CN104551527A - 一种微观表面织构的制造设备及制造方法 - Google Patents

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王宁昌
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Abstract

本发明公开了一种微观表面织构的制造设备，包括被加工试件、工具头、基座系统、超声振动系统和压力传感器；被加工试件固接在基座系统；超声振动系统装接在基座系统；工具头固接在超声振动系统；压力传感器与工具头相连；通过基座系统调节被加工试件与工具头的相对位置；通过超声振动系统使工具头发生振动从而实现工具头对被加工试件进行加工；通过压力传感器检测工具头与被加工试件间压力的动态变化。本发明的一种微观表面织构的制造设备及制造方法，利用超声振动产生稳定的振幅和频率来驱动工具头，配合X、Y、Z三个方向滑台的高精度单独运动或联动，产生出分布复杂的微观表面织构，加工精度高，效率高，操作方便快捷。

Description

一种微观表面织构的制造设备及制造方法
技术领域
本发明涉及一种微观表面织构的制造设备及制造方法。
背景技术
微观表面织构是在功能表面上加工出的具有一定尺寸和排列的凹坑或微小槽型的阵列，表面织构的主要几何参数包括截面形状和分布状态，典型的截面形状包括圆弧形、三角形、矩形、圆锥形等；分布状态包括织构在表面的位置、分布的几何形状以及分布密度等。微观表面织构在改善表面的摩擦性能、光学性能，提高功能表面的抗磨损、液体滞留能力等方面起到重要的作用。微观表面织构的加工方法包括：激光加工、光刻加工、离子刻蚀加工、电解加工、数控机械加工等方式，可以满足现在大部分微观表面织构的加工，但是存在加工精度和加工效率难以同时保证、加工成本较高等一系列问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种微观表面织构的制造设备及制造方法，利用超声振动产生稳定的振幅和频率来驱动工具头，配合X、Y、Z三个方向滑台的高精度单独运动或联动，产生出分布复杂的微观表面织构，加工精度高，效率高，操作方便快捷。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：
一种微观表面织构的制造设备，包括被加工试件4及对被加工试件4进行加工的工具头5；还包括基座系统、超声振动系统和压力传感器6；
所述被加工试件4固接在基座系统上；所述超声振动系统装接在基座系统上；所述工具头5固接在超声振动系统上；所述压力传感器6与工具头5相连；
通过基座系统调节被加工试件4与工具头5的相对位置；通过超声振动系统使工具头5发生振动从而实现工具头5对被加工试件4进行加工；通过压力传感器6检测工具头5与被加工试件4间压力的动态变化。
一实施例中：所述基座系统包括光学平板1，X轴滑台3，Y轴滑台2和Z轴滑台11；Y轴滑台2滑动装接在光学平板1上且可沿Y轴方向滑动；X轴滑台3滑动装接在Y轴滑台2上且可沿X轴方向滑动；所述被加工试件4固接在X轴滑台3；Z轴滑台11滑动装接在光学平板1上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；通过X轴滑台3、Y轴滑台2和Z轴滑台11使被加工试件4和工具头5可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被加工试件4与工具头5的相对位置；
所述超声振动系统包括超声发生器9，超声变幅杆8和连接杆7；超声变幅杆8装接在Z轴滑台11，超声发生器9传动连接超声变幅杆8；连接杆7固接在超声变幅杆8上；所述工具头5固接在连接杆7上；通过超声发生器9产生超声振动并通过超声变幅杆8和连接杆7传递至工具头5以使工具头5发生振动从而实现工具头5对被加工试件4进行加工；
