一种微孔喷嘴的制作装置的制作方法

本申请涉及微加工技术领域，更具体地涉及一种微孔喷嘴的制作装置。

背景技术：

在质谱学、等离子体物理学、生物医学等学科中，常常会需要微孔玻璃喷嘴来产生直径为微米级别的液体微流以作为实验必须手段，具体地，在激光等离子体光源、喷墨打印、pled、电子封装等技术中，微孔玻璃喷嘴的应用已经十分广泛，上述应用中对微孔玻璃喷嘴的需求也处于快速上升的趋势。

通常，上述应用中要求液体微流的直径处于几百甚至几十微米的量级，并且需要液体液流的尺度均一、形状规整、流向竖直。由于液体微流的形成与微孔玻璃喷嘴的流道设计以及喷嘴出口的粗糙度直接相关，因此，微孔玻璃喷嘴的加工精度和加工工艺成为了决定液体微流质量的关键所在。比如，在液体微流靶激光等离子体光源中，微孔玻璃喷嘴的几何结构和性能对于光源稳定性至关重要，要求喷嘴的锥度处于特定范围内(优选为30°～45°范围内)，并且喷嘴的出口处尽量光滑，同心度好，液体微流的流道不可歪斜，这对于微孔玻璃喷嘴的加工精细度的要求非常高。现有技术中的微孔玻璃喷嘴的加工方式包括：mems加工技术、激光超微加工等，其中，mens加工技术需要经过光刻、薄膜淀积、氧化、溅射、蒸镀、刻蚀、划片和封装等工艺，工艺复杂、价格昂贵，加工厂商较少；激光超微加工则存在着加工厚度和精度有限、材质受限等问题。

现有的微孔玻璃喷嘴的加工装置，大多都是通过拉制和锻制的方法加工，通过电机或配重来控制拉制和锻制时玻璃管的移动。然而，此类加工装置存在如下问题：第一，加热线圈的位置固定不可调，无法实现加热线圈空间位置的调节，而且拉制和锻制采用同一个加热线圈，加热线圈在温度较高时会发生微量形变，即使在加热前已经将加热线圈与玻璃管调节为同轴状态，也无法保证二者在加热时的同轴，因而导致成型的微孔玻璃喷嘴的流道不对称、出现歪斜，次品率较高，浪费材料。第二，目前的加工装置在拉制和锻制时采用同一个加热线圈，该线圈的直径往往会比玻璃管的直径大几毫米，然而，该直径相对于拉制完成后需要锻制的喷嘴尖端而言则尺寸过大，导致喷嘴尖端和线圈之间出现几何误差的可能性增大，这将使得锻制时喷嘴尖端受热不均匀，并不能满足对精度要求极高的液体靶激光等离子体光源的应用要求。

技术实现要素：

本申请的目的是提供一种微孔喷嘴的制作装置，从而解决现有技术中微孔喷嘴的制作价格昂贵且质量不佳的问题。

为了解决上述技术问题，本申请的技术方案是提供一种微孔喷嘴的制作装置，所述制作装置包括操作面板、拉制部和锻制部，所述拉制部包括导轨、第一夹持器、第二夹持器和第一加热器，沿竖向延伸的所述导轨固定于所述操作面板上，所述第一夹持器和所述第二夹持器沿竖向固定于所述导轨上，所述第一夹持器和所述第二夹持器之间设置所述第一加热器，所述第一加热器与二维位移单元连接，所述二维位移单元固定于所述立柱上；所述锻制部设置于所述操作面板上，所述锻制部包括第三夹持器、三维位移单元和第二加热器，所述第三夹持器通过所述三维位移单元固定于所述操作面板上，所述第二加热器设置于所述操作面板上并与所述第三夹持器上的夹持孔对应。

