CN111515412B

CN111515412B - 一种跨尺度分级微结构创成方法

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Publication number: CN111515412B
Application number: CN202010396639.1A
Authority: CN
Inventors: 韩金国; 田业冰; 刘俨后; 范增华; 王金辉; 程祥
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 2020-05-12
Filing date: 2020-05-12
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2040-05-12
Also published as: CN111515412A

Abstract

本发明涉及一种跨尺度分级微结构创成方法，集成了慢刀伺服、椭圆振动（或快刀伺服）和超声振动三种加工方式，慢刀伺服主要创成毫米或亚毫米尺寸的微结构，椭圆振动（或快刀伺服）主要在所述慢刀伺服创成微结构表面创成微米或亚微米尺寸的微结构，超声振动主要在所述椭圆振动（或快刀伺服）创成微结构表面创成纳米尺度的微结构；所述慢刀伺服可以由机床的伺服导轨或设计的低频大行程伺服驱动装置实现，所述椭圆振动（或快刀伺服）由设计的非共振椭圆振动装置实现，所述超声振动由设计的超声振动装置实现。在跨尺度分级微结构创成领域，本发明对不同工件材料的适应性强、工序少、加工效率高、易于实现，且能大大降低刀具的磨损，从而降低加工成本。

Description

一种跨尺度分级微结构创成方法

技术领域

本发明涉及一种跨尺度分级微结构创成方法，属于微/纳结构超精密制造领域。

背景技术

随着仿生学科的快速发展，模拟自然界生物体表特征结构的功能表面受到了广泛的关注，该类微结构的宏观和微观几何形貌通常决定了器件所实现的功能，如光学功能、润滑功能、摩擦功能以及信息存储功能等。因此，基于该类微结构的功能表面在航空航天、生物医疗、能源、光电子学和界面科学等领域被认为具有极大的发展前景，而自然生物的优势原型体表多呈现为微纳多级和跨尺度的特点，如何对这类多级微结构进行精密创成，是其能否得到快速应用并推动相关领域快速发展的关键，同时也是当前业界面临的主要问题。目前，微结构的创成方法主要包括激光加工、聚焦离子束加工、电子束加工和金刚石切削等。激光加工、聚焦离子束加工和电子束加工等方式存在设备昂贵、加工条件严苛、加工精度和效率相对较低等问题。而金刚石切削具有较高的几何精度、表面质量和加工效率，能够实现复杂微结构的直接创成，如快速刀具伺服技术、椭圆振动切削技术等。现存的金刚石切削技术适合于创成简单的单级或二级微结构，对于多级微结构的创成方面还存在一定的局限性，如无法直接创成三级微结构。因此，目前的基于金刚石切削的微结构创成技术还有待进一步发展，从而满足不同应用的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种跨尺度分级微结构的创成方法，利用单向低频振动、椭圆振动（或单向高频振动）和单向超声振动的集成，通过控制参与加工的驱动方式、刀具形状以及工艺参数，实现不同微结构（如单级、二级或多级）的直接创成，具有加工成本低、柔性好、精度高、对不同机床适应性强的特点。

本发明所采用的技术方案如下。

1）机床、刀具配置方式的确定：根据微结构所在基面的面形特征选择所采用的机床运动轴、刀具配置形式，例如（a）如果基面为圆柱面，则可以选择以车削外圆的配置方式进行加工；（b）如果基面为平面或自由曲面，则可以选择以车削端面的配置方式进行加工。

2）参与切削的驱动方式确定：根据基面的面形特征以及微结构的层级、形状和尺寸特征，对参与加工的驱动方式进行确定，例如（a）如果基面面形连续或微结构尺寸特征为毫米或亚毫米且面形连续，则需要慢刀伺服驱动参与加工；（b）如果基面面形连续且微结构尺寸特征为微米或亚微米，则需要椭圆振动（或快刀伺服）参与加工；（c）如果微结构尺寸特征为纳米甚至更低尺度，则需要超声振动参与加工。

