CN115121708A - 一种液压式流体冲击压印表面织构的装置及方法 - Google Patents

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CN115121708A CN202210656213.4A CN202210656213A CN115121708A CN 115121708 A CN115121708 A CN 115121708A CN 202210656213 A CN202210656213 A CN 202210656213A CN 115121708 A CN115121708 A CN 115121708A
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王璇
刘松林
黄卓
李旗
张惠
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Abstract

本发明公共开一种液压式流体冲击压印表面织构的装置及方法，属于薄板冲击成形技术领域。包括流压印装置与油液控制系统，所述流压印装包括上开口的样品底座，样品底座中间设有用以安装模板的凸台，模板上顺序设有样品和用以隔离油液的掩膜，样品底座的上开口内侧通过内螺纹连接有缸筒，缸筒下端外侧通过外螺纹与样品底座螺纹连接，缸筒与样品底座螺纹后缸筒的底端正好压在样品上的掩膜上表面；缸筒内设有上大下小的阶梯通孔，阶梯通孔内设有匹配的活塞，利用活塞油液控制系统控制活塞挤压油液压制放在在样品底座上的样品，其结构简单，方便快捷，能够实现纳米级极细图案在不同金属薄板表面加工。

Description

一种液压式流体冲击压印表面织构的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种液压式流体冲击压印表面织构的装置及方法，属于薄板冲击成形技术领域。
背景技术：
金属表面的织构制造属于精密加工，普遍认为织构尺寸在纳米级到毫米级的范围内。薄板类零件的表面织构在不同领域内有广泛应用，如在新能源电池极板表面、微机电系统中微执行器表面、微功能器件、医疗仿生表面、织构化减磨摩擦副表面、微传感器等领域中的应用。
目前零件表面织构制备方法主要有机械微切削、电刻蚀、光刻蚀、电火花加工、激光冲击压印、激光烧蚀加工等方法。机械微切削加工表面织构是利用微型刀具在零件表面加工出不同尺寸和形状的微结构，但该方法对刀具要求较高，加工效率较低，不易大面积大批量制备织构；电刻蚀加工方法是利用电极模板和电解液在零件表面制备织构，但电解效率较低，且产生电解废液；光刻蚀方法利用光刻胶和腐蚀液可在零件表面制备纳米尺度和微米尺度的微织构，但工艺流程复杂，不易大面积和大批量制备织构；电火花加工广泛应用在模具加工中，能够制备不同形状和尺寸的织构，但电火花加工放电过程较慢，加工的结构特征尺寸不能太小，仅能达到亚毫米级别；激光冲击压印利用脉冲激光产生的爆炸冲击波在金属表面制备纳米级到毫米级的织构，加工精度较高，但在硬度较高的金属表面难以加工较深的织构；激光烧蚀是利用激光束的热能烧蚀材料表面从而形成尺寸较小的微织构，激光烧蚀加工后，织构尺寸取决于激光光斑尺寸和烧蚀工艺，织构表面会残留一定的挂渣，该加工方法不适合高精度和大面积织构的制备。随表面织构的应用和推广，如何在零件表面高效、精确、环保、低成本制备大面积织构成为当前迫切需要解决的问题。
发明内容：
