仿鱼鳞型多功能表面微结构制备方法与装置

本发明属于功能微结构技术领域，具体涉及一种刀具等高硬度表面仿鱼鳞型多功能微结构制备方法与装置。

背景技术：

刀具是机械加工中非常重要的工具，广泛用于制造业各个制备加工环节中。刀具的各方面性能将直接影响到生产的产品质量，在机械加工过程中，摩擦、黏附、发热等都会引起刀具的失效，从而降低生产效率。而仿生学证实具有一定非光滑形态的高性能结构能够发挥良好的耐磨、防黏附、高效散热等性能，由于仿生功能结构的优异特性，可将其开设在刀具的前刀面、后刀面和侧面达到减磨润滑或者散热的效果，但是仿生微结构种类繁多，其功能特性也各不相同，找到一种能够在刀具表面达到不同效果的多功能微结构的难度也比较大。如公开号为cn107353766a的专利公开了一种超疏水耐磨微结构制备方法，该发明利用粉煤灰环保和功能超疏涂层，采用一步静电喷涂法制备出超疏水粉煤灰功能涂层，利用环氧树脂与铝基板有很好的结合力，加入疏水性物质改性粉煤灰粒子，构建了粗糙的微结构并提高了涂层机械强度，加入全氟乙烯丙烯共聚物(fep)和聚偏氟乙烯(pvdf)低表面能物质以增加疏水性，从微结构和聚合物体系两方面入手一步法制备了超疏水功能涂层。但该方法制作材料中含有有毒物质，操作存在风险。公开号为cn108358154a的专利公开了一种具备减阻特性的仿高山箭竹叶梭形仿生微结构。该发明利用高山箭竹叶梭形结构体流线排布的肋结构表面优秀的减阻效果，梭形结构体的存在和适当排布可显著减小表面摩擦阻力，有效改善固流接触层的气动性能，分别以聚二甲基硅氧烷、铝合金、光刻胶三种材料加工，以实现减阻效果的最大化。但该方法制作过程繁琐，且试验后的多余材料不易回收造成浪费。公开号为cn208420069u的专利公开了一种基于仿生减阻的v锥流量计，该发明通过在v锥锥体表面布置肋条、凹槽、凸包、凹坑等仿生微结构中的一种，或者布置两种及两种以上的微结构，合理设计微结构的宽高比、间距、数量、布置方式等参数，进而获得最优的表面微结构的结构参数，最终实现减阻的目的，使流量计信号更加稳定，精度更高，维护成本更低。但是其仍然存在压损较大，流出系数较低的缺陷，制约了其进一步推广使用。v锥流量计节流锥体作为差压产生的一次元件，其结构形式对流量计压力损失的影响极为关键。这些相关专利大多只能在刀具某一方面的特性上发挥作用，而且基本上都存在一定的不足，因此研制一种制作过程简单、多功能的微结构制备方法与装置对优化刀具性能有着十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有刀具等高硬度表面磨损严重、散热困难、黏附严重、使用寿命短等不足，提供一种能够降载减阻、高效散热、防黏附和耐磨的高硬度表面仿鱼鳞型多功能微结构制备方法与装置。本发明受鱼表皮的鱼鳞结构具有良好的韧性和抗黏附特性的启发而提出；本发明是一种仿鱼鳞片表面在微米级尺度下的半月牙的规则凸起结构，该结构在鱼鳞表面具有横竖交错分布的排列特性；本发明是一种能够划破刀面和材料间产生的粘膜，减小切削时刀面和被切削材料的摩擦力和吸附力，实现防黏附和减小阻力的微结构；是一种能够增大刀具表面与空气的接触面积，实现刀具在运转时高效散热的微结构；是在高硬度表面，使用犁削加工开设鱼鳞仿生功能微结构的制备方法；是一种集成高硬度表面精密定位、犁刀设计和刀具精密伺服驱动控制于一体的仿生功能微结构精密制备装置。

