驱动件4带动待加工工件以角速度ω旋转角度β＝45°，ω＝45°/s。若步骤四制备出的是v形沟槽微结构阵列，则xyz三轴滑台单独驱动待加工工件7运动，多刃金刚石刀具在待加工工件7的每个v形沟槽两侧壁压印出对称的两个连续折线形微米或亚微米级功能微结构；加工完成的工件表面如图7所示；其中，在每个v形沟槽内压印连续折线形微米或亚微米级功能微结构时，xyz三轴滑台带动待加工工件沿x向平移距离l。

如图1所示，本发明高硬度表面多尺度功能微结构制备装置，包括四自由度定位机构、夹具6、激振器9、单点金刚石刀具8和多刃金刚石刀具。

四自由度定位机构包括xyz三轴滑台和z轴向旋转驱动件4；xyz三轴滑台包括x轴向直线滑台1、y轴向直线滑台3和z轴向直线滑台5；x轴向直线滑台包括x轴向伺服电机、x轴向丝杆、x轴向滑块、x轴向导轨和x轴向座体；x轴向座体固定在底座2上；x轴向丝杆与x轴向座体构成转动副，并由x轴向伺服电机驱动；x轴向滑块与x轴向丝杆构成螺旋副，并与固定在x轴向座体上的x轴向导轨构成滑动副；y轴向直线滑台包括y轴向伺服电机、y轴向丝杆、y轴向滑块、y轴向导轨和y轴向座体；y轴向丝杆与y轴向座体构成转动副，并由y轴向伺服电机驱动；y轴向座体固定在x轴向座体上；y轴向滑块与y轴向丝杆构成螺旋副，并与固定在y轴向座体上的y轴向导轨构成滑动副；z轴向直线滑台包括z轴向伺服电机、z轴向丝杆、z轴向滑块、z轴向导轨和z轴向座体；z轴向丝杆与z轴向座体构成转动副，并由z轴向伺服电机驱动；z轴向座体固定在y轴向滑块上；z轴向滑块与z轴向丝杆构成螺旋副，并与固定在z轴向座体上的z轴向导轨构成滑动副；z轴向旋转驱动件4与z轴向滑块固定，并驱动夹具6绕z轴旋转；z轴向旋转驱动件4为z轴向旋转电缸或z轴向电机；z轴向旋转驱动件4采用z轴向旋转电缸时，z轴向旋转电缸的缸体固定在z轴向滑块上，夹具6固定在z轴向旋转电缸4的推杆上；z轴向旋转驱动件4采用z轴向电机时，z轴向电机的壳体固定在z轴向滑块上，夹具6固定在z轴向电机的输出轴上。待加工工件7由夹具6夹紧固定。

激振器9直接固定在固定支架11上，或激振器9由xyz三轴移动平台10驱动，xyz三轴移动平台10固定在固定支架11上；xyz三轴移动平台10的结构与xyz三轴滑台的结构相同；固定支架11固定在底座2上。单点金刚石刀具8或多刃金刚石刀具与激振器的输出端固定。

x轴向伺服电机、y轴向伺服电机、z轴向伺服电机、z轴向电机和激振器9均由控制器控制。