CN112140003A - 一种聚合物微加工用超低温微磨料气射流加工装置 - Google Patents

Abstract

一种医用聚合物材料微加工用超低温微磨料气射流加工装置，其特征在于它包括：液氮调节系统、空气微磨料两相流发生装置、液氮微磨料混合装置与加工系统。所述的液氮调节系统包括自增压液氮罐（1）、减压阀（2）、液氮流量计（3）、第一超低温保温管（4）组成；空气微磨料两相流发生装置由空气压缩机（12）与微磨料‑空气两相混合器（10）组成；液氮微磨料混合装置（8）由液氮微磨料混合器（18）组成；加工系统由四坐标移动平台（17）和微细喷嘴（14）组成。本发明可对聚合物材料进行脆性域加工，具有结构简单、自动化程度高、加工效率高，实现了聚合物材料的绿色高质高效精密微细加工。

Description

一种聚合物微加工用超低温微磨料气射流加工装置

技术领域

本发明属于低温工程领域，涉及一种微细加工机床，尤其是一种用于医用聚合物材料微加工用超低温微磨料气射流加工装置。

背景技术

最初，得益于MEMS的高速发展，微流控芯片首先采用硅、石英和玻璃等硬脆材料。但随着科学技术的发展，已研究表明：相对于硅、石英和玻璃等硬脆材料，高分子聚合物具有种类多、生物兼容性好、原材料价格较低等优势，日益成为微流控芯片最有发展前景的材料。其中，聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）芯片应用在某些生物实验中，可以形成足够稳定的温度梯度，便于反应的实现，且具有无毒特征以及透气性，因此与其他聚合物材料相比有着不可替代的地位。

在运用微磨料气射流加工技术对PDMS材料进行加工时，由于PDMS材料自身的高弹性，常常表现出大量的磨料嵌入现象。针对这一问题，国外研究人员一直致力于在低温下对其进行加工，即使用低温磨料气射流冲击PDMS的表面，使其在发生玻璃态转变同时，进行冲蚀加工。这样就促使PDMS材料由塑性去除向脆性去除转变，减少了加工过程中的磨料嵌入程度，在改善表面加工质量的同时提高了材料的去除率。该加工工艺有潜力解决PDMS微流控芯片小批量、低成本，满足个性化定制需求的微加工难题。

但是，目前现有的低温磨料气射流加工装置（CN 107378801 B、CN 106965092 B、CN 201710017593.6N）虽然能够在一定程度上实现PDMS材料加工过程中的有效去除，但仍是以一种塑脆性混合的冲蚀机理来实现材料的去除，存在部分磨料嵌入等现象，且在加工过程中射流束的温度与速度相互耦合，难以同时获得冲击速度高、温度低，稳定性高的低温磨料气射流加工状态。因此，为了获得一种有效的脆性域去除模式，急需研制出一种超低温微磨料气射流加工设备。

授权公告号US-A-7, 310, 955的专利公开了一种低温流体（通常为液氮）代替水进行切割的加工方法。授权公告号CN102470508B的专利公开了一种液氮磨料射流切割技术。但是，上述两种方法均不能用于医用聚合物PDMS材料的微细加工。

发明内容

本发明的目的是针对现有医用聚合物材料低温磨料气射流加工方法中存在加工加工稳定性差、磨料嵌入、加工质量难以控制等问题，设计一种医用聚合物材料微加工用超低温微磨料气射流加工装置。

本发明的技术方案是：

一种医用聚合物材料微加工用超低温微磨料气射流加工装置，其特征在于它包括：

一液氮调节系统；所述的液氮调节系统包括自增压液氮罐1、减压阀2与液氮流量计3，三者通过第一超低温保温管4相连接；液氮从自增压液氮罐1中流出，依次经减压阀2的稳压调节与液氮流量计3的流量调节，获得一定流量且压力稳定的液氮流束送入液氮微磨料混合装置8中；

一空气微磨料两相流发生装置，所述的空气微磨料两相流发生装置包括空气压缩机12、微磨料-空气两相混合器10与空气微磨料两相流管道9，微磨料-空气两相混合器10中的微细磨料与来自空气压缩机12的压缩空气进行混合，混合后的微磨料气射流经过空气微磨料两相流管道9送入液氮微磨料混合装置8中；