本发明仿鱼鳞型多功能表面微结构制备方法，具体如下：

仿鱼鳞型多功能表面微结构制备方法，具体如下：

步骤一、采用金刚石制作圆锥形的犁刀刀头，然后将犁刀刀头烧结固定在刀柄上制成犁削刀具；犁刀刀头倾斜设置，且圆锥形的顶点斜向下设置。

步骤二、将犁削刀具的刀柄竖直固定在刀具安装轴上，刀具安装轴竖直固定在z轴滑块上，并将需要加工的工件装夹在工件夹具上。

步骤三、通过x轴传动电机驱动x轴丝杠旋转，带动x轴滑块、加工盘、工件夹具以及工件同步沿x轴移动；同时，通过y轴传动电机驱动y轴丝杠旋转，带动y轴滑块、电机安装座、z轴传动电机、z轴丝杠、z轴导杆、z轴滑块、刀具安装轴以及犁削刀具同步沿y轴移动；从而，使犁削刀具的犁刀刀头位于工件起始切割位置正上方。然后，z轴传动电机驱动z轴丝杠旋转，带动z轴滑块、刀具安装轴以及犁削刀具同步沿z轴向下运动至工件起始切割位置处。

步骤四、通过x轴传动电机驱动x轴丝杠旋转，带动x轴滑块、加工盘、工件夹具以及工件同步沿x轴正向移动，同时，通过y轴传动电机驱动y轴丝杠旋转，带动y轴滑块、电机安装座、z轴传动电机、z轴丝杠、z轴导杆、z轴滑块、刀具安装轴以及犁削刀具同步沿y轴正反向周期性往复移动，从而在工件上加工出一行鱼鳞型微结构，鱼鳞型微结构由顺序相连的若干弧形片组成。

步骤五、z轴传动电机驱动z轴丝杠旋转，带动z轴滑块、刀具安装轴以及犁削刀具同步沿z轴向上运动离开工件；然后，通过x轴传动电机驱动x轴丝杠旋转，带动x轴滑块、加工盘、工件夹具以及工件同步沿x轴反向移动，直到工件起始切割位置与犁削刀具的犁刀刀头在x轴方向上对齐；接着，通过y轴传动电机驱动y轴丝杠旋转，带动y轴滑块、电机安装座、z轴传动电机、z轴丝杠、z轴导杆、z轴滑块、刀具安装轴以及犁削刀具同步沿y轴正向移动一个步进距离；最后，z轴传动电机驱动z轴丝杠旋转，带动z轴滑块、刀具安装轴以及犁削刀具同步沿z轴向下运动，直到犁削刀具的犁刀刀头与工件起始切割位置等高。

步骤六、重复步骤四和步骤五若干次，加工出所有行数的鱼鳞型微结构。

步骤七、将犁削刀具从刀具安装轴上卸下，并将碳纤维粉末喷头与刀具安装轴固定。

步骤八、通过y轴传动电机驱动y轴丝杠旋转，带动y轴滑块、电机安装座、z轴传动电机、z轴丝杠、z轴导杆、z轴滑块、刀具安装轴以及碳纤维粉末喷头同步沿y轴反向移动一个步进距离；然后，通过x轴传动电机驱动x轴丝杠旋转，带动x轴滑块、加工盘、工件夹具以及工件同步沿x轴正向移动，同时，碳纤维粉末喷头向加工完成的一行鱼鳞型微结构中喷入碳纤维粉末。

步骤九、通过y轴传动电机驱动y轴丝杠旋转，带动y轴滑块、电机安装座、z轴传动电机、z轴丝杠、z轴导杆、z轴滑块、刀具安装轴以及碳纤维粉末喷头同步沿y轴反向移动一个步进距离；然后，通过x轴传动电机驱动x轴丝杠旋转，带动x轴滑块、加工盘、工件夹具以及工件同步沿x轴反向移动，同时，碳纤维粉末喷头向加工完成的一行鱼鳞型微结构中喷入碳纤维粉末。

步骤十、重复步骤八和步骤九若干次，直到所有行数的鱼鳞型微结构中均喷入碳纤维粉末。

步骤十一、z轴传动电机驱动z轴丝杠旋转，带动z轴滑块、刀具安装轴以及犁削刀具同步沿z轴向上运动离开工件，将碳纤维粉末喷头从刀具安装轴上卸下，并将铰接有碾压滚轮的滚轮架与刀具安装轴固定；碾压滚轮呈腰鼓形。

步骤十二、z轴传动电机驱动z轴丝杠旋转，带动z轴滑块、刀具安装轴以及犁削刀具同步沿z轴向下运动，使碾压滚轮对第一行鱼鳞型微结构进行碾压；然后，通过y轴传动电机驱动y轴丝杠旋转，带动y轴滑块、电机安装座、z轴传动电机、z轴丝杠、z轴导杆、z轴滑块、刀具安装轴以及碳纤维粉末喷头同步沿y轴正向移动，使碾压滚轮对其余各行鱼鳞型微结构进行碾压，形成最终的仿鱼鳞型多功能表面微结构。

