CN109128403B - 基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造方法与装置。目前还没有利用原子迁移定向调控原理进行金属表面微结构制造的方法与装置。本发明通过脉冲电源对模板金属块和待加工金属块通电激发表面原子迁移，实现微结构的定向调控和位置重组；通过调节滑台对模板金属和待加工金属表面间距进行调控；通过高速摄像机与图像处理主机实现对微凸结构的检测；本发明是一种集微凸结构设计、表面微凸结构形核和生长过程外部环境调控的金属表面微凸结构制造装置，制造方法简便，使用环境安全，适用性较广。

Description

基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造方法与装置
技术领域
本发明属于金属表面微结构的制造领域，特别涉及一种基于原子迁移定向调控的金属表面微凸结构制造方法与装置。
背景技术
机械零件表面形成微凸起及微坑结构在摩擦学、仿生制造等领域具有重要意义。经过大量的实验研究表明在金属表面开设微结构能够有效地改善金属表面接触性能。在复杂多样的表面微结构形貌中，又可以将其划分为表面微凸结构和表面微凹结构两大类。其中人们对表面微凹结构的开设已经有了较为成熟的实施方法，如激光加工、化学蚀刻等方法。微弹流动力润滑理论打破了机械领域中滚动接触的机械零件表面越光滑越好的传统观点。具有微凸起接触的粗糙表面非但没有降低机械零件表面抗磨损能力，反而能大大提高承载能力和使用寿命，因此研制一种能够在金属表面有效开设微凸结构的方法与装置有着十分重要的意义。
目前，对于金属表面微凸结构的制造方法技术研究较少，并且尚未发现有利用原子迁移定向调控原理进行金属表面微结构制造的方法与装置。如申请专利号为CN201010517410的发明专利公开了一种用于加工圆柱杆件表面阵列群凸起的微细电火花加工工艺及其装置，主轴上安装有夹头夹紧工件，中心顶尖固定在滑块上与工件相联，主轴通过与专用夹头相联带动工件匀速旋转；径向加工电极安装在机床主轴上，随着工件的匀速旋转，径向加工电极沿Z向伺服进给的同时沿X向运动完成加工；轴向加工电极安装在机床主轴上进行加工时，工件固定不动，轴向加工电极沿Y向伺服进给完成加工。本发明专利所采用的是放电成形加工，属于电火花加工方法的一种。
其弊端在于电极的夹持必须准确保证位置精度，并且对电极的损害较大，需要经常性的更换加工电极。甚至如果采取的加工方法不正确，容易引起火灾存在安全隐患。
发明内容
本发明针对目前尚无较成熟的金属表面微凸结构制造方法与装置的不足，提供一种适用于不同材料、不同微结构规格(形状、尺寸和深度)和不同曲面的金属表面微凸结构制造方法及装置。该方法是一种基于表面原子迁移激发、定向调控和位置重组的方法；是一种基于微结构模板的表面原子非接触式高频(1K-20KHz)高压间断吸放的原子迁移激发和迁移调控方法；是一种基于微结构模板温度辅助调控的表面原子迁移激发和迁移调控方法；是一种基于代加工表面材料原子与微结构模板材料原子吸引力匹配(易结合形成新相)的优化设计方法；是一种微结构模板与待加工金属表面间隙精密控制的制造装置；是一种微结构模板与待加工金属表面温度精确控制的制造装置；是一种集微凸结构设计、表面微凸结构形核和生长过程外部环境(电磁场和温度场)调控的金属表面微凸结构制造装置。
本发明基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造方法，具体如下：
步骤一、将表面开设有微凹结构的模板金属块通过螺栓连接于L型安装板上，使模板金属块上开设有微凹结构的表面朝下设置。其中，L型安装板与Z向滑台的滑块固定。
步骤二、将待加工金属块水平放置于框型平台上，夹紧机构夹紧待加工金属块。
步骤三、启动Y向滑台，带动夹紧机构和待加工金属块水平同步移动到模板金属块的正下方；启动Z向滑台，带动模板金属块向靠近待加工金属块的方向移动，通过位置传感器对模板金属块下表面和待加工金属块上表面之间的距离H进行检测，使两个表面间的距离H保持在0.1mm～0.5mm之间；利用导线将模板金属块连接至脉冲电源的正极，将待加工金属块连接至脉冲电源的负极；合上保温盖，罩住模板金属块和待加工金属块。
