CN111604715A - 一种润湿松木在硬质材料上加工环形微结构表面的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种润湿松木在硬质材料上加工环形微结构表面的方法。现有微结构制备技术要么价格昂贵,要么易引起环境污染。本发明将润湿松木作为刀具安装在数控铣床上,并采用自制夹具装夹硬质工件,且自制夹具内可盛放绿色乳化液,使得润湿松木在湿润环境中对硬质材料进行表面微结构加工;达到设定的对磨时间后形成工件的环形微结构表面。本发明将松木在绿色乳化液中浸泡,可有效提高松木的抗压强度,增强其耐磨性,采用润湿松木对装夹在自制夹具上且置于湿润环境中的硬质材料进行表面微结构加工,不仅极大程度地降低了刀具成本,简化了加工工艺流程,还极大提升了效率。
Description
技术领域
本发明属于材料表面的加工与制造技术领域,特别涉及一种润湿松木在硬质材料上加工环形微结构表面的方法。
背景技术
在工件表面制备微结构,可实现润滑油的存储,改善润滑条件,同时可产生流体动压效应,增加承载能力,从而达到改善零件之间构成的运动副中的摩擦性能。目前,越来越多的摩擦学工作者开始致力于研究不同类型微结构对摩擦性能的影响。就目前而言,微结构类型主要分为离散型微结构(如几何多边形、曲线形、水滴形、雪花形等)和连续型微结构(如沟槽形、网格形等)。王洪涛在其公开的一种圆环形微凹坑织构表面的摩擦性能研究(王洪涛等.圆环形微凹坑织构表面的摩擦性能.润滑与密封,2015,40(01):49-53)中总结到:对比研究发现,就减小摩擦因数和增加表面的承载能力而言,离散凹坑型织构优于沟槽和网格织构,在凹坑型织构中,织构单元的尺寸、深度以及排布方式等对摩擦学性能的影响是主要的,而沟槽型织构的优点在于加工方便,同时在吸纳细小磨屑方面也要优于凹坑型织构;因此,在沟槽型微结构和凹坑型微结构相结合的基础上,他还提出了圆环状织构,即是由圆柱形凹坑和中心的圆柱形等高凸起嵌套而成的复杂织构,与圆柱状织构表面相比,相同面积比条件下的圆环状织构的摩擦因素更小,并且圆环状织构在吸纳细小磨屑方面也优于圆柱状织构。但作者只从理论模型的角度分析了圆环状微结构不仅具有沟槽型和凹坑型织构的特点,还具有优异的摩擦性能,却没有提出圆环状微结构的制备方法。
目前,微结构功能表面的加工方法主要有机械加工方法(如精密车削(申请号201610035246.1)、精密磨削(申请号201510653803.1)等)、放电加工方法(如电射流加工(申请号201711159861.4)、电子束刻蚀加工(申请号201810706465.7)、离子束刻蚀加工(申请号201610579008.7)、电火花加工(申请号201910220577.6)等)、激光加工方法(申请号201811525964.2)、超声振动加工(申请号201820268182.4)、化学腐蚀加工(申请号201910194178.7)等。但是,机械加工通常采用切削加工的方式进行,对刀具的硬度和性能等要求较高,而且大多采用价格昂贵的金刚石刀具和超硬磨料成形砂轮,在加工过程中若刀具磨损将影响微结构的形状;放电加工中电射流、电子束和离子束加工设备昂贵,且制作工艺复杂,对环境要求极高;电火花加工则为微细电火花加工,不仅设备昂贵,且微细电极制作复杂,工艺难度大;激光加工大多属于热加工,烧蚀现象明显且严重,而飞/皮秒激光器虽然在一定程度上可以解决烧蚀问题,但设备价格昂贵;超声加工中系统输出功率不足,能耗大,但在陶瓷、半导体硅等非金属脆硬材料加工方面有着得天独厚的优势;化学腐蚀加工尽管操作简单、成本低廉,但操作不当极易引起环境污染。
综上,以现有微结构的制备技术来看,机械加工的方法多采用“硬接触”方式,在沟槽型微结构方面有较大的优势,但对刀具要求较高,加工成本大;放电加工、激光加工和超声加工都属于特种加工,对于微结构的形状可以很好地控制,但往往需要专用设备且价格昂贵,工艺也相当复杂,不易掌握;化学加工不易控制微结构形状,且存在较大的化学污染。针对环形微结构,中国专利申请专利号为201710235478.6(授权公告号为CN 107032298B,授权公告日为2019年1月29日)的专利公开了一种基于超高阶导模制备圆环状纳米颗粒微结构的方法,该方法正是基于激光加工的原理,仅一台激光器的配制就使得成本大幅增加,且光路调整复杂,曲线图最佳点寻找困难,难以被普通科研工作者掌握。因此,发明一种成本低廉、操作简便的微结构加工方法至关重要。
