一种实现超疏水金属微零件的激光加工装置及加工方法

本发明涉及一种激光加工装置及加工方法，特别涉及一种实现超疏水金属微零件的激光加工装置及加工方法，属于激光加工技术领域。

背景技术：

超疏水特性是材料表面的一种拒水特性，是固体表面重要特征之一，这种现象在日常生活中十分常见，超疏水在实验中是以材料表面接触角大于150°来定义的。超疏水表面在自清洁、抗结冰结霜、抗腐蚀性及减阻性能等方面都有应用价值。对于超疏水表面的制备已有很多方法，其基本原理为金属材料的表面微纳米结构和表面的自由能二者同时决定材料表面的超疏水特性。

和传统的物理及化学方法相比较，激光冲击压印方法有很多优势，它是在激光冲击成形的基础上改进的一种新型制造方法，即激光冲击变形的基础上增加微模具，让材料实现精确可控的微结构成形。和传统的微加工工艺相比较，激光冲击压印技术精确度高，并且具有多样性和普遍适用性，能够实现较大面积复杂微结构的快速高精度制造。

中国专利cn201911241817.7公开了一种激光冲击成形制备超疏水微零件的装置及方法，即通过激光冲击成形的方法在工件表面精确制备出表面微突起织构以用于调控微零件的润湿性，制造出具有可控润湿性的微零件，并增强了微织构表面的耐用性。通过低表面能物质对具有微织构的表面进行修饰，可以进一步提高零件的疏水性能，但由于微零件尺寸小，在加工中会存在装夹困难的问题，最终影响微零件的成形精度及润湿效果。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种实现超疏水金属微零件的激光加工装置及加工方法；本发明通过激光冲击压印成形和表面修饰实现超疏水表面制备的自动化，可以避免微零件在后续表面修饰时的二次装夹，提高了加工效率。

技术方案：一种实现超疏水金属微零件的激光加工装置，包括成形系统、修饰系统、清洗系统、夹具总成和控制总成，所述夹具总成夹持着待加工的工件依次经过成形系统、修饰系统和清洗系统，所述控制总成分别控制成形系统、修饰系统、清洗系统和夹具总成；

所述成形系统包括激光器总成、约束层、吸收层、软膜、成形模块、成形模块支撑平台和成形模块定位总成，所述激光器总成产生的激光穿过约束层照射在吸收层上引起等离子爆炸产生高压冲击波，冲击波经过软膜传递至工件，工件下表面与成形模块接触，所述成形模块与工件接触的表面设有内凹的成形部，所述成形部底部设有锯齿状凸起部；所述成形模块定位总成控制成形模块支撑平台位置度进而控制成形模块与工件下表面接触；

所述修饰系统包括修饰模块、修饰模块支撑平台、修饰模块定位总成和修饰液容器总成，所述修饰模块定位总成控制修饰模块支撑平台的位置度进而控制修饰模块与工件的加工面接触，修饰液容器总成向修饰模块内注入修饰溶液，工件的加工面浸入修饰溶液内；

所述清洗系统包括清洗模块、清洗模块支撑平台、清洗模块定位总成和清洗液容器总成，所述清洗模块定位总成控制清洗模块支撑平台的位置度进而控制清洗模块与工件的加工面接触，清洗液容器总成向清洗模块内注入清洗液，工件的加工面浸入清洗液内；

所述夹具总成包括夹具本体、压块、底座和夹具平台，所述压块和底座位于夹具本体内并且约束层、吸收层、软膜和工件从上向下依次固定叠放于压块和底座之间；完成装夹的夹具本体固定安装在夹具平台上，所述夹具平台带着完成装夹的夹具本体在成形系统、修饰系统和清洗系统之间移动；

