CN112059406B - 摩擦面上微纳结构的激光干涉诱导电解加工方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦面上微纳结构的激光干涉诱导电解加工方法和装置，属于特种加工技术中的微细加工领域。本发明包括激光分束聚焦系统，电化学电解系统和运动控制系统，利用激光分束聚焦系统，将一束激光分成两束，再通过聚焦，将两束光在光斑处重叠，发生干涉效应，形成干涉光斑。干涉光斑的能量分布不均，也使得对应区域内的电解液温度和电导率分布不均，引起电化学电解速度不一致，从而刻蚀出一定几何特征的表面微纳结构，同时光斑能量的分布不均，引起电解液局部的冲击，诱导出超声振动，促进了刻蚀产物的排出，提高电解加工效率。运动控制系统控制工件的进给和旋转，实现不同形状、尺寸表面织构的加工。

Description

摩擦面上微纳结构的激光干涉诱导电解加工方法和装置

技术领域

本发明涉及特种加工技术中的微细加工领域，特别涉及到一种摩擦面上微纳结构的激光干涉诱导电解加工方法和装置，适用于在工件摩擦副表面快速加工出微型织构。

背景技术

目前，功能性微纳结构与仿生技术相结合，发展迅猛，零件表面微纳尺度结构的应用也是日益广泛，催生了许多非传统微细加工方法和技术，这些技术的发展和运用是实现表面微细几何图案可控性加工的关键。随着科学技术与工艺技术的不断发展，产生了很多特征各异的表面微纳织构加工技术，具有代表性的主要包括：激光表面织构化技术、反应离子刻蚀技术、压刻加工技术、光刻微细电解技术和磨粒射流技术等。这些加工方法各有特点，评价的关键在于对微结构加工的质量、效率和成本的比较。其中，激光表面微加工技术具有高速、高效等优点，并且加工范围广，但加工区周围会产生热影响及残留熔渣；反应离子刻蚀需要辅助装置和特殊气氛；压刻技术加工效率较低，加工的微细尺度有限；磨料射流加工为保证加工精度，需要采用耐磨金属模板保护非加工区域；光刻微细电解加工技术加工一致性好、效率高，但工艺复杂，需要用光刻技术制备胶体模板。

电解加工因其不受形状、材料限制，非接触加工、无残余应力、工具无磨损，无加工毛刺，等优点，已逐渐成为一种重要的微细加工方法。但是电解加工相对其它(如激光刻蚀等)一些微细加工方法，加工效率较低，因此科研人员和工程师在此基础上反展出多种复合加工方法，如激光-电解刻蚀加工方法，中国专利“激光辐照辅助微细电解加工方法及装置”，专利公开号CN 102649186 A，提出用激光照射加工区域，产生温度梯度，使加工区域和非加工区域的电解液形成对流，促进电解液的新旧交换，提高工件材料的电解刻蚀速度，但是该方法不能有效的将微细织构内的腐蚀残渣排出，影响电解腐蚀精度和速度；也有将电解刻蚀与超声振动相结合，中国专利“超声电解复合微细加工方法及装置”，专利公开号CN1824444A，提出用超声振动冲击波，消除电解加工钝化膜，并将加工残渣及时从加工区排除，能够提高电解加工的加工效率，该方法中，微观织构尺度由工具电极控制，超声振动仅起到加强清洁的作用，需配备单独的超声发生设备，整体的工艺较复杂。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供摩擦面上微纳结构的激光干涉诱导电解加工方法和装置，该方法通过分束器将激光束分束后经聚焦镜聚焦形成干涉光斑，诱导电化学电解反应的速度产生分级，从而在工件摩擦副表面刻蚀出远小于光斑尺寸的微纳结构，同时干涉光斑区域的电解液因光斑能量分布，产生冲击，诱导出超声振动，可以促使电解区域的电解液流动和电解碎屑的排出。本发明提供一种非接触的、整体系统和工艺简单、加工效率高、加工精度高、一致性好的表面微纳结构加工方法和系统。

本发明通过如下技术方案得以实现：

摩擦面上微纳结构的激光干涉诱导电解加工方法，将激光器发出的激光束进行分束后再聚焦成干涉光斑对置于电解液中的待加工工件进行激光干涉诱导电解加工。

进一步的，具体包括如下步骤：

根据所要制备的织构形貌、位置进行编程，并输入到计算机的控制软件中；

根据具体的加工要求设置激光参数，开启激光器，调整分束器和聚焦镜，使激光束产生所要求的干涉光斑；

将工件置于电解液中，直流电源正极接工件，负极接辅助电极，辅助电极置于电解液中；

根据加工要求，设置电流参数，开启直流电源；

运行运动控制代码，计算机将数据传输给运动控制器，运动控制器控制三轴平动平台和旋转驱动装置，使工件按照程序要求进给和转动；此时，干涉光斑对准加工区域，干涉光斑可诱导光斑区域内的电化学电解速度分布，同时也会诱导电解液产生超声振动，最终制备出符合要求的表面微织构。

