基于接触粘附剥离的金属表面微凹结构制造方法与装置与流程

本发明属于金属表面微结构的制造领域，特别涉及一种基于接触粘附剥离的金属表面微凹结构制造方法与装置。

背景技术：

经过大量的实验研究表明在金属表面开设微结构能够有效地改善金属表面接触性能。现阶段人们采用的微结构形貌多为微凹型结构，特别是在机械加工领域，微凹结构广泛应用于车刀、拉刀、铣刀等各种机械零件加工刀具表面。所开设的微凹结构在车刀进行车削、拉刀进行拉削、铣刀进行铣削等加工过程中，起到了较为明显得优化加工效果。其体现在切削负载的降低、刀具磨损程度的下降、加工零件表面质量更为平整等多个方面。因此研制一种有效加工金属表面微凹结构的方法与装置显得尤为重要。

目前，对微凹结构的加工方法大多集中在激光刻蚀加工、电火花加工以及化学腐蚀加工等方法，暂未发现有利用接触粘附剥离金属表面原理进行微凹结构制造的方法与装置。

如申请专利号为cn201711387452.x的发明专利公开了本发明公开了一种微凹坑阵列结构加工方法，此发明方法能够加工获得曲线形貌微凹坑阵列结构。发明加工方法具体包括如下步骤：步骤1，衬底上涂覆一层基体材料；步骤2，利用离子风穿过带通孔阵列的掩模作用于衬底上的基体材料，形成微凹坑阵列结构；步骤3，固化衬底上的基体材料，成型所需形貌的微凹坑阵列结构。此发明方法能够低成本的实现不同材料、形貌和尺寸参数的凹坑阵列结构加工。但是此方法制造微凹坑结构成本高，工艺复杂，且在制造微凹坑结构时需要外加基体材料，难以保证微凹坑结构的强度和材料的使用性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于接触粘附剥离的金属表面微凹结构制造方法与装置，其是一种适用于不同材料、不同微结构规格(形状、尺寸和深度)和不同曲面的金属表面微凹结构制造方法及装置。该方法是一种基于增强表面原子层接触和粘附，从而进给剥离实现表面凹结构加工的方法；是一种基于模板微凸结构与工件表面原子层超声微位移振动接触(不足以产生压痕)，从而增加工件表面原子向模板表面定向粘附的方法；是一种定时进行模板微凸起粘附点剥离的方法；是一种模板微凸起点定时修磨方法；是一种基于待加工表面材料原子与微凸结构模板材料原子粘附匹配(易结合形成新相)的优化设计方法；是一种微凸结构模板与待加工金属表面温度精确控制的制造装置；是一种集微凹结构设计、表面微凹结构成形的金属表面微凹结构制造装置。

本发明基于接触粘附剥离的金属表面微凹结构制造方法，具体如下：

步骤一、将表面设有微凸结构的模板金属块通过螺栓连接于工字型安装板上，且模板金属块上设有微凸结构的表面朝下设置；其中，工字型安装板与z向滑台的滑块固定。

步骤二、将待加工金属块水平放置于框型平台上，夹紧机构夹紧待加工金属块。

步骤三、启动x向滑台和y向滑台，带动夹紧机构和待加工金属块水平同步移动到模板金属块的正下方；启动z向滑台，带动模板金属块向靠近待加工金属块的方向移动，并最终使模板金属块设有微凸结构的表面与待加工金属块需要开设微凹结构的表面接触。

步骤四、恒温加热块通电，对待加工金属块的底面进行加热。

步骤五、待加工金属块表面温度加热至175℃～200℃时，启动超声激振器，利用超声激振器对模板金属块和待加工金属块进行超声微位移振动，增加板金属块和待加工金属块接触表面之间的接触压力。由于待加工金属块温度比模板金属块高，待加工金属块表面原子向模板金属块微凸结构表面定向粘附。

