CN104502464A - 一种金属薄片的纳米印压成形及压透成孔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属薄片的纳米印压成形及压透成孔的方法，依据金属片底部不同成形孔径的大小指标φ，磨制金刚石压头的锥角a和尖部钝圆半径R；使用测量装置，判断金刚石压头尖端接触金属片上表面的具体位置；通过Z向纳米伺服升降台控制金刚石压头继续下压，使金属片内部材料在压头锥角和底部硬质玻璃基底的综合作用下发生侧向塑流运动，形成锥度为锥角a的孔洞并在底部破裂成孔；通过力、声传感器以及测量视频显微镜的原位检测，准确判断金刚石压头压出薄金属片底部的成孔信号特征，进而反馈Z向纳米伺服升降台的继续下压量Δh。

Description

一种金属薄片的纳米印压成形及压透成孔的方法

技术领域

本发明属于超声波测漏技术领域，涉及一种金属薄片的纳米印压成形及压透成孔的方法。

背景技术

超声波测漏技术是利用超声波传感器探测气体或液体通过狭缝时所发出的超声波，从而找出泄露处或超声波源的。它在容器泄漏、管道裂纹、轴承磨损、局部放电、运转设备故障、振动等测漏检测领域应用很广，作用十分重要。而用其对被测目标进行检测的前提就必须对超声波测试仪测试信号的能力进行准确标定、校正或验证。其中标定技术装置中用到一个特殊的标定样件，为一中心带有微孔≤5μm(有时达到1μm以下的超微孔)的一定厚度的薄金属片(铜、不锈钢)，通过在特定环境的一定气压下对此超微孔样件的超声波测漏检测来实现对超声波测漏仪每次使用前的例行标定。国内所采用的高精度超声波测漏仪大部分为国外进口，并且普遍采用这种国外进口的测试设备和测试样件来进行超声测漏分辨率的标定。标定样件上的大深径比(达到1000)超微孔目前国内无法制备，只能依赖于国外进口。国外主要通过超快激光来实现其超微孔加工，其激光器的聚焦透镜制造精度很高，可以将激光斑点聚焦到1微米以下，而国内目前尚无法实现。其具体加工工艺信息由于商业技术保密，也无法准确获知。该类样件在国内受到各种测试使用环境的影响，在长期反复使用过程中，经常由于测试设备中的气源杂质的影响而堵塞微孔，导致无法继续使用只能更换，因此该类样件属于易耗件。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术存在的缺陷，提供一种金属薄片的纳米印压成形及压透成孔的方法。

其具体技术方案为：

一种金属薄片的纳米印压成形及压透成孔的方法，包括以下步骤：

步骤1：依据金属片底部不同成形孔径的大小指标φ，磨制金刚石压头的锥角a和尖部钝圆半径R；

步骤2：使用测量装置，放置10*10*0.5mm的薄金属片，通过Z向纳米伺服升降台控制金刚石压头的下压对刀，金刚石压头的端部钝圆半径为R通过力、声传感器检测的特征信号准确判断金刚石压头尖端接触金属片上表面的具体位置；

步骤3：通过Z向纳米伺服升降台控制金刚石压头继续下压，使金属片内部材料在压头锥角和底部硬质玻璃基底的综合作用下发生侧向塑流运动，形成锥度为锥角a的孔洞并在底部破裂成孔；

步骤4：通过力、声传感器以及测量视频显微镜的原位检测，准确判断金刚石压头压出薄金属片底部的成孔信号特征，进而反馈Z向纳米伺服升降台的继续下压量△h，使得金属片底部成孔孔径大小≤φ，相应数学关系为：φ＝2×(R²-(R-△h)²)^1/2。

优选地，步骤2中所述测量装置包括试验台基座、X、Y向水平伺服滑台、二维水平倾斜调整台、高清视频显微镜、大理石基座、透明玻璃硬质衬底、金属片、声发射传感器、金刚石压头、Z向纳米伺服升降台、三向微力测力仪、Z向粗调横梁支架、控制器和计算机；

