CN109332831B - 一种表面微织构加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面微织构加工装置，包括第一端用于与工件相连的脉冲电源、与脉冲电源的第二端相连且用于对工件进行电火花放电的工具电极、用于在放电过程中使工件和工具电极发生相对运动的驱动件，工具电极为包括多根金属丝的金属刷电极，还包括：用于覆盖在工件表面的预设区域，以对工件的预设区域进行保护的掩膜板。本申请公开的上述技术方案，利用金属刷电极作为工具电极，并在工件表面的预设区域覆盖掩膜板，当对工件进行加工时，金属丝通过掩膜板的约束伸入到指定区域进行电火花放电，以提高对工件的加工精度和加工的定域性。另外，由于金属刷电极更换方便，制作简便，成本低，因此，可以提高加工效率，降低加工成本。

Description

一种表面微织构加工装置

技术领域

本发明涉及表面微织构加工技术领域，更具体地说，涉及一种表面微织构加工装置。

背景技术

具有微纳米尺寸表面织构的表面在表面能、摩檫学特性、机械特性、热学特性、流体力学特性和光学特性等方面表现出与传统光滑表面截然不同的特点，并且其在光学、声学、微流道、医用移植材料和各种微机电系统组件中有着广泛的应用。

目前，主要通过电火花加工和掩膜电解加工来在工件表面制备微结构。电火花加工的关键在于微细阵列电极的制备，其制备方法主要有电火花反铐技术、LIGA技术、微细电火花线切割技术等。在制备完微细阵列电极之后，就可以利用该电极在工件表面逐一加工出阵列微结构，但在微结构加工过程中会不可避免的存在电极损耗，这就需要频繁更换和制作新的电极，但由于微细阵列电极的制备方法比较复杂，因此，则会降低工件的加工效率，增加工件的加工成本。掩膜电解加工则是通过绝缘掩膜对阳极工件表面进行选择性区域绝缘处理，使得阳极工件表面部分电场被屏蔽并阻隔电解液，以形成“保护区”，从而对未被保护的阳极工件表面进行电解加工，但在掩膜电解加工过程中，由于电场的尖角效应(即掩膜边缘部分的电场强度和电流密度比较大)，则会导致掩膜边缘部分的工件溶解速度比较快、溶解强度比较大，因此，则会出现侧蚀现象(即会导致工件表面所出现的微坑宽度大于掩膜间的空隙宽度)，从而会无法准确地还原模板的形状，特别是随着加工深度的增加，加工精度和定域性均会比较差。另外，由于侧蚀现象的存在，相邻微结构之间的距离会受到限制，从而会很难加工出具有高密度的表面织构。

综上所述，如何提高加工效率，降低加工成本，并提高对工件的加工精度和加工的定域性，以在工件表面得到高密度的表面织构，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种表面微织构加工装置，以提高加工效率，降低加工成本，并提高对工件的加工精度和加工的定域性，以在工件表面得到高密度的表面织构。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种表面微织构加工装置，包括第一端用于与工件相连的脉冲电源、与所述脉冲电源的第二端相连且用于对所述工件进行电火花放电的工具电极、用于在放电过程中使所述工件和所述工具电极发生相对运动的驱动件，所述工具电极为包括多根金属丝的金属刷电极，还包括：

用于覆盖在所述工件表面的预设区域，以对所述工件的所述预设区域进行保护的掩膜板。

优选的，所述掩膜板与所述工件之间具有间隙，所述间隙内填充有填充物。

优选的，所述间隙小于等于50μm。

优选的，所述掩膜板为陶瓷掩膜板。

优选的，所述陶瓷掩膜板为氧化铝陶瓷掩膜板。

优选的，所述脉冲电源的正极作为所述脉冲电源的第一端，所述脉冲电源的负极作为所述脉冲电源的第二端。

优选的，所述脉冲电源的负极作为所述脉冲电源的第一端，所述脉冲电源的正极作为所述脉冲电源的第二端。

优选的，所述金属丝为柔性金属丝。

优选的，所述驱动件与所述工具电极相连。

本发明提供了一种表面微织构加工装置，包括第一端用于与工件相连的脉冲电源、与脉冲电源的第二端相连且用于对工件进行电火花放电的工具电极、用于在放电过程中使工件和工具电极发生相对运动的驱动件，工具电极为包括多根金属丝的金属刷电极，还包括：用于覆盖在工件表面的预设区域，以对工件的预设区域进行保护的掩膜板。

本申请公开的上述技术方案，利用包括多根金属丝的金属刷电极作为工具电极，并在工件表面的预设区域覆盖掩膜板，当对工件进行加工时，金属丝通过掩膜板的约束伸入到未被掩膜板覆盖的区域进行电火花放电，以对工件进行加工，从而尽量避免侧蚀现象的发生，进而提高对工件的加工精度和加工的定域性，并便于在工件表面得到高密度的表面织构。另外，由于金属刷电极更换比较方便，制作比较简便，成本比较低，因此，则可以提高加工效率，降低加工成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种表面微织构加工装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种表面微织构加工装置的结构示意图；