步骤六、超声激振器的超声微位移振动保持20～40min后停止振动，并断开恒温加热块的供电。启动z向滑台，使模板金属块远离待加工金属块，模板金属块与待加工金属块分离过程中粘附在模板金属块的微凸结构上的待加工金属块表层金属被剥离出，从而在待加工金属块表面形成微凹结构。启动x向滑台和y向滑台，使待加工金属块水平移动至微结构检测装置的检测区域。对高速显微摄像机进行聚焦位置调整，然后利用微结构检测装置对待加工金属块表面形成的微凹结构进行检测。

步骤七、将待加工金属块表面形成的微凹结构进行检测结果传给图像处理主机处理，如果待加工金属块表面形成的微凹结构深度均值检测结果与图像处理主机中预设的微凹结构深度之间的深度差大于0.05mm，则在进行模板金属块微凸结构修复后重复步骤三至步骤六，否则进入步骤八。

步骤八、松开夹紧机构，取出开设了合格微凹结构的待加工金属块，完成待加工金属块的微凹结构加工。

所述模板金属块上的微凸结构通过激光加工或者电火花加工进行加工。

所述模板金属块的材质与待加工金属块相同。

粘附在模板金属块微凸结构上的表层金属去除方法为激光刻蚀或化学腐蚀。

本发明基于接触粘附剥离的金属表面微凹结构制造装置，包括微凹结构开设机构、微凹结构检测机构和图像处理主机。所述的微凹结构开设机构包括安装底架、x向滑台、滑台连接板、y向滑台、夹紧机构安装板、夹紧机构、框型平台、恒温加热块、模板金属块、超声激振器、工字型安装板、z向滑台和z向滑台固定板。x向滑台的底座固定在x向滑台固定板上，y向滑台的底座通过滑台连接板与x向滑台的滑块固定，x向和y向均平行于水平面且两者之间的夹角为90°。夹紧机构安装板通过螺栓连接于y向滑台的滑块上，夹紧机构的固定件固定在夹紧机构安装板上；框型平台通过螺栓固定于夹紧机构安装板上，框型平台下表面上固定有恒温加热块。z向滑台竖直设置，z向滑台的底座固定在z向滑台固定板上。z向滑台的滑块上固定有工字型安装板。所述的模板金属块和超声激振器均固定在工字型安装板上；所述的超声激振器置于模板金属块正上方。

所述的微凸结构检测机构包括高速显微摄像机、竖杆、横杆、第一调整块、转接块和第二调整块；所述的第一调整块与竖杆和横杆均构成移动副，且与竖杆和横杆均通过紧固螺栓连接；所述的转接块固定在横杆端部，并与第二调整块铰接，该铰接轴轴线水平设置。所述的高速显微摄像机固定在第二调整块上。

所述的夹紧机构包括两个夹紧气缸；夹紧气缸的缸体固定在夹紧机构安装板上，夹紧气缸的活塞杆上固定压块。

所述的超声激振器产生频率0～15khz的振动，最大激振力为20n。

本发明的有益效果：

本发明通过对模板金属块和待加工金属块施加超声振动，并利用模板金属块和待加工金属块之间的温度差，促进待加工金属块表面原子层发生驰豫重组，使待加工金属块表面原子层向模板金属块表面微凸结构粘附；通过对待加工金属块表面粘附层进行多次的剥离，实现开设微凹结构的目的；通过高速摄像机与图像处理主机实现对微凸结构的检测；本发明微凹结构制造方法简便，使用环境安全，适用性较广。

