CN107461597B - 一种微织构凹坑填充固体润滑材料的填充装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微织构填充固体润滑材料的填充装置和方法，该装置由支撑系统，填充系统，多工位模具旋转系统，锁死系统，模具头间距调节系统，控制系统组成。通过所述的多工位模具旋转系统和模具头间距调节系统，可以进行连续加工，并且满足不同尺寸、不同间距织构的填充要求。该装置可以把固体润滑材料直接压进工件表面的微织构中，属于纯物理的填充方法，不改变工件的性能。并且该填充装置操作简单，对工况的要求低，具有效率高，成本低，易于实现自动化等优点。

Description

一种微织构凹坑填充固体润滑材料的填充装置和方法

技术领域

本发明涉及属于微小尺寸填充加工技术领域，本发明涉及一种微小尺寸填充固体润滑材料的装置和方法。

背景技术

据统计，70％的模具失效是由摩擦磨损造成的，提高摩擦学性能对增加模具的使用寿命至关重要。近些年来，随着仿生学的兴起，表面微织构迅速发展，在模具，航空，生物等领域都得到了广泛的应用。为了更进一步的提高微织构的摩檫学性能，在摩擦副的表面织构中添加各种润滑材料，如固体润滑材料，润滑油，润滑脂等。在表面沉积一层固体润滑薄膜主要用溅射沉积的方法，但是溅射沉积的电流控制比较复杂，对设备、环境、参数设定的要求都比较高，薄膜沉积的速度比较慢，并且沉积比较厚的薄膜时容易崩裂。而为了让固体润滑材料更好的填充进摩擦副表面的织构中，各种工艺也随之兴起，如模具热压固化法，保温保压固化法等，但是这些方法的设备装置比较复杂，对工况的要求比较高。

发明内容

为了克服现有的微织构中固体润滑材料填充储存的难点，本发明提供一种微织构填充固体润滑材料的填充方法和装置，该装置能把固体润滑材料压进织构中，增加储存在织构中的润滑材料的量，为摩擦副的表面提供更长时间的润滑，形成更完整的润滑薄膜，增加工件的使用寿命。

一种微织构填充固体润滑材料的填充装置，其特征在于：包括支撑系统、填充系统、多工位模具旋转系统、锁死系统、模具头间距调节系统、控制系统；

所述多工位模具旋转系统包括第一步进电机、第一联轴器、主轴、主动齿轮、从动轮、花键轴，所述主动齿轮为不完全齿轮，从动轮为完全齿轮，所述第一步进电机通过第一联轴器带动主轴，所述主动齿轮固定安装在主轴上，所述从动轮通过键装在花键轴上、且与主动齿轮啮合；

填充系统包括固定式模具盘、滑移式模具盘、模具、模具头，所述模具、模具头装在固定式模具盘、滑移式模具盘上，所述固定式模具盘、滑移式模具盘装在花键轴上，固定式模具盘通过销钉实现轴向的定位；

锁死系统包括凸轮盖、弹簧、凸轮、销轴，所述凸轮固定在主轴上、并位于凸轮盖内圈内，不完全齿轮主动齿轮有齿的方向与凸轮的短轴方向同向安装，凸轮与销轴的底面用弹簧连接，使凸轮的外圆柱面始终与销轴的底面接触；所述固定式模具盘上设置有定位孔，所述销轴穿出凸轮盖、且能够与定位孔配合能够实现锁死功能；

模具头间距调节系统由花键轴承座、中间连接杆、导轨座、导轨、第二步进电机、第二联轴器、丝杠、第一支撑座，所述导轨的两端分别固定支撑柱上；所述丝杠的一端通过第二联轴器与第二步进电机连接，所述第二步进电机通过电机座固定在支撑柱上，所述丝杠的另一端通过第二支撑座固定在另一个支撑柱上；所述第一支撑座具有螺纹孔、并装在丝杠上，导轨座装在导轨上，滑移式模具盘通过中间连接杆固定在导轨座上，滑移式模具盘与中间连接杆通过第二轴承连接，第一支撑座与导轨座固定连接，所述滑移式模具盘在丝杠的驱动下在花键轴上滑动；所述花键轴的两端通过连接杆固定在导轨上，所述花键轴与连接杆通过第一轴承连接；第一步进电机通过第二连接支撑固定在连接头上；主轴上的凸轮通过第一连接支撑固定在导轨上；花键轴承座装在花键轴上，且可在花键轴上滑动，滑移式模具盘通过螺栓固定在花键轴承座上；