步骤四、恒温加热块通电，对待加工金属块的下表面进行加热，当保温盖上的温度显示器显示的温度值在175℃～200℃之间时，启动脉冲电源对模板金属块和待加工金属块施加脉冲电流。由于待加工金属块温度比模板金属块高，待加工金属块表面原子运动更加剧烈，在电场的促进下待加工金属块表面原子向模板金属块方向生长。而且，在模板金属块微凹结构周围形成微凸起结构，模板金属块的微凸起结构距离待加工金属块表面的原子较近，因此待加工金属块表面的原子朝向模板金属块的微凸结构区域生长形核更为剧烈。
步骤五、保持脉冲电源通电20～40min，然后断开脉冲电源以及恒温加热块的供电，打开保温盖，启动Z向滑台，使模板金属块远离待加工金属块，启动Y向滑台，使待加工金属块水平移动至微结构检测装置的检测区域处。对高速显微摄像机进行聚焦位置调整，然后利用微结构检测装置对待加工金属块表面形成的微凸结构进行检测。
步骤六、将待加工金属块表面形成的微凸结构检测结果传给图像处理主机处理，如果待加工金属块表面形成的微凸结构高度均值检测结果与图像处理主机中预设的微凸结构高度之间的高度差大于0.05mm，则重复步骤三至步骤五，否则进入步骤七。
步骤七、松开夹紧机构，取出加工了合格微凸结构的待加工金属块，完成待加工金属块的微凸结构加工。
所述模板金属块上的微凹结构通过激光加工进行开设。
所述模板金属块的材质与待加工金属块相同。
本发明基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造装置，包括微凸结构加工机构、脉冲电源、微凸结构检测机构和图像处理主机。所述的微凸结构加工机构包括安装底架、Y向滑台、夹紧机构安装板、夹紧机构、框型平台、导电夹、保温盖、温度显示器、模板金属块、恒温加热块、L型安装板、Z向滑台和Z向滑台固定板。所述Y向滑台的底座和Z向滑台安装板固定在安装底架上；所述的夹紧机构安装板通过螺栓固定连接于Y向滑台的滑块上，夹紧机构的固定件固定在夹紧机构安装板上；夹紧机构上设有导电夹；所述的框型平台通过螺栓固定于夹紧机构安装板上；框型平台下表面上固定有恒温加热块；框型平台一侧铰接有保温盖，保温盖上设有温度显示器；Z向滑台的底座通过螺栓固定在Z向滑台固定板上，Z向滑台竖直设置，Y向滑台水平设置。Z向滑台的滑块上固定L型安装板，L型安装板上固定模板金属块和位置传感器；恒温加热块固定于框型平台下表面；脉冲电源的负极接导电夹，正极接模板金属块。
所述的微凸结构检测机构包括高速显微摄像机、竖杆、横杆、第一调整块、转接块和第二调整块；所述的第一调整块与竖杆和横杆均构成滑动副，且与竖杆和横杆均通过紧固螺栓连接；转接块固定在横杆端部，并与第二调整块铰接，该铰接轴轴线水平设置。所述的高速显微摄像机固定在第二调整块上。
所述的安装底架由铝型材与固定在铝型材顶部的铝板搭建而成。
所述的夹紧机构包括两个夹紧气缸，夹紧气缸的缸体固定在夹紧机构安装板上，夹紧气缸的活塞杆上固定压块。
所述脉冲电源的输入电压为220V，输出电流控制在0～100A范围，输出电压控制在0～12V范围，逆变频率为16～20KHz。
本发明的有益效果：
本发明通过脉冲电源对模板金属块和待加工金属块通电激发表面原子迁移，实现微结构的定向调控和位置重组；通过调节滑台对模板金属和待加工金属表面间距进行调控；通过高速摄像机与图像处理主机实现对微凸结构的检测；本发明是一种集微凸结构设计、表面微凸结构形核和生长过程外部环境(电磁场和温度场)调控的金属表面微凸结构制造装置，制造方法简便，使用环境安全，适用性较广。
附图说明
图1为本发明基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造装置的立体结构示意图。
图2为本发明基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造装置中微凸结构加工机构的立体结构示意图。
图3为本发明微凸结构加工机构中恒温加热块的安装示意图。
