一种金属材料表面纳米级形貌加工方法及装置

摘要

本发明公开了一种金属材料表面纳米级形貌加工方法及装置。目前没有软刀具向硬工件表面加工纳米级形貌的方法与装置。本发明针对待加工金属工件材料，选择不同材料的刀具；根据在金属工件上获得的预设纳米级形貌中刀具的分子或原子数量预设范围，调节超声振动装置的振动频率以及振幅；夹紧气缸带动夹具夹紧待加工金属工件；XY驱动台将金属工件的初始加工位置定位到刀具正下方；启动超声振动装置，使刀具在加工前微振动；工件移动平台和微量进给装置的配合运动，且微量进给装置按预设进给量进给，加工出金属工件的预设纳米级形貌。本发明利用软刀具向金属工件表面传质扩散成传质膜，从而改变工件表面能量梯度，不会对工件造成损害。

说明书

技术领域

本发明属于材料表面形貌的机械加工与制造技术领域，特别涉及一种金属材料表面纳米级形貌加工方法及装置。

背景技术

表面微纳结构的形貌在机械加工中有着重要的应用。微纳形貌有着优异的减摩性能，如一些表面结构的微孔(槽)结构有助于动压润滑油膜的形成，从而增加润滑减小摩擦。同时，微纳形貌具有一些超疏水或超亲水的性能，在金属自清洁，防腐蚀和耐磨损中有着重要的应用。当前微纳结构的表面形貌制造大致有物理和化学方法。其中物理方法包括简单的机械加工、激光光刻技术、表面喷丸、静电纺丝法等。化学方法包括电化学沉积法、水热合成法、气相沉积、酸碱刻蚀等。在这些方法中，简单机械加工的加工精度不是很高，而激光光刻技术、表面喷丸、静电纺丝法设备成本较高，且会在一定程度上改变工件的表面化学成分；而化学方法多为利用相应的化学试剂腐蚀，虽然工序和原料都较为简单，但是化学试剂会破坏工件的金相组织，且其刻蚀过程不易控制。

目前，在相关领域并没有软刀具向硬工件表面加工纳米级形貌的方法与装置，如申请专利号为201410075821.1(授权公告号为103817355A，授权公告日为2014年5月28日)的专利公开了一种精密或超精密车削加工用弯曲模式超声振动辅助切削装置。该装置主要由超声振动装置、外壳和刀具组成。其外壳为缩紧环结构，对超声振动装置的两处波节位置进行紧固，实现外壳长度可调，使其始终紧固在超声振动装置的波节位置。该装置加工效率高、装配环节少、刀片安装和卸载方便；该装置采用弯曲模式的超声振动辅助切削较好的减小了切削力、切削温度，刀具磨损等，提高了加工效率，可以形成较为精密的表面，但该装置一般适用于圆柱类的轴类零件，对于一些常见的矩形工件难以加工，使用范围受限。同时其振动采用弯曲模式，刀具采用金刚石等硬质刀具，会在一定程度上影响工件表面精度；申请专利号为201210366271.X(授权公告号为102873594A，授权公告日为2013年16日)的专利公开了一种高度可调的倾角式超声振动加工装置。该专利是一种固定磨粒超声椭圆振动的角度与高度可调，可提高加工效率的一种高度可调的倾角式超声振动加工装置。该装置采用磨料砂轮加工工件，其超声振子与弹簧座固定，弹簧座上装有两个弹簧，弹簧座与微动平台固定，微动平台固定在转轴的凹槽上。该装置结构简单，调整方便，通过传感器与微动平台调节磨料砂轮的高度，通过倾角旋转电机调节装置的角度，产生倾斜的椭圆振动，减小了工件表面损伤，保证了加工精度，提高了加工效果。但该装置使用的磨料砂轮较小，加工区域有限，且工件是固定在装置下方的，限制了刀具的加工范围，仅适用于一些较小零件，同时该机构是可调的倾角式装置，加工不够平稳。

发明内容

本发明针对目前各种金属材料表面微纳米级形貌加工制造较为困难的问题，提供一种更为精密的能保护工件表层的材料表面纳米级形貌的加工方法及装置。软刀具加工是一种新颖的加工方式，在目前的加工领域极少使用该加工方式，其使用的刀具硬度小于工件硬度，故不会对工件造成损害，而超声振动辅助切削将连续切削转换为高频低幅的断续切削，可实现精密加工。因此，将超声振动与软刀具结合应用于材料表面微形貌的形成对于一些难加工材料以及弱刚度材料的加工有着重要意义。