控制系统包括光栅尺、光栅尺数据采集显示器、第二步进电机控制器，所述光栅尺一端装在连接杆上，另一端装在连接头上、并与光栅尺数据采集显示器电联接，所述第二步进电机控制器与第二步进电机联接。

进一步地，所述的支撑柱与导轨之间还设置有数字伺服液压油缸，导轨通过连接头装在所述数字伺服液压油缸上。

进一步地，所述的模具头与模具是一体的。

进一步地，所述的固定式模具盘和滑移式模具盘为多工位模具盘，其圆周面上各加工m个模具安装螺纹孔，固定式模具盘上定位孔的数量为m个，所有对应方位上的模具安装螺纹孔与定位孔的中心线均在同一水平面上。

进一步地，所述的固定式模具盘和滑移式模具盘对应位置上安装的模具头的尺寸相同、高度相等。

所述的微织构填充固体润滑材料的填充装置的的填充方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，根据摩擦副表面微织构的形状、大小，设计确定填充加工所需要的模具头尺寸，设计并加工出两套具有与织构截面形状相配的填充模具头的模具，分别安装在固定式模具盘和滑移式模具盘上；

其次，根据被填充织构的大小，确定填充加工所需要的模具头尺寸，通过第一步进电机带动主动齿轮旋转，驱动从动轮旋转使固定式模具盘旋转一定工位的角度，旋转需要的模具头到填充加工的位置；第一步进电机继续带动主动齿轮旋转，此时，主动齿轮与从动轮不啮合，主动齿轮带动凸轮单独旋转，与销轴接触的外凸轮面从短边变成长边，把销轴推进固定式模具盘的定位孔中，实现定位锁死；

然后，根据被填充的相邻两个织构的中心距离，通过步进电机控制器控制第二步进电机工作，带动丝杠旋转，驱动第一支撑座的移动，来带动滑移式模具盘在花键轴上滑动，使固定式模具盘与滑移式模具盘上对应的模具头之间的距离满足填充要求；

最后，根据微织构的间距特点设计填充路径：

若相邻两个织构的中心距离为L，每行有2n个织构，由于织构的间距L一般比较小，实际填充加工时，固定式模具盘和滑移式模具盘上模具头的间距设置为nL；首先开始填充第一行的第1个和第n个织构，通过工作台沿织构的行方向进行平移，带动被填充工件移动一个间距L，填充第2个和第n+1个织构，以此类推，直到第一行的2n个织构都填充完，再按此方法填充第二行，以此类推，直到每行的每个织构都填充完为止；若每行有2n+1个织构，则先用上述方法填充每行的前2n个织构，最后一个织构单独填充，或者最后一列织构按行的方式填充，直到所有织构都填充完为止。

进一步地，所述的填充模具头根据织构的截面形状加工，对一个尺寸的织构可用多个模具头进行填充压实，先用所选的最小的模具头填充，再逐渐增大填充的模具头尺寸，但选用的所有填充模具头都要比织构尺寸小。

进一步地，所述填充方法中还包括通过支撑柱里的数字伺服液压油缸调节模具与工作台的法向距离，从而扩大可填充工件的范围以及精确控制填充时下压量的。

本发明的有益效果是：

1.固定式模具盘和滑移式模具盘为多工位模具盘，可以通过旋转n个工位的角度调整填充需要的模具头，可连续填充不同尺寸的织构，或者对同一尺寸的织构实现不同工序的综合加工，简化加工工序。

2.多工位的模具盘能实现转动一定的角度并锁死，解锁再次转动一定的角度再次锁死的目的，保证了模具和工件之间的法向对中性，精确度高，填充效果好。

3.模具与模具盘之间通过螺纹连接，可以更换模具盘上的具有一定尺寸模具头的模具，从而扩大可填充的织构的大小和形状，适用性广。

4.模具头与模具头之间的距离可调整，可以满足各种微织构的直径尺寸的填充要求，能根据工件表面织构的间距精确调整模具头之间的距离，适用面广，可实现没有特殊要求的所有微织构固体润滑材料的填充。