发明目的：针对现有技术的不足之处，提出一种液压式流体冲击压印表面织构的装置及方法，能够快速在金属薄板表面快速和精确的加工表面织构，提高了加工效率和质量。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明的一种液压式流体冲击压印表面织构的装置，包括流压印装置与油液控制系统，所述流压印装包括上开口的样品底座，样品底座中间设有用以安装模板的凸台，模板上顺序设有样品和用以隔离油液的掩膜，样品底座的上开口内侧通过内螺纹连接有缸筒，缸筒下端外侧通过外螺纹与样品底座螺纹连接，缸筒与样品底座螺纹后缸筒的底端正好压在样品上的掩膜上表面；缸筒内设有上大下小的阶梯通孔，阶梯通孔内设有匹配的活塞，缸筒顶部设有端盖，端盖上设有与活塞连接的位移传感器；
缸筒位于底座上方开有便于观测样品压印效果的楔形孔，楔形孔内设有高强度玻璃，高强度玻璃处设有用于记录的高速摄像机；
活塞包括与阶梯通孔小孔部分匹配的细活塞，以及与阶梯通孔大孔部分匹配的活塞帽，活塞将缸筒内的阶梯通孔分割为加载腔、中部腔、上腔，其中加载腔为阶梯通孔底部到细活塞杆底部端面的空间，中部腔为活塞帽下方到阶梯通孔的孔肩之间的空间，上腔为活塞帽顶部至端盖下方的空间；
活塞的上腔靠近顶部侧壁设有出油口，缸筒的加载腔底部侧壁设有进油口，缸筒的中部腔位于阶梯通孔的孔肩处开有防止缸筒中部困液的油口，缸筒顶部出油口上设有上腔压力传感器，缸筒顶部进油口设有加载腔压力传感；
所述油液控制系统包括电磁换向阀，电磁换向阀的进油口与缸筒顶部出油口管路连接，电磁换向阀的出油口通过逆向设置的单向阀与缸筒底部的进油口管路连接，缸筒底部进油口与单向阀之间连接有与油箱连接的比例溢流阀B，电磁换向阀的回油口与油箱连接，电磁换向阀的压力油口分别通过液压泵站以及比例溢流阀A与油箱连接；位移传感器、电磁换向阀、比例溢流阀A分给通过控制器连接有计算机，高速摄像机直接与计算机连接。
进一步，所述的高速摄像机通过高强度玻璃观测油液在模板上冲压样品的变形过程，冲击过程中样品(的材料应变速率越大，越能够改善材料变形后的性能。
进一步，所述的活塞与缸筒为间隙配合，存在微小间隙，方便上腔高压时快速使活塞向下移动增大活塞响应，活塞的运动单纯的靠上腔压力流体推动而运动，活塞的上下腔压力通过上腔压力传感器、加载腔压力传感器测量，所述的活塞运动速度通过位移传感器测量。
进一步，所述的掩膜为透明橡胶材料，具有防止加载腔流体泄漏的作用，同时由于掩膜透明，不影响高速摄像机观测样品变形过程。
进一步，所述的样品为延展性好的金属箔，包括黄铜、紫铜、铝、不锈钢、钛和碳钢，通过模板上的织构形状压印到样品的表面，样品的表面织构的变形深度h可以通过加载腔流体冲击压力和冲击次数控制。
进一步，所述的活塞的活塞帽直径和细活塞杆直径比值为2:1，从而液压泵站压力作用下使活塞上下腔压力比值为1:4；样品小于加载腔直径。
一种液压式流体冲击压印表面织构方法，其步骤如下：
根据需要印制的花纹选择模板，将模板放在样品底座上，并在模板上先后设置金属箔和掩膜，之后将缸筒通过螺纹与样品底座连接，并使缸筒底部与掩膜密封扣合以防止液压油外泄；
向加载腔注满油液，之后向加载腔注入油液，然后向加载腔加压从而推动活塞向下挤压加载腔流体而使之产生高压力，加载腔流体挤压模板上方的金属箔，在金属箔表面产生变形，从而实现金属箔表面产生塑性，将模板表面的织构转印到金属箔表面形成样品；样品表面压印的微结构其深度通过活塞冲击次数和冲击压力控制，利用高速摄像机动态观测冲击过程中样品表面的变形速率。
具体步骤为：
a、首先将模板、样品、掩膜表面涂覆一层润滑脂，而后依次安装在样品底座上，样品底座通过螺纹与缸筒连接，样品底座与缸筒将模板、样品、掩膜紧紧挤压在一起；
b、连接好缸筒和样品底座，开启高速摄像机并调整其焦距观测样品、掩膜表面，开启计算机，将高速摄像机观测到的图像显示在计算机上；