图4为本发明基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造装置中微凸结构检测机构的立体结构示意图。
图5为本发明基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造装置的工作原理示意图。
图6为本发明中微凸结构的成型原理示意图。
附图标记说明：
1、微凸结构加工机构，2、脉冲电源，3、微凸结构检测机构，4、图像处理主机，1-1、安装底架，1-2、Y向滑台，1-3、夹紧机构安装板，1-4、夹紧机构，1-5、框型平台，1-6、导电夹，1-7、待加工金属块，1-8、保温盖，1-9、温度显示器，1-10、模板金属块，1-11、恒温加热块，1-12、L型安装板，1-13、Z向滑台，1-14、Z向滑台固定板，3-1、高速显微摄像机，3-2、横杆，3-3、竖杆，3-4、第一调整块，3-5、转接块，3-6、第二调整块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造方法，具体如下：
步骤一、将表面开设有微凹结构(本实施例中的微凹结构为矩形槽口)的模板金属块1-10通过螺栓连接于L型安装板1-12上，使模板金属块1-10上开设有微凹结构的表面朝下设置。其中，L型安装板1-12与Z向滑台1-13的滑块固定，模板金属块1-10上的微凹结构可以通过激光加工等制备工艺进行开设；考虑到加工的难易性和可实施性，模板金属块1-10所选取的材质性能应与待加工金属块1-7相近，如待加工金属块1-7为铁块时，模板金属块1-10的最优材质便是铁。
步骤二、将待加工金属块1-7水平放置于框型平台1-5上，夹紧机构1-4夹紧待加工金属块1-7。
步骤三、启动Y向滑台1-2，带动夹紧机构1-4和待加工金属块1-7水平同步移动到模板金属块1-10的正下方；启动Z向滑台1-13，带动模板金属块1-10向靠近待加工金属块1-7的方向移动，通过位置传感器对模板金属块下表面和待加工金属块上表面之间的距离H进行检测，使两个表面间的距离H保持在0.1mm～0.5mm之间(本实施例中为0.3mm)；利用导线将模板金属块1-10连接至脉冲电源2的正极，将待加工金属块1-7连接至脉冲电源2的负极；合上保温盖1-8，罩住模板金属块1-10和待加工金属块1-7。
步骤四、恒温加热块1-11通电，对待加工金属块1-7的下表面进行加热，当保温盖1-8上的温度显示器1-9显示的温度值在175℃～200℃之间时(本实施例中为200℃)，启动脉冲电源2对模板金属块1-10和待加工金属块1-7施加脉冲电流。由于待加工金属块1-7温度比模板金属块1-10高，待加工金属块1-8表面原子运动更加剧烈，在电场的促进下向模板金属块方向生长更加剧烈。而且，在模板金属块微凹结构周围形成微凸起结构，模板金属块的微凸起结构距离待加工金属块表面的原子较近，因此待加工金属块表面的原子朝向模板金属块的微凸结构区域生长形核更为剧烈。
步骤五、保持脉冲电源2通电20～40min(本实施例中为30min)，断开脉冲电源2以及恒温加热块1-11的供电，打开保温盖1-8，启动Z向滑台1-13，使模板金属块1-10远离待加工金属块1-7，启动Y向滑台1-2，使待加工金属块1-7水平移动至微结构检测装置3的检测区域处。对高速显微摄像机进行聚焦位置调整，然后利用微结构检测装置3对待加工金属块1-7表面形成的微凸结构进行检测。
步骤六、将待加工金属块表面形成的微凸结构检测结果传给图像处理主机处理，如果待加工金属块1-7表面形成的微凸结构高度均值检测结果与图像处理主机2中预设的理想微凸结构高度之间的高度差大于0.05mm，则重复步骤三至步骤五，否则进入步骤七。
步骤七、松开夹紧机构1-4，取出加工了合格微凸结构的待加工金属块，完成待加工金属块的微凸结构加工。
如图1所示，本发明基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造装置，包括微凸结构加工机构1、脉冲电源2、微凸结构检测机构3和图像处理主机4。