5.本发明的装置是把固体润滑材料挤压进工件表面的微织构中，属于纯物理的填充方式，设备装置操作简单，对环境的要求低，易于实现自动化；填充加工完成后，被填充工件的力学性能和化学性能不会发生转变。

6.本发明的装置能把织构中的固体润滑材料压实，增加了储存在织构中的固体润滑材料的量，为摩擦副的表面提供更长时间的润滑和更完整的润滑膜，增加工件的使用寿命。

7.本发明所述的方法，使用纯物理的方法实现固体润滑材料在织构中的填充，填充加工过程对温度和压强没有要求，不会发生工件性能的变化。并且装置操作简单，对环境要求低，能满足没有特殊要求的各种不同尺寸和不同间距织构的填充，适用性广，易于实现自动化。

附图说明

图1为本发明所述微织构填充装置的结构示意图。

图2为所述多工位模具盘装配的剖视图。

图3为所述模具头间距调节系统的三维图。

图4为所述多工位模具旋转系统和锁死系统的三维图。

图5为所述多工位模具旋转系统和锁死系统的剖视图。

图6为所述填充加工状态的三维图。

图7为所述多工位模具更换模具头填充加工的三维图。

图8为所述间隔填充法的路径图。

图中：

1-第一步进电机；2-第一联轴器；3-主轴；4-大卡簧；5-主动轮；6-凸轮盖；7-弹簧；8-凸轮；9-销轴；10-第一连接支撑；11-螺栓；12-从动轮；13-花键轴；14-第一轴承；15-小卡簧；16-连接杆；17-固定式模具盘；18-模具；19-模具头；20-花键轴承座；21-滑移式模具盘；22-第二轴承；23-中间连接杆；24-导轨座；25-导轨；26-第二步进电机；27-第二联轴器；28-丝杠；29-第一支撑座；30-第二支撑座；31-支撑柱；32-数字伺服液压油缸；33-连接头；34-电机座；35-光栅尺连接座；36-光栅尺；37-光栅尺数据采集显示器；38-第二步进电机控制器；39-第二连接支撑；40-第三轴承；41-销钉；42-定位孔；43-键。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的微织构填充固体润滑材料的填充装置，由支撑系统、填充系统、多工位模具旋转系统、锁死系统、模具头间距调节系统、控制系统组成；

如图2所示，所述多工位模具旋转系统包括第一步进电机1、第一联轴器2、主轴3、主动齿轮5、从动轮12、花键轴13，所述主动齿轮5为不完全齿轮，从动轮12为完全齿轮，所述第一步进电机1通过第一联轴器2带动主轴3，所述主动齿轮5固定安装在主轴3上，主动齿轮5通过大卡簧4实现轴向的定位；所述从动轮12通过键43装在花键轴13上、且与主动齿轮5啮合。填充系统包括固定式模具盘17、滑移式模具盘21、模具18、模具头19，所述模具18、模具头19装在固定式模具盘17、滑移式模具盘21上，所述固定式模具盘17、滑移式模具盘21装在花键轴13上，固定式模具盘17与花键轴13通过销钉41连接，实现轴向的定位。所述的固定式模具盘17和滑移式模具盘21为多工位模具盘，其圆周面上各加工m个模具18安装螺纹孔，具有不同尺寸模具头19的模具18与多工位模具盘之间通过螺纹连接，可拆换。所述的模具头19与模具18也可以是是一体的。

多工位模具盘旋转系统主要利用不完全齿轮的主动齿轮5和完全齿轮的从动轮12啮合，带动固定式模具盘17和滑移式模具盘21旋转几个工位的角度，转换不同工位的模具头19，使需要填充的模具头19旋转到加工位置上。在运动时，主动齿轮5带动从动轮12旋转，从动轮12带动花键轴13和花键轴13上的固定式模具盘17、滑移式模具盘21和花键轴承座20旋转，从而起到转换多工位模具盘上填充模具头的目的，同时通过第一轴承14和第二轴承22连接的连接杆16和中间连接杆23不与花键轴13一起转动。因为多工位模具盘上设计加工有m个模具18安装螺纹孔，即安装了m个模具18，所以一个工位角为360/m°，加工的不完全齿轮组满足主动齿轮5的齿轮与从动轮12啮合旋转一周只带动从动轮12旋转360/m°的要求，如果需要更换n个360/m°工位上的模具18时，则主动齿轮5旋转n圈。