根据本申请的一个实施例，所述第一夹持器和所述第二夹持器处设置有沿竖向延伸的凹槽，所述第一加热器的其中一部分形成为与所述凹槽的轴向同心的螺旋状。

根据本申请的一个实施例，所述第二夹持器位于所述第一夹持器下方，所述第二夹持器通过滑块与所述导轨配合。

根据本申请的一个实施例，所述滑块上设置有配重。

根据本申请的一个实施例，所述操作面板上设置有与所述配重位置对应的垫块。

根据本申请的一个实施例，所述操作面板上设置有通孔，所述通孔的位置与所述凹槽的位置对应。

根据本申请的一个实施例，所述二维位移单元包括：第一底板，所述第一底板通过支撑板固定于所述立柱上，所述第一底板通过沿着第一方向延伸的滑轨和滑槽的配合固定于所述支撑板上，所述支撑板上设置有沿所述第一方向延伸的第一位移调节器，所述第一位移调节器与所述第一底板对应；第二底板，所述第二底板通过沿着第二方向延伸的滑轨和滑槽的配合固定于所述第一底板上，所述第一底板上设置有沿所述第二方向延伸的第二位移调节器，所述第二位移调节器与所述第二底板对应，所述第一方向和所述第二方向均位于水平面内且相互垂直。

根据本申请的一个实施例，所述第二底板上设置有第一绝缘体，所述第一加热器固定于所述第一绝缘体上。

根据本申请的一个实施例，所述三维位移调节单元包括：底座板，所述底座板固定于所述操作面板上，所述底座板上设置有沿竖向运动的第三位移调节器；第四底板，所述第四底板与所述底座板通过沿第四方向延伸的滑轨和滑座的配合固定于所述底座板上，所述底座板上还设置有与所述第四底板对应的第四位移调节器；第五底板，所述第五底板与所述第四底板通过沿第五方向延伸的滑轨和滑座的配合固定于所述第四底板上，所述第四底板上还设置有与所述第五底板对应的第五位移调节器，所述第四方向和所述第五方向均位于水平面内且相互垂直。

根据本申请的一个实施例，所述第五底板上设置有连接板，所述第三夹持器固定于所述连接板上。

根据本申请的一个实施例，所述第三加热器的两端通过第二绝缘体固定于所述操作台面上。

根据本申请的一个实施例，所述操作装置还包括变压器，所述变压器分别与所述第一加热器和所述第二加热器连接。

根据本申请的一个实施例，所述第一加热器和所述第二加热器的其中一部分均形成为螺旋状，所述第一加热器的螺旋状的内径不小于2mm，所述第二加热器的螺旋状的内径不大于0.8mm。

本申请提供的微孔喷嘴的制作装置，通过高温拉制的方法制作微孔喷嘴，采用两个加热装置分别实现拉制和锻制时候的加热，并能够分别实现加热装置位置的调节，保证喷嘴流道的规整，制作成本低；本申请提供的制作微孔喷嘴的方法，通过微米级研磨粉的研磨以及再加热，保证喷嘴出口的光滑，通过调整配重的大小来实现喷嘴拉制力度的控制，通过两个加热装置分别实现拉制和锻制时候的加热，并能够分别实现加热装置位置的调节，保证在加热时加热装置与微孔喷嘴的同心度，提高喷嘴的成品几何结构的优良度，通过二次加热实现微孔喷嘴的尖端锥度的控制，工艺简单，成本不高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本申请的一个实施例的微孔喷嘴的制作装置的立体示意图；

图2是根据图1的微孔喷嘴的制作装置的局部放大的立体示意图，其中示出了拉制部；

图3是根据图2的微孔喷嘴的制作装置的局部放大的立体示意图，其中示出了二维位移平台；

图4是根据图2的微孔喷嘴的制作装置的锻制部的放大的立体示意图；

图5是根据图2的微孔喷嘴的制作装置的锻制部的另一个角度的放大的立体示意图；

图6根据图2的微孔喷嘴的制作装置的锻制部的另一个角度的放大的立体示意图；

图7是采用本申请的微孔喷嘴的制作装置制成的微孔喷嘴的立体示意图；

图8是根据图7的微孔喷嘴的剖面示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本申请做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本申请而非用于限制本申请的范围。

需要说明的是，当部件/零件被称为“设置在”另一个部件/零件上，它可以直接设置在另一个部件/零件上或者也可以存在居中的部件/零件。当部件/零件被称为“连接/联接”至另一个部件/零件，它可以是直接连接/联接至另一个部件/零件或者可能同时存在居中部件/零件。本文所使用的术语“连接/联接”可以包括电气和/或机械物理连接/联接。本文所使用的术语“包括/包含”指特征、步骤或部件/零件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、步骤或部件/零件的存在或添加。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任意的和所有的组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体实施例的目的，而并不是旨在限制本申请。

