CN110340473B - 一种仿鲨鱼皮结构的制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种仿鲨鱼皮结构的制备装置及方法，属于仿生制备技术领域。底座与机床平台、旋转装置、夹持装置以及支撑支架连接，旋转装置与角度定位销和夹持装置连接，数控系统、电火花数控线切割机床与电极丝传输连接，用台钳夹紧工件，设置数控系统加工路径和参数，将电极丝与工件自动对丝，启动电火花数控线切割机床，对工件放电，转动旋转手轮，锁紧其中一个滑块，插动角度定位销固定蜗轮并放电，取出角度定位销，转动旋转手轮，锁紧另一个滑块，插动角度定位销固定蜗轮并放电，清洗工件。本发明使得加工过程平稳可靠，可适应导电材料的加工要求，提高了加工的精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种仿鲨鱼皮结构的制备装置及方法，属于仿生制备技术领域。
背景技术
自然界中的许多生物都具有特殊的结构，这些特殊的结构赋予了它们特殊的生存本领。比如，鲨鱼皮表面的沟槽状的盾鳞结构。由于这种结构平行于水流排列，因此可以减弱涡流，继而使得鲨鱼可以快速的游动。人们通过复制或模拟鲨鱼皮结构来制备具有相同功能的表面，旨在提高海洋设备的防护、减少运行过程中的阻力等。
目前加工类鲨鱼皮结构的方法主要有两种。
一种是直接复刻法。例如：申请号为201910055044.7，申请日为2019年01月21日，公开日为2019年04月19日，名称为《一种基于PDMS仿生鲨鱼皮复制品的超疏水表面及其制备方法》的发明专利，其公开的步骤主要有：基板加热、样本叠放与施压、弹性脱模以及复型翻模四步。
一种是溶胶凝胶微细电加工法。例如：申请号为201410686399.3，申请日为2014年2月26日，公告日为2017年01月2日，名称为《一种凝胶介质微细电解加工金属表面仿鲨鱼皮结构的方法》的发明专利，其公开的步骤主要有：利用3D打印技术制备凝胶模具、配置NaNO3作为电解液以及电解加工。
然而，上述两种方法虽然都可制备出仿鲨鱼皮的微织构，但是也存在许多缺点，例如；加工工艺复杂、加工成本高、每次只能复刻一种参数的结构等，因此对于大规模生产的应用存在一定的限制，且不符合保护动物和绿色加工的宗旨。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种仿鲨鱼皮结构的制备装置及方法。
实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种仿鲨鱼皮结构的制备装置，包括机床平台、底座、支撑支架、数控系统、电极丝、电火花数控线切割机床、角度定位销、旋转装置以及夹持装置；所述机床平台的上端与底座可拆卸固定连接，所述底座的一侧固定有旋转装置，所述旋转装置通过角度定位销进行限位固定，旋转装置与夹持装置的非夹持端过盈配合，所述夹持装置的下端与底座可拆卸固定连接，所述支撑支架竖直设置且下端固定在底座上，且临近夹持装置的夹持端设置，所述数控系统的两个输出端分别与电火花数控线切割机床和电极丝的输入端连接，所述电火花数控线切割机床的输出端与数控系统的输入端连接，使用时，通过夹持装置夹持工件，并通过支撑支架对工件进行支撑，所述电极丝的输出端与工件自动对丝。
本方法的一种仿鲨鱼皮结构的制备装置及方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一：将工件置于台钳的钳口处，并转动调节旋杆，使台钳夹紧工件；
步骤二：在数控系统中设置电极丝的加工路径和加工参数；
步骤三：将电极丝与工件进行自动对丝；
步骤四：启动电火花数控线切割机床，对工件进行第一次放电；
步骤五：参照分度刻度环，将旋转手轮转动60°；
步骤六：转动其中一个锁紧旋钮，使对应的滑块与旋转圆台固定；
步骤七：插动角度定位销，使蜗轮固定，并进行第二次放电；
步骤八：取出角度定位销；
步骤九：参照分度刻度环，将旋转手轮与步骤五相比，反向转动120°；
步骤十：转动另一个锁紧旋钮，使对应的滑块与旋转圆台固定；
步骤十一：插动角度定位销，使蜗轮固定，并进行第三次放电；