图3为图2中A位置处的局部放大图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，其示出了本发明实施例提供的一种表面微织构加工装置的结构示意图，可以包括第一端用于与工件1相连的脉冲电源2、与脉冲电源2的第二端相连且用于对工件1进行电火花放电的工具电极、用于在放电过程中使工件1和工具电极发生相对运动的驱动件4，工具电极为包括多根金属丝31的金属刷电极3，还可以包括：

用于覆盖在工件1表面的预设区域，以对工件1的预设区域进行保护的掩膜板5。

表面微织构加工装置可以包括脉冲电源2、工具电极、驱动件4、掩膜板5。其中，脉冲电源2的第一端与工件1相连，脉冲电源2的第二端与工具电极相连；工具电极具体为包括多根金属丝31的金属刷电极3，即采用金属刷电极3作为工具电极；掩膜板5覆盖在工件1表面的预设区域，以对工件1的预设区域进行保护，其中，这里所提及的预设区域为预先根据对工件1表面的加工需求而设置的区域。

在需要对工件1表面进行微结构加工时，脉冲电源2为工件1和金属刷电极3提供脉冲电压。在脉冲电源2在金属刷电极3和工件1之间加上脉冲电压之后，金属刷电极3和工件1之间可以产生脉冲性的火花放电，火花放电所产生的瞬时高温可以使工件1的表面与金属刷电极3的表面都产生部分蚀除，从而对工件1的表面进行微结构加工。

在对工件1进行加工的过程中，驱动件4可以驱动带有掩膜板5的工件1与金属刷电极3之间发生相对运动，使得金属刷电极3中所包含的金属丝31可以通过掩膜板5的约束伸入到指定的加工区域(即未被掩膜板5所覆盖的区域)，以实现对工件1表面的选择性加工。其中，驱动件4可以驱动工件1与金属刷电极3之间发生横向方向上的、以及纵向方向上的相对运动。金属刷电极3与覆盖有掩膜板5的工件1在发生纵向方向上的相对运动的过程中，金属丝31与覆盖有掩膜板5的工件1之间可以产生稳定的动态接触放电，即金属丝31与工件1之间可以发生接触-离开-接触-离开……这个动态的循环过程，从而可以提高加工的稳定性，并可以有效地改善所加工出的微结构的一致性和均匀性，而且还可以实现大面积表面微结构的制备。

这里需要说明的是，图1中是以驱动件4带动金属刷电极3进行转动(图中所示出的箭头)，并且工件可以发生横向方向的运动为例进行说明的，至于驱动件4带动金属刷电极3和/或工件1进行其他情况的相对运动，则可以对比图1而进行具体设置，在此不再赘述。

考虑到金属刷电极3的制备工艺比较简单、更换比较方便，而且成本比较低，因此，在对工件1进行加工的过程中，当金属刷电极3出现损耗时，则可以直接更换掉金属刷电极3即可，而不必像采用微细阵列电极作为工具电极时那样需要经过复杂的修复工艺和制备工艺才能使用，从而则可以提高对工件1进行加工的效率，并提高对工件的加工精度，而且可以降低对工件1进行加工的成本。

另外，在对工件1进行加工时，由于主要是依靠金属刷电极3与工件1之间所产生的电火花来对工件1的表面进行加工的，而并非主要是依赖电解过程来对工件1的表面进行加工的，因此，则可以尽量避免尖角效应的出现，从而则可以尽量避免侧蚀现象的出现，进而则可以尽量准确地还原掩膜板5的形状，以提高对工件1的加工精度和加工的定域性。而且由于可以尽量避免侧蚀现象的出现，因此，则使得相邻微结构之间的距离可以不受限制，从而则可以加工出具有高密度的表面微结构。

本申请公开的上述技术方案，利用包括多根金属丝的金属刷电极作为工具电极，并在工件表面的预设区域覆盖掩膜板，当对工件进行加工时，金属丝通过掩膜板的约束伸入到未被掩膜板覆盖的区域进行电火花放电，以对工件进行加工，从而尽量避免侧蚀现象的发生，进而提高对工件的加工精度和加工的定域性，并便于在工件表面得到高密度的表面织构。另外，由于金属刷电极更换比较方便，制作比较简便，成本比较低，因此，则可以提高加工效率，降低加工成本。

请参见图2和图3，其中，图2示出了本发明实施例提供的另一种表面微织构加工装置的结构示意图，图3示出了图2中A位置处的局部放大图，掩膜板5与工件1之间具有间隙，间隙内填充有填充物6。

考虑到金属刷电极3与工件1之间所产生的电火花会产生瞬时高温，因此，为了减弱瞬时高温对掩膜板5所造成的烧蚀，则可以在掩膜板5与工件1之间设置间隙，并在间隙位置填充填充物6。其中，填充物6具体可以由耐高温的材料制成。