如图2和3所示，微凸结构加工机构1包括安装底架1-1、Y向滑台1-2、夹紧机构安装板1-3、夹紧机构1-4、框型平台1-5、导电夹1-6、保温盖1-8、温度显示器1-9、模板金属块1-10、恒温加热块1-11、L型安装板1-12、Z向滑台1-13和Z向滑台固定板1-14。安装底架1-1可由常规2020铝型材与铝板搭建而成，用于固定连接Y向滑台1-2的底座和Z向滑台安装板1-14。夹紧机构安装板1-3通过螺栓固定连接于Y向滑台1-2的滑块上，夹紧机构1-4的固定件固定在夹紧机构安装板1-3上，活动件用于将待加工金属块1-7压紧在框型平台1-5上；本实施例中，夹紧机构1-4包括两个夹紧气缸，夹紧气缸的缸体固定在夹紧机构安装板1-3上，夹紧气缸的活塞杆上固定压块；夹紧机构1-4上设有导电夹1-6，用于将脉冲引入待加工金属块；框型平台1-5通过螺栓固定于夹紧机构安装板1-3上，用于放置待加工金属块1-7，且在框型平台1-7下表面上固定有恒温加热块1-11，在框型平台1-7一侧铰接有保温盖1-8，在保温盖1-8上设有温度显示器1-9；Z向滑台1-13通过螺栓固定在Z向滑台固定板上，Z向滑台1-13竖直设置，Y向滑台1-2水平设置。在Z向滑台1-13的滑块上固定L型安装板1-12，L型安装板1-12用于固定连接模板金属块1-10；恒温加热块1-11固定于框型平台1-7下表面，起到加热作用，使金属内原子的迁移运动更加剧烈，有助于微凸结构的形成。
脉冲电源2采用电压、电流可调式脉冲电源，输入电压为220V，输出电流控制在0～100A范围，输出电压控制在0～12V范围，逆变频率为16～20KHz。利用脉冲电源对模板金属块和待加工金属块通电，激发金属表面原子产生迁移，形成微凸结构。
如图4所示，微凸结构检测机构3包括高速显微摄像机3-1、横杆3-2、竖杆3-3、第一调整块3-4、转接块3-5和第二调整块3-6；第一调整块3-4与横杆3-2和竖杆3-3均构成滑动副，且与横杆3-2和竖杆3-3均通过紧固螺栓连接；转接块3-5固定在横杆3-2端部，并与第二调整块3-6铰接，该铰接轴轴线水平设置。高速显微摄像机3-1固定在第二调整3-6块上。通过第一调整块3-4的位置调节，可以实现高速摄像机3-1前后位置和上下高度的调整；通过调整第二调整块3-6的角度可以带动高速显微摄像机3-1在90°的范围内旋转。
如图5所示，微凸结构加工原理为通过Z向滑台1-13调节待加工金属块1-7和模板金属块1-10间的间距H，使H达到预设值后，恒温加热块1-11对模板金属块1-10进行恒温加热，再通过脉冲电源2对待加工金属块1-7和模板金属块1-10施加脉冲电流，激发待加工金属块表面原子迁移形成微凸结构。
详细的微凸结构成型原理如图6所示，图中空心圆圈代表的是待加工金属块或模板金属块内部的原子，设有剖面线的圆圈代表模板金属块表层原子的状态，实心圆圈代表待加工金属块表层原子的状态。在脉冲电流的刺激下，模板金属块和待加工金属块表面的原子之间相互吸引，由于模板金属块开设了微凹形貌，因此在模板金属块微凹结构周围形成微凸起结构，模板金属块的微凸起结构距离待加工金属块表面的原子较近，因此待加工金属块表面的原子朝向模板金属块的微凸结构区域生长形核更为剧烈。在这一过程中电场加速了晶粒长大，促进了原子的迁移。

Claims (7)

1.基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造方法，其特征在于：该方法具体如下：
步骤一、将表面开设有微凹结构的模板金属块通过螺栓连接于L型安装板上，使模板金属块上开设有微凹结构的表面朝下设置；其中，L型安装板与Z向滑台的滑块固定；
步骤二、将待加工金属块水平放置于框型平台上，夹紧机构夹紧待加工金属块；
步骤三、启动Y向滑台，带动夹紧机构和待加工金属块水平同步移动到模板金属块的正下方；启动Z向滑台，带动模板金属块向靠近待加工金属块的方向移动，通过位置传感器对模板金属块下表面和待加工金属块上表面之间的距离H进行检测，使两个表面间的距离H保持在0.1mm～0.5mm之间；利用导线将模板金属块连接至脉冲电源的正极，将待加工金属块连接至脉冲电源的负极；合上保温盖，罩住模板金属块和待加工金属块；