所述压力传感器6装接在工具头5与连接杆7之间。
一实施例中：所述工具头5形状根据所需被加工试件4的微观表面织构截面形状要求设定，所述工具头5材质根据被加工试件4材质选择。
一实施例中：所述被加工试件4表面粗糙度不大于Ra0.1μm，平面度不大于5μm。
一实施例中：所述连接杆7为带锥度螺钉；所述连接杆7螺接在超声变幅杆8上。
一实施例中：所述X轴滑台3由步进电机驱动，其步进精度优于0.35μm；所述Y轴滑台2由步进电机驱动，其步进精度优于0.35μm；所述Z轴滑台11由步进电机驱动，其步进精度优于0.35μm。
一实施例中：所述超声发生器9的性能参数为：振动频率f＝18～42KHz，振幅范围为0～22μm。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：
一种微观表面织构的制造设备的使用方法，包括：
1)通过X轴滑台3和Y轴滑台2调整被加工试件4在X轴方向与Y轴方向上的位置使其正对工具头5；
2)通过Z轴滑台11调整工具头5在Z轴方向上的位置使其与被加工试件4刚好接触；
3)根据所需微观表面织构的深度，继续移动Z轴滑台11使工具头5压入被加工试件4；
4)根据所需微观表面织构的几何参数，调整超声振动系统的振动频率和振幅并确定X轴滑台3和/或Y轴滑台2的移动速度，启动超声振动系统使工具头5发生振动并根据需要同时使X轴滑台3和/或Y轴滑台2移动以对被加工试件4进行加工，从而制造出所需的微观表面织构。
一实施例中：还包括：
5)通过移动Z轴滑台11抬起工具头5，根据所需微观表面织构的几何参数，调整X轴滑台3和/或Y轴滑台2的位置，重复所述步骤3)-4)一次或多次，从而制造出所需的微观表面织构。
一实施例中：所述步骤2)中，判断工具头5与被加工试件4刚好接触的方法为：压力传感器6检测到工具头5与被加工试件4间压力大于临界值时，发出提醒信号，此时即为工具头5与被加工试件4刚好接触。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
本发明提供的一种微观表面织构的制造设备及制造方法，利用超声振动产生稳定的振幅和频率来驱动工具头，配合X、Y、Z三个方向滑台的高精度移动，使工具头与被加工试件发生相对移动产生微观表面织构，同时可以结合数控技术实现X、Y、Z三个方向滑台的联动，产生出分布更加复杂的微观表面织构。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1所示为本发明的一种微观表面织构的制造设备示意图。
图2所示为本发明实施例2的一种微观表面织构的加工效果图。
图3所示为本发明实施例3的一种微观表面织构的加工效果图。
图4所示为本发明实施例4的一种微观表面织构的加工效果图。
附图标记：1.光学平板；2.Y轴滑台；3.X轴滑台；4.被加工试件；5.工具头；6.压力传感器；7.连接杆；8.超声变幅杆；9.超声发生器10.变幅杆支架；11.Z轴滑台。
具体实施方式
下面通过实施例具体说明本发明的内容：
实施例1
请查阅图1，一种微观表面织构的制造设备，包括被加工试件4及对被加工试件4进行加工的工具头5；还包括基座系统、超声振动系统和压力传感器6；
所述基座系统包括光学平板1，X轴滑台3，Y轴滑台2和Z轴滑台11；Y轴滑台2滑动装接在光学平板1上且可沿Y轴方向滑动；X轴滑台3滑动装接在Y轴滑台2上且可沿X轴方向滑动；所述被加工试件4固接在X轴滑台3；Z轴滑台11滑动装接在光学平板1上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；
所述超声振动系统包括超声发生器9，超声变幅杆8和连接杆7；超声变幅杆8通过变幅杆支架10装接在Z轴滑台11，超声发生器9传动连接超声变幅杆8；连接杆7固接在超声变幅杆8上；所述工具头5固接在连接杆7上；