步骤十二：用清洗试剂将加工后的工件通过超声清洗5-10min。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明解决了直接复刻法和溶胶凝胶微细电加工法加工过程中，加工工艺复杂、加工周期长、加工参数单一等缺点，使得加工过程平稳可靠；
2、本发明整个装置的结构简单，生产时精度高，可适应导电材料的加工要求；
3、本发明可对多种阵列微结构(例如：金字塔结构、T形方柱结构、蘑菇头方柱结构、梯形柱结构等)进行加工，大大提高了电火花在加工柱形结构时的精度。
附图说明
图1是本发明的仿鲨鱼皮结构的制备装置的结构示意图；
图2是旋转装置的内部结构示意图；
图3是第一次放电时工件的示意图；
图4是第二次和第三次次放电时工件的示意图。
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，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，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。
具体实施方式一：如图1～图4所示，本发明公开了一种仿鲨鱼皮结构的制备装置，包括机床平台1、底座2、支撑支架7、数控系统8、电极丝9、电火花数控线切割机床10、角度定位销6、旋转装置以及夹持装置；所述机床平台1的上端与底座2通过螺钉一可拆卸固定连接，所述底座2上端的一侧固定有旋转装置，所述旋转装置通过角度定位销6进行限位固定，旋转装置与夹持装置的非夹持端过盈配合，所述夹持装置的下端通过螺钉二与底座2可拆卸固定连接，所述支撑支架7竖直设置且下端通过螺钉三固定在底座2上，且临近夹持装置的夹持端设置，所述数控系统8的两个输出端分别与电火花数控线切割机床10和电极丝9的输入端连接，所述电火花数控线切割机床10的输出端与数控系统8的输入端连接，使用时，通过夹持装置夹持工件3，并通过支撑支架7对工件进行支撑，所述电极丝9的输出端与工件3自动对丝。
具体实施方式二：如图1、2所示，本实施方式是对具体实施方式一作出的进一步说明，所述旋转装置包括蜗杆41、蜗轮42、分度刻度环43、旋转圆台44、壳体45、旋转手轮46、挡板49、两个滑块47以及两个锁紧旋钮48；所述蜗轮42竖直设置在壳体45的内部且与竖直设置的蜗杆41啮合连接，所述蜗杆41的一端伸出至壳体45外，并与旋转手轮46同轴固定连接(所述壳体45的顶部设有通孔一和通孔二，所述蜗杆41的上端间隙地穿过所述通孔一并与旋转手轮46同轴固定连接，蜗杆41通过轴承与两个安装座的一端转动连接，所述两个安装座的另一端与壳体45固定连接)，所述角度定位销6与壳体45的上端滑动连接且与蜗轮42限位配合设置(角度定位销6间隙地插入壳体45的通孔二内，且下端可伸入至蜗轮42的轮齿间的齿槽内，继而实现蜗轮42的限位固定)，当角度定位销6向下锁死时，蜗轮42便无法转动，进而旋转手柄46也无法进行旋转，保证了旋转时的精度；蜗轮42通过联轴器与旋转圆台44的主轴441同轴固定连接，所述旋转圆台44的外侧面沿其周向设有环形滑槽442，所述环形滑槽442内滑动设有两个滑块47，每个所述滑块47上均设有锁紧旋钮48，所述壳体45临近旋转圆台44的一端与挡板49的一端固定连接，所述挡板49的另一端设在环形滑槽442内且位于两个滑块47之间，主轴441为空心轴，在初始值时拧紧其中一个滑块47上的锁紧旋钮48，使其固定在环形滑槽442内，当旋转至合适的角度后，再拧紧另一个滑块47上的锁紧旋钮48，保证转动只在两个滑块47之间进行。
旋转圆台44临近主轴441的一端面通过多个螺钉四(沉头螺钉)与分度刻度环43可拆卸固定连接，旋转圆台44远离主轴441的一端面设有卡槽。