如图4和图5所示，锁死系统包括凸轮盖6、弹簧7、凸轮8、销轴9，所述凸轮8的中间部分为空心圆柱，凸轮8内圆柱面通过键43连接在主轴3上、并位于凸轮盖6内圈内，凸轮盖6与主轴3之间安装有第三轴承40，电机带动主轴3运动时，因为第三轴承40的作用，两端的凸轮盖6固定不动。不完全齿轮主动齿轮5有齿的方向与凸轮8的短轴方向同向安装，凸轮8外圆柱面通过弹簧7与销轴9的底面连接，弹簧7始终处于拉伸状态，使凸轮8的外圆柱面始终与销轴9的底面接触；所述固定式模具盘17上设置有定位孔42，固定式模具盘17上定位孔42的数量为m个，所有对应方位上的模具安装螺纹孔与定位孔42的中心线均在同一水平面上，且对应位置上安装的模具18的尺寸完全相同。模具18安装后，对应位置上模具头19伸出固定式模具盘17和滑移式模具盘21的长度对应相等；使得在织构填充加工时，两个模具离工件的法向高度相等。所述销轴9穿出凸轮盖6、且能够与定位孔42配合能够实现锁死功能。

不完全齿轮主动齿轮5有齿的方向与凸轮8的短轴方向同向安装，主动齿轮5与从动轮12啮合时，凸轮8的短边与销轴9接触，销轴9脱离固定式模具盘17的定位孔42。主动齿轮5与从动轮12不啮合，主动齿轮5带动凸轮8单独旋转时，与销轴9接触的凸轮8从短边变成长边，把销轴9推进固定式模具盘17的定位孔42中，实现周向定位锁死。解锁时，只要再次启动第一步进电机1，带动凸轮8旋转，与销轴9接触的凸轮8又从长边变成短边，使销轴9脱离固定式模具盘17的定位孔42中，实现解锁的目的，解锁后，可再次切换需要的填充模具头19，满足加工时的锁死要求和转换工位的解锁要求。

图3示出了模具头间距调节系统，模具头间距调节系统由花键轴承座20、中间连接杆23、导轨座24、导轨25、第二步进电机26、第二联轴器27、丝杠28、第一支撑座29，所述导轨25的两端分别固定支撑柱31上；整个装置由支撑柱31支撑固定整个装置。本实施例中，所述支撑柱31与导轨25之间还设置有数字伺服液压油缸32，导轨25通过连接头33装在所述数字伺服液压油缸32上，连接头33与导轨25通过螺栓11连接固定。通过数字伺服液压油缸32可以调节模具18离工作台的法向距离，从而填充多种高度的工件，使填充的范围更广，并且数字伺服液压油缸32能起到精确控制填充时下压量的目的。所述丝杠28的一端通过第二联轴器27与第二步进电机26连接，所述第二步进电机26通过电机座34固定在支撑柱31上，所述丝杠28的另一端通过第二支撑座30固定在另一个支撑柱31上；所述第一支撑座29具有螺纹孔、并装在丝杠28上，导轨座24装在导轨25上，滑移式模具盘21通过中间连接杆23固定在导轨座24上，滑移式模具盘21与中间连接杆23通过第二轴承22连接，第一支撑座29与导轨座24固定连接，所述滑移式模具盘21在丝杠28的驱动下在花键轴13上滑动；所述花键轴13的两端通过连接杆16固定在导轨25上，所述花键轴13与连接杆16通过第一轴承14连接；花键轴13上的第一轴承14通过小卡簧15实现轴向的定位。第一步进电机1通过第二连接支撑39固定在连接头33上；两端的凸轮盖6通过第一连接支撑10用螺栓固定在导轨25上；花键轴承座20装在花键轴13上，且可在花键轴13上滑动，滑移式模具盘21通过螺栓11固定在花键轴承座20上。

控制系统包括光栅尺36、光栅尺数据采集显示器37、第二步进电机控制器38，光栅数据采集显示器37安装在中间连接杆23上，光栅数据采集显示器37可以在光栅尺36上滑动。所述光栅尺36一端装在连接杆16上，另一端装在连接头33上、并与光栅尺数据采集显示器37电联接，从而实时显示固定式模具盘17和滑移式模具盘21上模具头19之间的距离。所述第二步进电机控制器38与第二步进电机26联接。光栅数据采集显示器37采集数据反馈给第二步进电机控制器38，第二步进电机控制器38安装在电机座34上，电机座34通过螺栓11固定在连接头33上，电机座34里安装有第二步进电机26，第二步进电机26通过第二联轴器27带动丝杠旋转，从而起到调整模具头间距的功能。