另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1是根据本申请的一个实施例的微孔喷嘴的制作装置的立体示意图，由图1可知，本申请提供的微孔喷嘴的制作装置，包括支撑架10、拉制部20、缓冲器30和锻制部40，其中，支撑架10为框架结构，支撑架10具有水平放置的操作面板11，支撑架10底部设置有支座12，支撑架10内部设置有变压器13以及调节变压器功率的调节器14；拉制部20设置于操作面板11上，拉制部20包括沿竖向设置的立柱21、设置于立柱21上的若干个夹持器22、23以及配重25，立柱21上设置有导轨，第一夹持器22固定于立柱21上方，第二夹持器23通过滑块固定于立柱21中部，玻璃管24通过第一夹持器22和第二夹持器23沿竖向固定，滑块上还设置有配重25，滑块与导轨配合使得第二夹持器23可以沿着导轨向下运动；玻璃管24外侧设置有第一加热器26，第一加热器26呈螺旋状且与玻璃管24的中心轴线重合，第一加热器26与二维位移调节单元27连接；缓冲器30设置于操作面板11上并且与配重25对应；锻制部40通过三维位移调节单元固定于操作面板11。

图2是根据图1的微孔喷嘴的制作装置的局部放大的立体示意图，其中示出了拉制部，由图2可知，操作面板11上设置有多个安装孔15，安装孔15的大小和形状可以根据待安装的部件进行调整，立柱21的底部安装于其中一个安装孔内；操作面板11上还设置有通孔16，通孔16的位置与上方的玻璃管24对应，从而防止玻璃管24拉断后掉落时击中操作面板11而破碎，玻璃管24拉断后刚好掉入通孔16内，通孔16两侧的操作面板11上设置有垫块30，垫块30的位置与滑块两侧的配重25的位置对应，使得当玻璃管24受热融化时由于配重25重力的作用，下半段玻璃管将随着滑块下落，滑块和配重25一起掉落时配重25砸在垫块30上，起到缓冲作用；配重25报个多个固定重量的金属块，配重25的总重量大小可通过添加或者减少金属块的数目来改变。

图3是根据图2的微孔喷嘴的制作装置的局部放大的立体示意图，由图3结合图2可知，立柱21上设置有沿竖直方向延伸的导轨211，第一夹持器22通过固定块212固定于立柱21的上方，固定块212和第一夹持器22上分别设置有沿竖向延伸的半圆形凹槽，当固定块212和第一夹持器22固定在一起时，两个半圆形凹槽对齐形成一个圆形凹槽1，该圆形凹槽1用于夹持玻璃管24；为了防止夹持玻璃管24时玻璃管破裂，每个半圆形凹槽内可以设置有柔软的衬垫材料；第二夹持器23通过滑块28固定于立柱21中部，滑块28与导轨211滑动配合，滑块28可以沿着导轨211运动，配重25分别设置于滑块28的两侧并与滑块28固定在一起，滑块28和第二夹持器23之间也设置有类似的圆形凹槽2，玻璃管24沿竖直方向分别固定于第一夹持器22和第二夹持器23处的圆形凹槽1、2内；玻璃管24外侧设置有沿玻璃管24的周向螺旋延伸的第一加热器26，第一加热器26可采用电阻加热丝，第一加热器26的两端分别与支撑架10内部的变压器13连接，从而通过变压器13可以控制加热温度；进一步地，第一加热器26通过第一绝缘体275与二维位移调节单元27连接，二维位移调节单元27通过支撑板271固定于立柱21上；二维位移调节单元27包括沿水平方向设置的第一底板和第二底板，第一底板通过沿着第一方向延伸的滑轨和滑槽的配合固定于支撑板271上，第二底板和第一底板之间通过沿着第二方向延伸的滑轨和滑槽的配合固定，第一方向和第二方向相互垂直；支撑板271上还设置有沿着第一方向延伸的第一位移调节器273，第一位移调节器273与第一底板对应，从而使得调节第一位移调节器273时，可以推动第一底板沿着第一方向运动；第一底板上设置有沿着第二方向延伸的第二位移调节器274，第二位移调节器274与第二底板对应，从而使得调节第二位移调节器274时，可以推动第二底板沿着第二方向运动；第一绝缘体275固定于第二底板上，由于第一加热器26的两端固定于第一绝缘体275上，因此通过第一位移调节器273和第二位移调节器274可以实现第一加热器26在水平面内任意位置的调节。当对玻璃管24进行加热时，玻璃管24受热膨胀并开始融化，此时可以通过第一位移调节器273和第二位移调节器274调节第一加热器26相对于玻璃管24的位置，使得玻璃管24受热均匀，保证玻璃管24融化变形的稳定性，提高生产的喷嘴质量。

