金属材料表面修形装置及修形方法

摘要

本发明公开了一种金属材料表面修形装置及修形方法，金属材料表面修形装置包括电解液循环组件与修形组件，电解液循环组件包括喷头、进液输送件与回液输送件，喷头的一端具有相邻设置的出液口与回液口，电解液从出液口处喷出，并从回液口回流至回液腔，修形组件包括电源、电极及平台，电源的正极与金属材料电性连接，电源的负极与电极电性连接；金属材料表面修形方法用上述的修形装置执行。本发明中，出液口与回液口相邻设置，电解液受回液输送件的抽液动力从回液口回流至回液腔，电解液集中于单点修形区域内，能够对金属材料进行定点溶解，可以精确定位至所金属材料所需修形的实际区域，达到高精度修形的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及金属材料加工技术领域，尤其涉及一种金属材料表面修形装置及修形方法。

背景技术

金属材料的表面平面度及粗糙度对其使用性能至关重要，传统的切削、机械抛光、化学抛光等方式对材料进行加工，存在效率低、刀具损耗、材料具有亚表面损伤、材料内部具有残余应力以及材料存在夹持变形的缺陷，相关技术中，采用电化学抛光的方式，克服机械作用力引起的缺陷和损伤，但无法实现对金属材料表面的高精度修形。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种金属材料表面修形装置，能够对金属材料表面进行高精度修形。

本发明还提出一种应用上述金属材料表面修形装置的金属材料表面修形方法。

根据本发明的第一方面实施例的金属材料表面修形装置，包括：

电解液循环组件，包括喷头、进液输送件与回液输送件，所述喷头包括进液腔与回液腔，所述喷头的一端具有相邻设置的出液口与回液口，所述出液口与所述进液腔连通，所述回液口与所述回液腔连通，所述进液输送件用于向所述进液腔输送电解液，使电解液从所述出液口处喷出，所述回液输送件用于抽取电解液，使喷出的电解液从所述回液口回流至所述回液腔并排出；

修形组件，包括电源、电极及平台，所述平台用于放置待加工的金属材料，所述喷头朝向所述平台设置，所述电源的正极与所述金属材料电性连接，所述电源的负极与所述电极电性连接，所述电极容置于所述进液腔和/或所述回液腔内。

根据本发明实施例的金属材料表面修形装置，至少具有如下有益效果：

本发明实施例中的金属材料表面修形装置，由于出液口与回液口相邻设置，喷出的电解液受回液输送件的抽液动力从回液口回流至回液腔，喷头所喷出的电解液集中于单点修形区域内，能够对金属材料进行定点溶解，可以精确定位至所金属材料所需修形的实际区域，并在相应区域内进行喷射电解液，达到高精度修形的效果。

根据本发明的一些实施例，所述喷头包括第一挡壁与第二挡壁，所述第一挡壁与所述第二挡壁的截面均呈环形，所述第二挡壁套设于所述第一挡壁的外部，所述第一挡壁与所述第二挡壁之间具有间隙，所述间隙与所述第一挡壁的内腔中的一个为所述进液腔，另一个为所述回液腔。

根据本发明的一些实施例，所述第一挡壁的内腔为所述进液腔，所述第一挡壁与所述第二挡壁之间的间隙形成所述回液腔，所述进液输送件通过管道连接于所述喷头的底部。

根据本发明的一些实施例，所述电解液循环组件还包括进液管道、回液管道与储液容器，所述进液输送件连接于所述进液管道，所述回液输送件连接于所述回液管道，所述进液管道与所述回液管道均与所述储液容器连通，所述储液容器用于容纳电解液。

根据本发明的一些实施例，所述电解液循环组件还包括流量控制阀，所述流量控制阀连接于所述进液管道和/或所述回液管道。

根据本发明的一些实施例，还包括驱动模组，所述驱动模组与所述平台或所述喷头连接，并用于驱动所述喷头与所述平台相对运动。

根据本发明的第二方面实施例的金属材料表面修形方法，包括：

获取待处理金属材料的初始面形，将所述初始面形与预设面形对比并得到修形数据集；

获取金属材料表面去除率与刻蚀驻留时间的关系函数，并根据所述修形数据集，得到修形驻留时间分布函数；

配置电解液，并形成第一方面实施例的金属材料表面修形装置；

所述金属材料表面修形装置工作，进行所述金属材料的表面修形。

根据本发明的一些实施例，获取所述修形驻留时间分布函数的步骤包括：

调节修形参数，使所述金属材料表面去除率与所述刻蚀驻留时间的关系函数为线性函数，所述修形参数为电解液成分、电解液浓度、电源电压、电解液温度、所述喷头与所述平台间距中的至少一个。