一液氮磨料混合装置8；所述的液氮微磨料混合装置8包括液氮微磨料混合器18，氮微磨料混合器18设有一个空气微磨料两相流管道螺纹接口21和二个超低温保温管二螺纹接口19，两相流管道螺纹接口21通过微磨料气射流通道22与液氮微磨料混合腔23相连通，两相流管道螺纹接口21通过第一螺纹接头6与空气微磨料两相流管道9相连通；超低温保温管二螺纹接口19通过各自的液氮射流通道20与液氮微磨料混合腔23相连通；两个超低温保温管二螺纹接口19分别通过各自的螺纹接头与第二超低温保温管7及第四超低温保温管5的一端相连通，第二超低温保温管7、第四超低温保温管5的另一端与液氮流路三分接头25的两个出口27相连通，液氮流路三分接头25的进口26与第一超低温保温管4相连通；液氮微磨料混合腔23连接有液氮微磨料混合器出口端螺纹接口24，液氮微磨料混合器出口端螺纹接口24通过第三超低温保温管11与微细喷嘴14相连通；由液氮调节系统中获得的液氮流束通过液氮流路三分接头25分为两路，并通过第二超低温保温管7及第四超低温保温管5与液氮微磨料混合器18中的超低温保温管二螺纹接口19相连接；在液氮微磨料混合器18中低温液氮与磨料混合形成液氮微磨料射流，再通过超第三低温保温管11输送至微细喷嘴14射出，形成超低温微磨料气射流；

一加工系统；所述的加工系统包括微细喷嘴14、四坐标移动平台17和工作台16，PDMS基片15安装在四坐标移动平台17中的工作台16上，通过调节微细喷嘴14与工作台16的相对运动关系来实现PDMS基片15的高效精密微细加工。

所述的超低温保温管三11上安装有超低温调压阀13，通过调整超低温调节阀13的参数来消除液氮射流与空气微磨料射流由于热交换而引起的振荡现象。

所述的超低温调节阀13的阀芯阀座堆焊司太立合金，并对其表面进行碳化钨喷涂处理。

所述的空气微磨料两相流管道9的一端通过第一螺纹接头6与液氮微磨料混合器18的空气微磨料两相流管道螺纹接口21螺旋相连，它的另一端与微磨料-空气两相混合器10相连。

所述的液氮微磨料混合器18中的两路液氮射流通道20之间的夹角大小为，以防止两路液氮射流在交互区域产生回流区而导致空气微磨料两相流的反喷现象，实现整个液氮微磨料混合系统的流畅性，保证液氮与磨料在液氮微磨料混合腔23内进行有效混合。

所述的液氮微磨料混合器18采用奥氏体不锈钢材料进行制作，并对液氮磨料混合器18的液氮射流通道20与磨料气射流通道22的内壁进行碳化钨喷涂处理。

本发明的有益效果是：

本发明能够实现液氮与微磨料的有效混合而形成稳定的超低温微磨料气射流加工射流束，能够在加工过程中对聚合物材料进行有效冷却而实现材料的塑-脆转变，大大地提高了材料去除率。因而本超低温微磨料气射流加工装置可以很好解决聚合物材料的高质高效精密微细加工问题。

本发明结构简单，操作方便，加工效率高，射流束温度低、稳定性高。

附图说明

图1是本发明的系统组成结构示意图。

图2是液氮微磨料混合器结构示意图。

图3是液氮流路三分接头结构示意图。

图4是液氮微磨料混合器内部流场速度分布示意图。

图中：1、自增压液氮罐；2、减压阀；3、液氮流量计；4、第一超低温保温管；5、第四超低温保温管；6、螺纹接头；7、第二超低温保温管；8、液氮微磨料混合装置；9、空气微磨料两相流管道；10、微磨料-空气两相混合器；11、第三超低温保温管；12、空气压缩机；13、超低温调节阀；14、微细喷嘴、15、PDMS基片；16、工作台；17、四坐标移动平台；18、液氮微磨料混合器；19、超低温保温管二螺纹接口；20、液氮射流通道；21、空气微磨料两相流管道螺纹接口；22、微磨料气射流通道；23、液氮微磨料混合腔；24、液氮微磨料混合器出口端螺纹接口；25、液氮流路三分接头；26、液氮进口螺纹接口；27、液氮出口螺纹接口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明，本领域其他人员作出的类似本案例的方案都在本发明保护范围内。