本发明一种金属材料表面纳米级形貌加工方法，具体如下：

步骤一、针对待加工金属工件的材料，选择不同材料的刀具。若待加工金属工件为钛合金，则选择硬木材料的刀具；若待加工金属工件为钢，则选择硬木、铝合金或铜材料的刀具。

步骤二、将待加工金属工件放置于工件平台上，夹紧气缸带动夹具夹紧待加工金属工件。

步骤三、调节超声振动装置的振动频率以及振幅。

步骤四、XY驱动台将金属工件的初始加工位置定位到刀具正下方；启动超声振动装置，使刀具在加工前振动。

步骤五、启动微量进给装置，刀具接触金属工件时停止微量进给装置。XY驱动台根据金属工件的预设纳米级形貌带动金属工件在X、Y方向上进给，同时再次启动微量进给装置按预设进给量进给，开始加工。要加工金属工件的预设纳米级形貌中下一个不连续位置时，微量进给装置复位并停止。

步骤六、重复步骤五，直到加工完金属工件的整个预设纳米级形貌。

进一步，若金属工件的材料为钛合金，则预设进给量为100nm～500nm；若金属工件的材料为钢，则预设进给量为500nm～1.0μm。

本发明一种金属材料表面纳米级形貌加工装置，主要由水平方向移动的工件移动平台、竖直方向移动的微量进给装置、超声振动装置和刀具组成。所述的工件移动平台包括XY驱动台、工件平台、工件夹具和夹紧气缸。所述的XY驱动台包括X向滚珠丝杠驱动装置和Y向滚珠丝杠驱动装置；工件夹具由夹紧气缸驱动；工件平台和夹紧气缸由XY驱动台同步驱动；所述的超声振动装置由微量进给装置实现竖直方向的微量进给，超声振动装置产生振动施加在刀具上。所述的刀具为硬木、铜或铝合金。

所述的工件平台两侧各设一个工件夹具和一个夹紧气缸，两个夹紧气缸同步启动或停止。

所述X向滚珠丝杠驱动装置和Y向滚珠丝杠驱动装置的行程均为200mm，定位精度均为0.02mm，重复定位精度为0.01mm；夹紧气缸的缸径为12mm，行程为10mm。

所述的微量进给装置采用Z向滚珠丝杠驱动装置，Z向滚珠丝杠驱动装置的每转进给量为100nm～1.0μm，X向滚珠丝杠驱动装置和Y向滚珠丝杠的每转进给量均为0.01mm～0.1mm。

所述的超声振动装置主要由超声波发生器、换能器和变幅杆组成；超声波发生器产生大于或等于1MHz的振动信号，经换能器转换为机械振动，再由变幅杆将振幅转换为1～100nm级振幅，并传递给刀具。

本发明的有益效果：

1、本发明是一种以软刀具(如硬木(即如檀木、橄榄乌木等硬度较高的木材)、铜(布氏硬度为110～130HB)、铝合金(布氏硬度为120～150HB))超声振动超微量加工硬工件表面(如45号钢(布氏硬度为190～250HB)、轴承钢(布氏硬度170～207HB)等各种钢，以及钛合金(退火后布氏硬度达298～349HB))，从而改变工件表面能量梯度的方法；是一种利用软刀具向金属工件表面传质扩散成传质膜，从而改变工件表面能量梯度的方法；是一种基于软刀具在金属工件表面进行原子与分子级加工，改变金属工件表面纳米级形貌的方法；是一种以软刀具加工金属工件的三轴联动型表面形貌加工制造装置；是一种可控制材料表面能梯度的纳米级形貌加工制造装置；是一种加工工件可在水平面内精密移动，超声振动(纳米级振幅，1MHz以上频率)软刀具可在竖直方向精密移动的三轴加工装置。

2、本发明的振动频率远远大于人耳能听到的声频范围，不会有噪声污染。同时通过超微量分子、原子级加工传质成传质膜，调控材料表面形貌，从而达到调控表面能分布的目的；主要可以用于精密机械、信息存储与安全、疏水和亲水表面制造等领域。

附图说明

图1为本发明的整体结构立体图。

图2为本发明中刀具在工件表面加工的示意图。

图3为本发明中金属工件加工后在表面形成的纳米级形貌示意图。

图4为本发明中超声振动装置与微量进给装置的装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步描述。

如图1和2所示，一种金属材料表面纳米级形貌加工装置，主要由水平方向移动的工件移动平台1、竖直方向移动的微量进给装置6、超声振动装置5和刀具4组成。工件移动平台1包括XY驱动台、工件平台2、工件夹具3和夹紧气缸7。XY驱动台包括X向滚珠丝杠驱动装置和Y向滚珠丝杠驱动装置；工件夹具3由夹紧气缸7驱动，从而夹紧或松开金属工件8；本实施例中，工件平台2两侧各设一个工件夹具3和一个夹紧气缸7，两个夹紧气缸7同步驱动使得两个工件夹具对中夹紧金属工件8。工件平台2、工件夹具3和夹紧气缸7由XY驱动台同步驱动；金属工件8由工件移动平台1实现水平面内的移动。超声振动装置5由微量进给装置6实现竖直方向的微量进给，超声振动装置5产生振动施加在刀具4上实现振动切削。工件移动平台1和微量进给装置6的配合运动，来实现三轴联动加工以及刀具加工改变金属工件表面能量梯度，在金属工件表面形成可控制材料表面能梯度的纳米级形貌。

