CN105234824A - 一种微磨料多相射流加工表面织构的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微磨料多相射流加工表面织构的装置及方法，该装置包含用于固定工件的X-Y动平台、Z轴升降台、垂直安装在Z轴升降台上的喷嘴、气源模块和磨料供应模块。进行表面织构时，首先将微磨料和水混合并搅拌均匀，然后使用压缩空气将磨料溶液加速形成多相射流，配合掩膜板和动平台完成加工。本发明不仅继承了微磨料气射流加工技术适用材料范围广、无热影响区和反作用力小等优点，解决了磨料回收和空气污染等问题，同时利用了水的缓冲和润滑作用，可以获得更好的加工效果。

Description

一种微磨料多相射流加工表面织构的装置及方法

技术领域

本发明涉及微磨料喷射加工技术领域领域，尤其涉及一种微磨料多相射流加工表面织构的装置及方法。

背景技术

表面织构技术，即在摩擦副表面上加工出具有一定尺寸和规则排列的几何形貌（如微小凹坑、微沟槽等），以其优异的控制摩擦、减小磨损和提高承载能力等特性，被证明是改善摩擦副表面摩擦学特性的一种有效手段。表面织构的作用机理一般可以解释为：表面织构的存在改变了摩擦副的接触状态，降低了粘着发生的可能，有助于降低起始摩擦；同时可以起到贮存磨粒，减缓和改善磨料磨损的程度的作用。在乏油状态下，表面织构可以贮存润滑剂，有助于改善润滑；在流体润滑条件下，表面织构的存在可以改变局部的润滑状态，形成局部的流体动压润滑，提高润滑剂的成膜能力和承载能力。因此，表面织构技术已经初步在磁性存储器、滑动轴承、活塞环、机械密封等领域得到了大量试验研究。

目前常用的表面织构加工技术主要有：微细切削、电解加工、光刻技术、激光加工和微磨料喷射加工等。微细切削以精密数控技术为基础，是一种成本低、操作方便的织构制作方法，但易产生飞边、隆起等缺陷，同时对于硬脆材料也难以满足加工精度要求。电解加工以工序简单、可同时加工多个零件的优点被认为是可以实现工业量产的织构制作方法，但其只能加工导电材料。光刻技术通过与化学腐蚀、电化学腐蚀、磨料喷射等技术结合，可以实现在金属、陶瓷、高分子材料表面制作精度很高的表面织构，但其对设备的要求比较高，同时工序复杂。激光技术是使用最广泛的织构加工方法，加工效率高、适用材料范围广，但激光加工会在材料表面产生热影响区，需要一定后处理才能满足使用需要。微磨料气射流加工技术由传统的喷砂工艺发展而来，通过压缩空气将微磨料加速形成射流，利用磨料的撞击和抛磨作用去除材料，具有无热影响区、反作用力小、可加工复杂形状等特点。微磨料气射流加工技术的加工原理和工艺特点决定了其不仅适用于金属等常规材料，尤其在加工陶瓷、光学玻璃、钛合金以及复合材料等方面显示出巨大的潜力。但是，由于使用的磨料粒径往往很小（5-30mm），微磨料气射流加工往往需要密闭的加工环境，同时存在磨料回收困难、加工成本高等问题以及空气污染的风险，极大的限制了该技术的应用和推广。

综上所述，由于表面织构加工技术应用的材料往往具有高硬度、高脆性和高熔点等特点，现有的加工方法常常不能满足加工效率、加工精度和加工质量等多方面的要求。基于此，本发明的目的是在微磨料气射流加工技术的基础上引入多相射流，提出一种加工材料范围广、加工质量高、环境友好的织构加工技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种微磨料多相射流加工表面织构的装置和方法，首先将微磨料和水混合并搅拌均匀，然后使用压缩空气将磨料溶液加速形成多相射流，配合掩膜板和动平台完成表面织构的加工。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种微磨料多相射流加工表面织构的装置，包含用于固定工件的X-Y动平台、Z轴升降台、垂直安装在Z轴升降台上的喷嘴、气源模块和磨料供应模块；