所述压力传感器6装接在工具头5与连接杆7之间；
通过X轴滑台3、Y轴滑台2和Z轴滑台11使被加工试件4和工具头5可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被加工试件4与工具头5的相对位置；通过超声发生器9产生超声振动并通过超声变幅杆8和连接杆7传递至工具头5以使工具头5发生振动从而实现工具头5对被加工试件4进行加工；通过压力传感器6检测工具头5与被加工试件4间压力的动态变化，当压力大于临界值时，压力传感器6发出提醒信号。
本实施例之中，所述工具头5形状根据所需被加工试件4的微观表面织构截面形状要求设定，所述工具头5材质根据被加工试件4材质选择。
本实施例之中，所述被加工试件4表面粗糙度达到Ra0.1μm，平面度达到5μm。
本实施例之中，所述连接杆7为带锥度螺钉；其螺纹的锥度部分在螺钉的尾部，超声变幅杆8端面上设有螺纹孔，带锥度螺钉的锥度部分与该螺纹孔内锥面适配以使连接杆7螺接在超声变幅杆8上。
本实施例之中，所述X轴滑台3由步进电机驱动，其步进精度优于0.3μm；所述Y轴滑台2由步进电机驱动，其步进精度优于0.3μm；所述Z轴滑台11由步进电机驱动，其步进精度优于0.3μm。
本实施例之中，振动频率f＝20～40KHz，振幅范围为0～20μm。
本发明现场使用方式如下：
1)通过X轴滑台3和Y轴滑台2调整被加工试件4在X轴方向与Y轴方向上的位置使其正对工具头5；
2)通过Z轴滑台11调整工具头5在Z轴方向上的位置使其与被加工试件4刚好接触；所述判断工具头5与被加工试件4刚好接触的方法为：压力传感器6检测到工具头5与被加工试件4间压力大于临界值时，发出提醒信号，此时即为工具头5与被加工试件4刚好接触；所述临界值＝0.005～0.02N，根据被加工试件的材料决定，材料硬度越大，临界值越高；
3)根据所需微观表面织构的深度，继续移动Z轴滑台11使工具头5压入被加工试件4；
4)根据所需微观表面织构的几何参数，调整超声振动系统的振动频率和振幅并确定X轴滑台3和/或Y轴滑台2的移动速度，启动超声振动系统使工具头5发生高频振动并根据需要同时使X轴滑台3和/或Y轴滑台2移动以对被加工试件4进行加工；
5)通过移动Z轴滑台11抬起工具头5，根据所需微观表面织构的几何参数，调整X轴滑台3和/或Y轴滑台2的位置，重复所述步骤3)-4)一次或多次，从而制造出所需的微观表面织构。
实施例2
请查阅图2，为采用本发明的一种微观表面织构的制造设备及制造方法所产生的一种微观表面织构的加工效果图，其加工过程如下：
1)通过X轴滑台3和Y轴滑台2调整被加工试件4在X轴方向与Y轴方向上的位置使其正对工具头5；本实施例之中，工具头5顶端形状为顶锥角30°，圆头半径2μm的圆锥，工具头5材质为单晶金刚石，被加工试件4材质为铝合金；
2)通过Z轴滑台11调整工具头5在Z轴方向上的位置使其与被加工试件4刚好接触；所述判断工具头5与被加工试件4刚好接触的方法为：压力传感器6检测到工具头5与被加工试件4间压力大于临界值0.02N时，发出提醒信号，此时即为工具头5与被加工试件4刚好接触；
3)根据所需微观表面织构的深度，继续移动Z轴滑台11使工具头5压入被加工试件4的压入深度为10μm；
4)根据所需微观表面织构的几何参数，调整超声振动系统的振动频率为20000Hz，振幅为15μm，振动波形为正弦波，并确定Y轴滑台2的直线移动速度为400mm/s20μm×20000Hz＝400mm/s；启动超声振动系统使工具头5发生高频振动并同时启动Y轴滑台2以对被加工试件4进行加工，加工出图2中线条1所示轨迹；
5)通过移动Z轴滑台11抬起工具头5，根据所需微观表面织构的几何参数，调整Y轴滑台2使其沿Y轴负向移动5μm，重复所述步骤3)-4)加工出图2中线条2所示轨迹；
6)重复步骤5)，加工出图2中线条3所示轨迹，得到所需的微观表面织构。
实施例3