图4是根据图2的微孔喷嘴的制作装置的锻制部的放大的立体示意图，图5和图6是根据图2的微孔喷嘴的制作装置的锻制部的另一个角度的放大的立体示意图，由图4-图6结合图2可知，锻制部40包括三维位移调节单元、第三夹持器44和第二加热器47，其中，三维位移调节单元通过底座板41固定于操作面板11上；三维位移调节单元包括第三底板411、第三位移调节器421、第四底板422、第四位移调节器424、第五底板423和第五位移调节器426；第三底板411固定于底座板41上，第三位移调节器421固定于第三地板411上并且与第四底板422对应，第四底板422通过沿竖向延伸的滑轨和滑槽的配合固定于第三底板411上，从而使得调节第三位移调节器421时，第四底板可以沿着竖直方向运动；第四底板422还通过沿着第四方向延伸的滑轨和滑槽的配合固定于第三底板411上，第四位移调节器424固定于第三底板411上并与第四底板422对应，从而使得调节第四位移调节器424时，可以推动第四底板沿着第四方向运动；第五底板423通过沿第五方向延伸的滑座和滑轨的配合固定于第四底板422上，第五位移调节器426固定于第四底板422上并与第五底板423对应，从而使得调节第五位移调节器426时，可以推动第五底板沿着第五方向运动，第四方向和第五方向均位于水平面内且相互垂直；第五底板423上设置有连接板43，连接板43的一段通过l型支架板45与第三夹持器44连接，第三夹持器44和l型支架板45之间也设置有半圆形凹槽，从而使得当第三夹持器44和l型支架板45固定在一起时形成圆形凹槽46，该圆形凹槽46用于夹持截断的待进一步打磨的未成形喷嘴；第三夹持器44的下方设置有第二加热器47，第二加热器47也形成为沿周向螺旋延伸的形状，第二加热器47与圆形凹槽46的位置对应。本领域技术人员需要注意的是，第二加热器47围成的螺旋形状的直径小于第一电阻丝26围成的螺旋形状的直径。第二加热器47的两端分别通过第二绝缘体48固定并分别与变压器13连接。

当玻璃管24融化并被拉断形成微孔喷嘴后，需要对微孔喷嘴进一步加工，使得喷嘴尖端满足相应需求，此时，需要对微孔喷嘴的尖端进行加热，此时将微孔喷嘴固定于第三夹持器44处的圆形凹槽46内，同时调节三维位移调节单元，使得微孔喷嘴将随之位移，改变微孔喷嘴的尖端与第二加热器47的空间相对位置。本领域技术人员需要注意的是，由于加热对象的尺寸不同，第二加热器47的直径一般小于0.8mm，第一加热器26的直径一般大于2mm。

本领域技术人员应当注意的是，本申请中的垫块30优选地采用泡沫块，支撑架10以及立柱21优选地采用铝型材，第一加热器26和第二加热器47优选地采用金属电阻丝，第一位移调节器、第二位移调节器、第四位移调节器和第五位移调节器优选地采用微分头，第一绝缘体和第二绝缘体优选地采用陶瓷接线柱。本领域技术人员还应当注意的是，在本申请的上述实施例中，通过在滑块上设置配重以实现拉断加热后的玻璃管的目的，然而，还可以采用其它拉伸设备，比如弹簧、拉力计或者步进电机等控制对玻璃管的拉伸，在此不再赘述。

