CN113042289A - 一种混合固化的静电喷雾制备微结构磨具的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合固化的静电喷雾制备微结构磨具的方法及装置，属于精密与超精密加工领域，装置包括静电喷雾单元、紫外光固化单元以及微波固化单元。利用静电喷雾技术，将溶液雾化沉积在微结构工件表面，采用紫外光‑微波混合固化得到微结构磨具，解决了传统制备微结构磨具过程复杂的问题。紫外光‑微波混合固化成型体系效率高、均匀性好，克服了光固化成型物理力学性能较差、热固化成型效率低的缺点。平台搭建方便，工艺过程简单。

Description

一种混合固化的静电喷雾制备微结构磨具的方法及装置
技术领域
本发明属于精密与超精密加工技术领域，涉及一种混合固化的静电喷雾制备微结构磨具的方法及装置。
背景介绍
静电喷雾技术是一个在电场作用下，液滴射流破碎成细小液滴的技术。其实质是电场产生的库仑力克服液体的表面张力，使液滴分散成均匀尺寸细小雾滴的过程。在一般情况下，该技术可以在正常环境温度和大气压力下应用。利用静电喷雾制备微结构磨具的技术，将制备的溶液雾化沉积到形态可控的微结构工件上，通过静电喷雾光固化工艺，可得到微结构磨具。
其中，静电喷雾光固化工艺对沉积在微结构工件的雾滴进行紫外光照射，使光固化树脂发生固化反应，形成微结构磨具。这种成型方法固化速度快，但是固化形成微结构磨具的物理力学性能不足，强度和硬度都较低。在光固化成型工艺的基础上加入热固化成型工艺，从而形成紫外光-热固化体系，成型的微结构磨具的拉伸强度、弯曲强度等机械性能会有明显提升。但是，热固化成型时间较长。用微波固化工艺来代替常规热固化工艺，利用0.3-300GHz的电磁波，使分子剧烈运动与碰撞而产生热量进行热固化反应，使微结构磨具的机械性能提高，缩短固化时间，提高固化效率。
发明内容
为了解决上述的问题，本发明公开了一种混合固化的静电喷雾制备微结构磨具的方法及装置。以实现微结构磨具物理机械性能、加工效率、均匀性提高等效果。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种混合固化的静电喷雾制备微结构磨具的装置，包括静电喷雾单元、紫外光固化单元以及微波固化单元。
所述的静电喷雾单元包括喷嘴，喷嘴下方安装有环形电极，环形电极连接在环形电极移动导轨上；输液管Ⅰ的一端与喷嘴相连，另一端与液压泵相连，喷嘴通过喷嘴夹具连接在喷嘴移动导轨上，输液管Ⅱ的一端与储液桶相连，另一端与液压泵相连；电极线Ⅰ的一端与喷嘴相连，另一端与高压静电发生器的负极相连，电极线Ⅱ的一端与环形电极相连，另一端与高压静电发生器的正极相连。
所述的紫外光固化单元包括环形紫外灯以及环形紫外灯升降装置，环形紫外灯升降装置固定端与微波腔体内壁相连，环形紫外灯升降装置活动端与环形紫外灯相连。
所述的微波固化单元包括为微波发生装置Ⅰ和微波发生装置Ⅱ，其中，在微波发生装置Ⅰ中，微波发生器Ⅰ通过固定螺钉Ⅰ连接在转盘Ⅰ上，转盘Ⅰ通过轴承Ⅰ与微波腔体Ⅰ相连接，端盖Ⅰ通过端盖螺钉Ⅰ固定在微波腔体Ⅰ外壁上，小齿轮Ⅰ安装在转盘旋转电机Ⅰ的输出轴上，小齿轮Ⅰ与转盘Ⅰ上的外齿啮合传动，微波发生装置Ⅱ与微波发生装置Ⅰ在结构上左右对称，微波腔体同微波腔体门通过销连接，截止波导安装在微波腔体上表面。