所述气源模块包含依次连接的空气压缩机、过滤器、稳压阀、流量计和球阀，且球阀的另一端和所述喷嘴的气体入口相连；

所述X-Y动平台用于工件的平面移动；

所述Z轴升降台用于所述喷嘴和工件之间喷射距离的调节；

所述磨料供应模块包含储料罐和搅拌机；

所述储料罐用于存储磨料溶液，所述喷嘴的溶液入口接至储料罐中的磨料溶液；

所述搅拌机用于搅拌储料罐中的磨料溶液。

作为本发明一种微磨料多相射流加工表面织构的装置进一步的优化方案，所述磨料供应模块还包含水泵和溶液收集单元；

所述溶液收集单元设置在所述X-Y动平台上，用于收集所述喷嘴喷出的磨料溶液；

所述水泵用于将溶液收集单元收集的磨料溶液泵至储料罐中。

作为本发明一种微磨料多相射流加工表面织构的装置进一步的优化方案，所述喷嘴的直径为0.5-2mm。

本发明还公开了基于该微磨料多相射流加工表面织构的装置的表面织构方法，包括以下步骤：

步骤1），掩膜制作，选择金属或无机薄板作为掩膜材料，通过激光加工技术或者电解加工技术在板材上加工出相应织构图案；

步骤2），工件固定，将工件表面打磨、抛光并超声清洗，将制备的掩膜通过黏贴或外力作用与待加工表面紧密贴合，通过三爪卡盘或专用夹具将掩膜和工件一起固定在动平台上；

步骤3），磨料溶液配制，选定磨料类型和粒径，确定水和磨料的质量配比，配制所需磨料溶液，并通过搅拌机持续搅拌；

步骤4），参数设定，根据所需加工效果选择合适的喷射压强和喷射距离，同时结合加工范围确定动平台的运动轨迹和加工速度；

步骤5），加工和清洗，打开球阀，同时启动动平台实现加工，完成后再次对工件进行超声清洗。

作为该表面织构方法进一步的优化方案，步骤1）中掩膜板厚度为50-500mm，镂空织构图案最小宽度或直径不小于掩膜板厚度。

作为该表面织构方法进一步的优化方案，步骤2）中所述磨料的类型为绿碳化硅、氧化铝或金刚石，粒径5-30mm。

作为该表面织构方法进一步的优化方案，步骤2）中磨料和水的质量配比为1/10-1/3。

作为该表面织构方法进一步的优化方案，步骤4）中喷射压强为0.2-0.8MPa，喷射距离为1-15mm。

作为该表面织构方法进一步的优化方案，步骤4）中加工范围较大时采用S型进给，进给速度0.5-2mm/s。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、装置成本低、制造容易，所需压缩空气的压强较低，加工便利、安全；

2、磨料和水的混合解决了磨料回收和空气污染等问题，同时利用了水的缓冲和润滑作用，可以获得更好的加工效果；

3、使用压缩空气加速磨料溶液，可以使磨料获得较高的速度，进而提高加工效率。

附图说明

图1微磨料多相射流加工表面织构的装置示意图；

图2铜箔制作的掩膜贴附工件表面显微镜照片；

图3微磨料多相射流加工表面织构的示意图；

图4在304不锈钢表面加工微槽的显微镜照片；

图5在304不锈钢表面加工微槽的截面形貌。

图中，1-空气压缩机，2-空气过滤器，3-稳压阀，4-流量计，5-球阀，6-喷嘴，7-储料罐，8-水泵，9-搅拌机，10-数控X-Y动平台，11-Z轴升降台。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

参见图1，本发明公开了一种微磨料多相射流加工表面织构的装置，包含用于固定工件的X-Y动平台、Z轴升降台、垂直安装在Z轴升降台上的喷嘴、气源模块和磨料供应模块；

所述气源模块包含依次连接的空气压缩机、过滤器、稳压阀、流量计和球阀，且球阀的另一端和所述喷嘴的气体入口相连；

所述X-Y动平台用于工件的平面移动；

所述Z轴升降台用于所述喷嘴和工件之间喷射距离的调节；

所述磨料供应模块包含储料罐、搅拌机、水泵和溶液收集单元；

所述储料罐用于存储磨料溶液，所述喷嘴的溶液入口接至储料罐中的磨料溶液；

所述搅拌机用于搅拌储料罐中的磨料溶液；

所述溶液收集单元设置在所述X-Y动平台上，用于收集所述喷嘴喷出的磨料溶液；

所述水泵用于将溶液收集单元收集的磨料溶液泵至储料罐中。

所述喷嘴的直径为0.5-2mm。

本发明还公开了基于该微磨料多相射流加工表面织构的装置的表面织构方法，包括以下步骤：

步骤1），掩膜制作，选择金属或无机薄板作为掩膜材料，通过激光加工技术或者电解加工技术在板材上加工出相应织构图案；掩膜板厚度选择50-500mm，镂空织构图案最小宽度或直径应不小于掩膜板厚度；

步骤2），工件固定，将工件表面打磨、抛光并超声清洗，将制备的掩膜通过黏贴或外力作用与待加工表面紧密贴合，通过三爪卡盘或专用夹具将掩膜和工件一起固定在动平台上；

步骤3），磨料溶液配制，选定磨料类型和粒径，确定水和磨料的质量配比，配制所需磨料溶液，并通过搅拌机持续搅拌；一般选择磨料类型为绿碳化硅、氧化铝或金刚石，粒径5-30mm，磨料和水的质量比取1/10-1/3；