进一步的，所述表面微织构为微纳结构。

进一步的，所述微纳结构为凹坑、沟槽、柱形或者锥形浮雕结构。

进一步的，包括激光分束聚焦系统、电化学电解系统和运动控制系统；

所述激光分束聚焦系统包括激光器、分束器和聚焦镜；所述激光器发出的激光束经分束器分束后再经聚焦镜聚焦成干涉光斑；

所述电化学电解系统包括直流电源、辅助电极、电解液和电解槽；所述电解液设置在电解槽内，且辅助电极设置在电解槽内，直流电源的正极与工件连接，负极与辅助电极连接，从而组成导通的电路；

所述运动控制系统包括运动控制器、三轴平动平台和旋转驱动装置；所述运动控制器用来控制三轴平动平台和旋转驱动装置；所述三轴平动平台上设置有旋转驱动装置，旋转驱动装置的输出端设置有工件。

进一步的，还包括计算机，所述计算机控制直流电源和运动控制器的工作。

进一步的，所述辅助电极垂直于工件设置。

进一步的，所述工件外表面为圆柱面、平面或者曲面。

进一步的，所述直流电源的电流参数可调。

本发明的技术优势和有益效果：

1.采用激光干涉方法诱导电化学刻蚀成型，制备的摩擦副表面微纳结构尺寸精度高，定域性好，无需采用工具电极，没有电极消耗，工艺更简单，更经济。

2.激光干涉在诱导电化学刻蚀的同时，也在加工区域诱导产生超声振动。与现有的加工方法和系统相比，该方法和系统不需配置超声发生设备，系统构成更简单，工艺控制更简单。

3.干涉光斑，不仅可以引起对应区域内的电解液液温度和电导率的梯度分布，从而使得光斑区域内的电解刻蚀速度按照光斑能量大小梯度分布，同时所述干涉光斑能量的分布的梯度差，也可引起电解液局部的冲击，诱导出超声振动，超声振动可以促进电化学电解区域的电解液流动，同时也能使该区域内的电化学电解残渣及时排出。

4.本发明中激光干涉条纹的宽度可调整，电化学电解速度可调整，从而使得表面微纳结构尺寸可控制。

5.运动控制系统控制工件的进给和旋转，实现不同形状、尺寸表面织构的加工。

附图说明

图1为本发明系统组成示意图；

图2是能量分布于最终微纳结构尖峰和谷底对照图。

附图标记如下：

1-计算机；2-运动控制器；3-激光器；4-分束器；5-聚焦镜；6-电解液；7-旋转驱动装置；8-三轴平动平台；9-工件；10-直流电源；11-辅助电极；12-电解槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求的限定范围。

下面结合图1、图2详细说明本发明方法和装置的细节和工作情况。

结合附图1所示，计算机1分别与激光器3，运动控制器2，直流电源10相连，通过计算机1，可控制激光器3，运动控制2和直流电源8的各项参数，同时计算机也能够用上位机软件，通过控制器2来控制三轴平动平台8，旋转驱动装置7。

旋转驱动装置7固定安装在三轴平动平台上，工件9固定夹持在旋转驱动装置7上。

激光器3输出激光光束，先由分束器4将光束分束，再由聚焦镜5将光束聚焦在工件上，产生干涉光斑。

结合附图2所示，所述干涉光斑能量分布如图所示，深色区域为低能区，对应微纳结构尖峰区域；白色区域为高能区，对应微纳结构谷底区域。

摩擦面上微纳结构的激光干涉诱导电解加工方法，通过激光干涉光斑，诱导电化学电解反应的速度产生分级，从而在工件表面刻蚀出远小于光斑尺寸的微纳结构，同时干涉光斑区域的电解液因光斑能量分布，产生冲击，诱导处超声振动，可以促使电解区域的电解液流动和电解碎屑的排出。该方法能够高效、精确的在工件表面制备微纳结构，具体步骤如下：