进一步的改进，所述的喷嘴以及环形电极可通过喷嘴导轨和环形电极导轨进行升降，方便安装，环形紫外灯升降装置采用电动推杆的形式，更好将环形紫外光聚焦到微结构工件表面。
进一步的改进，转盘上的波导采用矩形波导，根据微波的频率和工况情况，计算矩形波导的尺寸。
进一步的改进，所述微波腔体上部空心圆柱体为截止波导，喷出的液滴通过截止波导进入微波腔体，防止微波在喷雾进入口发生泄露，截止波导的截止频率为工作微波频率的5倍。
进一步的改进，在微波腔体门与微波腔体接触处采用1/4波长的波导槽抑制器来抑制微波泄露。
进一步的改进，在微波腔体对称的两边，微波发生器Ⅰ固定在转盘Ⅰ上，微波发生器Ⅱ固定在转盘Ⅱ上，通过转盘Ⅰ和转盘Ⅱ的旋转，带动微波发生器Ⅰ和微波发生器Ⅱ实现非同步的转动，改变发出微波的相位，提高固化加热的均匀性和效率。
一种混合固化的静电喷雾制备微结构磨具的方法，包括如下步骤：
步骤一、将固化树脂以及其他的溶剂混合在一起制成均匀的静电光热固化混合溶液，并存储于储液桶中；
步骤二、将喷嘴固定在喷嘴夹具上，并将喷嘴夹具安装在喷嘴移动导轨上，把环形电极安装在环形电极移动导轨上，通过调节环形电极移动导轨与喷嘴移动导轨调节距离；
步骤三、调节微结构升降平台来调整微结构工件到环形电极的距离，通过调节环形紫外灯升降装置调整环形紫外灯到微结构工件的焦距；
步骤六、打开环形紫外灯、微波发生器Ⅰ和微波发生器Ⅱ电源，启动转盘旋转电机Ⅰ和转盘旋转电机Ⅰ，使转盘Ⅰ和Ⅱ以及微波发生器Ⅰ和微波发生器Ⅱ缓慢旋转；
步骤七、启动高压静电发生器和液压泵，将静电光热固化混合溶液通过液压泵注入喷嘴的液体通道，从喷嘴口喷出，在环形电极高压静电的作用下，喷出液体变成微小雾滴，沉积在微波腔体内的微结构工件表面上；
步骤八、关闭液压泵、高压静电发生器、环形紫外灯、微波发生器Ⅰ、微波发生器Ⅱ、转盘旋转电机Ⅰ和转盘旋转电机Ⅱ。
可选的，所选光热双重固化树脂为丙烯基环氧树脂，光引发剂为α-羟基异丁酰苯或二烷氧基苯乙酮，稳定剂为3-巯基丙酸，热促进剂为三乙胺或聚醚胺，四者的质量分数分别为42％～46％，41％～44％，3％～6％，4％～7％，磨料为金刚石、二氧化硅或碳化硅中的一种，经过超声处理，得到均匀的静电光热固化混合溶液。
可选的，所述喷嘴的内径为0.3mm～1mm，所述电极为金属圆环，内径为15mm～35mm。
可选的，所述高压静电发生器的电压调节范围为-8kV～0kV，所用微波的频率为915MHz或2450MHz。
可选的，所述的转盘旋转电机的转速为660r/min～720r/min，且二者的速度不同步。
与现有的技术相比，本发明取得了以下有益效果：
(1)紫外光-微波混合固化成型克服光固化力学性能较差的缺点，提高微结构磨具的物理机械性能；
(2)紫外光-微波混合固化成型克服了热固化成型时间长的缺点，提高固化效率；
(3)此平台搭建方便、操作方便。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
附图说明
图1是本发明的实施例的整体结构示意图；
图2是本发明的实施例的原理示意图；
图3是微结构的示意图；
图4是环形紫外灯升降装置示意图；
图5是转盘结构示意图；
图6是静电喷雾示意图；
图7是微波发生器旋转装置的示意图；
其中：
1-静电喷雾单元