所述的试验台基座与两侧支架通过通用三脚连接件和螺钉连接，Z向粗调横梁支架也通过通用三脚连接件和螺钉连接于两侧支架间，X、Y向水平伺服滑台通过螺钉连接在试验台基座的上表面，二维水平倾斜调整台通过螺钉连接在X、Y向水平伺服滑台上边，大理石基座通过螺钉分别连接在二维水平倾斜调整台上边，高清视频显微镜通过通用法兰紧箍连接件和螺钉连接在二维水平倾斜调整台上，置于大理石基座内腔里面，并且位于透明玻璃硬质衬底下，其镜头焦点位于能检测到金属片底部被压成孔的区域，透明玻璃硬质衬底通过螺钉连接并紧固于大理石基座上，金属片放置在透明玻璃硬质衬底上表面的中心位置，声发射传感器通过螺钉连接在大理石基座上并靠近金属片；

所述的金刚石压头通过通用法兰紧箍连接件和螺钉连接在Z向纳米伺服升降台底部，其金刚石尖端正对金属片的中心位置，Z向纳米伺服升降台通过螺钉连接在三向微力测力仪底部，三向微力测力仪通过螺钉连接在Z向粗调横梁支架底部；

同时，X、Y向水平伺服滑台、高清视频显微镜、声发射传感器、Z向纳米伺服升降台和三向微力测力仪通过控制器连接在计算机上。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明鉴于超声波测漏仪标定样件的使用特点和所测试对象的穿壁缺陷特征，提出通过金刚石压头尖端钝圆的微尺度作用实现对金属片的纳米印压成孔的方法。根据金刚石压头锥角、磨制尖端钝圆半径和下压量的大小可实现金属片单侧大深径比的超微孔成形。在一定成孔锥度范围内，该方法可以不受金属片厚度的影响，实现金属片单侧大深径比的超微孔洞成形。既可提高整个印压孔洞成形后的材料挤压强度，也可保证单侧超微孔洞通气的稳定性，可有效防止单侧超微孔孔洞的堵塞现象从而提高该类样件的服役期，进而降低该类样件的加工成本。

附图说明

图1是测量装置结构示意图；

图2是压出过程的成孔计算示意图，其中，φ为金属片被压成孔孔径，a为金刚石压头的锥角，R为金刚石尖端钝圆半径，h为金属片厚度，△h为金刚石刀尖压出量。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

参照图1-图2，一种金属薄片的纳米印压成形及压透成孔的方法，包括以下步骤：

步骤1：依据金属片底部不同成形孔径的大小指标φ，磨制金刚石压头的锥角a和尖部钝圆半径R。

步骤2：基于如图1所示的测量装置，放置好(10*10*0.5mm)的薄金属片(如：铜片)，通过Z向纳米伺服升降台控制金刚石压头(端部钝圆半径为R)的下压对刀，通过力、声传感器检测的特征信号准确判断金刚石压头尖端接触金属片上表面的具体位置(并可判断刀具是否磨顿)。

步骤3：通过Z向纳米伺服升降台控制金刚石压头继续下压，使金属片内部材料在压头锥角和底部硬质玻璃基底的综合作用下发生侧向塑流运动，从而形成锥度为锥角a(忽略材料弹性变形)孔洞并在底部破裂成孔。

步骤4：通过力、声传感器以及可测量视频显微镜的原位检测，准确判断金刚石压头压出薄金属片底部的成孔信号特征，进而反馈Z向纳米伺服升降台的继续下压量△h，使得金属片底部成孔孔径大小≤φ。如图2，相应数学关系为：φ＝2×(R²-(R-△h)²)^1/2。

步骤2中所述测量装置包括试验台基座、X、Y向水平伺服滑台、二维水平倾斜调整台、高清视频显微镜、大理石基座、透明玻璃硬质衬底、金属片、声发射传感器、金刚石压头、Z向纳米伺服升降台、三向微力测力仪、Z向粗调横梁支架、控制器和计算机；