具体实施方式三：如图1所示，本实施方式是对具体实施方式二作出的进一步说明，所述夹持装置5包括台钳51、螺纹杆52、调节开关53以及滑轨54；所述台钳51的非夹持端设有卡块，所述卡块过盈插入旋转圆台44的卡槽内，台钳51的下端通过螺钉五与底座2可拆卸固定连接，台钳51的上钳口511的内侧固定有竖直设置的滑轨54，所述滑轨54与台钳51的下钳口512的非夹持端滑动连接，所述下钳口512通过螺纹杆52改变与上钳口511的相对位置(所述上钳口511沿高度方向设有通孔三，所述下钳口512沿高度方向设有与所述通孔三相对应的螺纹孔，所述螺纹杆52的下端间隙地穿过所述通孔三后与所述螺纹孔螺纹连接)，所述螺纹杆52上固定有调节旋杆53。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式二作出的进一步说明，所述支撑支架7为V型弹性支架。当工件3重量较大时，起到一定的辅助支撑作用。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一至具体实施方式四中任一具体实施方式作出的进一步说明，所述方法包括如下步骤：
步骤一：将工件3置于台钳51的钳口处，并转动调节旋杆53，使台钳51夹紧工件3；
步骤二：在数控系统8中设置电极丝9的加工路径和加工参数；
步骤三：将电极丝9与工件3进行自动对丝；
步骤四：启动电火花数控线切割机床10，对工件3进行第一次放电；此时加工路径如图3所示；
步骤五：参照分度刻度环43，将旋转手轮46转动60°；
步骤六：转动其中一个锁紧旋钮48，使对应的滑块47与旋转圆台44固定；
步骤七：插动角度定位销6，使蜗轮42固定，并进行第二次放电；此时加工路径如图4所示；
步骤八：取出角度定位销6；
步骤九：参照分度刻度环43，将旋转手轮46与步骤五相比，反向转动120°；
步骤十：转动另一个锁紧旋钮48，使对应的滑块47与旋转圆台44固定；
步骤十一：插动角度定位销6，使蜗轮42固定，并进行第三次放电；此时加工路径如图4所示；第三次放电使对第二次放电的重复加工；
步骤十二：用清洗试剂将加工后的工件3通过超声清洗5-10min。
所述电火花数控线切割机床10的机床型号为HSQ1，切割表面粗糙度Ra≤0.6μm。
所述分度刻度环43为360°等分刻度盘。
所述旋转装置旋转时的同心度误差小于0.05mm。
所述台钳51的夹持范围为1-55mm。
所述工件为导电材料，例如：铝合金。
所述清洗试剂为乙醇和丙酮溶液。先用乙醇溶液清洗，后用丙酮溶液清洗。
发明的原理：利用脉冲电源提供加工能量，电极丝9对工件3进行放电加工。在加工过程中，切屑液和工件3产生热膨胀，在热膨胀以及工作液冲压的共同作用下，熔化后的工件3被抛出放电通道，在第一次放电的过程中，电极丝9的放电路径如图3所示。完成第一次放电后，表面形成类沟槽微结构。进一步，将旋转平台旋转60°并锁紧，进行第二次放电加工，放电路径如图4所示。同理，完成第二次加工后，再次将旋转平台反向旋转120°并锁紧，对第二次加工路径进行重复加工，制备具有单一菱形单元的仿鲨鱼皮盾鳞结构。
当工件3为6061铝合金，尺寸为20×20×100mm。电火花数控线切割机床10的参数选定为：电流为2A,脉宽为8us，间隔比为4，丝速为4档，偏移量为100um时，启动电火花数控线切割机床10进行加工，利用Smartzoom5智能超景深显微镜对工件3表面进行形貌和尺寸的观测，发现附近毛刺较多，精度较低。原因是丝速太快，丝的振动较大，降低了表面的光洁度。
当工件3为6061铝合金，电火花数控线切割机床10的参数选定为：电流为3A,脉宽为2us，间隔比为2，丝速为3档，偏移量为100um时，启动电火花数控线切割机床10进行加工。观察加工后的工件3，可以看到有均匀的类鲨鱼皮微织构的存在。但是微织构的形状不够明显。原因是峰值电流选择较大，在放电的过程中，对工件的腐蚀增强。
当工件3为6061铝合金，电火花数控线切割机床10的参数选定为：电流为1A,脉宽为1us，间隔比为2，丝速为1档，偏移量为100um时，启动电火花数控线切割机床10进行加工。加工后工件3表面质量和表面光洁度比上述两种情况较好。
综上：本发明提供了一种仿鲨鱼皮结构的制备装置及方法，加工方法基于电火花线切割技术加工工艺,辅以旋转装置、夹持装置以及支撑支架三部分，旨在解决目前仿鲨鱼皮结构的制备困难、加工工艺复杂、加工周期长等问题。最终可以在金属表面加工出均匀的仿鲨鱼皮结构的微结构，且具有良好的疏水性和防腐性。在自清洁、减阻、油水分离等领域具有良好的应用前景。尤其在海水环境下的金属防腐、海洋设备的水下减阻等军事方面有着特殊应用。
本发明可在铝合金表面加工出具有仿鲨鱼皮结构的微结构，液滴接触角大于10°，材料表现为疏水的性质。