如图1-4所示。

一种聚合物材料微加工用超低温微磨料气射流加工装置，它包括：液氮调节系统、空气微磨料两相流发生装置、液氮微磨料混合系统与加工系统，如图1所示。所述的液氮调节系统包括自增压液氮罐1、减压阀2与液氮流量计3，三者通过第一超低温保温管4相连接；液氮从自增压液氮罐1中流出，依次经减压阀2的稳压调节与液氮流量计3的流量调节，获得一定流量且压力稳定的液氮流束送入液氮微磨料混合装置8中；所述的空气微磨料两相流发生装置包括空气压缩机12、微磨料-空气两相混合器10与空气微磨料两相流管道9，微磨料-空气两相混合器10中的微细磨料与来自空气压缩机12的压缩空气进行混合，混合后的微磨料气射流经过空气微磨料两相流管道9送入液氮微磨料混合装置8中；所述的液氮微磨料混合装置包括液氮微磨料混合器18，氮微磨料混合器18设有一个空气微磨料两相流管道螺纹接口21和二个超低温保温管二螺纹接口19，两相流管道螺纹接口21通过微磨料气射流通道22与液氮微磨料混合腔23相连通，两相流管道螺纹接口21通过第一螺纹接头6与空气微磨料两相流管道9相连通；超低温保温管二螺纹接口19通过各自的液氮射流通道20与液氮微磨料混合腔23相连通；两个超低温保温管二螺纹接口19分别通过各自的螺纹接头与第二超低温保温管7及第四超低温保温管5的一端相连通，第二超低温保温管7、第四超低温保温管5的另一端与液氮流路三分接头25的两个出口27相连通，液氮流路三分接头25的进口26与第一超低温保温管4相连通；液氮微磨料混合腔23连接有液氮微磨料混合器出口端螺纹接口24，液氮微磨料混合器出口端螺纹接口24通过第三超低温保温管11与微细喷嘴14相连通；由液氮调节系统中获得的液氮流束通过液氮流路三分接头25分为两路，并通过第二超低温保温管7及第四超低温保温管5与液氮微磨料混合器18中的超低温保温管二螺纹接口19相连接；在液氮微磨料混合器18中低温液氮与磨料混合形成液氮微磨料射流，再通过超第三低温保温管11输送至微细喷嘴14射出，形成超低温微磨料气射流，具体实施时，最好在所述的超低温保温管三11上安装一超低温调压阀13，通过调整超低温调节阀13的参数来消除液氮射流与空气微磨料射流由于热交换而引起的振荡现象。所述的超低温调节阀13的阀芯阀座堆焊司太立合金，并对其表面进行碳化钨喷涂处理。液氮微磨料混合器18中的两路液氮射流通道20之间的夹角大小为，如图2，以防止两路液氮射流在交互区域产生回流区而导致空气微磨料两相流的反喷现象，实现整个液氮微磨料混合系统的流畅性，保证液氮与磨料在液氮微磨料混合腔23内进行有效混合。与此同时，所述的液氮微磨料混合器18最好采用奥氏体不锈钢材料进行制作，并对液氮磨料混合器18的液氮射流通道20与磨料气射流通道22的内壁进行碳化钨喷涂处理。所述的加工系统包括微细喷嘴14、四坐标移动平台17、工作台16；PDMS基片15安装在四坐标移动平台17中的工作台16上，通过调节微细喷嘴14与工作台16的相对运动关系来实现PDMS基片15的高效精密微细加工。自增压液氮罐1通过第一超低温保温管4依次与减压阀2、液氮流量计3相连，第一超低温保温管4的另一端与液氮流路三分接头25的液氮进口螺纹接口26相连；所述的液氮流路三分接头25的两液氮出口螺纹接口27通过第二超低温保温管7和第四超低温保温管5与液氮微磨料混合器18上的螺纹接口19进行螺纹相连；所述的第三超低温保温管11的一端与液氮微磨料混合器18进行螺纹连接，另一端与超低温调压阀13进行螺纹连接；所述的PDMS基片15粘粘在工作台16上。

