CN111889763B - 一种微纳复合结构高一致性制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微纳复合结构高一致性制备方法，以超精密加工技术为基础制备微纳复合结构阵列，在微结构表面获得纳米级结构，且采用超精密加工方法获得的纳米级结构，加工精度高、形状一致性较高，加工过程可控，超精密铣削技术不仅可以控制金刚石刀尖与工件之间的相对运动轨迹获得亚微米级形状精度和纳米级粗糙度的表面，同时选择刀具几何形状、控制加工参数，可有效控制刀尖在被加工表面上形成不同类型的纳米级尺寸的复杂结构。采用本发明的微纳复合结构高一致性制备方法得到的微纳复合结构，为形状规则、精度一致的微纳复合结构阵列，能够进一步获得兼具生物学性能和力学性能的植入体，提高植入体的生产效率和使用效果。

Description

一种微纳复合结构高一致性制备方法

技术领域

本发明涉及微纳复合结构加工技术领域，特别是涉及一种微纳复合结构高一致性制备方法。

背景技术

微纳复合结构是指具有多层宏微混合结构的表面，为满足功能集成化及小型化的需求，微纳复合结构已逐渐发展成具有非连续、高频、多层宏微混合结构和周期性等复杂几何特征的表面，在红外光学、照明和光电子产品等诸多领域有着越来越广泛的应用。同时，在生物医药工程领域，通过对天然骨进行研究分析，植入体的表面结构对其性能具有重大影响，理想的骨植入体应该具有微纳米级复合结构，有利于细胞的功能实现、并可增加植入体与骨组织的结合强度。

目前酸蚀、阳极氧化、喷砂等加工技术常被用于制造钛合金植入体表面微结构。这些方法在一定程度和一定时间上改善了钛合金植入体的力学性能和生物学性能，但存在一些问题，例如：酸蚀和阳极氧化可能会有化学残留；喷砂处理的残余颗粒可能会对骨整合造成不利的影响。此外，上述方法制备出的植入体微结构不规则，在复杂的生理条件下，容易引发植入体和骨组织间的应力屏蔽，导致植入体脱落。

如何改变现有技术中，微纳复合结构加工技术复杂、加工过程不可控，导致得到的微纳复合结构的形状一致性较差的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种微纳复合结构高一致性制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高微纳复合结构的形状一致性，提高微纳复合结构的加工精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种微纳复合结构高一致性制备方法，包括如下步骤：

步骤一、分析所需微纳复合结构的几何特征，包括微结构和纳结构的特征，选择金刚石刀具，刀具的刀尖半径不大于被加工表面的最小局部曲率半径，刀尖圆弧角小于微沟槽夹角；

步骤二、微结构阵列粗加工、半精加工

根据微结构的几何特征和所选择的刀具的刀尖形状及其几何参数，规划微结构阵列粗加工的刀具加工轨迹，刀具沿平行于微沟槽的侧壁方向进给，加工至微沟槽底部方向时退刀，粗加工刀具加工轨迹相平行；根据纳结构的几何特征，计算粗加工和半精加工所需的预留量，确定粗加工、半精加工的切削深度、进给速度和主轴转速；

粗加工、半精加工的切削深度(d_r、d_hf、d_f)满足：

式中，h为微沟槽深度，d_r,i为第i次粗加工的切削深度，U表示粗加工次数，d_hf表示半精加工的切削深度，d_f表示精加工的切削深度，且d_f＞h′，h′为纳结构的高度；

步骤三、精加工

纳沟槽：δ_f＞＞δ_P或或δ_f＜＜δ_P

纳凹坑：δ_f≈δ_P

且：δ_f+δ_P≤h′

其中，δ_f是进给方向的残留高度值，

式中，r_f是刀具在进给方向的半径，f是进给距离，单位为mm/r，其中f＝F/S,F是进给速度，单位为mm/min,S是主轴转速，单位为rpm；

δ_p是切削间距方向的残留高度值，

式中，r_p是切削间距方向刀具刀尖半径，P是切削间距值，单位为mm；

另外，纳凹坑偏移距离(Δl)的计算方法为：

其中，MOD(x，y)函数为求余函数，即是两个数值作除法运算后的余数；

是完成一条刀具轨迹所需要的时间；T_circle是指刀具的旋转周期，T_circle＝1/S。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的微纳复合结构高一致性制备方法，以超精密加工技术为基础制备微纳复合结构阵列，在微结构表面获得纳米级结构，且采用超精密加工方法获得的纳米级结构，加工精度高、形状一致性较高，加工过程可控，超精密铣削技术不仅可以控制金刚石刀尖与工件之间的相对运动轨迹获得亚微米级形状精度和纳米级粗糙度的表面，同时选择刀具几何形状、控制加工参数、并加入机床动态性能的影响，可有效控制刀尖在被加工表面上形成不同类型的纳米级尺寸的复杂结构。采用本发明的微纳复合结构高一致性制备方法得到的微纳复合结构，为形状规则、精度一致的微纳复合结构阵列，提高了微纳复合结构的稳定性，能够进一步获得兼具生物学性能和力学性能的植入体，提高植入体的生产效率和使用效果，且有助于微纳复合结构在光电领域的功能实现。

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一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为不同种类的微纳复合结构的示意图；