本发明基于电火花线切割技术加工工艺，首先在铝合金表面加工图3所示状沟槽结构，使表面结构表现为微纳结构。再通过旋转装置、夹持装置以及支撑支架三部分，将工件3分别正反方向旋转60°，分别按照图4所示进行两次放电，使表面结构表现为单一盾鳞结构。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (4)
1.一种仿鲨鱼皮结构的制备方法，其特征在于：所使用的装置包括机床平台(1)、底座(2)、支撑支架(7)、数控系统(8)、电极丝(9)、电火花数控线切割机床(10)、角度定位销(6)、旋转装置以及夹持装置；所述机床平台(1)的上端与底座(2)可拆卸固定连接，所述底座(2)的一侧固定有旋转装置，所述旋转装置通过角度定位销(6)进行限位固定，旋转装置与夹持装置的非夹持端过盈配合，所述夹持装置的下端与底座(2)可拆卸固定连接，所述支撑支架(7)竖直设置且下端固定在底座(2)上，且临近夹持装置的夹持端设置，所述数控系统(8)的两个输出端分别与电火花数控线切割机床(10)和电极丝(9)的输入端连接，所述电火花数控线切割机床(10)的输出端与数控系统(8)的输入端连接，使用时，通过夹持装置夹持工件(3)，并通过支撑支架(7)对工件进行支撑，所述电极丝(9)的输出端与工件(3)自动对丝；
所述方法包括如下步骤：
步骤一：将工件(3)置于台钳(51)的钳口处，并转动调节旋杆(53)，使台钳(51)夹紧工件(3)；
步骤二：在数控系统(8)中设置电极丝(9)的加工路径和加工参数；
步骤三：将电极丝(9)与工件(3)进行自动对丝；
步骤四：启动电火花数控线切割机床(10)，对工件(3)进行第一次放电；
步骤五：参照分度刻度环(43)，将旋转手轮(46)转动60°；
步骤六：转动其中一个锁紧旋钮(48)，使对应的滑块(47)与旋转圆台(44)固定；
步骤七：插动角度定位销(6)，使蜗轮(42)固定，并进行第二次放电；
步骤八：取出角度定位销(6)；
步骤九：参照分度刻度环(43)，将旋转手轮(46)与步骤五相比，反向转动120°；
步骤十：转动另一个锁紧旋钮(48)，使对应的滑块(47)与旋转圆台(44)固定；
步骤十一：插动角度定位销(6)，使蜗轮(42)固定，并进行第三次放电；
步骤十二：用清洗试剂将加工后的工件(3)通过超声清洗5-10min。
2.根据权利要求1所述的一种仿鲨鱼皮结构的制备方法，其特征在于：所述旋转装置包括蜗杆(41)、蜗轮(42)、分度刻度环(43)、旋转圆台(44)、壳体(45)、旋转手轮(46)、挡板(49)、两个滑块(47)以及两个锁紧旋钮(48)；所述蜗轮(42)竖直设置在壳体(45)的内部且与蜗杆(41)啮合连接，所述蜗杆(41)的一端伸出至壳体(45)外，并与旋转手轮(46)同轴固定连接，所述角度定位销(6)与壳体(45)滑动连接且与蜗轮(42)限位配合设置，蜗轮(42)与旋转圆台(44)的主轴(441)同轴固定连接，所述旋转圆台(44)的外侧面沿其周向设有环形滑槽(442)，所述环形滑槽(442)内滑动设有两个滑块(47)，每个所述滑块(47)上均设有锁紧旋钮(48)，所述壳体(45)临近旋转圆台(44)的一端与挡板(49)的一端固定连接，所述挡板(49)的另一端设在环形滑槽(442)内且位于两个滑块(47)之间，旋转圆台(44)临近主轴(441)的一端面与分度刻度环(43)可拆卸固定连接，旋转圆台(44)远离主轴(441)的一端面设有卡槽。
3.根据权利要求2所述的一种仿鲨鱼皮结构的制备方法，其特征在于：所述夹持装置(5)包括台钳(51)、螺纹杆(52)、调节开关(53)以及滑轨(54)；所述台钳(51)的非夹持端过盈插入旋转圆台(44)的卡槽内，台钳(51)的下端与底座(2)可拆卸固定连接，台钳(51)的上钳口(511)固定有竖直设置的滑轨(54)，所述滑轨(54)与台钳(51)的下钳口(512)的非夹持端滑动连接，所述下钳口(512)通过螺纹杆(52)改变与上钳口(511)的相对位置，所述螺纹杆(52)上固定有调节旋杆(53)。
4.根据权利要求1所述的一种仿鲨鱼皮结构的制备方法，其特征在于：所述支撑支架(7)为V型弹性支架。
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