发明内容
本发明的目的在于针对以上问题,提出一种加工成本极低、难度系数不高的环形微结构表面的加工方法。
本发明提出的一种润湿松木在硬质材料上加工环形微结构表面的方法,具体如下:
(1)配制基于植物油的绿色乳化液:首先,将植物油与亲油性绿色表面活化剂混合,去离子水与亲水性绿色表面活化剂混合,然后将该两种混合物再进行混合,并进行超声搅拌,搅拌过程采用间歇式搅拌,即搅拌15分钟后暂停5分钟,以20分钟为一个周期循环5次。
(2)取出30g绿色乳化液置于试管内,选取直径为2-13mm、长度为100mm的松木,将松木浸没在试管中,浸泡时间为30-60天,形成润湿松木。
(3)将三向力传感器通过螺钉固定在放在数控铣床的机床台面上,且将三向力传感器的输出端与数控铣床的控制中心连接;将自制夹具通过螺钉固定在三向力传感器上;所述的自制夹具由固定在一起的内器皿和外器皿组成;内器皿的侧壁开设有呈三角形排布的三个螺纹孔,每个螺纹孔连接有一个螺栓;将工件贴紧内器皿内壁,三个螺栓同时夹紧工件,实现工件装夹;然后,在内器皿和外器皿均盛放绿色乳化液,保证绿色乳化液没过工件;将润湿松木固定安装在数控铣床的电主轴上,电主轴通过夹紧器固定在Z向移动轴上。
(4)用数控铣床的手轮进行对刀操作,使润湿松木定位到工件的待加工位置;然后,将电主轴转速设置为8000-10000r/min,启动电主轴;接着移动电主轴,使电主轴沿Z轴方向靠近工件进给,进给过程为先快进给,后慢进给;所述的快进给为电主轴进给到润湿松木与工件接触为止;所述的慢进给为润湿松木与工件接触到三向力传感器测得润湿松木与工件的接触力达到20N,慢进给的进给量设为1μm;进给结束后,保持对磨状态,同时当三向力传感器反馈的接触力小于19.8N时,数控铣床的控制中心控制电主轴沿Z轴方向慢进给,直到接触力达到20N。
(5)达到设定的对磨时间后,电主轴停转,使电主轴沿Z轴方向远离工件,取下润湿松木和自制夹具,排出绿色乳化液,然后取下工件,将工件置入清洗溶液中漂洗5min,最后放入烘箱干燥。
进一步,绿色乳化液中植物油的质量分数为1%-20%,亲油性绿色表面活化剂的质量分数为0.1%-0.5%,亲水性绿色表面活化剂的质量分数为0.1%-0.5%,其余为去离子水;亲油性绿色表面活化剂和亲水性绿色表面活化剂均是为了提高植物油在水中的分散性。
进一步,所述的植物油选用蓖麻油、大豆油、芝麻油或玉米油。
进一步,所述的亲油性绿色表面活化剂选用十二烷基苯磺酸钠。
进一步,所述的亲水性绿色表面活化剂选用聚乙二醇。
进一步,搅拌过程中将容器置于冷水中进行水浴冷却。
进一步,所述的润湿松木固定安装在数控铣床的电主轴上的过程是:利用刀具夹头夹持润湿松木,再用刀具螺帽配合夹紧松木。
进一步,所述设定的对磨时间为4.5小时。
进一步,所述的清洗溶液为去离子水、乙醇和乙醚的混合溶液,按体积比为5:3:2进行配置。
进一步,所述的环形微结构为一个或多个非均匀同心环,每个环的宽度在100μm以内。
本发明具有的有益效果:
本发明将松木在绿色乳化液中浸泡,可有效提高松木的抗压强度,增强其耐磨性;采用自制夹具不仅可以夹紧硬质材料,还可以给对磨提供湿润环境;采用润湿松木对装夹在自制夹具上且置于湿润环境中的硬质材料进行表面微结构加工,不仅极大程度地降低了刀具成本,简化了加工工艺流程,还极大提升了效率;本发明制备的微结构为非均匀性同心圆环,加工出的每个环宽度尺寸精度可控制在100μm以下。
附图说明
图1为本发明采用数控机床进行对磨的加工示意图。
图2为本发明加工后工件的环形微结构表面显微图。
图3为本发明对工件加工0.5h后工件的环形微结构表面A部分显微图。
图4为本发明对工件加工1.5h后工件的环形微结构表面A部分显微图。