101-电极线Ⅰ、102-电极线Ⅱ、103-高压静电发生器、104-环形电极移动导轨、105-环形电极、106-喷嘴、107-喷嘴夹具、108-喷嘴移动导轨、109-输液管Ⅰ、110-液压泵、111-输液管Ⅱ、112-储液桶、113-微结构工件、114-微结构升降平台、115-雾化液滴、116-脱模剂、117-静电光热固化混合溶液、118-光热双重固化树脂、119-光引发剂、120-稳定剂、121-磨粒、122-热促进剂
2紫外光固化单元
201-环形紫外灯、202-环形紫外灯升降装置、20201-环形紫外灯升降装置活动端、20202-环形紫外灯升降装置固定端、203-紫外光、204-紫外灯灯泡
3微波固化单元
301-微波发生装置Ⅰ、302-微波腔体、303-微波腔体门、304-销、305-微波发生装置Ⅱ、306-微波、307-截止波导、308-波导槽抑制器
301-微波发生装置Ⅰ包括：
30101-微波发生器Ⅰ、30102-固定螺钉Ⅰ、30103-转盘Ⅰ、30104-转盘旋转电机Ⅰ、30105-端盖Ⅰ、30106-端盖螺钉Ⅰ、30107-轴承Ⅰ、30108-小齿轮Ⅰ
305-微波发生装置Ⅱ包括：
30501-微波发生器Ⅱ、30502-固定螺钉Ⅱ、30503-转盘Ⅱ、30505-转盘旋转电机Ⅱ、30505-端盖Ⅱ、30506-端盖螺钉Ⅱ、30507-轴承Ⅱ、30508-小齿轮Ⅱ
具体实施方式
下面对本发明的实施例进行详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
所述的一种混合固化的静电喷雾制备微结构磨具的装置，包括静电喷雾单元1、紫外光固化单元2、微波固化单元3。
所述的静电喷雾单元1包括电极线Ⅰ101、电极线Ⅱ102、高压静电发生器103、环形电极移动导轨104、环形电极105、喷嘴106、喷嘴夹具107、喷嘴移动导轨108、输液管Ⅰ109、液压泵110、输液管Ⅱ111、储液桶112、微结构工件113、微结构升降平台114，输液管Ⅱ111的一端与储液桶112相连，另一端与液压泵110相连，输液管Ⅰ109的一端与喷嘴106相连，另一端与液压泵110相连，喷嘴106固定在喷嘴夹具107上，而喷嘴夹具107安装在喷嘴移动导轨108上，环形电极105安装在环形电极移动导轨104上，电极线Ⅰ101的一端与喷嘴106相连，另一端与高压静电发生器103的负极相连，电极线Ⅱ102的一端与环形电极相连，另一端与高压静电发生器103的正极相连。
所述的紫外光固化单元2包括环形紫外灯201、环形紫外灯升降装置202，环形紫外灯201通过螺纹与环形紫外灯升降装置活动端20201连接，环形紫外灯升降装置固定端20202与微波腔体302通过螺纹连接，从而实现环形紫外灯201升降来实现聚焦。
所述的微波固化单元3包括微波发生装置Ⅰ301、微波腔体302、微波腔体门303、销304、微波发生装置Ⅱ305，其中，微波发生装置Ⅰ301有微波发生器Ⅰ30101、固定螺钉Ⅰ30102、转盘Ⅰ30103、转盘旋转电机Ⅰ30104、端盖Ⅰ30105、端盖螺钉Ⅰ30106、轴承Ⅰ30107、小齿轮Ⅰ30108，微波发生装置Ⅱ305有微波发生器Ⅰ30501、固定螺钉Ⅰ30502、转盘Ⅰ30503、转盘旋转电机Ⅰ30504、端盖Ⅰ30505、端盖螺钉Ⅰ30506、轴承Ⅰ30507、小齿轮Ⅰ30508；在微波发生器Ⅰ301中，转盘Ⅰ30103通过轴承Ⅰ30107安装在微波腔体302上，小齿轮Ⅰ30108安装在转盘旋转电机Ⅰ30104上，并与转盘Ⅰ30103上的齿相啮合，通过端盖螺钉Ⅰ30106将端盖Ⅰ30105与微波腔体302固定，微波发生器Ⅰ30101通过固定螺钉Ⅰ30102与转盘Ⅰ30103连接，微波发生装置Ⅱ305与微波发生装置Ⅰ301在结构上左右对称；微波腔体门303通过销304连接在微波腔体302上，截止波导307安装在微波腔体302上表面。