所述的试验台基座与两侧支架通过通用三脚连接件和螺钉连接，Z向粗调横梁支架也通过通用三脚连接件和螺钉连接于两侧支架间。X、Y向水平伺服滑台通过螺钉连接在试验台基座的上表面，二维水平倾斜调整台通过螺钉连接在X、Y向水平伺服滑台上边，大理石基座通过螺钉分别连接在二维水平倾斜调整台上边。高清视频显微镜通过通用法兰紧箍连接件和螺钉连接在二维水平倾斜调整台上，置于大理石基座内腔里面，并且位于透明玻璃硬质衬底下，其镜头焦点位于能检测到金属片底部被压成孔的区域。透明玻璃硬质衬底通过螺钉连接并紧固于大理石基座上，金属片放置在透明玻璃硬质衬底上表面的中心位置，声发射传感器通过螺钉连接在大理石基座上并靠近金属片。

所述的金刚石压头通过通用法兰紧箍连接件和螺钉连接在Z向纳米伺服升降台底部，其金刚石尖端正对金属片的中心位置，Z向纳米伺服升降台通过螺钉连接在三向微力测力仪底部，三向微力测力仪通过螺钉连接在Z向粗调横梁支架底部。

同时，X、Y向水平伺服滑台、高清视频显微镜、声发射传感器、Z向纳米伺服升降台和三向微力测力仪通过控制器连接在计算机上。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种金属薄片的纳米印压成形及压透成孔的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：依据金属片底部不同成形孔径的大小指标φ，磨制金刚石压头的锥角a和尖部钝圆半径R；

步骤2：使用测量装置，放置10*10*0.5mm的薄金属片，通过Z向纳米伺服升降台控制金刚石压头的下压对刀，金刚石压头的端部钝圆半径为R通过力、声传感器检测的特征信号准确判断金刚石压头尖端接触金属片上表面的具体位置；

步骤3：通过Z向纳米伺服升降台控制金刚石压头继续下压，使金属片内部材料在压头锥角和底部硬质玻璃基底的综合作用下发生侧向塑流运动，形成锥度为锥角a的孔洞并在底部破裂成孔；

步骤4：通过力、声传感器以及测量视频显微镜的原位检测，准确判断金刚石压头压出薄金属片底部的成孔信号特征，进而反馈Z向纳米伺服升降台的继续下压量Δh，使得金属片底部成孔孔径大小≤φ，相应数学关系为：φ＝2×(R²-(R-Δh)²)^1/2。

2.根据权利要求1所述的金属薄片的纳米印压成形及压透成孔的方法，其特征在于，步骤2中所述测量装置包括试验台基座、X、Y向水平伺服滑台、二维水平倾斜调整台、高清视频显微镜、大理石基座、透明玻璃硬质衬底、金属片、声发射传感器、金刚石压头、Z向纳米伺服升降台、三向微力测力仪、Z向粗调横梁支架、控制器和计算机；

所述的试验台基座与两侧支架通过通用三脚连接件和螺钉连接，Z向粗调横梁支架也通过通用三脚连接件和螺钉连接于两侧支架间，X、Y向水平伺服滑台通过螺钉连接在试验台基座的上表面，二维水平倾斜调整台通过螺钉连接在X、Y向水平伺服滑台上边，大理石基座通过螺钉分别连接在二维水平倾斜调整台上边，高清视频显微镜通过通用法兰紧箍连接件和螺钉连接在二维水平倾斜调整台上，置于大理石基座内腔里面，并且位于透明玻璃硬质衬底下，其镜头焦点位于能检测到金属片底部被压成孔的区域，透明玻璃硬质衬底通过螺钉连接并紧固于大理石基座上，金属片放置在透明玻璃硬质衬底上表面的中心位置，声发射传感器通过螺钉连接在大理石基座上并靠近金属片；

所述的金刚石压头通过通用法兰紧箍连接件和螺钉连接在Z向纳米伺服升降台底部，其金刚石尖端正对金属片的中心位置，Z向纳米伺服升降台通过螺钉连接在三向微力测力仪底部，三向微力测力仪通过螺钉连接在Z向粗调横梁支架底部；

同时，X、Y向水平伺服滑台、高清视频显微镜、声发射传感器、Z向纳米伺服升降台和三向微力测力仪通过控制器连接在计算机上。