步骤一：根据所要制备的织构形貌、位置等进行编程，并输入到计算机1的控制软件中；

步骤二：根据具体的加工要求，设置激光参数，开启激光器3，调整分束器4和聚焦镜5，使激光束产生要求的干涉条纹；

步骤三：将工件9置于电解液6中，直流电源10正极接工件9，负极辅助电极11，辅助电极11放入电解液6中；

步骤四：根据加工要求，设置电流参数，开启直流电源9；

步骤五：运行运动控制代码，计算机1将数据传输给运动控制器2，运动控制器控制三轴平动平台8和旋转驱动装置7，工件9按照程序运动，使干涉条纹对准加工区域，干涉条纹不仅可以诱导光斑区域内的电化学电解速度分布，同时也会诱导电解液产生超声振动，最终制备出符合要求的表面微织构。

本发明通过利用分束器对同一个光源即激光器发出的激光束进行分束后通过聚焦镜聚焦得到干涉光斑，对待加工工件进行激光干涉诱导电解加工，从而得到所需的微纳结构，可通过调整聚焦镜与带待加工工件之间的距离或者聚焦镜与分束器之间的距离可以调整微纳结构的形状。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.摩擦面上微纳结构的激光干涉诱导电解加工方法，其特征在于， 将激光器（3）发出的激光束进行分束后再聚焦成干涉光斑对置于电解液中的待加工工件进行激光干涉诱导电解加工；具体包括如下步骤：

根据所要制备的织构形貌、位置进行编程，并输入到计算机（1）的控制软件中；

根据具体的加工要求设置激光参数，开启激光器（3），调整分束器（4）和聚焦镜（5），使激光束产生所要求的干涉光斑；

将工件（9）置于电解液（6）中，直流电源（10）正极接工件（9），负极接辅助电极（11），辅助电极（11）置于电解液（6）中；

根据加工要求，设置电流参数，开启直流电源（10）；

运行运动控制代码，计算机（1）将数据传输给运动控制器（2），运动控制器（2）控制三轴平动平台（8）和旋转驱动装置（7），使工件（9）按照程序要求进给和转动；此时，干涉光斑对准加工区域，干涉光斑可诱导光斑区域内的电化学电解速度分布，同时也会诱导电解液产生超声振动，最终制备出符合要求的表面微织构。

2.根据权利要求1所述的摩擦面上微纳结构的激光干涉诱导电解加工方法，其特征在于，所述表面微织构为微纳结构。

3.根据权利要求2所述的摩擦面上微纳结构的激光干涉诱导电解加工方法，其特征在于，所述微纳结构为凹坑、沟槽、柱形或者锥形浮雕结构。

4.根据权利要求1至3任一项所述的摩擦面上微纳结构的激光干涉诱导电解加工方法的加工装置，其特征在于，包括激光分束聚焦系统、电化学电解系统和运动控制系统；

所述激光分束聚焦系统包括激光器（3）、分束器（4）和聚焦镜（5）；所述激光器（3）发出的激光束经分束器（4）分束后再经聚焦镜（5）聚焦成干涉光斑；

所述电化学电解系统包括直流电源（10）、辅助电极（11）、电解液（6）和电解槽（12）；所述电解液（6）设置在电解槽（12）内，且辅助电极（11）设置在电解槽（12）内，直流电源（10）的正极与工件（9）连接，负极与辅助电极（11）连接，从而组成导通的电路；

所述运动控制系统包括运动控制器（2）、三轴平动平台（8）和旋转驱动装置（7）；所述运动控制器（2）用来控制三轴平动平台（8）和旋转驱动装置（7）；所述三轴平动平台（8）上设置有旋转驱动装置（7），旋转驱动装置（7）的输出端设置有工件（9）。

5.根据权利要求4所述的摩擦面上微纳结构的激光干涉诱导电解加工方法的加工装置，其特征在于，还包括计算机（1），所述计算机（1）控制直流电源（10）和运动控制器（2）的工作。

6.根据权利要求4所述的摩擦面上微纳结构的激光干涉诱导电解加工方法的加工装置，其特征在于，所述辅助电极（11）垂直于工件设置。

7.根据权利要求4所述的摩擦面上微纳结构的激光干涉诱导电解加工方法的加工装置，其特征在于，所述工件（9）外表面为圆柱面或者平面。

8.根据权利要求4所述的摩擦面上微纳结构的激光干涉诱导电解加工方法的加工装置，其特征在于，所述工件（9）外表面为曲面。

9.根据权利要求4所述的摩擦面上微纳结构的激光干涉诱导电解加工方法的加工装置，其特征在于，所述直流电源（10）的电流参数可调。

Images