一种微结构快速成型制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微结构制造技术领域，涉及一种微结构快速成型制造方法。
【背景技术】
[0002]具有微结构的功能表面在工业应用领域展现出先进和优越的功用，其应用技术已经成为大家关注的焦点。这些微结构功能表面越来越多的应用于光学元件、太阳能收集系统、生物工程、自清洁疏水系统和先进制造等各种领域。为了推动微结构功能表面的应用，对其加工技术的研究变得尤为必要。典型的传统微结构加工方法为光学刻蚀，然而其加工系统较为复杂，加工装备成本较高，加工材料局限性较大，加工效率较低。由于其较低的材料去除率，不适用于具有大尺度如几百微米高度微结构的快速成型加工。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种微结构快速成型制造方法，该方法突破了传统光刻加工技术高复杂度、高成本和低效率的微结构制造过程的局限。
[0004]本发明解决技术问题所采用的技术方案如下:
[0005]—种微结构快速成型制造方法，该方法包括如下步骤:
[0006]步骤一:将目标结构加工于具有导电性硬质合金刀具的主切削刃上，制造出用于微结构快速成型的加工刀具；
[0007]步骤二:将工件安装于立式精密车床的水平工作台上方，将具有微结构切削刃的硬质合金刀具安装于精密立式车床立式轴的夹具上；调整刀具切削刃处于水平位置，且刀具前刀面垂直于切削方向；
[0008]步骤三:控制装有被加工工件的精密立式车床水平工作台按照设定参数靠近具有微结构切削刃的硬质合金刀具，与此同时沿切削深度方向逐渐降低刀具高度位置，使具有微结构切削刃的硬质合金刀具切削被加工工件，达到目标微结构的高度设计值，实现了目标微结构的快速成型。
[0009]本发明的有益效果是:相对于传统的光学刻蚀微结构加工方法，本发明将简易的电火花线切割技术与简易的立式车削过程相结合，最终以机械加工方式实现微结构的成型加工，突破了光刻加工技术高复杂度、高成本和低效率的微结构制造过程的局限。本发明中具有目标微结构的加工刀具经超声清洗后可重复使用，从而能实现高效、低成本的微结构快速成型制造。
【附图说明】
[0010]图1工件加工机床结构示意图。
[0011]图2本发明刀具切削刃上成型的目标微结构；
[0012]图3精密车削机床结构示意图；
[0013]图4本发明工件上快速成型的目标微结构；
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
[0015]一种微结构快速成型制造方法，该方法包括如下步骤:
[0016]步骤一:针对微结构应用领域及其应用目的，设计出目标微结构的几何结构尺寸。将目标结构利用电火花线切割的方法加工于具有导电性硬质合金刀具2的主切削刃上，制造出用于微结构快速成型的加工刀具。如图1所示，该精密线切割电火花加工机床主要包括:沿水平方向(X轴)运动的第一滑台1、被加工硬质合金刀具2、刀具装夹固定装置3、支撑结构4、沿垂直于水平方向和竖直方向(Y轴)运动的第二滑台5、走丝调节装置6和线切割丝7。其中，第一滑台1在支撑结构4上端沿X轴方向左右移动；第二滑台5在支撑结构4下端沿Y轴方向前后移动；被加工硬质合金刀具2通过刀具装夹固定装置3固定安装在第二滑台5上；线切割丝7的两端固定安装在第一滑台1和走丝调节装置6中间；走丝调节装置6由第一滑台1控制，与第二滑台5相对运动。
[0017]在硬质合金刀具的主切削刃上加工微结构的具体方法如下:
[0018]首先将硬质合金刀具2装夹在刀具装夹固定装置3上，调整硬质合金刀具2的位置，使其前刀面处于水平面位置并使线切割丝7与硬质合金刀具2的主切削刃相垂直。随后，精密线切割电火花加工机床控制第二滑台5的进给位置，停止在设计要求的目标微结构的起始位置；控制第一滑台1进给位置，得到设计要求的目标微结构高度尺寸2-1，如图2所示，然后将第一滑台1回退至起始位置；第二滑台5的继续进给，停止在设计要求的目标微结构长度尺寸的位置。控制第一滑台1进给位置，得到设计要求的目标微结构高度尺寸2-1，最后将第一滑台1回退至起始位置；如此循环加工，在硬质合金刀具2的主切削刃上加工得到目标微结构阵列2-2。