所述的一种混合固化的静电喷雾制备微结构的方法，其特征在于，制备方法包括如下步骤：
步骤一、静电光热混合前驱体溶液的配制，所选光热双重固化树脂为丙烯基环氧树脂，质量分数45％，稳定剂为3-巯基丙酸，质量分数44％，光引发剂为α-羟基异丁酰苯，质量分数6％，热促进剂为三乙胺，质量分数5％，加入金刚石磨料的粒径为w10，混合溶液超声处理20分钟，制成100ml均匀的静电光热固化混合溶液，存储在储液桶112中；
步骤二、将外径1mm,内径0.75mm的喷嘴106安装在喷嘴夹具107上，喷嘴夹具107安装在喷嘴移动导轨108上，环形电极105安装在环形电极移动导轨104上；
步骤三、调节微结构升降平台114调整微结构工件113到环形电极105的距离为50mm，通过调节环形紫外灯升降装置202调整环形灯201到微结构工件113的焦距为20mm；
步骤四、输液管Ⅰ109的一端与喷嘴106相连，另一端与液压泵110相连，输液管Ⅱ111的一端与储液桶112相连，另一端与液压泵110相连；
步骤五、电极线Ⅰ101的一端与喷嘴106相连，另一端与高压静电发生器103的负极相连，电极线Ⅱ102的一端与环形电极105相连，另一端与高压静电发生器103的正极相连；
步骤六、打开环形紫外灯201电源，打开微波发生器Ⅰ30101和微波发生器Ⅱ30501电源，工作频率在2450MHz，启动转盘旋转电机Ⅰ30104和转盘旋转电机Ⅱ30504，使转盘Ⅰ30103以660r/min带动微波发生器Ⅰ30101旋转，使转盘Ⅱ30503以720r/min带动微波发生器Ⅱ30501旋转；
步骤七、启动高压静电发生器103，设置电压为-6kV，液压泵110以100ml/min的流量将光热静电混合液注入喷嘴106的液体通道中内，混合液从喷嘴106中喷出，在环形电极105高压静电的作用下，喷出液体变成微小液滴，沉积在微波腔体内的微结构工件113表面上；
步骤八、关闭液压泵110、高压静电发生器103、环形紫外灯201、微波发生器Ⅰ30101、微波发生器Ⅱ30501、转盘旋转电机Ⅰ30104和转盘旋转电机Ⅱ30504。
上述实施例阐明的内容应当理解为该实施例仅用于更清楚地说明本发明，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要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种混合固化的静电喷雾制备微结构磨具的装置，其特征在于，包括静电喷雾单元、紫外光固化单元以及微波固化单元；
所述的静电喷雾单元包括喷嘴，喷嘴下方安装有环形电极，环形电极连接在环形电极移动导轨上；输液管Ⅰ的一端与喷嘴相连，另一端与液压泵相连，喷嘴通过喷嘴夹具连接在喷嘴移动导轨上，输液管Ⅱ的一端与储液桶相连，另一端与液压泵相连；电极线Ⅰ的一端与喷嘴相连，另一端与高压静电发生器的负极相连，电极线Ⅱ的一端与环形电极相连，另一端与高压静电发生器的正极相连；