在填充过程中，固定式模具盘17和滑移式模具盘21上模具头19的间距可以根据被填充工件表面织构的实际间距进行调整。固定式模具盘17只能与花键轴13一起旋转，不能轴向移动；滑移式模具盘21安装在花键轴承座20上，不仅能跟着花键轴13一起旋转，还可以在花键轴13上移动，实现模具头19之间间距可调的功能。具体的，固定式模具盘17和滑移式模具盘21上模具头19之间的间距通过丝杠28控制。再利用光栅尺36的精确测量，并且通过光栅尺数据采集显示卡37实时显示出模具头19之间的距离，同时反馈给第二步进电机控制器38，精确控制第二步进电机26的旋转，第二步进电机26又带动丝杠28旋转，补偿中间连接杆23和中间连接杆23上的滑移式模具盘21的位移，从而精确调整模具头19之间的距离。滑动的距离可以从紧贴着固定式模具盘17到第一轴承14处。本装置中，滑移式模具盘21可滑动的距离为30mm，可根据填充需求加工不同参数的花键轴13，满足不同滑动距离的要求。

由于微织构填充需要的模具头19的尺寸小，所以设计加工的模具头19与模具18是一体的；固定式模具盘17和滑移式模具盘21为多工位模具盘，其圆周面上各加工有m个模具18安装螺纹孔，固定式模具盘17上定位孔42的数量为m个，所有对应方位上的模具安装螺纹孔与定位孔42的中心线均在同一水平面上，对应位置上安装的模具头19的尺寸相同、高度相等，两个模具头19可同时进行填充加工，提高填充效率；模具18安装在多工位模具盘之后，对应位置上模具头19伸出固定式模具盘17和滑移式模具盘21的长度对应相等，使得在织构填充加工时，两个模具头19离工件的法向高度相等。

本发明所述微织构填充固体润滑材料的装置的具体填充方法如下：

首先根据摩擦副表面的微织构的形状设计加工出两套具有与织构截面形状相配的填充模具头19的模具18，分别安装在固定式模具盘17和滑移式模具盘21上，与微织构配对的模具头19比微织构的截面尺寸小，即若填充圆形微织构凹坑时，因为微织构凹坑的直径尺寸一般处于50μm-1mm之间，所以模具头19设计为直径尺寸从40μm到1mm范围内的圆柱形。如果想填充矩形、六边形的微织构，则可以把模具头19设计成与之对应的矩形、六边形的形状进行填充加工，如果是填充平行或网状分布的槽型织构，则可分段进行填充加工。多工位模具盘可以实现不同尺寸模具头19对凹坑进行连续填充加工的目的，先用所选模具头19中最小的尺寸进行填充，再逐渐增大填充模具头19的尺寸，但是所选用的所有模具头19的尺寸都要比织构的尺寸小，有利于把固体润滑材料填充压实在织构中。用模具头19填充时，模具头19还可通过数字伺服液压油缸32多次挤压微织构凹坑中的固体润滑材料，达到进一步压实的目的。

在填充过程中，通过多工位模具盘旋转系统和锁死系统实现填充模具18的转换和锁死定位。通过第一步进电机1带动主轴3上的主动齿轮5旋转，从而驱动从动轮12旋转，从动轮12再带动花键轴13旋转，使花键轴13上的固定式模具盘17和滑移式模具盘21旋转一定工位的角度，驱动填充需要的模具头19旋转到填充加工的位置，主动齿轮5与从动轮12啮合时，凸轮8的短边与销轴9接触，销轴9脱离固定式模具盘17的定位孔42，使多工位模具盘可以旋转；第一步进电机1继续带动主动齿轮5旋转，此时，主动齿轮5与从动轮12不啮合，主动齿轮5带动凸轮8单独旋转，此时，与销轴9接触的外凸轮面从短边变成长边，使销轴9穿出凸轮盖6，把销轴9推进固定式模具盘17的定位孔42中，实现定位锁死。