图2为采用本发明的微纳复合结构高一致性制备方法得到的不同类型的纳结构的示意图；

图3为本发明的微纳复合结构高一致性制备方法的刀具加工轨迹示意图；

图4为本发明的微纳复合结构高一致性制备方法所采用的刀具的几何参数示意图；

图5为本发明的微纳复合结构高一致性制备方法的原理图；

图6为采用本发明的微纳复合结构高一致性制备方法得到的不同类型的微纳复合微沟槽结构的示意图。

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。

本发明的目的是提供一种微纳复合结构高一致性制备方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高微纳复合结构的形状一致性，提高微纳复合结构的加工精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-5，其中，图1为不同种类的微纳复合结构的示意图，图2为采用本发明的微纳复合结构高一致性制备方法得到的不同类型的纳结构的示意图，图3为本发明的微纳复合结构高一致性制备方法的刀具加工轨迹示意图，图4为本发明的微纳复合结构高一致性制备方法所采用的刀具的几何参数示意图，图5为本发明的微纳复合结构高一致性制备方法的原理图，图6为采用本发明的微纳复合结构高一致性制备方法得到的不同类型的微纳复合微沟槽结构的示意图。

本发明提供一种微纳复合结构高一致性制备方法，包括如下步骤：

步骤一、分析所需微纳复合结构的几何特征，包括微结构和纳结构的特征，选择金刚石刀具，避免刀尖半径造成微纳复合结构的加工干涉，刀具的刀尖半径不大于被加工表面的最小局部曲率半径，刀尖圆弧角(Φ)小于微沟槽夹角2*(90⁰-θ)，如图4所示；

步骤二、微结构阵列粗加工、半精加工

根据微结构的几何特征和所选择的刀具的刀尖形状及其几何参数，规划微结构阵列粗加工的刀具加工轨迹，刀具沿平行于微沟槽的侧壁方向进给，加工至微沟槽底部方向时退刀，粗加工刀具加工轨迹相平行，如图3所示；根据纳结构的几何特征，计算粗加工和半精加工所需的预留量，确定粗加工、半精加工的切削深度、进给速度和主轴转速；

粗加工、半精加工的切削深度(d_r、d_hf、d_f)满足：

式中，h为微沟槽深度，d_r,i为第i次粗加工的切削深度，U表示粗加工次数，d_hf表示半精加工的切削深度，d_f表示精加工的切削深度，且d_f＞h′，h′为纳结构的高度；

步骤三、精加工

考虑所用超精密机床的动态性能，联合刀具轨迹和加工参数设置，建立微结构表面上纳米级精度的表面形貌控制算法，获得所需的三维纳米结构，实现微纳复合结构的加工。表面形貌控制方法如下：

纳沟槽：δ_f＞＞δ_P或或δ_f＜＜δ_P

纳凹坑：δ_f≈δ_P

且：δ_f+δ_P≤h′

其中，δ_f是进给方向的残留高度值，

式中，r_f是刀具在进给方向的半径，f是进给距离，单位为mm/r，其中f＝F/S,F是进给速度，单位为mm/min,S是主轴转速，单位为rpm；

δ_p是切削间距方向的残留高度值，

式中，r_p是切削间距方向刀具刀尖半径，P是切削间距值，单位为mm；

另外，纳凹坑偏移距离(Δl，如图1所示)的计算方法为：

其中，MOD(x，y)函数为求余函数，即是两个数值作除法运算后的余数；

是完成一条刀具轨迹所需要的时间；T_circle是指刀具的旋转周期，T_circle＝1/S。

本发明的微纳复合结构高一致性制备方法，以超精密加工技术为基础制备微纳复合结构阵列，超精密加工技术使用金刚石刀具实现纳米级表面粗糙度和亚微米级形状精度的复杂元器件的制造，其加工精度是由刀具和工件之间的相对运动的精度确定，因此控制金刚石刀尖与工件之间的相对运动轨迹不仅仅可以获得高精度的复杂微结构表面，同时选择刀具几何形状、控制加工参数、并加入机床动态性能的影响，可有效控制刀尖在微结构表面形成不同拓扑结构不同几何尺寸的纳米结构。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；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)

1.一种微纳复合结构高一致性制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、分析所需微纳复合结构的几何特征，包括微结构和纳结构的特征，选择金刚石刀具，刀具的刀尖半径不大于被加工表面的最小局部曲率半径，刀尖圆弧角小于微沟槽夹角；

步骤二、微结构阵列粗加工、半精加工

根据微结构的几何特征和所选择的刀具的刀尖形状及其几何参数，规划微结构阵列粗加工的刀具加工轨迹，刀具沿平行于微沟槽的侧壁方向进给，加工至微沟槽底部方向时退刀，粗加工刀具加工轨迹相平行；根据纳结构的几何特征，计算粗加工和半精加工所需的预留量，确定粗加工、半精加工的切削深度、进给速度和主轴转速；

粗加工、半精加工的切削深度(d_r、d_hf、d_f)满足：

式中，h为微沟槽深度，d_r,i为第i次粗加工的切削深度，U表示粗加工次数，d_hf表示半精加工的切削深度，d_f表示精加工的切削深度，且d_f＞h′，h′为纳结构的高度；

步骤三、精加工

纳沟槽：δ_f＞＞δ_P或或δ_f＜＜δ_P

纳凹坑：δ_f≈δ_P

且：δ_f+δ_P≤h′

其中，δ_f是进给方向的残留高度值，

式中，r_f是刀具在进给方向的半径，f是进给距离，单位为mm/r，其中f＝F/S,F是进给速度，单位为mm/min,S是主轴转速，单位为rpm；

δ_p是切削间距方向的残留高度值，

式中，r_p是切削间距方向刀具刀尖半径，P是切削间距值，单位为mm；

另外，纳凹坑偏移距离(Δl)的计算方法为：

其中，MOD(x，y)函数为求余函数，即是两个数值作除法运算后的余数；

是完成一条刀具轨迹所需要的时间；T_circle是指刀具的旋转周期，T_circle＝1/S。

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