图5为本发明对工件加工2.5h后工件的环形微结构表面A部分显微图。
图6为本发明对工件加工3.5h后工件的环形微结构表面A部分显微图。
图7为本发明对工件加工4.5h后工件的环形微结构表面A部分显微图。
图8为本发明在工件表面加工多个环形微结构的示意图。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本发明。
一种润湿松木在硬质材料上加工环形微结构表面的方法,通过以下步骤实现:
第一步、配制质量为3kg的绿色乳化液:首先,将蓖麻油与十二烷基苯磺酸钠混合,去离子水与聚乙二醇混合,然后将该两种混合物再进行混合,并进行超声搅拌;超声脉冲电源的脉冲频率设置为50kHz,功率设置为600W。搅拌过程采用间歇式搅拌,即搅拌15分钟后暂停5分钟,以20分钟为一个周期循环5次。其中,搅拌过程中始终将容器置于冷水中进行水浴冷却;绿色乳化液中各组份的配比为:蓖麻油的质量为30g,即质量分数为1%,十二烷基苯磺酸钠的质量为6g,即质量分数为0.2%,聚乙二醇的质量为3g,即质量分数为0.1%,其余为去离子水。
第二步、取出30g绿色乳化液置于试管内,选取直径为10mm、长度为100mm的松木,将松木浸没在试管中,浸泡时间为45天,直至形成润湿松木。
第三步、如图1所示,三向力传感器2通过螺钉固定在放在数控铣床的机床台面1上,且将三向力传感器2的输出端与数控铣床的控制中心连接;自制夹具3通过螺钉固定在三向力传感器2上;自制夹具3由固定在一起的内器皿和外器皿组成;内器皿的侧壁开设有呈三角形排布的三个螺纹孔,每个螺纹孔连接有一个螺栓;工件4贴紧内器皿内壁后,三个螺栓同时夹紧工件4,实现工件4装夹;然后,在内器皿和外器皿均盛放绿色乳化液5,使对磨过程浸没在绿色乳化液5中进行;将润湿松木6固定安装在数控铣床的电主轴9上,电主轴9通过夹紧器8固定在Z向移动轴7上;其中,润湿松木6固定安装在数控铣床的电主轴9上的过程是:利用刀具夹头夹持润湿松木,再用刀具螺帽配合夹紧松木。图1中,ω为电主轴9转动的角速度。
进一步,所选用工件4的材料为硬质铝合金7075。
第四步、用数控铣床的手轮进行对刀操作,使润湿松木6定位到工件4的待加工位置;然后,将电主轴转速设置为10000r/min,启动电主轴9;接着移动电主轴9,使电主轴9沿Z轴方向靠近工件4进给,进给过程为先快进给,后慢进给;快进给为电主轴9进给到润湿松木与工件4接触为止,当听到明显的“摩擦声”时视为润湿松木与工件4接触;慢进给为润湿松木与工件4接触到三向力传感器2测得润湿松木与工件4的接触力达到20N,慢进给的进给量设为1μm;进给结束后,保持对磨状态,同时当三向力传感器2反馈的接触力小于19.8N时,数控铣床的控制中心控制电主轴9沿Z轴方向慢进给,直到接触力达到20N。
第五步、达到设定的对磨时间后,电主轴9停转,使电主轴9沿Z轴方向远离工件4,取下润湿松木6和自制夹具3,排出绿色乳化液5,然后取下工件4,将工件4置入清洗溶液中漂洗5min,最后放入烘箱干燥;干燥后的工件4环形微结构表面如图2所示。
进一步,为了得出合适的对磨时间,本实施例选取了6组工件和润湿松木6分别对磨0.5小时、1.5小时、2.5小时、3.5小时、4.5小时和5.5小时。1号工件对磨0.5小时,环形微结构表面如图3所示;2号工件对磨1.5小时,环形微结构表面如图4所示;3号工件对磨2.5小时,环形微结构表面如图5所示;4号工件对磨3.5小时,环形微结构表面如图6所示;5号工件对磨4.5小时,环形微结构表面如图7所示;6号工件对磨5.5小时,由于对磨4.5小时至5.5小时过程中,环形微结构表面变化已经不明显,可见,对磨4.5小时已经基本完成了环形微结构表面加工。其中,图3至图7中均设有100.00μm的长度标尺。
进一步,清洗溶液为去离子水、乙醇和乙醚的混合溶液,按体积比为5:3:2进行配置。
进一步,环形微结构为非均匀同心环,每个环的宽度可控制在100μm以内,如图8所示,可以选择在一个工件上加工出有多个非均匀同心环的环形微结构。