c、开启液压泵站，调整比例溢流阀A的溢流压力，调整比例溢流阀A的溢流压力从而设置冲击压印的加载腔流体压力，控制器通过控制电磁换向阀使液压泵站输出的压力流体进入活塞的上腔，活塞受液压力快速向下运动，加载腔内的加载腔流体的压力迅速升高并冲击样品使之变形产生表面织构；
d、工作中控制器采集位移传感器、上腔压力传感器、加载腔压力传感器测量的信号并显示在计算机上；
e、控制器通过控制电磁换向阀控制液压泵站输出压力流体进入活塞的加载腔，活塞上移，加载腔流体的压力卸载；
f、重复步骤c、d和e，对样品实施不同冲击次数，调整比例溢流阀A设置每次冲击压印的加载腔流体压力，通过调整对样品冲击压印的压力和冲击次数从而调控表面织构的成形深度；
g、对样品冲击压印完成后，关闭液压泵站和高速摄像机，将样品、掩膜、模板取下并在酒精中清洗，完成样品表面织构的流体冲击压印。
进一步，电磁换向阀有三个位置状态，用于控制活塞的加载腔与上腔的压力切换，当电磁换向阀左位工作时液压泵站的高压油液进入活塞的上腔，液压泵站出口的压力通过比例溢流阀A设置，即设置活塞上腔的压力，而此时活塞加载腔压力较高，单向阀防止冲击压印时加载腔的压力流体冲击电磁换向阀；当电磁换向阀中位工作时，此时电磁换向阀不工作，活塞的上下腔均无压力；当电磁换向阀右位工作时，液压泵站的高压油液打开单向阀进入活塞的加载腔推动其向上运动，活塞上腔的流体通过电磁换向阀流回油箱。
进一步，通过调节比例溢流阀A设置活塞上腔压力，同时在压力过高时产生溢流，对液压系统的起保护作用；利用比例溢流阀B加载冲击压印时设置加载腔压力，在加载腔压力需要倍压力时，可将比例溢流阀B溢流压力设置超过冲击压力；同时加载腔压力过高时会产生溢流而产生保护作用；通过单向阀防止冲击压印时加载腔的压力流体冲击电磁换向阀。
有益效果：本装置能够实现在金属薄板表面快速加工织构，结构简单，方便快捷，通过控制加载腔流体压力和冲击次数可控制金属薄板表面的织构的变形深度，能够实现纳米级极细图案在不同金属薄板表面加工，加工织构为不同尺寸和形状，模板可以更换不同纹路并多次反复使用，模板上织构尺寸范围大，提高了织构加工的效率和稳定性。
附图说明：
图1为本发明的液压式流体冲击压印表面织构的装置结构示意图；
图2为本发明将金属箔设置在模板上形成样品表面织构成形的示意图；
图3为本发明样品表面微米级织构成形的示意图。
图中：1-样品底座，2-高速摄像机，3-高强度玻璃，4-缸筒，5-活塞，6-端盖，7-位移传感器，8-上腔压力传感器，9-电磁换向阀，10-比例溢流阀A，11-液压泵站，12-控制器，13-计算机，14-比例溢流阀B，15-单向阀，16-加载腔压力传感器，17-加载腔流体，18-掩膜，19-样品，20-模板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种液压式流体冲击压印表面织构的装置，包括样品底座1，样品底座1上依次安装模板20、样品19、掩膜18、缸筒4，样品底座1与缸筒4通过螺纹连接成整体，同时将模板20、样品19、掩膜18压紧在缸筒4和样品底座1之间，模板20、样品19、掩膜18表面涂覆润滑脂防止界面摩擦过大，高强度玻璃3安装在缸筒4的楔形孔内，活塞5安装在缸筒4内，活塞5下端与缸筒4组成的容积为加载腔，位移传感器7安装在活塞5的底部，端盖6安装在缸筒4顶部，缸筒4的顶部和底部的油口与液压管相连，缸筒4中部加工有一油口，用于防止缸筒4中部困液，电磁换向阀9的进口与液压泵站11出口相连、电磁换向阀9的出口与缸筒4顶部油口和单向阀15相连，单向阀15的另一端与缸筒4底部的油口连接，缸筒4的顶部油口和底部油