所述控制总成包括计算机、激光控制器、定位总成控制器、支撑平台控制器、夹具平台控制器、容器定位控制器和溶液控制器；所述计算机通过激光控制器控制激光器总成；所述计算机通过定位总成控制器分别控制成形模块定位总成、修饰模块定位总成和清洗模块定位总成；所述计算机通过支撑平台控制器分别控制成形模块支撑平台、修饰模块支撑平台和清洗模块支撑平台；所述计算机通过夹具平台控制器控制夹具平台的运动；所述计算机通过容器定位控制器分别修饰液容器总成和清洗液容器总成的运动；所述计算机通过溶液控制器分别修饰液容器总成和清洗液容器总成溶液的注入。

进一步，所述修饰系统与清洗系统之间设有溶液回收装置，所述溶液回收装置与容器定位控制器和溶液控制器连接；所述修饰模块和清洗模块为结构相同的箱式结构，所述修饰模块的上表面设有工件浸入口、溶液加注回收口和通气孔；所述工件的加工面通过工件浸入口与箱体内部溶液接触；所述修饰液容器总成、清洗液容器总成和溶液回收装置通过溶液加注回收口与箱体内部连通；所述修饰模块和清洗模块通过通气孔与大气连通；所述修饰模块和清洗模块的内部设有液位传感器。

进一步，所述工件浸入口周边设有密封圈，所述密封圈位于箱体上表面与工件之间。

进一步，所述约束层为k9玻璃，所述吸收层为黑漆，所述软膜为聚氨酯橡胶。

进一步，所述修饰模块内盛放的溶液为0.5%质量比的全氟硅烷乙醇溶液。

进一步，所述清洗模块内盛放的溶液为无水乙醇。

一种根据权利要求3所述的实现超疏水金属微零件的激光加工方法，包括以下步骤：

s1、装夹工件，将工件、软膜、吸收层、约束层从下向上依次叠放在底座上，再压上压块后用夹具本体固定，最后将带有工件的夹具总成通过夹具本体固定安装在夹具平台上；

s2、成形加工，控制总成分别控制成形模块支撑平台和夹具平台运动至成形模块与工件的加工面接触；控制总成启动激光器总成，激光器总成产生的激光穿过约束层照射在吸收层上引起等离子爆炸产生高压冲击波，冲击波经过软膜传递至工件，工件的加工面压入成形模块的内凹的成形部内部形成具有周期性微观结构的凸起；工件与成形模块分离，成形模块支撑平台带动成形模块回到初始位置；

s3、工件修饰，控制总成分别控制修饰模块支撑平台和夹具平台运动至修饰模块与工件的加工面接触；控制总成控制修饰液容器总成将修饰模块内注满修饰溶液；工件的加工面浸入修饰溶液内，修饰完成后工件与修饰模块分离，修饰模块支撑平台带动修饰模块回到初始位置；

s4、修饰溶液回收，控制总成控制溶液回收装置吸空修饰模块内的修饰溶液，完成修饰溶液回收后溶液回收装置）回到初始位置；

s5、工件清洗，控制总成分别控制清洗模块支撑平台和夹具平台运动至清洗模块与工件的加工面接触；控制总成控制清洗液容器总成将清洗模块内注满清洗溶液；工件的加工面浸入清洗溶液内，清洗完成后工件与清洗模块分离，清洗模块支撑平台带动清洗模块回到初始位置；

s6、清洗溶液回收，控制总成控制溶液回收装置吸空清洗模块内的清洗溶液，完成清洗溶液回收后溶液回收装置）回到初始位置；；

s7、拆卸工件，完成工件清洗后拆卸夹具总成将工件取出，完成加工。

进一步，所述步骤s2中控制总成的计算机通过定位总成控制器控制成形模块定位总成运动至成形工位；计算机通过支撑平台控制器控制成形模块支撑平台带动成形模块运动，通过成形模块定位总成将成形模块定位至成形工位；定位总成控制器控制成形模块定位总成运动至夹具平台的定位点，所述夹具平台控制器控制夹具平台运动，通过成形模块定位总成将夹具平台定位至成形工位；支撑平台控制器控制成形模块支撑平台带动成形模块向上运动至成形模块上表面与工件下表面贴合时停止运动；定位总成控制器控制成形模块定位总成运动至初始位置；