3）刀具轨迹规划：基于选定的加工方式和参与切削的驱动方式，根据基面的面形特征、微结构的形状和尺寸特征以及选用刀具的几何参数，对加工过程中刀具的运动轨迹进行规划控制。

4）微结构加工：根据上述步骤基于超精密机床便可以开展微结构的加工，根据不同驱动方式的协调配合，可以实现连续曲面、单级、二级或多级微结构的直接创成。

所述的跨尺度分级微结构创成方法，该方法集成了慢刀伺服、椭圆振动（或快刀伺服）和超声振动三种辅助加工方式，慢刀伺服驱动由超精密机床的伺服导轨或低频大行程伺服驱动装置实现，椭圆振动（或快刀伺服）由非共振椭圆振动辅助发生装置实现，超声振动由超声振动发生装置实现，依托于超精密机床开展相关的跨尺度微结构创成，通过控制参与加工的驱动方式以及工艺参数，实现在平面或自由曲面上高效创成跨尺度分级微结构。所述非共振椭圆振动切削发生装置，其为二维或三维椭圆振动发生装置，通过不同运动轴的激励信号协同控制实现快刀伺服驱动或椭圆振动。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的具体工作原理，下面将以最简单的不同层次微凹坑创成为例进行进一步详细说明，很显然，下面描述的附图仅为本发明的一些具体应用实例，目的是将本发明的工作原理进行更加清晰的描述，并不代表本发明的全部实施例。

图1为微凹坑创成的切削原理示意图。

图2为基于本发明的单级微凹坑创成的横截面刀具轨迹和微凹坑截面轮廓放大图。

图3a为基于本发明的二级微凹坑创成实例1的横截面刀具轨迹和微凹坑截面轮廓放大图。

图3b为基于本发明的二级微凹坑创成实例2的横截面刀具轨迹和微凹坑截面轮廓放大图。

图4a为基于本发明的三级微凹坑创成实例1的横截面刀具轨迹和微凹坑截面轮廓放大图。

图4b为基于本发明的三级微凹坑创成实例2的横截面刀具轨迹和微凹坑截面轮廓放大图。

具体实施方式

下面将结合本发明的一个优选实施例和附图对本发明的基本思想进行进一步的清晰、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付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他的实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种对不同工件材料适应性强、工序少、加工效率高、易于实现的跨尺度分级微结构的创成方法。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体优选实施例和附图对本发明作进一步详细的说明。

首先，对机床和刀具的配置方式进行确定。采用三轴（x、z、C轴）超精密机床进行优选实施例为微凹坑的切削，因此以车削端面的方式配置机床运动轴，将工件固定在C轴上，锁定C轴，然后控制x轴和z轴方向的刀具运动实现如图1所示的加工原理。

其次，根据目标微结构特征确定参与切削的驱动方式，然后根据所选用的机床、刀具配置方式，结合微结构特征（尺寸特征和形貌特征），对刀具的走刀路径进行规划。

最后，利用超精密机床的数控编程系统将刀具加工路径编入程序，结合所选择参与的驱动方式协同动作，便可以实现微结构的创成。

在本实施例中，采用慢刀伺服驱动对尺寸特征为毫米或亚毫米级的单级微凹坑进行创成，通过给刀具施加一个z向的简谐位移信号，配合刀具x向的移动，便可以实现单级微凹坑的创成，其刀具轨迹和截面特征轮廓如图2所示，图（2-1）为基于本发明的单级微凹坑横截面刀具轨迹，图（2-2）为微凹坑截面轮廓放大图。