由于电火花放电所产生的高温会沿着工件1放电点的轴向和径向方向逐渐降低，因此，若使得掩膜板5与工件1之间不直接相接触，则可以减弱高温对掩膜板5的烧蚀，从而则可以保证掩膜板5的完整性，并提高掩膜板5的循环使用次数和使用寿命。

这样不仅可以减弱瞬时高温对掩膜板5所造成的烧蚀，而且还可以使掩膜板5作为活动的掩膜板进行使用，即不需要通过在工件1表面涂覆光刻胶，利用只能进行单次使用的光刻胶作为掩膜板5，进而可以进一步降低加工成本。

本发明实施例提供的一种表面微织构加工装置，间隙小于等于50μm。

为了既能减弱高温对掩膜板5的烧蚀，又能使金属丝31可以通过掩膜板5的约束伸入到指定的加工区域而对工件1的表面进行加工，以获得质量比较高的表面微结构，则可以将掩膜板5与工件1之间的间隙设置在50μm以内(包括50μm)。

本发明实施例提供的一种表面微织构加工装置，掩膜板5可以为陶瓷掩膜板。

为了减弱高温对掩膜板5的烧蚀，则可以利用陶瓷制备掩膜板5，以得到陶瓷掩膜板，从而延长掩膜板5的使用寿命，增加掩膜板5的循环使用次数。

本发明实施例提供的一种表面微织构加工装置，陶瓷掩膜板可以为氧化铝陶瓷掩膜板。

在利用陶瓷制备掩膜板5时，具体可以利用氧化铝陶瓷制备掩膜板5，以得到耐高温烧蚀且可重复利用的氧化铝陶瓷掩膜板。

本发明实施例提供的一种表面微织构加工装置，脉冲电源2的正极可以作为脉冲电源2的第一端，脉冲电源2的负极可以作为脉冲电源2的第二端。

在表面微织构加工装置中，脉冲电源2的正极可以作为脉冲电源2的第一端，以与工件1相连；脉冲电源2的负极可以作为脉冲电源2的第二端，以与工具电极相连。当工具电极与脉冲电源2的负极相连时，则可以进行正极性加工，以实现对工件1的精加工。

本发明实施例提供的一种表面微织构加工装置，脉冲电源2的负极可以作为脉冲电源2的第一端，脉冲电源2的正极可以作为脉冲电源2的第二端。

除了上述连接方式之外，还可以将脉冲电源2的负极作为脉冲电源2的第一端，以与工件1相连，并将脉冲电源2的正极作为脉冲电源2的第二端，以与工具电极相连。

当工具电极与脉冲电源2的正极相连时，则可以进行负极性加工，从而便于实现对工件1的半精加工。

本发明实施例提供的一种表面微织构加工装置，金属丝31可以为柔性金属丝。

金属刷电极3中所包含的金属丝31具体可以为柔性金属丝，以减少金属丝31在与工件1接触的过程中对工件1的表面所造成的损伤，从而提高对工件1表面进行微结构加工的精度。

本发明实施例提供的一种表面微织构加工装置，驱动件4可以与工具电极相连。

设置在表面微结构加工装置中的驱动件4可以与工具电极相连，以使驱动件4驱动工具电极与工件1之间发生相对运动。其中，驱动件4可以通过自身的作用或者外部的作用带动工具电极进行运动，这里所提及的外部的作用具体可以为外部驱动设备或者人力的作用。

另外，也可以使驱动件4与工件1相连，或者使驱动件4与工具电极、工件1均相连，以使工具电极与工件1之间能够发生相对运动。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本发明实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种表面微织构加工装置，其特征在于，包括第一端用于与工件相连的脉冲电源、与所述脉冲电源的第二端相连且用于对所述工件进行电火花放电的工具电极、用于在放电过程中使所述工件和所述工具电极发生相对运动的驱动件，所述工具电极为包括多根金属丝的金属刷电极，还包括：

用于覆盖在所述工件表面的预设区域，以对所述工件的所述预设区域进行保护的掩膜板。

2.根据权利要求1所述的表面微织构加工装置，其特征在于，所述掩膜板与所述工件之间具有间隙，所述间隙内填充有填充物。

3.根据权利要求2所述的表面微织构加工装置，其特征在于，所述间隙小于等于50μm。

4.根据权利要求2所述的表面微织构加工装置，其特征在于，所述掩膜板为陶瓷掩膜板。

5.根据权利要求4所述的表面微织构加工装置，其特征在于，所述陶瓷掩膜板为氧化铝陶瓷掩膜板。

6.根据权利要求1至5任一项所述的表面微织构加工装置，其特征在于，所述脉冲电源的正极作为所述脉冲电源的第一端，所述脉冲电源的负极作为所述脉冲电源的第二端。

7.根据权利要求1至5任一项所述的表面微织构加工装置，其特征在于，所述脉冲电源的负极作为所述脉冲电源的第一端，所述脉冲电源的正极作为所述脉冲电源的第二端。

8.根据权利要求1所述的表面微织构加工装置，其特征在于，所述金属丝为柔性金属丝。

9.根据权利要求8所述的表面微织构加工装置，其特征在于，所述驱动件与所述工具电极相连。