优选地，所述鱼鳞形微结构的高度为200～400um。

优选地，每次重复步骤四时犁削刀具沿y轴正反向周期性往复移动的相位与前一次执行步骤四时犁削刀具沿y轴正反向周期性往复移动的相位相差90°，使得相邻行鱼鳞型微结构的弧形片错位排布。

该仿鱼鳞型多尺度多功能表面微结构制备方法采用的制备装置，包括犁削机构、碳纤维粉末喷头和碾压滚轮组件；所述的碳纤维粉末喷头通过管道与定量泵连接；定量泵由控制器控制；所述的碾压滚轮组件包括碾压滚轮和滚轮架；碾压滚轮呈腰鼓形；碾压滚轮与滚轮架铰接。所述的犁削机构包括电机组、丝杠组、导杆组、犁削刀具、工件夹具和机架；所述的电机组包括由控制器控制的x轴传动电机、y轴传动电机和z轴传动电机；所述的丝杠组包括两两垂直的x轴丝杠、y轴丝杠和z轴丝杠；所述的导杆组包括x轴导杆、y轴导杆和z轴导杆。x轴丝杠通过轴承支承在机架上，并与x轴传动电机的输出轴通过联轴器连接；两根x轴导杆间距固定在机架上；x轴滑块与x轴丝杠构成螺旋副，且与两根x轴导杆均构成滑动副；加工盘与x轴滑块固定；工件夹具固定在加工盘上。y轴丝杠通过轴承支承在机架上，并与y轴传动电机的输出轴通过联轴器连接；两根y轴导杆间距固定在机架上；y轴滑块与y轴丝杠构成螺旋副，且与两根y轴导杆均构成滑动副；电机安装座与y轴滑块固定；x轴传动电机和y轴传动电机的壳体均固定在机架上。z轴丝杠通过轴承支承在电机安装座上，并与z轴传动电机的输出轴通过联轴器连接；两根z轴导杆间距固定在电机安装座上；z轴滑块与z轴丝杠构成螺旋副，且与两根z轴导杆均构成滑动副；z轴传动电机的壳体固定在电机安装座上；刀具安装轴与z轴滑块固定，犁削刀具与刀具安装轴可拆卸固定连接。所述的犁削刀具包括刀柄和烧结固定在刀柄上的圆锥形犁刀刀头；犁刀刀头倾斜设置，且圆锥形的顶点斜向下设置。

优选地，所述的工件夹具包括夹具丝杠、夹具滑块和平口钳底座；所述的平底钳底座固定在加工盘上；夹具丝杠与平口钳底座构成转动副；夹具滑块与平底钳底座构成滑动副，并与夹具丝杠构成螺旋副。

本发明具有的有益效果如下：

1.本发明采用特制的犁刀刀头制作成犁削刀具，并基于犁削刀具提供了一种高硬度表面仿鱼鳞型多尺度多功能微结构制备方法与装置，是一种仿鱼鳞片表面在微米级尺度下的半月牙的规则凸起结构(该结构在鱼鳞表面具有横竖交错分布的排列特性)，能够降载减阻、高效散热、防黏附，并具有耐磨特性。

2.本发明能够划破刀面和材料间产生的粘膜，减小切削时刀面和被切削材料的摩擦力和吸附力，实现防黏附和减小阻力。

3.本发明能够增大刀具表面与空气的接触面积，实现刀具在运转时高效散热。

4.本发明通过碳纤维粉末喷头将碳纤维粉末喷入各仿鱼鳞型微结构中，并用碾压滚轮组件碾压各仿鱼鳞型微结构，形成最终的仿鱼鳞型多功能表面微结构，增强了刀具的散热和润湿性能。