在本实施例中，基于本发明的基本思想，采用慢刀伺服和椭圆振动对二级微凹坑进行创成，通过给刀具施加一个z向的简谐位移信号和xz面的椭圆振动，配合刀具x向的移动，便可以实现二级微凹坑的创成，如图3a为慢刀伺服和椭圆振动协调动作的刀具轨迹和创成的截面特征轮廓，图（3a-1）为慢刀伺服和椭圆振动耦合形成的刀具轨迹；图（3a-2）为慢刀伺服创成的一级轮廓；图（3a-3）为椭圆振动辅助创成的二级轮廓。采用慢刀伺服和快刀伺服对二级微凹坑进行创成，通过给刀具施加两个z向的简谐位移信号，配合刀具x向的移动，便可以实现二级微凹坑的创成，如图3b为慢刀伺服和快刀伺服协调动作的刀具轨迹和创成的截面特征轮廓，图（3b-1）为慢刀伺服和快刀伺服耦合形成的刀具轨迹；图（3b-2）为慢刀伺服创成的一级轮廓；图（3b-3）为快刀伺服辅助创成的二级轮廓。

在本实施例中，基于本发明的基本思想，采用慢刀伺服、椭圆振动和超声振动对三级微凹坑进行创成，通过给刀具施加两个z向的简谐位移信号和xz面的椭圆振动，配合刀具x向的移动，便可以实现三级微凹坑的创成，如图4a为慢刀伺服、椭圆振动和超声振动协调动作的刀具轨迹和创成的截面特征轮廓，图（4a-1）为慢刀伺服、椭圆振动和超声振动耦合形成的刀具轨迹；图（4a-2）为慢刀伺服创成的一级轮廓；图（4a-3）为椭圆振动辅助创成的二级轮廓；图（4a-4）为超声振动辅助创成的三级轮廓。采用慢刀伺服、快刀伺服和超声振动对三级微凹坑进行创成，通过给刀具施加三个z向的简谐位移信号，配合刀具x向的移动，便可以实现三级微凹坑的创成，如图4b为慢刀伺服、快刀伺服和超声振动协调动作的刀具轨迹和创成的截面特征轮廓，图（4b-1）为慢刀伺服、快刀伺服和超声振动耦合形成的刀具轨迹；图（4b-2）为慢刀伺服创成的一级轮廓；图（4b-3）为快刀伺服辅助创成的二级轮廓；图（4b-4）为超声振动辅助创成的三级轮廓。

显然，本发明的上述具体实施例仅仅是为清楚的说明本发明的基本思想和实施方式所作的举例；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种跨尺度分级微结构创成方法，包括以下步骤：

1）机床、刀具配置方式的确定：根据微结构所在基面的面形特征选择所采用的机床运动轴、刀具配置形式；

2）参与切削的驱动方式确定：根据基面的面形特征以及微结构的层级、形状和尺寸特征，对参与加工的驱动方式进行确定；（a）如果基面面形连续或微结构尺寸特征为毫米或亚毫米且面形连续，则需要慢刀伺服驱动参与加工；（b）如果基面面形连续且微结构尺寸特征为微米或亚微米，则需要椭圆振动或快刀伺服参与加工；（c）如果微结构尺寸特征为纳米甚至更低尺度，则需要超声振动参与加工；

3）刀具轨迹规划：基于选定的加工方式和参与切削的驱动方式，根据基面的面形特征、微结构的形状和尺寸特征以及选用刀具的几何参数，对加工过程中刀具的运动轨迹进行规划控制；

4）微结构加工：根据上述步骤基于超精密机床便开展微结构的加工，根据不同驱动方式的协调配合，实现微结构的创成；

其特征在于：

利用慢刀伺服创成毫米或亚毫米尺寸特征的表面或微结构；

利用椭圆振动或快刀伺服切削刀具轨迹特点在慢刀伺服创成的毫米或亚毫米特征微结构表面创成微米或亚微米尺寸特征的微结构；

利用超声谐振原理产生高频微振，利用超声谐振形成的往复运动在椭圆振动或快刀伺服创成的微米或亚微米特征微结构上创成纳米级的微结构特征。

2.根据权利要求1所述的一种跨尺度分级微结构创成方法，快刀伺服或椭圆振动由非共振椭圆振动切削发生装置实现，所述非共振椭圆振动切削发生装置，其特征在于其为二维或三维椭圆振动发生装置，通过不同运动轴的激励信号协同控制实现快刀伺服驱动或椭圆振动。