所述步骤s3中控制总成的计算机通过定位总成控制器控制修饰模块定位总成运动至修饰工位；计算机通过支撑平台控制器控制修饰模块支撑平台带动修饰模块运动，通过修饰模块定位总成将修饰模块定位至修饰工位；定位总成控制器控制修饰模块定位总成运动至夹具平台的定位点，所述夹具平台控制器控制夹具平台运动，通过修饰模块定位总成将夹具平台定位至修饰工位；支撑平台控制器控制修饰模块支撑平台带动修饰模块向上运动至修饰模块上表面与工件下表面贴合时停止运动；定位总成控制器控制修饰模块定位总成运动至初始位置；

所述步骤s5中控制总成的计算机通过定位总成控制器控制清洗模块定位总成运动至清洗工位；计算机通过支撑平台控制器控制清洗模块支撑平台带动清洗模块运动，通过清洗模块定位总成将清洗模块定位至清洗工位；定位总成控制器控制清洗模块定位总成运动至夹具平台的定位点，所述夹具平台控制器控制夹具平台运动，通过清洗模块定位总成将夹具平台定位至清洗工位；支撑平台控制器控制清洗模块支撑平台带动清洗模块向上运动至清洗模块上表面与工件下表面贴合时停止运动；定位总成控制器控制清洗模块定位总成运动至初始位置。

进一步，所述步骤s3中工件的加工面浸入修饰溶液内的时间大于等于2小时。

进一步，所述步骤s5中工件的加工面浸入清洗溶液内的时间大于等于5分钟。

有益效果：1、本发明采用激光冲击压印技术在工件表面制备周期性微观结构，相比较其他方法具有以下几点优势：

（1）精度高：工件表面的周期性微观结构可以通过微模具上预先加工的微观结构进行精确度的控制，因而能够实现精确可控的微结构成形；

（2）效率高：仅通过更改具有不同微观结构的微模具就可以加工出具有不同微观结构的工件；

（3）具有多样性和普遍适用性，能够实现较大面积复杂微结构的快速高精度制造。

2、本发明的自动换模系统具有精确度高、操作方便的优点，通过设计不同功能的模块，便可以实现超疏水表面制备过程中所需的多种功能。

3、本发明可以实现对微型零件的加工和处理，并且整个加工过程可以在一次装夹下完成，避免了二次装夹，提高了加工精度和生产效率。

4、加工过程的自动化程度高，节省人力，提高效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明激光冲击压印状态的示意图；

图3为本发明成形模块结构示意图；

图4为本发明工件修饰状态的示意图；

图5为本发明工件清洗状态的示意图；

图6为本发明修饰模块和清洗模块溶液加注回收口处的剖视图；

图7为本发明修饰模块和清洗模块工件浸入口处的剖视图；

图8为本发明的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1、2、3、4、5和8所示，一种实现超疏水金属微零件的激光加工装置，包括成形系统1、修饰系统2、清洗系统3、夹具总成4和控制总成5，所述夹具总成4夹持着待加工的工件6依次经过成形系统1、修饰系统2和清洗系统3，所述控制总成5分别控制成形系统1、修饰系统2、清洗系统3和夹具总成4；

所述成形系统1包括激光器总成11、约束层12、吸收层13、软膜14、成形模块15、成形模块支撑平台16和成形模块定位总成17，所述激光器总成11产生的激光穿过约束层12照射在吸收层13上引起等离子爆炸产生高压冲击波，冲击波经过软膜14传递至工件6，工件6下表面与成形模块15接触，所述成形模块15与工件6接触的表面设有内凹的成形部151，所述成形部底部设有锯齿状凸起部152；所述成形模块定位总成17控制成形模块支撑平台16位置度进而控制成形模块15与工件6下表面接触；

所述修饰系统2包括修饰模块21、修饰模块支撑平台22、修饰模块定位总成23和修饰液容器总成24，所述修饰模块定位总成23控制修饰模块支撑平台22的位置度进而控制修饰模块21与工件6的加工面接触，修饰液容器总成24向修饰模块21内注入修饰溶液，工件6的加工面浸入修饰溶液内；