附图说明

图1为本发明中犁削刀具的结构示意图；

图2为本发明中碾压滚轮组件的结构示意图；

图3为本发明仿鱼鳞型多功能表面微结构制备装置的整体结构示意图；

图4为本发明制备仿鱼鳞型微结构的流程示意图；

图5为本发明加工完成后的工件表面多排仿鱼鳞形微结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

仿鱼鳞型多功能表面微结构制备方法，具体如下：

步骤一、采用金刚石制作圆锥形的犁刀刀头，如图1所示，然后将犁刀刀头烧结固定在刀柄上制成犁削刀具8；犁刀刀头倾斜设置，且圆锥形的顶点斜向下设置。

步骤二、如图3所示，将犁削刀具8的刀柄竖直固定在刀具安装轴3-4上，刀具安装轴3-4竖直固定在z轴滑块上，并将需要加工的工件装夹在工件夹具上。

步骤三、通过x轴传动电机3-1驱动x轴丝杠4-1旋转，带动x轴滑块、加工盘2、工件夹具以及工件同步沿x轴移动；同时，通过y轴传动电机3-2驱动y轴丝杠4-2旋转，带动y轴滑块、电机安装座、z轴传动电机3-3、z轴丝杠4-3、z轴导杆5-3、z轴滑块、刀具安装轴3-4以及犁削刀具同步沿y轴移动；从而，使犁削刀具的犁刀刀头位于工件起始切割位置正上方。然后，z轴传动电机3-3驱动z轴丝杠4-3旋转，带动z轴滑块、刀具安装轴3-4以及犁削刀具同步沿z轴向下运动至工件起始切割位置处。

步骤四、通过x轴传动电机3-1驱动x轴丝杠4-1旋转，带动x轴滑块、加工盘2、工件夹具以及工件同步沿x轴正向移动，同时，通过y轴传动电机3-2驱动y轴丝杠4-2旋转，带动y轴滑块、电机安装座、z轴传动电机3-3、z轴丝杠4-3、z轴导杆5-3、z轴滑块、刀具安装轴3-4以及犁削刀具同步沿y轴正反向周期性往复移动，从而在工件上加工出一行鱼鳞型微结构，鱼鳞型微结构由顺序相连的若干弧形片组成。

步骤五、z轴传动电机3-3驱动z轴丝杠4-3旋转，带动z轴滑块、刀具安装轴3-4以及犁削刀具同步沿z轴向上运动离开工件；然后，通过x轴传动电机3-1驱动x轴丝杠4-1旋转，带动x轴滑块、加工盘2、工件夹具以及工件同步沿x轴反向移动，直到工件起始切割位置与犁削刀具的犁刀刀头在x轴方向上对齐；接着，通过y轴传动电机3-2驱动y轴丝杠4-2旋转，带动y轴滑块、电机安装座、z轴传动电机3-3、z轴丝杠4-3、z轴导杆5-3、z轴滑块、刀具安装轴3-4以及犁削刀具8同步沿y轴正向移动一个步进距离；最后，z轴传动电机3-3驱动z轴丝杠4-3旋转，带动z轴滑块、刀具安装轴3-4以及犁削刀具同步沿z轴向下运动，直到犁削刀具的犁刀刀头与工件起始切割位置等高。

步骤六、重复步骤四和步骤五若干次，加工出所有行数的鱼鳞型微结构。

步骤七、将犁削刀具8从刀具安装轴3-4上卸下，并将碳纤维粉末喷头(如图4)与刀具安装轴固定。

步骤八、通过y轴传动电机3-2驱动y轴丝杠4-2旋转，带动y轴滑块、电机安装座、z轴传动电机3-3、z轴丝杠4-3、z轴导杆5-3、z轴滑块、刀具安装轴3-4以及碳纤维粉末喷头同步沿y轴反向移动一个步进距离；然后，通过x轴传动电机3-1驱动x轴丝杠4-1旋转，带动x轴滑块、加工盘2、工件夹具以及工件同步沿x轴正向移动，同时，碳纤维粉末喷头向加工完成的一行鱼鳞型微结构中喷入碳纤维粉末。

步骤九、通过y轴传动电机3-2驱动y轴丝杠4-2旋转，带动y轴滑块、电机安装座、z轴传动电机3-3、z轴丝杠4-3、z轴导杆5-3、z轴滑块、刀具安装轴3-4以及碳纤维粉末喷头同步沿y轴反向移动一个步进距离；然后，通过x轴传动电机3-1驱动x轴丝杠4-1旋转，带动x轴滑块、加工盘2、工件夹具以及工件同步沿x轴反向移动，同时，碳纤维粉末喷头向加工完成的一行鱼鳞型微结构中喷入碳纤维粉末。