请查阅图3，为采用本发明的一种微观表面织构的制造设备及制造方法所产生的一种微观表面织构的加工效果图，其加工过程如下：
1)通过X轴滑台3和Y轴滑台2调整被加工试件4在X轴方向与Y轴方向上的位置使其正对工具头5；本实施例之中，工具头5顶端形状为顶锥角30°，圆头半径2μm的圆锥，工具头5材质为单晶金刚石，被加工试件4材质为铝合金；
2)通过Z轴滑台11调整工具头5在Z轴方向上的位置使其与被加工试件4刚好接触；所述判断工具头5与被加工试件4刚好接触的方法为：压力传感器6检测到工具头5与被加工试件4间压力大于临界值0.02N时，发出提醒信号，此时即为工具头5与被加工试件4刚好接触；
3)根据所需微观表面织构的深度，继续移动Z轴滑台11使工具头5压入被加工试件4的压入深度为10μm；
4)根据所需微观表面织构的几何参数，调整超声振动系统的振动频率为20000Hz，振幅为15μm，振动波形为正弦波，并确定Y轴滑台2的直线移动速度为400mm/s20μm×20000Hz＝400mm/s；启动超声振动系统使工具头5发生高频振动并同时启动Y轴滑台2以对被加工试件4进行加工，加工出图3中线条1所示轨迹；
5)通过移动Z轴滑台11抬起工具头5，根据所需微观表面织构的几何参数，调整X轴滑台3使其沿X轴负向移动5μm，重复所述步骤3)-4)加工出图3中线条2所示轨迹；
6)重复步骤5)，加工出图3中线条3所示轨迹，得到所需的微观表面织构。
实施例4
请查阅图4，为采用本发明的一种微观表面织构的制造设备及制造方法所产生的一种微观表面织构的加工效果图，其加工过程如下：
1)通过X轴滑台3和Y轴滑台2调整被加工试件4在X轴方向与Y轴方向上的位置使其正对工具头5；本实施例之中，工具头5顶端形状为顶锥角30°，圆头半径2μm的圆锥，工具头5材质为单晶金刚石，被加工试件4材质为铝合金；
2)通过Z轴滑台11调整工具头5在Z轴方向上的位置使其与被加工试件4刚好接触；所述判断工具头5与被加工试件4刚好接触的方法为：压力传感器6检测到工具头5与被加工试件4间压力大于临界值0.02N时，发出提醒信号，此时即为工具头5与被加工试件4刚好接触；
3)根据所需微观表面织构的深度，继续移动Z轴滑台11使工具头5压入被加工试件4的压入深度为10μm；
4)根据所需微观表面织构的几何参数，调整超声振动系统的振动频率为20000Hz，振幅为15μm，振动波形为正弦波，并确定Y轴滑台2的直线移动速度为400mm/s20μm×20000Hz＝400mm/s；启动超声振动系统使工具头5发生高频振动并同时启动Y轴滑台2以对被加工试件4进行加工，加工出图2中线条1所示轨迹；
5)通过移动Z轴滑台11抬起工具头5，根据所需微观表面织构的几何参数，调整X轴滑台3使其沿X轴负向移动18μm，调整Y轴滑台2使其沿Y轴负向移动10μm，重复所述步骤3)-4)加工出图4中线条2所示轨迹；
6)通过移动Z轴滑台11抬起工具头5，根据所需微观表面织构的几何参数，调整X轴滑台3使其沿X轴负向移动18μm，调整Y轴滑台2使其沿Y轴负向移动10μm，再次重复所述步骤3)-4)加工出图4中线条3所示轨迹，得到所需的微观表面织构。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种微观表面织构的制造设备，其特征在于：包括被加工试件(4)及对被加工试件(4)进行加工的工具头(5)；还包括基座系统、超声振动系统和压力传感器(6)；
所述被加工试件(4)固接在基座系统上；所述超声振动系统装接在基座系统上；所述工具头(5)固接在超声振动系统上；所述压力传感器(6)与工具头(5)相连；
通过基座系统调节被加工试件(4)与工具头(5)的相对位置；通过超声振动系统使工具头(5)发生振动从而实现工具头(5)对被加工试件(4)进行加工；通过压力传感器(6)检测工具头(5)与被加工试件(4)间压力的动态变化。