详述如下：

液氮从自增压液氮罐1中流出，依次经过减压阀2与液氮流量计3，并通过液氮流路三分接头25（图3）与液氮微磨料混合器18相连。空气微磨料两相流管道9的一端通过螺纹接口6与液氮微磨料混合器18相连，它的另一端与微磨料-空气两相混合器10相连。液氮微磨料混合器18中的两液氮射流通道20之间的夹角大小为（图2），可有效防止两路液氮射流在交互区域产生回流区而导致空气微磨料两相流的反喷现象，实现整个液氮微磨料混合系统的流畅性（图4）。液氮微磨料混合器18与微细喷嘴14之间连接一超低温调节阀13，可有效避免因液氮射流与微磨料气射流之间的冲击热交换而引起的振荡现象。可以通过调节超低温调节阀13来获得不同冲击速度的超低温微磨料气射流束。将PDMS基片15安装在四坐标工作台17上，四坐标工作台17可以带动PDMS基片15实现沿X轴、Y轴、Z轴三个方向移动和绕Y轴方向转动。本发明可以实现PDMS基片在脆性域下进行微细加工。

本发明的工作过程如下：液氮从自增压液氮罐1中流出，依次经过减压阀2与液氮流量计3，获得稳定流动状态的液氮射流。液氮射流通过超低温保温管一4、液氮流路三分接头25与液氮微磨料混合器18进行螺纹连接，液氮射流进入液氮射流通道20。氧化铝、碳化硅、立方氮化硼等微细磨料在微磨料-空气两相混合器10中形成的微磨料气射流通过空气微磨料两相流管道9进入液氮微磨料混合器18中与液氮射流交叉冲击后进入液氮微磨料混合腔23中。形成的液氮微磨料射流通过液氮微磨料混合器出口端螺纹接口24进入第三超低温保温管11中，并经过超低温调节阀13的调节后，由微细喷嘴14喷出。由微细喷嘴14喷出混有磨料的超低温微磨料气射流射向工作台16上的PDMS基片15表面进行微细加工，由四坐标移动平台17可调整PDMS基片15和超低温磨料气射流的相对位置，实现不同冲击角度下的微细加工。

尽管上述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，不能理解为本发明的限制，本领域的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。同时，尽管本文较多地使用了自增压液氮罐1，减压阀2，液氮流量计3，第一超低温保温管4，第四超低温保温管5，螺纹接口6，第二超低温保温管7，液氮微磨料混合装置8，空气微磨料两相流管道9，微磨料-空气两相混合器10，第三超低温保温管11，空气压缩机12，超低温调节阀13，微细喷嘴14，PDMS基片15，工作台16，四坐标移动平台17，液氮微磨料混合器18，超低温保温管二螺纹接口19，液氮射流通道20，空气微磨料两相流管道螺纹接口21，微磨料气射流通道22，液氮微磨料混合腔23，液氮微磨料混合器出口端螺纹接口24，液氮流路三分接头25，液氮进口螺纹接口26，液氮出口螺纹接口27等术语，但不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都与本发明的精神相违背。

本实施案例只是本发明案例中一种，任何采用类似结构的技术方案都在本发明保护范围内。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种医用聚合物材料微加工用超低温微磨料气射流加工装置，其特征在于它包括：

一液氮调节系统；所述的液氮调节系统包括自增压液氮罐（1）、减压阀（2）与液氮流量计（3），三者通过第一超低温保温管（4）相连接；液氮从自增压液氮罐（1）中流出，依次经减压阀（2）的稳压调节与液氮流量计（3）的流量调节，获得一定流量且压力稳定的液氮流束送入液氮微磨料混合装置（8）中；