附图说明

图1为本发明基于接触粘附剥离的金属表面微凹结构制造装置的整体结构立体图。

图2为本发明基于接触粘附剥离的金属表面微凹结构制造装置中微凹结构开设机构的结构立体图。

图3为本发明微凹结构开设机构中恒温加热块的安装示意图。

图4为本发明基于接触粘附剥离的金属表面微凹结构制造装置中微凹结构检测机构的结构立体图。

图5a为本发明中模板金属块与待加工金属块表面接触的示意图。

图5b为本发明中模板金属块从待加工金属块表面剥离表层金属的示意图。

图6为本发明中模板金属块与待加工金属块接触、待加工金属块表层原子朝着模板金属块微凸结构部分迁移以及待加工金属块形成微凹结构三个过程中两者的表层金属状态图。

附图标记说明：

1、微凹结构开设机构，2、图像处理主机，3、微凸结构检测机构，1-1、安装底架，1-2、x向滑台，1-3、滑台连接板，1-4、y向滑台，1-5、夹紧机构安装板，1-6、夹紧机构，1-7、框型平台，1-8、待加工金属块，1-9、恒温加热块，1-10、模板金属块，1-11、超声激振器，1-12、工字型安装板，1-13、z向滑台，1-14、z向滑台固定板，1-15、表层金属，3-1、高速显微摄像机，3-2、横杆，3-3、竖杆，3-4、第一调整块，3-5、转接块，3-6、第二调整块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

本发明基于接触粘附剥离的金属表面微凹结构制造方法，具体如下：

步骤一、将表面设有微凸结构(本实施例中的微凸结构为矩形凸起)的模板金属块1-10通过螺栓连接于工字型安装板1-12上，且模板金属块1-10上设有微凸结构的表面朝下设置；其中，工字型安装板1-12与z向滑台1-13的滑块固定。其中，模板金属块1-10上的微凸结构可以通过激光加工或者电火花加工进行加工；考虑到加工的难易性和可实施性，模板金属块1-10所选取的材质性能应与待加工金属块1-8相近，如待加工金属块1-8为铁块时，模板金属块1-10的最优材质便是铁。

步骤二、将待加工金属块1-8水平放置于框型平台1-7上，夹紧机构1-6夹紧待加工金属块1-8。

步骤三、启动x向滑台1-2和y向滑台1-4，带动夹紧机构1-6和待加工金属块1-8水平同步移动到模板金属块1-10的正下方；启动z向滑台1-13，带动模板金属块1-10向靠近待加工金属块1-8的方向移动，并最终使模板金属块1-10设有微凸结构的表面与待加工金属块1-8需要开设微凹结构的表面接触。

步骤四、恒温加热块1-9通电，对待加工金属块1-8的底面进行加热。

步骤五、待加工金属块表面温度加热至175℃～200℃时，启动超声激振器1-11，利用超声激振器1-11对模板金属块1-10和待加工金属块1-8进行超声微位移振动，增加板金属块1-10和待加工金属块1-8接触表面之间的接触压力。由于待加工金属块1-8温度比模板金属块1-10高，待加工金属块1-8表面原子向模板金属块1-10微凸结构表面定向粘附。

步骤六、超声激振器1-11的超声微位移振动保持20～40min(本实施例中为30min)后停止振动，并断开恒温加热块1-9的供电。启动z向滑台1-13，使模板金属块1-10远离待加工金属块1-8，模板金属块1-10与待加工金属块1-8分离过程中粘附在模板金属块1-10的微凸结构上的待加工金属块1-8表层金属被剥离出，从而在待加工金属块1-8表面形成微凹结构。启动x向滑台和y向滑台，使待加工金属块1-8水平移动至微结构检测装置3的检测区域。对高速显微摄像机进行聚焦位置调整，然后利用微结构检测装置3对待加工金属块1-8表面形成的微凹结构进行检测。

步骤七、将待加工金属块表面形成的微凹结构进行检测结果传给图像处理主机处理，如果待加工金属块1-8表面形成的微凹结构平均深度检测结果与图像处理主机2中预设的理想微凹结构深度之间的深度差大于0.05mm，则在进行模板金属块1-10微凸结构修复后(可用激光刻蚀或是化学腐蚀的方法去除粘附在模板金属块1-10微凸结构上的表层金属)重复步骤三至步骤六，否则进入步骤八。