2.根据权利要求1所述的一种微观表面织构的制造设备，其特征在于：
所述基座系统包括光学平板(1)，X轴滑台(3)，Y轴滑台(2)和Z轴滑台(11)；Y轴滑台(2)滑动装接在光学平板(1)上且可沿Y轴方向滑动；X轴滑台(3)滑动装接在Y轴滑台(2)上且可沿X轴方向滑动；所述被加工试件(4)固接在X轴滑台(3)；Z轴滑台(11)滑动装接在光学平板(1)上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；通过X轴滑台(3)、Y轴滑台(2)和Z轴滑台(11)使被加工试件(4)和工具头(5)可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被加工试件(4)与工具头(5)的相对位置；
所述超声振动系统包括超声发生器(9)，超声变幅杆(8)和连接杆(7)；超声变幅杆(8)装接在Z轴滑台(11)，超声发生器(9)传动连接超声变幅杆(8)；连接杆(7)固接在超声变幅杆(8)上；所述工具头(5)固接在连接杆(7)上；通过超声发生器(9)产生超声振动并通过超声变幅杆(8)和连接杆(7)传递至工具头(5)以使工具头(5)发生振动从而实现工具头(5)对被加工试件(4)进行加工；
所述压力传感器(6)装接在工具头(5)与连接杆(7)之间。
3.根据权利要求2所述的一种微观表面织构的制造设备，其特征在于：所述工具头(5)形状根据所需被加工试件(4)的微观表面织构截面形状要求设定，所述工具头(5)材质根据被加工试件(4)材质选择。
4.根据权利要求2所述的一种微观表面织构的制造设备，其特征在于：所述被加工试件(4)表面粗糙度不大于Ra0.1μm，平面度不大于5μm。
5.根据权利要求2所述的一种微观表面织构的制造设备，其特征在于：所述连接杆(7)为带锥度螺钉；所述连接杆(7)螺接在超声变幅杆(8)上。
6.根据权利要求2所述的一种微观表面织构的制造设备，其特征在于：所述X轴滑台(3)由步进电机驱动，其步进精度优于0.35μm；所述Y轴滑台(2)由步进电机驱动，其步进精度优于0.35μm；所述Z轴滑台(11)由步进电机驱动，其步进精度优于0.35μm。
7.根据权利要求2所述的一种微观表面织构的制造设备，其特征在于：所述超声发生器(9)的性能参数为：振动频率f＝18～42KHz，振幅范围为0～22μm。
8.根据权利要求2所述的一种微观表面织构的制造设备的使用方法，其特征在于：包括：
1)通过X轴滑台(3)和Y轴滑台(2)调整被加工试件(4)在X轴方向与Y轴方向上的位置使其正对工具头(5)；
2)通过Z轴滑台(11)调整工具头(5)在Z轴方向上的位置使其与被加工试件(4)刚好接触；
3)根据所需微观表面织构的深度，继续移动Z轴滑台(11)使工具头(5)压入被加工试件(4)；
4)根据所需微观表面织构的几何参数，调整超声振动系统的振动频率和振幅并确定X轴滑台(3)和/或Y轴滑台(2)的移动速度，启动超声振动系统使工具头(5)发生振动并根据需要同时使X轴滑台(3)和/或Y轴滑台(2)移动以对被加工试件(4)进行加工，从而制造出所需的微观表面织构。
9.根据权利要求8所述的一种微观表面织构的制造设备的使用方法，其特征在于：还包括：
5)通过移动Z轴滑台(11)抬起工具头(5)，根据所需微观表面织构的几何参数，调整X轴滑台(3)和/或Y轴滑台(2)的位置，重复所述步骤3)-4)一次或多次，从而制造出所需的微观表面织构。
10.根据权利要求8或9所述的一种微观表面织构的制造设备的使用方法，其特征在于：所述步骤2)中，判断工具头(5)与被加工试件(4)刚好接触的方法为：压力传感器(6)检测到工具头(5)与被加工试件(4)间压力大于临界值时，发出提醒信号，此时即为工具头(5)与被加工试件(4)刚好接触。
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