本申请还提供一种制作微孔喷嘴的方法，该方法采用以上所述的微孔喷嘴的制作装置，该方法包括以下步骤：

第一步：选材，通常选取高硼硅玻璃管作为玻璃管的原材料，玻璃管的内径为1mm，外径为6mm，选择尺寸匹配的第一加热器和第二加热器，比如，第一加热器形成的螺旋形状的内径为8mm，第二加热器形成的螺旋形状的内径为0.7mm。

第二步：预校正玻璃管和第一加热器的位置：安装玻璃管，使其固定于第一夹持器和第二夹持器处的圆形凹槽内，通过二维位移调节单元调整玻璃管与第一加热器之间的相对位置，使二者保持同轴同心。

第三步：加热：开启电源，通过变压器的调节器进行温度调节，控制所需的第一加热器的温度。

第四步：校正第一加热器和玻璃管之间的相对位置：当第一加热器的温度上升至一定程度时加热丝和玻璃管均会发生形变或偏移，通过二维位移调节单元再次进行调节，确保加热时二者的同心度。

第五步：拉制玻璃管：当玻璃管受热软化后，在配重的重力作用下迅速拉开，分为上下两段，断裂处形成为直径逐渐变小的细丝，配重及玻璃管掉落至垫块上。

第六步：粗加工以形成微孔喷嘴：将一段带有尖端的玻璃管的尖端折断至长度为6mm左右，另一段使用玻璃管刀断开，并用第二加热器对尖端进行加热，调节尖端的位置使其与第二加热器同心，使用显微镜或者放大镜对尖端进行观察，加热至其尖端开口闭合。

第七步：使用电动磨盘对尖端进行磨制，研磨粉优选地使用100-1000目的氧化铝，研磨时通过显微镜观测，研磨至闭合的尖端即将开口，换用1000-10000目的抛光粉继续研磨，直至尖端处刚好开口到目标内径停止。

第八步：对形成的微孔喷嘴进行二次加热：将研磨完成的微孔喷嘴使用第二加热器进行二次加热，加热至其喷嘴出口变得光滑，通常此次加热时间很短，只需几秒即可完成。

特别地，对于用于低温液体微流靶喷射的应用，如图7和图8所示，需要将加工完成的微孔喷嘴241装入转接零件50中，具体地，微孔喷嘴241具有直径变小的尖端242，转接零件50的本体形成为圆柱形，转接零件50的下方形成为尺寸变小的锥体或者类似锥体51，转接零件50内部设置有沿轴向贯穿的第一灌装孔52，转接零件50的侧面设置有自外向内延伸的第二灌装孔53，第一灌装孔52和第二灌装孔53相通，在将微孔喷嘴作为微流靶的喷嘴使用时，首先微孔喷嘴241装入转接零件50的第一灌装孔52内，然后使用低温高压密封胶在第一灌装孔52内的空隙处填满密封，放入烘箱在50°环境下烘烤数小时即可制作完成。由于第一灌装孔52的深度较深而且内部直径不统一，通过第二灌装孔53也可以进行低温高压密封胶的填充，从而保证第一灌装孔内灌装的低温高压密封胶可以完全包裹微孔喷嘴241，保障成品微流靶喷嘴的质量。

本申请提供的微孔喷嘴的制作装置，通过高温拉制的方法制作微孔喷嘴，采用两个加热装置分别实现拉制和锻制时候的加热，并能够分别实现加热装置位置的调节，保证喷嘴流道的规整，制作成本低；本申请提供的制作微孔喷嘴的方法，通过微米级研磨粉的研磨以及再加热，保证喷嘴出口的光滑，通过调整配重的大小来实现喷嘴拉制力度的控制，通过两个加热装置分别实现拉制和锻制时候的加热，并能够分别实现加热装置位置的调节，保证在加热时加热装置与微孔喷嘴的同心度，提高喷嘴的成品几何结构的优良度，通过二次加热实现微孔喷嘴的尖端锥度的控制，工艺简单，成本不高。

以上所述的，仅为本申请的较佳实施例，并非用以限定本申请的范围，本申请的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本申请专利的权利要求保护范围。本申请未详尽描述的均为常规技术内容。