步骤八、松开夹紧机构1-6，取出开设了合格微凹结构的待加工金属块，完成待加工金属块的微凹结构加工。

如图1所示，本发明基于接触粘附剥离的金属表面微凹结构制造装置，包括微凹结构开设机构1、图像处理主机2和微凹结构检测机构3。

如图2、图3所示，所述的微凹结构开设机构包括安装底架1-1、x向滑台1-2、滑台连接板1-3、y向滑台1-4、夹紧机构安装板1-5、夹紧机构1-6、框型平台1-7、恒温加热块1-9、模板金属块1-10、超声激振器1-11、工字型安装板1-12、z向滑台1-13和z向滑台固定板1-14。安装底架1-1可由常规2020铝型材与铝板搭建而成，用于固定连接x向滑台固定板和z向滑台固定板1-14。x向滑台1-2的底座固定在x向滑台固定板上，y向滑台1-4的底座通过滑台连接板1-3与x向滑台1-2的滑块固定，x向和y向均平行于水平面且两者之间的夹角为90°。夹紧机构安装板1-5通过螺栓固定连接于y向滑台1-4的滑块上，夹紧机构1-6的固定件固定在夹紧机构安装板1-5上，活动件用于将待加工金属块1-8压紧在框型平台1-7上；本实施例中，夹紧机构1-6包括两个夹紧气缸，夹紧气缸的缸体固定在夹紧机构安装板1-5上，夹紧气缸的活塞杆上固定压块；框型平台1-7通过螺栓固定于夹紧机构安装板上，用于放置待加工金属块1-8，且在框型平台1-7下表面上固定有恒温加热块1-9，对待加工金属块1-8起到加热作用，加速金属表面原子层的粘附，有助于微凹结构的形成。z向滑台1-13竖直设置，z向滑台1-13的底座固定在z向滑台固定板1-14上。z向滑台1-13的滑块上固定有工字型安装板1-12。

模板金属块1-10和超声激振器1-11固定在工字型安装板1-12上；超声激振器1-11置于模板金属块1-10正上方，可产生频率0～15khz的振动，最大激振力可以达到20n，用于使模板金属块1-10与待加工金属块1-8表面原子层产生超声微位移振动接触(不足以产生压痕)，从而使待加工金属块1-8表面原子向模板金属块1-10微凸结构表面定向粘附，从而实现待加工金属块1-8表面微凹结构的制备，模板金属块1-10与待加工金属块1-8分离时从待加工金属块1-8表面剥离表层金属1-15的过程如图5a和图5b所示。

如图4所示，微凸结构检测机构3包括高速显微摄像机3-1、横杆3-2、竖杆3-3、第一调整块3-4、转接块3-5和第二调整块3-6；第一调整块3-4与横杆3-2和竖杆3-3均构成移动副，且与横杆3-2和竖杆3-3均通过紧固螺栓连接；转接块3-5固定在横杆3-2端部，并与第二调整块3-6铰接，该铰接轴轴线水平设置。高速显微摄像机3-1固定在第二调整3-6块上。通过第一调整块3-4的位置调节，可以实现高速摄像机3-1前后位置和上下高度的调整；通过调整第二调整块3-6的角度可以带动高速显微摄像机3-1在90°的范围内旋转。

详细的微凹结构成型原理如图6所示。图中空心圆圈代表的是待加工金属块或模板金属块内部的原子，设有剖面线的圆圈代表模板金属块表层原子的状态，实心圆圈代表待加工金属块表层原子的状态，虚线代表了两者之间的接触表面。模板金属块和待加工金属块相接触时，在超声振动和恒温加热的情况下，由于待加工金属块下表面与恒温加热块直接接触，整体温度比模板金属块高，待加工金属块内部的原子运动相较于模板金属块更为剧烈，待加工金属块表层原子朝着模板金属块微凸结构部分迁移，与模板金属块形成了粘附。在将模板金属与待加工金属接触表面分开时，由于两个接触表面已经产生了粘附，因此模板金属块会从待加工金属块表层剥离粘附部分的原子层，从而实现微凹结构的开设。