口分别与上腔压力传感器8和加载腔压力传感器16连接，比例溢流阀A10设在液压泵站11出口处，用于设置液压系统工作压力，比例溢流阀B14设置缸筒4底部的油口处，用于设置样品19的冲击成形压力，电磁换向阀9两侧的电磁铁、比例溢流阀A10、比例溢流阀B14、位移传感器7、上腔压力传感器8、加载腔压力传感器16均与控制器12相连，所述的高速摄像机2设置在缸筒4的侧面，通过高强度玻璃(3)观测样品19冲击变形过程，同时高速摄像机2与计算机13相连，并将采集的图像显示在计算机13上。
进一步的，所述的活塞5的大端直径和小端直径比值为2:1，从而液压泵站压力作用下使活塞5上下腔压力比值为1:4，工作时在加载腔内起到增压作用，在流体冲击压印过程中样品19表面形成更大的加载压力。
所述的样品19可以为黄铜、紫铜、铝、不锈钢、钛和碳钢材质的金属薄板。
所述的模板20表面的织构形状可以为圆孔、正方形孔和条形沟槽，其中在毫米级织构压印时织构尺寸d1代表圆形孔织构的直径、正方形孔织构的边长、条形沟槽的宽度；在微米级织构压印时d2代表圆形孔织构的直径、正方形孔织构的边长、条形沟槽的宽度。
如图2所示，在样品19表面进行毫米级织构压印时，样品19的原始厚度与模板20上织构尺寸d1的比值要小于0.2，且样品19的原始厚度要小于0.5mm；样品19的变形深度h可通过加载腔流体17的压力和冲击次数控制；进一步的，所述的毫米级织构压印时，模板20上的织构尺寸d1大于1mm且小于加载腔直径D1。
如图3所示，在样品19表面进行微米级织构压印时，样品19的原始厚度与模板20上织构尺寸d2的比值要小于0.5，且样品19的原始厚度小于100μm，通过控制加载腔流体17的压力和冲击次数可实现在样品19表面加工不同深度h1的表面织构；进一步的，所述的微米级织构压印时，模板20上的织构尺寸d2大于30μm且小于1mm。
一种液压式流体冲击压印表面织构的方法，其工作过程的步骤为：
a)首先将模板20、样品19、掩膜18表面涂覆一层润滑脂，而后依次安装在样品底座1上，样品底座1通过螺纹与缸筒4连接，样品底座1与缸筒4将模板20、样品19、掩膜18紧紧挤压在一起；
b)开启高速摄像机2并调整其焦距观测样品19和掩膜18表面，开启计算机13，将高速摄像机2观测到的图像显示在计算机13上；
c)开启液压泵站11，调整比例溢流阀A10的溢流压力，调整比例溢流阀A14的溢流压力从而设置冲击压印的加载腔流体压力，控制器12控制电磁换向阀9的左侧电磁铁得电，电磁换向阀9左位，液压泵站11输出的压力流体进入活塞5的上腔，活塞5受液压力快速向下运动，加载腔流体15的压力迅速升高并冲击样品19使之变形产生表面织构；
d)工作中控制器12采集位移传感器7、上腔压力传感器8、加载腔压力传感器16测量的信号并显示在计算机13上；
e)控制器12控制电磁换向阀9右侧电磁铁得电，电磁换向阀9右位，液压泵站11输出压力流体进入活塞5的加载腔，活塞5上移，加载腔流体17的压力卸载；
f)重复步骤c)、d)和e)，可实现对样品19的不同冲击次数，调整比例溢流阀A14可设置每次冲击压印的加载腔流体压力，通过调整对样品19冲击压印的压力和冲击次数从而调控表面织构的成形深度；
g)冲击完成后，关闭液压泵站11和高速摄像机2，将样品19、掩膜18、模板20取下并在酒精中清洗，完成样品19表面织构的流体冲击压印。

Claims (10)