所述清洗系统3包括清洗模块31、清洗模块支撑平台32、清洗模块定位总成33和清洗液容器总成34，所述清洗模块定位总成33控制清洗模块支撑平台32的位置度进而控制清洗模块31与工件6的加工面接触，清洗液容器总成34向清洗模块31内注入清洗液，工件6的加工面浸入清洗液内；

所述夹具总成4包括夹具本体41、压块42、底座43和夹具平台44，所述压块42和底座43位于夹具本体41内并且约束层12、吸收层13、软膜14和工件6从上向下依次固定叠放于压块42和底座43之间；完成装夹的夹具本体41固定安装在夹具平台44上，所述夹具平台44带着完成装夹的夹具本体41在成形系统1、修饰系统2和清洗系统3之间移动；

所述控制总成5包括计算机51、激光控制器52、定位总成控制器53、支撑平台控制器54、夹具平台控制器55、容器定位控制器56和溶液控制器57；所述计算机51通过激光控制器52控制激光器总成11；所述计算机51通过定位总成控制器53分别控制成形模块定位总成17、修饰模块定位总成23和清洗模块定位总成33；所述计算机51通过支撑平台控制器54分别控制成形模块支撑平台16、修饰模块支撑平台22和清洗模块支撑平台32；所述计算机51通过夹具平台控制器55控制夹具平台44的运动；所述计算机51通过容器定位控制器56分别修饰液容器总成24和清洗液容器总成34的运动；所述计算机51通过溶液控制器57分别修饰液容器总成24和清洗液容器总成34溶液的注入。

如图6和7所示，所述修饰系统2与清洗系统3之间设有溶液回收装置7，所述溶液回收装置7与容器定位控制器56和溶液控制器57连接；所述修饰模块21和清洗模块31为结构相同的箱式结构，所述修饰模块21的上表面设有工件浸入口25、溶液加注回收口26和通气孔27；所述工件6的加工面通过工件浸入口25与箱体内部溶液接触；所述修饰液容器总成24、清洗液容器总成34和溶液回收装置7通过溶液加注回收口26与箱体内部连通；所述修饰模块21和清洗模块31通过通气孔27与大气连通；所述修饰模块21和清洗模块31的内部设有液位传感器28。液位传感器28从模块顶部贯穿至底部，用于检测模块内溶液是否充满和溶液是否排净；通气孔27用于排出模块内气体方便液体的流入和排出。

所述工件浸入口25周边设有密封圈29，所述密封圈29位于箱体上表面与工件6之间。密封圈29可防止修饰或清洗过程中液体的流出，方便对工件6局部区域的修饰或清洗。

夹具平台44中间带有方孔，方便成形模块15、修饰模块21和清洗模块31穿过夹具平台44与工件6接触；各模块通过模块夹紧螺栓固定在模块支撑平台16上。

所述约束层12为k9玻璃，所述吸收层13为黑漆，所述软膜14为聚氨酯橡胶。成形模块15为微模具，其表面凹陷处具有周期性微观结构；夹具本体41为左右两个，在夹具本体41顶部装有夹具夹紧螺栓，以实现夹具本体41对微零件成形系统的夹紧，保证各零件间装配的准确性；压块42和底座43均为中间带有方孔的长方体，压块42的方孔是方便激光通过，底座43的方孔是为了方便成形模块15、修饰模块21和清洗模块31穿过夹具平台44与工件6接触。

所述修饰模块21内盛放的溶液为0.5%质量比的全氟硅烷乙醇溶液，用于修饰工件（21），降低其表面能。

所述清洗模块31内盛放的溶液为无水乙醇，用于清洗修饰好的工件6。

一种实现超疏水金属微零件的激光加工方法，包括以下步骤：

s1、装夹工件，将工件6、软膜14、吸收层13、约束层12从下向上依次叠放在底座43上，再压上压块42后用夹具本体41固定，最后将带有工件的夹具总成4通过夹具本体41固定安装在夹具平台44上；

s2、成形加工，控制总成5分别控制成形模块支撑平台16和夹具平台44运动至成形模块15与工件6的加工面接触；控制总成5启动激光器总成11，激光器总成11产生的激光穿过约束层12照射在吸收层13上引起等离子爆炸产生高压冲击波，冲击波经过软膜14传递至工件6，工件6的加工面压入成形模块15的内凹的成形部151内部形成具有周期性微观结构的凸起；工件6与成形模块15分离，成形模块支撑平台16带动成形模块15回到初始位置；