模具头间距调节系统是利用步进电机控制器38控制第二步进电机26工作，带动丝杠28旋转，驱动第一支撑座29的移动，来带动滑移式模具盘21在花键轴13上滑动，使固定式模具盘17与滑移式模具盘21上对应的模具头19之间的距离满足填充要求。通过支撑柱31里的数字伺服液压油缸32调节模具18离工作台的法向距离，从而扩大可填充工件的范围，并且数字伺服液压油缸32又能起到进一步精确控制填充时下压量的目的。

填充加工时，采用间隔填充法对微织构中的固体润滑材料进行填充加工。图6、图7和图8示出了填充加工状态的三维图和路径图，凹坑的填充是通过多工位模具盘上具有一定尺寸模具头19的模具18把固体润滑材料压进凹坑中实现的。填充一个特定尺寸的凹坑时，可以先选用尺寸较小的模具头19进行填充加工，再选用与凹坑尺寸相近但比凹坑稍小的模具头19填充压实，主要使用多工位模具盘按上述方式旋转切换模具18。本装置中，当固定式模具盘17与滑移式模具盘21紧贴时，模具头19之间的最小距离为2.5mm。由于相邻的两个织构凹坑的中心距离L都比较小,一般为几百μm，用本装置的固定式模具盘17与滑移式模具盘21上的模具18填充两个临近的织构凹坑中的固体润滑材料不太可能，所以采用间隔填充法的方式填充凹坑中的固体润滑材料。假设每行有2n个织构凹坑，实际填充加工时，模具头19的距离设置为nL。首先开始填充第一行的第1个和第n个凹坑，通过工作台沿织构的行方向进行平移，带动被填充工件移动一个间距L，填充第2个和第n+1个织构，以此类推，直到第一行的2n个凹坑都填充完，再按此方法填充第二行，以此类推，直到每行的每个凹坑都填充完为止。若每行有2n+1的凹坑，则先用上述方法填充每行的前2n个凹坑，最后一个凹坑单独填充，或者最后一列凹坑按行的方式填充，直到所有凹坑都填充完为止。

本发明中微织构固体润滑材料的填充是用纯物理的填充方式，填充加工完成后，工件的力学性能、化学性能不会发生转变。

下面通过一个具体事例说明本发明填充加工的过程：

以多工位模具盘的工位数为12，被填充织构的形状为球形凹坑，直径大小为500μm，凹坑的排布为五行五列的工件为例。则填充的方法是先选用300μm的模具头19进行填充，再选用与500μm接近的450μm的模具头19进行填充，并且每个尺寸的模具头19进行多次填充加工，实现压实的目的。因为多工位模具盘的工位数为12，所以一个工位角为30°。

首先把工件安装在多工位模具盘下，调整好位置固定。根据被填充工件的高度，调整数字伺服液压油缸32的伸出量，从而调整固定式模具盘17和滑移式模具盘21上模具头19离工件的法向高度。

找到具有直径尺寸为300μm模具头19的模具18，启动第一步进电机1，第一步进电机1带动主轴3和主动齿轮5旋转，主动齿轮5与从动轮12啮合带动从动轮12旋转。主动齿轮5每转一圈，从动轮12转动一个工位的角度为30°。主动齿轮5旋转一定的圈数，不完全齿轮组使具有300μm模具头19的模具18旋转到填充加工的位置。第一步进电机1继续带动主动齿轮5旋转，此时，主动齿轮5与从动轮12不啮合，主动齿轮5带动凸轮8单独旋转，与销轴9接触的外凸轮面从短边变成长边，把销轴9推进固定式模具盘17的定位孔42中，关闭第一步进电机1，实现周向的定位锁死。

旋转好填充加工的模具头19后，调整滑移式模具盘21的位置，使固定式模具盘17和滑移式模具盘21上模具头19之间的间距满足被填充工件的要求。启动第二步进电机26带动丝杠28旋转，丝杠28带动中间连接杆23在导轨25上滑动，中间连接杆23又带动滑移式模具盘21在花键轴13上滑动，从而调整滑移式模具盘21的位置。并且光栅尺36进行精确的测量，光栅尺数据采集显示卡37实时显示出模具头19之间的距离，并反馈给第二步进电机控制器38，进一步补偿第二步进电机26的旋转，精确补偿滑移式模具盘21的位置，从而精确调整模具头19之间的距离。