X向滚珠丝杠驱动装置和Y向滚珠丝杠驱动装置的行程均为200mm，定位精度均为0.02mm，重复定位精度为±0.01mm；夹紧气缸的缸径为12mm，行程为10mm。

如图3所示，微量进给装置6采用Z向滚珠丝杠驱动装置，Z向滚珠丝杠驱动装置比XY驱动台的X向滚珠丝杠驱动装置和Y向滚珠丝杠驱动装置都精密，Z向滚珠丝杠驱动装置的每转进给量为亚微米级(100nm～1.0μm)，X向滚珠丝杠驱动装置和Y向滚珠丝杠驱动装置的每转进给量为0.01mm～0.1mm，在加工金属工件8时，实现缓慢微量进给，从而在刀具4对金属工件8进行挤压和磨擦时，在金属工件8表面实现连续长时间加工，形成具有表面能梯度的纳米级形貌。超声振动装置5主要由超声波发生器12、换能器13和变幅杆14组成，在加工时，超声波发生器12产生大于或等于1MHz的高频振动信号(振幅为纳米级)，经换能器13转换为机械振动，再由变幅杆14将振幅转换为1～100nm级振幅，并传递给刀具4，使刀具4产生高频低幅的竖直方向振动，实现刀具4对金属工件8的超声振动加工，在金属工件表面形成具有可控表面能梯度的纳米级形貌。

刀具为硬木、铜或铝合金，刀具4在工件8表面加工时，改变了金属工件8表面的能量梯度，是一种原子级与分子级的加工方法，刀具4在金属工件8表面加工，同时超微量向金属工件8进给时，在一定程度上抹掉并带走了金属工件8上的分子或原子，而刀具4也在一定程度上在金属工件8上涂抹并留下了刀具4的分子或原子，向金属工件8表面传质扩散成传质膜，形成一种金属工件表面的纳米级形貌。加工后的金属工件表面示意图如图4所示，图中9为未加工表面；10为加工次数少的，金属工件和刀具相对传质较少的已加工表面；11为经过多次加工后的，金属工件表面形成传质膜的已加工表面。

前述中，刀具4在金属工件8表面加工，同时超微量向金属工件8进给时，在一定程度上抹掉并带走了金属工件8上的分子或原子，而刀具4也在一定程度上在金属工件8上涂抹并留下了刀具4的分子或原子，这个过程即为传质过程；而传质后最终在金属工件8表面形成的纳米级形貌为传质膜。

金属材料表面纳米级形貌加工方法，其具体加工步骤如下：

步骤一、针对待加工金属工件8的材料，选择不同材料的刀具4。若待加工金属工件为钛合金，则选择硬木材料的刀具；若待加工金属工件为钢，则选择硬木、铝合金或铜材料的刀具。

步骤二、将待加工金属工件放置于工件平台2上，夹紧气缸7带动夹具3夹紧待加工金属工件，夹紧后的示意图如图2所示。

步骤三、根据在金属工件8上获得的预设纳米级形貌中刀具4的分子或原子数量预设范围，调节超声振动装置5的振动频率以及振幅(分子或原子数量预设范围的最低值越大，振动频率和振幅也越大)。其中，预设纳米级形貌根据表面能梯度设计要求而定。

步骤四、XY驱动台将金属工件的初始加工位置定位到刀具正下方；启动超声振动装置5，使刀具4在加工前振动。

步骤五、启动微量进给装置6，刀具4接触金属工件8时停止微量进给装置6；然后XY驱动台根据金属工件8的预设纳米级形貌带动金属工件在X、Y方向上进给，同时再次启动微量进给装置6按预设进给量进给，开始加工。其中，预设进给量依据金属工件8的材料而定(若金属工件的材料为钛合金，则预设进给量为100nm～500nm；若金属工件的材料为钢，则预设进给量为500nm～1.0μm)。要加工金属工件的预设纳米级形貌中下一个不连续位置时，微量进给装置复位并停止。

步骤六、重复步骤五，直到加工完金属工件的整个预设纳米级形貌。如图4所示，是一种相邻区域表面纳米级形貌不同的示意图。