以上为利用本发明所提出的方法获得的环形微结构,然其并非用以限制本发明,凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案,均落在本发明的保护范围内。本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。
Claims (10)
1.一种润湿松木在硬质材料上加工环形微结构表面的方法,其特征在于:该方法具体如下:
(1)配制基于植物油的绿色乳化液:首先,将植物油与亲油性绿色表面活化剂混合,去离子水与亲水性绿色表面活化剂混合,然后将该两种混合物再进行混合,并进行超声搅拌,搅拌过程采用间歇式搅拌,即搅拌15分钟后暂停5分钟,以20分钟为一个周期循环5次;
(2)取出30g绿色乳化液置于试管内,选取直径为2-13mm、长度为100mm的松木,将松木浸没在试管中,浸泡时间为30-60天,形成润湿松木;
(3)将三向力传感器通过螺钉固定在放在数控铣床的机床台面上,且将三向力传感器的输出端与数控铣床的控制中心连接;将自制夹具通过螺钉固定在三向力传感器上;所述的自制夹具由固定在一起的内器皿和外器皿组成;内器皿的侧壁开设有呈三角形排布的三个螺纹孔,每个螺纹孔连接有一个螺栓;将工件贴紧内器皿内壁,三个螺栓同时夹紧工件,实现工件装夹;然后,在内器皿和外器皿均盛放绿色乳化液,保证绿色乳化液没过工件;将润湿松木固定安装在数控铣床的电主轴上,电主轴通过夹紧器固定在Z向移动轴上;
(4)用数控铣床的手轮进行对刀操作,使润湿松木定位到工件的待加工位置;然后,将电主轴转速设置为8000-10000r/min,启动电主轴;接着移动电主轴,使电主轴沿Z轴方向靠近工件进给,进给过程为先快进给,后慢进给;所述的快进给为电主轴进给到润湿松木与工件接触为止;所述的慢进给为润湿松木与工件接触到三向力传感器测得润湿松木与工件的接触力达到20N,慢进给的进给量设为1μm;进给结束后,保持对磨状态,同时当三向力传感器反馈的接触力小于19.8N时,数控铣床的控制中心控制电主轴沿Z轴方向慢进给,直到接触力达到20N;
(5)达到设定的对磨时间后,电主轴停转,使电主轴沿Z轴方向远离工件,取下润湿松木和自制夹具,排出绿色乳化液,然后取下工件,将工件置入清洗溶液中漂洗5min,最后放入烘箱干燥。
2.根据权利要求1所述一种润湿松木在硬质材料上加工环形微结构表面的方法,其特征在于:绿色乳化液中植物油的质量分数为1%-20%,亲油性绿色表面活化剂的质量分数为0.1%-0.5%,亲水性绿色表面活化剂的质量分数为0.1%-0.5%,其余为去离子水。
3.根据权利要求1或2所述一种润湿松木在硬质材料上加工环形微结构表面的方法,其特征在于:所述的植物油选用蓖麻油、大豆油、芝麻油或玉米油。
4.根据权利要求1或2所述一种润湿松木在硬质材料上加工环形微结构表面的方法,其特征在于:所述的亲油性绿色表面活化剂选用十二烷基苯磺酸钠。
5.根据权利要求1或2所述一种润湿松木在硬质材料上加工环形微结构表面的方法,其特征在于:所述的亲水性绿色表面活化剂选用聚乙二醇。
6.根据权利要求1或2所述一种润湿松木在硬质材料上加工环形微结构表面的方法,其特征在于:搅拌过程中将容器置于冷水中进行水浴冷却。
7.根据权利要求1或2所述一种润湿松木在硬质材料上加工环形微结构表面的方法,其特征在于:所述的润湿松木固定安装在数控铣床的电主轴上的过程是:利用刀具夹头夹持润湿松木,再用刀具螺帽配合夹紧松木。
8.根据权利要求1或2所述一种润湿松木在硬质材料上加工环形微结构表面的方法,其特征在于:所述设定的对磨时间为4.5小时。
9.根据权利要求1或2所述一种润湿松木在硬质材料上加工环形微结构表面的方法,其特征在于:所述的清洗溶液为去离子水、乙醇和乙醚的混合溶液,按体积比为5:3:2进行配置。
10.根据权利要求1或2所述一种润湿松木在硬质材料上加工环形微结构表面的方法,其特征在于:所述的环形微结构为一个或多个非均匀同心环,每个环的宽度在100μm以内。
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