步骤四、恒温加热块通电，对待加工金属块的下表面进行加热，当保温盖上的温度显示器显示的温度值在175℃～200℃之间时，启动脉冲电源对模板金属块和待加工金属块施加脉冲电流；由于待加工金属块温度比模板金属块高，而且在模板金属块微凹结构周围形成微凸起结构，模板金属块的微凸起结构距离待加工金属块表面的原子较近，因此，在电场的促进下待加工金属块表面原子向模板金属块的微凸结构区域生长形核；
步骤五、保持脉冲电源通电20～40min，然后断开脉冲电源以及恒温加热块的供电，打开保温盖，启动Z向滑台，使模板金属块远离待加工金属块，启动Y向滑台，使待加工金属块水平移动至微结构检测装置的检测区域处；对高速显微摄像机进行聚焦位置调整，然后利用微结构检测装置对待加工金属块表面形成的微凸结构进行检测；
步骤六、将待加工金属块表面形成的微凸结构检测结果传给图像处理主机处理，如果待加工金属块表面形成的微凸结构高度均值检测结果与图像处理主机中预设的微凸结构高度之间的高度差大于0.05mm，则重复步骤三至步骤五，否则进入步骤七；
步骤七、松开夹紧机构，取出加工了合格微凸结构的待加工金属块，完成待加工金属块的微凸结构加工。
2.根据权利要求1所述的基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造方法，其特征在于：所述模板金属块上的微凹结构通过激光加工进行开设。
3.根据权利要求1所述的基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造方法，其特征在于：所述模板金属块的材质与待加工金属块相同。
4.基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造装置，包括微凸结构加工机构、脉冲电源、微凸结构检测机构和图像处理主机，其特征在于：所述的微凸结构加工机构包括安装底架、Y向滑台、夹紧机构安装板、夹紧机构、框型平台、导电夹、保温盖、温度显示器、模板金属块、恒温加热块、L型安装板、Z向滑台和Z向滑台固定板；所述Y向滑台的底座和Z向滑台固定板固定在安装底架上；所述的夹紧机构安装板通过螺栓固定连接于Y向滑台的滑块上，夹紧机构的固定件固定在夹紧机构安装板上；夹紧机构上设有导电夹；所述的框型平台通过螺栓固定于夹紧机构安装板上；框型平台下表面上固定有恒温加热块；框型平台一侧铰接有保温盖，保温盖上设有温度显示器；Z向滑台的底座通过螺栓固定在Z向滑台固定板上，Z向滑台竖直设置，Y向滑台水平设置；Z向滑台的滑块上固定L型安装板，L型安装板上固定模板金属块和位置传感器；恒温加热块固定于框型平台下表面；脉冲电源的负极接导电夹，正极接模板金属块；
所述的微凸结构检测机构包括高速显微摄像机、竖杆、横杆、第一调整块、转接块和第二调整块；所述的第一调整块与竖杆和横杆均构成滑动副，且与竖杆和横杆均通过紧固螺栓连接；转接块固定在横杆端部，并与第二调整块铰接，该铰接轴轴线水平设置；所述的高速显微摄像机固定在第二调整块上。
5.根据权利要求4所述的基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造装置，其特征在于：所述的安装底架由铝型材与固定在铝型材顶部的铝板搭建而成。
6.根据权利要求4所述的基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造装置，其特征在于：所述的夹紧机构包括两个夹紧气缸，夹紧气缸的缸体固定在夹紧机构安装板上，夹紧气缸的活塞杆上固定压块。
7.根据权利要求4所述的基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造装置，其特征在于：所述脉冲电源的输入电压为220V，输出电流控制在0～100A范围，输出电压控制在0～12V范围，逆变频率为16～20KHz。
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