步骤4），参数设定，根据所需加工效果选择合适的喷射压强和喷射距离，同时结合加工范围确定动平台的运动轨迹和加工速度；喷射压强选择0.2-0.8MPa，喷射距离选择1-15mm，当加工范围较大时一般采用S型进给，进给速度0.5-2mm/s；

步骤5），加工和清洗，打开球阀，同时启动动平台实现加工，完成后再次对工件进行超声清洗。

图2为使用厚度50mm铜箔制作的掩膜紧密贴附在工件待加工表面的显微镜照片。

参见图3，磨料溶液在压缩空气和喷嘴的作用下被加速形成射流，实现对材料的冲蚀加工。

图4为利用微磨料多相射流加工技术在304不锈钢表面加工微槽的显微镜照片（具体工艺参数见实施例）。

图5为利用微磨料多相射流加工技术在304不锈钢表面加工微槽的截面形貌，微槽宽度314mm，深度7.83mm（具体工艺参数见实施例）。

下面为一具体实施例：

1.选取一片厚度50mm的铜箔，采用电解加工的方法加工出宽度300mm的槽图案；

2.选取一块304不锈钢材料，对待加工表面进行打磨、抛光和超声清洗；将步骤1制作的掩膜贴附在待加工表面并夹紧（效果如图2所示），用夹具将工件和掩膜一起固定在动平台上；

3.选择800目的绿碳化硅磨料（平均粒径15mm），按磨料和水质量比1/10称取50g磨料和500g水，混合形成磨料溶液，并通过搅拌机持续搅拌；

4.根据所需加工效果，选择喷射压强0.6MPa，喷射距离9mm，进给速度0.5mm/s；

5.打开球阀，同时启动动平台开始加工，加工过程如图3所示；加工完成后对工件进行超声清洗，最终加工效果如图4、图5所示。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种微磨料多相射流加工表面织构的装置，其特征在于，包含用于固定工件的X-Y动平台、Z轴升降台、垂直安装在Z轴升降台上的喷嘴、气源模块和磨料供应模块；

所述气源模块包含依次连接的空气压缩机、过滤器、稳压阀、流量计和球阀，且球阀的另一端和所述喷嘴的气体入口相连；

所述X-Y动平台用于工件的平面移动；

所述Z轴升降台用于所述喷嘴和工件之间喷射距离的调节；

所述磨料供应模块包含储料罐和搅拌机；

所述储料罐用于存储磨料溶液，所述喷嘴的溶液入口接至储料罐中的磨料溶液；

所述搅拌机用于搅拌储料罐中的磨料溶液。

2.根据权利要求1所述的微磨料多相射流加工表面织构的装置，其特征在于，所述磨料供应模块还包含水泵和溶液收集单元；

所述溶液收集单元设置在所述X-Y动平台上，用于收集所述喷嘴喷出的磨料溶液；

所述水泵用于将溶液收集单元收集的磨料溶液泵至储料罐中。

3.根据权利要求1所述的微磨料多相射流加工表面织构的装置，其特征在于，所述喷嘴的直径为0.5-2mm。

4.基于权利要求1所述的微磨料多相射流加工表面织构的装置的表面织构方法，其特征在于,包括以下步骤：

步骤1），掩膜制作，选择金属或无机薄板作为掩膜材料，通过激光加工技术或者电解加工技术在板材上加工出相应织构图案；

步骤2），工件固定，将工件表面打磨、抛光并超声清洗，将制备的掩膜通过黏贴或外力作用与待加工表面紧密贴合，通过三爪卡盘或专用夹具将掩膜和工件一起固定在动平台上；

步骤3），磨料溶液配制，选定磨料类型和粒径，确定水和磨料的质量配比，配制所需磨料溶液，并通过搅拌机持续搅拌；

步骤4），参数设定，根据所需加工效果选择合适的喷射压强和喷射距离，同时结合加工范围确定动平台的运动轨迹和加工速度；

步骤5），加工和清洗，打开球阀，同时启动动平台实现加工，完成后再次对工件进行超声清洗。

5.根据权利要求4所述的表面织构方法，其特征在于，步骤1）中掩膜板厚度为50-500mm，镂空织构图案最小宽度或直径不小于掩膜板厚度。

6.根据权利要求4所述的表面织构方法，其特征在于，步骤2）中所述磨料的类型为绿碳化硅、氧化铝或金刚石，粒径5-30mm。

7.根据权利要求4所述的表面织构方法，其特征在于，步骤2）中磨料和水的质量配比为1/10-1/3。

8.根据权利要求4所述的表面织构方法，其特征在于，步骤4）中喷射压强为0.2-0.8MPa，喷射距离为1-15mm。

9.根据权利要求8所述的表面织构方法，其特征在于，步骤4）中加工范围较大时采用S型进给，进给速度0.5-2mm/s。