控制总成5的计算机51通过定位总成控制器53控制成形模块定位总成17运动至成形工位；计算机51通过支撑平台控制器54控制成形模块支撑平台16带动成形模块15运动，通过成形模块定位总成17将成形模块15定位至成形工位；定位总成控制器53控制成形模块定位总成17运动至夹具平台44的定位点，所述夹具平台控制器55控制夹具平台44运动，通过成形模块定位总成17将夹具平台44定位至成形工位；支撑平台控制器54控制成形模块支撑平台16带动成形模块15向上运动至成形模块15上表面与工件6下表面贴合时停止运动；定位总成控制器53控制成形模块定位总成17运动至初始位置；

s3、工件修饰，控制总成5分别控制修饰模块支撑平台22和夹具平台44运动至修饰模块21与工件6的加工面接触；控制总成5控制修饰液容器总成24将修饰模块21内注满修饰溶液；工件6的加工面浸入修饰溶液内，工件6的加工面浸入修饰溶液内的时间大于等于2小时；修饰完成后工件6与修饰模块21分离，修饰模块支撑平台22带动修饰模块21回到初始位置；

控制总成5的计算机51通过定位总成控制器53控制修饰模块定位总成23运动至修饰工位；计算机51通过支撑平台控制器54控制修饰模块支撑平台22带动修饰模块21运动，通过修饰模块定位总成23将修饰模块21定位至修饰工位；定位总成控制器53控制修饰模块定位总成23运动至夹具平台44的定位点，所述夹具平台控制器55控制夹具平台44运动，通过修饰模块定位总成23将夹具平台44定位至修饰工位；支撑平台控制器54控制修饰模块支撑平台22带动修饰模块21向上运动至修饰模块21上表面与工件6下表面贴合时停止运动；定位总成控制器53控制修饰模块定位总成23运动至初始位置；

s4、修饰溶液回收，控制总成5控制溶液回收装置7吸空修饰模块21内的修饰溶液，完成修饰溶液回收后溶液回收装置7回到初始位置；

s5、工件清洗，控制总成5分别控制清洗模块支撑平台32和夹具平台44运动至清洗模块31与工件6的加工面接触；控制总成5控制清洗液容器总成34将清洗模块31内注满清洗溶液；工件6的加工面浸入清洗溶液内，工件6的加工面浸入清洗溶液内的时间大于等于5分钟；清洗完成后工件6与清洗模块31分离，清洗模块支撑平台32带动清洗模块31回到初始位置；

控制总成5的计算机51通过定位总成控制器53控制清洗模块定位总成33运动至清洗工位；计算机51通过支撑平台控制器54控制清洗模块支撑平台32带动清洗模块31运动，通过清洗模块定位总成33将清洗模块31定位至清洗工位；定位总成控制器53控制清洗模块定位总成33运动至夹具平台44的定位点，所述夹具平台控制器55控制夹具平台44运动，通过清洗模块定位总成33将夹具平台44定位至清洗工位；支撑平台控制器54控制清洗模块支撑平台32带动清洗模块31向上运动至清洗模块31上表面与工件6下表面贴合时停止运动；定位总成控制器53控制清洗模块定位总成33运动至初始位置；

s6、清洗溶液回收，控制总成5控制溶液回收装置7吸空清洗模块31内的清洗溶液，完成清洗溶液回收后溶液回收装置7回到初始位置；；

s7、拆卸工件，完成工件6清洗后拆卸夹具总成4将工件6取出，完成加工。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。