步骤十、重复步骤八和步骤九若干次，直到所有行数的鱼鳞型微结构中均喷入碳纤维粉末。

步骤十一、z轴传动电机3-3驱动z轴丝杠4-3旋转，带动z轴滑块、刀具安装轴3-4以及犁削刀具同步沿z轴向上运动离开工件，将碳纤维粉末喷头从刀具安装轴3-4上卸下，并将铰接有碾压滚轮的滚轮架(如图2)与刀具安装轴固定；碾压滚轮呈腰鼓形。

步骤十二、z轴传动电机3-3驱动z轴丝杠4-3旋转，带动z轴滑块、刀具安装轴3-4以及犁削刀具同步沿z轴向下运动，使碾压滚轮对第一行鱼鳞型微结构进行碾压，如图4所示；然后，通过y轴传动电机3-2驱动y轴丝杠4-2旋转，带动y轴滑块、电机安装座、z轴传动电机3-3、z轴丝杠4-3、z轴导杆5-3、z轴滑块、刀具安装轴3-4以及碳纤维粉末喷头同步沿y轴正向移动，使碾压滚轮对其余各行鱼鳞型微结构进行碾压，形成最终的仿鱼鳞型多功能表面微结构。

优选地，鱼鳞形微结构的高度为300um。

优选地，每次重复步骤四时犁削刀具沿y轴正反向周期性往复移动的相位与前一次执行步骤四时犁削刀具沿y轴正反向周期性往复移动的相位相差90°，使得相邻行鱼鳞型微结构的弧形片错位排布，如图5所示。

该仿鱼鳞型多功能表面微结构制备方法采用的制备装置，包括犁削机构、碳纤维粉末喷头(碳纤维粉末喷头可装配刀具安装轴3-4上)和碾压滚轮组件；碳纤维粉末喷头通过管道与定量泵连接；定量泵由控制器控制；碾压滚轮组件包括碾压滚轮和滚轮架；碾压滚轮呈腰鼓形；碾压滚轮与滚轮架铰接，滚轮架可装配在刀具安装轴3-4上。犁削机构包括电机组、丝杠组、导杆组、犁削刀具8、工件夹具和机架1；电机组包括由控制器控制的x轴传动电机3-1、y轴传动电机3-2和z轴传动电机3-3；丝杠组包括两两垂直的x轴丝杠4-1、y轴丝杠4-2和z轴丝杠4-3；导杆组包括x轴导杆5-1、y轴导杆5-2和z轴导杆5-3。x轴丝杠4-1通过轴承支承在机架1上，并与x轴传动电机3-1的输出轴通过联轴器连接；两根x轴导杆5-1间距固定在机架1上；x轴滑块与x轴丝杠4-1构成螺旋副，且与两根x轴导杆5-1均构成滑动副；加工盘2与x轴滑块固定；工件夹具固定在加工盘2上。y轴丝杠4-2通过轴承支承在机架1上，并与y轴传动电机3-2的输出轴通过联轴器连接；两根y轴导杆5-2间距固定在机架1上；y轴滑块与y轴丝杠4-2构成螺旋副，且与两根y轴导杆5-2均构成滑动副；电机安装座与y轴滑块固定；x轴传动电机3-1和y轴传动电机3-2的壳体均固定在机架上。z轴丝杠4-3通过轴承支承在电机安装座上，并与z轴传动电机3-3的输出轴通过联轴器连接；两根z轴导杆5-3间距固定在电机安装座上；z轴滑块与z轴丝杠4-3构成螺旋副，且与两根z轴导杆5-3均构成滑动副；z轴传动电机3-3的壳体固定在电机安装座上；刀具安装轴3-4与z轴滑块固定，犁削刀具与刀具安装轴3-4可拆卸固定连接。犁削刀具8包括刀柄和烧结固定在刀柄上的圆锥形犁刀刀头；犁刀刀头倾斜设置，且圆锥形的顶点斜向下设置。

作为优选实施例，工件夹具包括夹具丝杠7、夹具滑块6和平口钳底座9；平底钳底座9固定在加工盘2上；夹具丝杠7与平口钳底座9构成转动副；夹具滑块6与平底钳底座9构成滑动副，并与夹具丝杠7构成螺旋副；扭动夹具丝杠7，夹具滑块6滑块，将工件固定在平口钳底座与夹具滑块6之间。