旋转好填充加工的模具18，并调整好模具头19之间的间距后，开始进行填充加工。填充的路径使用间隔填充的方法进行填充。若相邻两个凹坑的距离为L，由于凹坑的排布为五行五列，所以填充加工时，模具头19之间的距离设置为2L。首先开始填充第一行的第1个和第3个凹坑，之后填充第2个和第4个凹坑，最后单独填充第五个凹坑。第一行的凹坑填充完成后，按同样的方法填充第二行的凹坑，直到五行的凹坑都填充完为止。

通过数字伺服液压油缸32精确调整填充时的下压量。填充时先用300μm的模具头19进行多次填充以把润滑材料压进凹坑中。更换450μm的模具头19填充时，先解锁固定式模具盘17，解锁只需再次启动第一步进电机1，带动凸轮8旋转，与销轴9接触的外凸轮面又从长边变成短边，由于弹簧7始终处于拉伸状态，弹簧7的拉力把销轴9从定位孔42中慢慢的移出，主动齿轮5带动凸轮8继续旋转，直到销轴9完全从定位孔42中移出，固定式模具盘42解锁。解锁后重复之前的多工位模具旋转系统的操作，更换450μm的模具头19到填充加工的位置，再用数字伺服液压油缸32对450μm的填充模具头19进行多次下压填充加工，利用间隔填充法把固体润滑材料压实填充在凹坑中，完成500μm的织构凹坑的填充加工。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种微织构填充固体润滑材料的填充装置，其特征在于，包括填充系统、多工位模具旋转系统、锁死系统、模具头间距调节系统、控制系统，

所述多工位模具旋转系统包括第一步进电机(1)、第一联轴器(2)、主轴(3)、主动齿轮(5)、从动轮(12)、花键轴(13)，所述主动齿轮(5)为不完全齿轮，从动轮(12)为完全齿轮，所述第一步进电机(1)通过第一联轴器(2)带动主轴(3)，所述主动齿轮(5)固定安装在主轴(3)上，所述从动轮(12)通过键(43)装在花键轴(13)上、且与主动齿轮(5)啮合；

填充系统包括固定式模具盘(17)、滑移式模具盘(21)、模具(18)、模具头(19)，所述模具(18)、模具头(19)装在固定式模具盘(17)、滑移式模具盘(21)上，所述固定式模具盘(17)、滑移式模具盘(21)装在花键轴(13)上，固定式模具盘(17)通过销钉(41)实现轴向的定位；

锁死系统包括凸轮盖(6)、弹簧(7)、凸轮(8)、销轴(9)，所述凸轮(8)固定在主轴(3)上、并位于凸轮盖(6)内圈内，不完全齿轮主动齿轮(5)有齿的方向与凸轮(8)的短轴方向同向安装，凸轮(8)与销轴(9)的底面用弹簧(7)连接，使凸轮(8)的外圆柱面始终与销轴(9)的底面接触；所述固定式模具盘(17)上设置有定位孔(42)，所述销轴(9)穿出凸轮盖(6)、且能够与定位孔(42)配合能够实现锁死功能；

模具头间距调节系统由花键轴承座(20)、中间连接杆(23)、导轨座(24)、导轨(25)、第二步进电机(26)、第二联轴器(27)、丝杠(28)、支撑座a(29)，所述导轨(25)的两端分别固定支撑柱(31)上；所述丝杠(28)的一端通过第二联轴器(27)与第二步进电机(26)连接，所述第二步进电机(26)通过电机座(34)固定在支撑柱(31)上，所述丝杠(28)的另一端通过第二支撑座(30)固定在另一个支撑柱(31)上；所述支撑座a(29)具有螺纹孔、并装在丝杠(28)上，导轨座(24)装在导轨(25)上，滑移式模具盘(21)通过中间连接杆(23)固定在导轨座(24)上，滑移式模具盘(21)与中间连接杆(23)通过第二轴承(22)连接，支撑座a(29)与导轨座(24)固定连接，所述滑移式模具盘(21)在丝杠(28)的驱动下在花键轴(13)上滑动；所述花键轴(13)的两端通过连接杆(16)固定在导轨(25)上，所述花键轴(13)与连接杆(16)通过第一轴承(14)连接；第一步进电机(1)通过第二连接支撑(39)固定在连接头(33)上；主轴(3)上的凸轮(8)通过第一连接支撑(10)固定在导轨(25)上；花键轴承座(20)装在花键轴(13)上，且可在花键轴(13)上滑动，滑移式模具盘(21)通过螺栓(11)固定在花键轴承座(20)上；