一空气微磨料两相流发生装置，所述的空气微磨料两相流发生装置包括空气压缩机（12）、微磨料-空气两相混合器（10）与空气微磨料两相流管道（9），微磨料-空气两相混合器（10）中的微细磨料与来自空气压缩机（12）的压缩空气进行混合，混合后的微磨料气射流经过空气微磨料两相流管道（9）送入液氮微磨料混合装置（8）中；

一液氮磨料混合装置（8）；所述的液氮微磨料混合装置（8）包括液氮微磨料混合器（18），氮微磨料混合器（18）设有一个空气微磨料两相流管道螺纹接口（21）和二个超低温保温管二螺纹接口（19），两相流管道螺纹接口（21）通过微磨料气射流通道（22）与液氮微磨料混合腔（23）相连通，两相流管道螺纹接口（21）通过第一螺纹接头（6）与空气微磨料两相流管道（9）相连通；超低温保温管二螺纹接口（19）通过各自的液氮射流通道（20）与液氮微磨料混合腔（23）相连通；两个超低温保温管二螺纹接口（19）分别通过各自的螺纹接头与第二超低温保温管（7）及第四超低温保温管（5）的一端相连通，第二超低温保温管（7）、第四超低温保温管（5）的另一端与液氮流路三分接头（25）的两个出口（27）相连通，液氮流路三分接头（25）的进口（26）与第一超低温保温管（4）相连通；液氮微磨料混合腔（23）连接有液氮微磨料混合器出口端螺纹接口（24），液氮微磨料混合器出口端螺纹接口（24）通过第三超低温保温管（11）与微细喷嘴（14）相连通；由液氮调节系统中获得的液氮流束通过液氮流路三分接头（25）分为两路，并通过第二超低温保温管（7）及第四超低温保温管（5）与液氮微磨料混合器（18）中的超低温保温管二螺纹接口（19）相连接；在液氮微磨料混合器（18）中低温液氮与磨料混合形成液氮微磨料射流，再通过超第三低温保温管（11）输送至微细喷嘴（14）射出，形成超低温微磨料气射流；

一加工系统；所述的加工系统包括微细喷嘴（14）、四坐标移动平台（17）和工作台（16），PDMS基片（15安装在四坐标移动平台（17）中的工作台（16）上，通过调节微细喷嘴（14）与工作台（16）的相对运动关系来实现PDMS基片（15）的高效精密微细加工。

2.根据权利要求1所述的医用聚合物材料微加工用超低温微磨料气射流加工装置，其特征是所述的超低温保温管三（11）上安装有超低温调压阀（13），通过调整超低温调节阀（13）的参数来消除液氮射流与空气微磨料射流由于热交换而引起的振荡现象。

3.根据权利要求2所述的医用聚合物材料微加工用超低温微磨料气射流加工装置，其特征是所述的超低温调节阀（13）的阀芯阀座堆焊司太立合金，并对其表面进行碳化钨喷涂处理。

4.根据权利要求1所述的医用聚合物材料微加工用超低温微磨料气射流加工装置，其特征是所述的空气微磨料两相流管道（9）的一端通过第一螺纹接头（6）与液氮微磨料混合器（18）的空气微磨料两相流管道螺纹接口（21）螺旋相连，它的另一端与微磨料-空气两相混合器（10）相连。

5.根据权利要求1所述的医用聚合物材料微加工用超低温微磨料气射流加工装置，其特征是所述的液氮微磨料混合器（18）中的两路液氮射流通道（20）之间的夹角大小为，以防止两路液氮射流在交互区域产生回流区而导致空气微磨料两相流的反喷现象，实现整个液氮微磨料混合系统的流畅性，保证液氮与磨料在液氮微磨料混合腔（23）内进行有效混合。

6.根据权利要求1所述的医用聚合物材料微加工用超低温微磨料气射流加工装置，其特征是所述的液氮微磨料混合器（18）采用奥氏体不锈钢材料进行制作，并对液氮磨料混合器（18）的液氮射流通道（20）与磨料气射流通道（22）的内壁进行碳化钨喷涂处理。

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