[0019]步骤二:如图3所示，将工件12安装于立式精密车床的水平工作台10上方，将具有微结构切削刃的硬质合金刀具2安装于精密立式车床立式轴的刀具装夹装置13上；调整刀具2切削刃处于水平位置，且刀具2前刀面垂直于切削方向。该精密车削加工立式车床主要包括:沿水平方向(X轴)运动的第一滑块8、沿竖直方向(Z轴)运动的第二滑块9、水平工作台10、支撑基体11、被加工铝合金工件12、具有微结构切削刃的硬质合金刀具2和刀具装夹装置13。其中，第一滑块8在支撑基体11上端沿X轴方向左右移动；第二滑块9安装在第一滑块8下端，将刀具装夹装置13固定于第二滑块9上实现沿Z轴方向的上下移动，其中，调整被加工铝合金工件12上的微结构加工区域的宽度须小于硬质合金刀具2上加工有目标微结构的主切削刃的长度，防止硬质合金刀具2上未加工有目标微结构的主切削刃参与切削过程。
[0020]步骤三:控制装有被加工工件12的精密立式车床水平工作台按照设定参数靠近具有微结构切削刃的硬质合金刀具2，与此同时沿切削深度方向逐渐降低第二滑块9的高度位置，使具有微结构切削刃的硬质合金刀具2切削被加工工件，并达到目标微结构的高度设计值。通过简单的精密车削加工方法，实现了目标微结构的快速成型。
[0021]目标微结构的快速成型的具体方法介绍如下:
[0022]实施例1:首先，将被加工铝合金工件12安装于水平旋转工作台10上方，调整被加工铝合金工件12与水平旋转工作台10的中心距离，保证采用合适的切削速度进行目标微结构的精密车削过程。随后，单一控制第二滑块9，使刀具装夹装置13沿竖直切削深度方向进给运动，逐渐降低安装刀具2的高度位置，使铝合金工件12在每一个回转周期内被硬质合金刀具2以恒定切削深度车削加工，最终达到目标微结构的高度设计值。最后，对快速成型于铝合金工件12上的目标微结构进行检测，沿微结构水平方向12-1和截面方向12-2的光学显微镜检测结果如图4所示。
[0023]实施例2:首先，将被加工铝合金工件12安装于固定水平工作台上方，调整被加工铝合金工件12与具有微结构切削刃的硬质合金刀具2的距离。随后，同时控制第一滑块8和第二滑块9，使刀具装夹装置13沿竖直切削深度方向和水平切削方向进给运动，逐渐降低安装刀具2的高度位置，使铝合金工件12被硬质合金刀具2以恒定切削深度刨削加工，最终达到目标微结构的高度设计值。
[0024]加工完成后，用于微结构快速成型的加工刀具2利用超声振动清洗后可以重复使用。
【主权项】
1.一种微结构快速成型制造方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: 步骤一:将目标结构加工于具有导电性硬质合金刀具的主切削刃上，制造出用于微结构快速成型的加工刀具； 步骤二:将工件安装于立式精密车床的水平工作台上方，将具有微结构切削刃的硬质合金刀具安装于精密立式车床立式轴的夹具上；调整刀具切削刃处于水平位置，且刀具前刀面垂直于切削方向； 步骤三:控制装有被加工工件的精密立式车床水平工作台按照设定参数靠近具有微结构切削刃的硬质合金刀具，与此同时沿切削深度方向逐渐降低刀具高度位置，使具有微结构切削刃的硬质合金刀具切削被加工工件，达到目标微结构的高度设计值，实现了目标微结构的快速成型。2.根据权利要求1所述的一种微结构快速成型制造方法，其特征在于，步骤一中，所述目标结构利用电火花线切割的方法加工于具有导电性硬质合金刀具的主切削刃上。3.根据权利要求1所述的一种微结构快速成型制造方法，其特征在于，步骤一中，所述用于微结构快速成型的加工刀具利用超声振动清洗后可以重复使用。4.根据权利要求1所述的一种微结构快速成型制造方法，其特征在于，步骤三中，所述装有被加工工件的精密立式车床水平工作台为逆时针连续定转速旋转的水平回转台或水平移动工作台。
【专利摘要】一种微结构快速成型制造方法属于微结构制造技术领域，该方法包括：将目标结构加工于具有导电性硬质合金刀具的主切削刃上，制造出用于微结构快速成型的加工刀具；将工件安装于立式精密车床的水平工作台上方，将具有微结构切削刃的硬质合金刀具安装于精密立式车床的夹具上；调整刀具切削刃处于水平位置，且刀具前刀面垂直于切削方向；控制装有被加工工件的精密立式车床水平工作台按照设定参数靠近具有微结构切削刃的硬质合金刀具，与此同时沿切削深度方向逐渐降低刀具高度位置，使具有微结构切削刃的硬质合金刀具切削被加工工件，达到目标微结构的高度设计值，实现了目标微结构的快速成型。刀具可重复使用，实现高效、低成本的微结构快速成型制造。
【IPC分类】B23H7/02, B23B5/00
【公开号】CN105269097
【申请号】CN201510705229
【发明人】张建国, 李全松, 张辉, 隋永新, 杨怀江
【申请人】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【公开日】2016年1月27日
【申请日】2015年10月27日