控制系统包括光栅尺(36)、光栅尺数据采集显示器(37)、第二步进电机控制器(38)，所述光栅尺(36)一端装在连接杆(16)上，另一端装在连接头(33)上、并与光栅尺数据采集显示器(37)电联接，所述第二步进电机控制器(38)与第二步进电机(26)联接。

2.根据权利要求1所述的微织构填充固体润滑材料的填充装置，其特征在于，所述支撑柱(31)与导轨(25)之间还设置有数字伺服液压油缸(32)，导轨(25)通过连接头(33)装在所述数字伺服液压油缸(32)上。

3.根据权利要求1所述的微织构填充固体润滑材料的填充装置，其特征在于，所述的模具头(19)与模具(18)是一体的。

4.根据权利要求1所述的微织构填充固体润滑材料的填充装置，其特征在于，所述的固定式模具盘(17)和滑移式模具盘(21)为多工位模具盘，其圆周面上各加工m个模具(18)安装螺纹孔，固定式模具盘(17)上定位孔(42)的数量为m个，所有对应方位上的模具安装螺纹孔与定位孔(42)的中心线均在同一水平面上。

5.根据权利要求4所述的微织构填充固体润滑材料的填充装置，其特征在于，所述的固定式模具盘(17)和滑移式模具盘(21)对应位置上安装的模具头(19)的尺寸相同、高度相等。

6.根据权利要求1所述的微织构填充固体润滑材料的填充装置的填充方法，其特征在于：包括以下步骤：

首先，根据摩擦副表面微织构的形状、大小，设计确定填充加工所需要的模具头尺寸，并加工出两套具有与织构截面形状相配的填充模具头(19)的模具(18)，分别安装在固定式模具盘(17)和滑移式模具盘(21)上；

其次，通过第一步进电机(1)带动主动齿轮(5)旋转，驱动从动轮(12)旋转使固定式模具盘(17)旋转一定工位的角度，旋转需要的模具头(19)到填充加工的位置；第一步进电机(1)继续带动主动齿轮(5)旋转，此时，主动齿轮(5)与从动轮(12)不啮合，主动齿轮(5)带动凸轮(8)单独旋转，与销轴(9)接触的外凸轮面从短边变成长边，把销轴(9)推进固定式模具盘(17)的定位孔(42)中，实现定位锁死；

然后，根据被填充的相邻两个织构的中心距离，通过步进电机控制器(38)控制第二步进电机(26)工作，带动丝杠(28)旋转，驱动支撑座a(29)的移动，来带动滑移式模具盘(21)在花键轴(13)上滑动，使固定式模具盘(17)与滑移式模具盘(21)上对应的模具头(19)之间的距离满足填充要求；

最后，根据微织构的间距特点设计填充路径：

若相邻两个织构的中心距离为L，每行有2n个织构，由于织构的间距L一般比较小，实际填充加工时，固定式模具盘和滑移式模具盘上模具头的间距设置为nL；首先开始填充第一行的第1个和第n个织构，通过工作台沿织构的行方向进行平移，带动被填充工件移动一个间距L，填充第2个和第n+1个织构，以此类推，直到第一行的2n个织构都填充完，再按此方法填充第二行，以此类推，直到每行的每个织构都填充完为止；若每行有2n+1个织构，则先用上述方法填充每行的前2n个织构，最后一个织构单独填充，或者最后一列织构按行的方式填充，直到所有织构都填充完为止。

7.根据权利要求6所述的填充方法，其特征是：所述的填充模具头(19)根据织构的截面形状加工，对一个尺寸的织构可用多个模具头进行填充压实，先用所选的最小的模具头(19)填充，再逐渐增大填充的模具头(19)尺寸，但选用的所有填充模具头(19)都要比织构尺寸小。

8.根据权利要求6所述的填充方法，其特征是：还包括通过支撑柱(31)里的数字伺服液压油缸(32)调节模具(18)与工作台的法向距离，从而扩大可填充工件的范围以及精确控制填充时下压量的。