1.一种液压式流体冲击压印表面织构的装置，其特征在于：包括流压印装置与油液控制系统，所述流压印装包括上开口的样品底座(1)，样品底座(1)中间设有用以安装模板(20)的凸台，模板(20)上顺序设有样品(19)和用以隔离油液的掩膜(19)，样品底座(1)的上开口内侧通过内螺纹连接有缸筒(4)，缸筒(4)下端外侧通过外螺纹与样品底座(1)螺纹连接，缸筒(4)与样品底座(1)螺纹后缸筒(4)的底端正好压在样品(19)上的掩膜(18)上表面；缸筒(4)内设有上大下小的阶梯通孔，阶梯通孔内设有匹配的活塞(5)，缸筒(4)顶部设有端盖(6)，端盖(6)上设有与活塞(5)连接的位移传感器(7)；
缸筒(4)位于底座(1)上方开有便于观测样品(19)压印效果的楔形孔，楔形孔内设有高强度玻璃(3)，高强度玻璃(3)处设有用于记录的高速摄像机(2)；
活塞(5)包括与阶梯通孔小孔部分匹配的细活塞，以及与阶梯通孔大孔部分匹配的活塞帽，活塞(5)将缸筒(4)内的阶梯通孔分割为加载腔、中部腔、上腔，其中加载腔为阶梯通孔底部到细活塞杆底部端面的空间，中部腔为活塞帽下方到阶梯通孔的孔肩之间的空间，上腔为活塞帽顶部至端盖(6)下方的空间；
活塞(5)的上腔靠近顶部侧壁设有出油口，缸筒(4)的加载腔底部侧壁设有进油口，缸筒(4)的中部腔位于阶梯通孔孔肩部处开有防止缸筒(4)中部困液的油口，缸筒(4)顶部出油口上设有上腔压力传感器(8)，缸筒(4)顶部进油口设有加载腔压力传感(16)，
所述油液控制系统包括电磁换向阀(9)，电磁换向阀(9)的进油口与缸筒(4)顶部出油口管路连接，电磁换向阀(9)的出油口通过逆向设置的单向阀(15)与缸筒(4)底部的进油口管路连接，缸筒(4)底部进油口与单向阀(15)之间连接有与油箱连接的比例溢流阀B(14)，电磁换向阀(9)的回油口与油箱连接，电磁换向阀(9)的压力油口分别通过液压泵站(11)以及比例溢流阀A(10)与油箱连接；位移传感器(7)、电磁换向阀(9)、比例溢流阀A(10)分给通过控制器(12)连接有计算机(13)，高速摄像机(2)直接与计算机(13)连接。
2.根据权利要求1中所述的一种液压式流体冲击压印表面织构的装置，其特征在于：所述的高速摄像机(2)通过高强度玻璃(3)观测油液在模板(20)上冲压样品(19)的变形过程，冲击过程中样品(19的材料应变速率越大，越能够改善材料变形后的性能。
3.根据权利要求1中所述的一种液压式流体冲击压印表面织构的装置，其特征在于：所述的活塞(5)与缸筒(4)为间隙配合，存在微小间隙，方便上腔高压时快速使活塞向下移动增大活塞(5)响应，活塞(5)的运动单纯的靠上腔压力流体推动而运动，活塞(5)的上下腔压力通过上腔压力传感器(8)、加载腔压力传感器(16)测量，所述的活塞(5)运动速度通过位移传感器(7)测量。
4.根据权利要求1中所述的一种液压式流体冲击压印表面织构的装置，其特征在于：所述的掩膜(18)为透明橡胶材料，具有防止加载腔流体泄漏的作用，同时由于掩膜(18)透明，不影响高速摄像机(2)观测样品(19)变形过程。
5.根据权利要求1中所述的一种液压式流体冲击压印表面织构的装置，其特征在于：所述的样品(19)为延展性好的金属箔，包括黄铜、紫铜、铝、不锈钢、钛和碳钢，通过模板(20)上的织构形状压印到样品(19)的表面，样品(19)的表面织构的变形深度h可以通过加载腔流体冲击压力和冲击次数控制。
6.根据权利要求1中所述的一种液压式流体冲击压印表面织构的装置，其特征在于：所述的活塞(5)的活塞帽直径和细活塞杆直径比值为2:1，从而液压泵站压力作用下使活塞(5)上下腔压力比值为1:4；样品(19)小于加载腔直径。
7.一种使用上述权利要求1-6中任一一条权利要求所述液压式流体冲击压印表面织构装置的织构方法，其特征在于步骤如下：