所述的紫外光固化单元包括环形紫外灯以及环形紫外灯升降装置，环形紫外灯升降装置固定端与微波腔体内壁相连，环形紫外灯升降装置活动端与环形紫外灯相连；
所述的微波固化单元包括为微波发生装置Ⅰ和微波发生装置Ⅱ，其中，在微波发生装置Ⅰ中，微波发生器Ⅰ通过固定螺钉Ⅰ连接在转盘Ⅰ上，转盘Ⅰ通过轴承Ⅰ与微波腔体Ⅰ相连接，端盖Ⅰ通过端盖螺钉Ⅰ固定在微波腔体Ⅰ外壁上，小齿轮Ⅰ安装在转盘旋转电机Ⅰ的输出轴上，小齿轮Ⅰ与转盘Ⅰ上的外齿啮合传动，微波发生装置Ⅱ与微波发生装置Ⅰ在结构上左右对称，微波腔体同微波腔体门通过销连接，截止波导安装在微波腔体上表面。
2.如权利要求1所述的一种混合固化的静电喷雾制备微结构磨具的装置，其特征在于，转盘上的波导采用矩形波导，根据微波的频率和工况，计算矩形波导的尺寸。
3.如权利要求1所述的一种混合固化的静电喷雾制备微结构磨具的装置，其特征在于，所述微波腔体上部空心圆柱体为截止波导，喷出的雾滴通过截止波导进入微波腔体，防止微波在喷雾进入口发生泄露，截止波导的截止频率为工作微波频率的5倍。
4.如权利要求1所述的一种混合固化的静电喷雾制备微结构磨具的装置，其特征在于，在微波腔体门与微波腔体接触处采用1/4波长的波导槽抑制器来抑制微波泄露。
5.如权利要求1所述的一种混合固化的静电喷雾制备微结构磨具的装置，其特征在于，在微波腔体对称的两边，微波发生器Ⅰ固定在转盘Ⅰ上，微波发生器Ⅱ固定在转盘Ⅱ上，通过转盘Ⅰ和转盘Ⅱ的旋转，带动微波发生器Ⅰ和微波发生器Ⅱ实现非同步的转动，改变发出微波的相位，提高固化加热的均匀性和效率。
6.一种混合固化的静电喷雾制备微结构磨具的方法，其特征在于，包括如下的步骤：
步骤一、将固化树脂以及其他的溶剂混合在一起制成均匀的静电光热固化混合溶液，并存储于储液桶中；
步骤二、将喷嘴固定在喷嘴夹具上，并将喷嘴夹具安装在喷嘴移动导轨上，把环形电极安装在环形电极移动导轨上，通过调节环形电极移动导轨与喷嘴移动导轨调节距离；
步骤三、调节微结构升降平台来调整微结构工件到环形电极的距离，通过调节环形紫外灯升降装置调整环形紫外灯到微结构工件的焦距；
步骤六、打开环形紫外灯、微波发生器Ⅰ和微波发生器Ⅱ电源，启动转盘旋转电机Ⅰ和转盘旋转电机Ⅰ，使转盘Ⅰ和Ⅱ以及微波发生器Ⅰ和微波发生器Ⅱ缓慢旋转；
步骤七、启动高压静电发生器和液压泵，将静电光热固化混合溶液通过液压泵注入喷嘴的液体通道，从喷嘴口喷出，在环形电极高压静电的作用下，喷出液体变成微小雾滴，沉积在微波腔体内的微结构工件表面上；
步骤八、关闭液压泵、高压静电发生器、环形紫外灯、微波发生器Ⅰ、微波发生器Ⅱ、转盘旋转电机Ⅰ和转盘旋转电机Ⅱ。
7.如权利要求6所述的一种混合固化的静电喷雾制备微结构磨具的方法，其特征在于，所选光热双重固化树脂为丙烯基环氧树脂，光引发剂为α-羟基异丁酰苯或二烷氧基苯乙酮，稳定剂为3-巯基丙酸，热促进剂为三乙胺或聚醚胺，四者的质量分数分别为42％～46％，41％～44％，3％～6％，4％～7％，磨料为金刚石、二氧化硅或碳化硅中的一种，经过超声处理，得到均匀的静电光热固化混合溶液。
8.如权利要求6所述的一种混合固化的静电喷雾制备微结构磨具的方法，其特征在于，所述高压静电发生器的电压调节范围为-8kV～0kV，所述的转盘旋转电机的转速为660r/min～720r/min；所述微波的频率为915MHz或2450MHz。
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