根据需要印制的花纹选择模板(20)，将模板(20)放在样品底座上，并在模板(20)上先后设置金属箔和掩膜(18)，之后将缸筒(4)通过螺纹与样品底座(1)连接，并使缸筒(4)底部与掩膜(18)密封扣合以防止液压油外泄；
向加载腔注满加载腔流体(15)，然后向加载腔加压从而推动活塞(5)向下挤压加载腔流体(17)而使之产生高压力，加载腔流体(17)挤压模板(20)上方的金属箔，在金属箔表面产生变形，从而实现金属箔表面产生塑性，将模板(20)表面的织构转印到金属箔表面形成样品(19)；样品(19)表面压印的微结构其深度通过活塞(5)冲击次数和冲击压力控制，利用高速摄像机(2)动态观测冲击过程中样品(19)表面的变形速率。
8.根据权利要求7所述织构方法，其特征在于具体步骤为：
a、首先将模板(20)、样品(19)、掩膜(18)表面涂覆一层润滑脂，而后依次安装在样品底座(1)上，样品底座(1)通过螺纹与缸筒(4)连接，样品底座(1)与缸筒(4)将模板(20)、样品(19)、掩膜(18)紧紧挤压在一起；
b、连接好缸筒(4)和样品底座(1)，开启高速摄像机(2)并调整其焦距观测样品(19)、掩膜(18)表面，开启计算机(13)，将高速摄像机(2)观测到的图像显示在计算机(13)上；
c、开启液压泵站(11)，调整比例溢流阀A(10)的溢流压力，调整比例溢流阀A(14)的溢流压力从而设置冲击压印的加载腔流体压力，控制器(12)通过控制电磁换向阀(9)使液压泵站(11)输出的压力流体进入活塞(5)的上腔，活塞(5)受液压力快速向下运动，加载腔内的加载腔流体(17)的压力迅速升高并冲击样品(19)使之变形产生表面织构；
d、工作中控制器(12)采集位移传感器(7)、上腔压力传感器(8)、加载腔压力传感器(16)测量的信号并显示在计算机(13)上；
e、控制器(12)通过控制电磁换向阀(9)控制液压泵站(11)输出压力流体进入活塞(5)的加载腔，活塞(5)上移，加载腔流体(17)的压力卸载；
f、重复步骤c、d和e，对样品(19)实施不同冲击次数，调整比例溢流阀A(14)设置每次冲击压印的加载腔流体压力，通过调整对样品(19)冲击压印的压力和冲击次数从而调控表面织构的成形深度；
g、对样品(19)冲击压印完成后，关闭液压泵站(11)和高速摄像机(2)，将样品(19)、掩膜(18)、模板(20)取下并在酒精中清洗，完成样品(19)表面织构的流体冲击压印。
9.根据权利要求7所述织构方法，其特征在于：电磁换向阀(9)有三个位置状态，用于控制活塞(5)的加载腔与上腔的压力切换，当电磁换向阀(9)左位工作时液压泵站(11)的高压油液进入活塞(5)的上腔，液压泵站(11)出口的压力通过比例溢流阀A(10)设置，即设置活塞(5)上腔的压力，而此时活塞(5)加载腔压力较高，单向阀(15)防止冲击压印时加载腔的压力流体冲击电磁换向阀(9)；当电磁换向阀(9)中位工作时，此时电磁换向阀(9)不工作，活塞(5)的上下腔均无压力；当电磁换向阀(9)右位工作时，液压泵站(11)的高压油液打开单向阀(15)进入活塞(5)的加载腔推动其向上运动，活塞(5)上腔的流体通过电磁换向阀(9)流回油箱。
10.根据权利要求7所述织构方法，其特征在于：通过调节比例溢流阀A(10)设置活塞(5)上腔压力，同时在压力过高时产生溢流，对液压系统的起保护作用；利用比例溢流阀B(14)加载冲击压印时设置加载腔压力，在加载腔压力需要4倍压力时，可将比例溢流阀B(14)溢流压力设置超过冲击压力；同时加载腔压力过高时会产生溢流而产生保护作用；通过单向阀(15)防止冲击压印时加载腔的压力流体冲击电磁换向阀(9)。
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