根据本发明的一些实施例，调节修形参数，使所述电解液对所述金属材料进行各向同性刻蚀，所述修形参数为电解液成分、电解液浓度、电源电压、电解液温度、所述喷头与所述平台间距中的至少一个。

根据本发明的一些实施例，在获取所述初始面形前，对所述金属材料的表面进行清洗并干燥，完成表面修形后，对所述金属材料的表面进行冲洗、干燥，并对所述金属材料进行表面检测，并选择性重复多次所述表面修形步骤。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明金属材料表面修形装置一个实施例的结构示意图；

图2为图1中喷头一个实施例的结构示意图；

图3为图1中喷头一个实施例的截面示意图；

图4为图1中喷头另一实施例的截面示意图；

图5为图1中喷头另一实施例的截面示意图；

图6为金属材料修形前的表面状态；

图7为金属材料修形前的表面起伏高度曲线图；

图8为金属材料修形前的粗糙度示意图；

图9为金属材料修形后的表面状态；

图10为金属材料修形后的表面起伏高度曲线图；

图11为金属材料修形后的粗糙度示意图；。

附图标记：

修形组件100，电源110，电极120，平台130；电解液循环组件200，喷头210，进液腔211，回液腔212，出液口213，回液口214，第一挡壁215，第二挡壁216，连接壁217，进液输送件220，回液输送件230，进液管道240，回液管道250，储液容器260，流量控制阀270。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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。

如图1所示，本发明的实施例中提供了一种金属材料表面修形装置，包括电修形组件100及电解液循环组件200，电解液循环组件200包括喷头210、进液输送件220与回液输送件230，进液输送件220用于向喷头210输送电解液，电解液从喷头210喷出，回液输送件230用于抽取喷头210喷出的电解液，将电解液回收；具体的，结合图1与图2，喷头210包括进液腔211与回液腔212，喷头210的一端具有相邻设置的出液口213与回液口214，出液口213与进液腔211连通，回液口214与回液腔212连通，进液输送件220将电解液输送至进液腔211，受进液输送件220的输送动力，电解液从出液口213喷出，由于出液口213与回液口214相邻设置，喷出的电解液受回液输送件230的抽液动力从回液口214回流至回液腔212，进而排出回液腔212，通过进液输送件220与回液输送件230的组合作用，从喷头210喷出的电解液分布于喷头210上方且位于喷头210边缘的内侧，电解液的分布区域即为对金属材料的单点修形区域。

修形组件100包括电源110、电极120及平台130，平台130用于放置待加工的金属材料，喷头210朝向平台130设置，从而喷头210喷出的电解液能够接触金属材料表面，电源110的正极与金属材料电性连接，电源110的负极与电极120电性连接，电极120容置于进液腔211和/或回液腔212。通电后，金属材料为正极，电极120为阴极，金属材料与电极120之间产生电场，电解液喷射至金属材料表面后，集中于单点修形区域内，电解液中的氧化剂溶解金属材料表面，在金属材料表面形成单点刻蚀坑，在单点刻蚀坑处的金属材料表面具有较高的平整度，达到对金属材料定点整平的效果，从而，本实施例中的修形装置能够精确定位金属材料所需修形的区域，并对金属材料进行精细化修形。

需要说明的是，传统的电化学抛光通常将金属材料浸泡于电解液中，利用电场及电解液中氧化剂的共同作用对金属材料表面进行选择性溶液，实现对金属材料的表面抛光，但该抛光方式是针对金属材料的整个表面，无法对金属材料表面进行高精度修形加工，不能保证金属材料的形状及尺寸精度。本发明实施例中的金属材料表面修形装置，喷头210所喷出的电解液集中于单点修形区域内，能够对金属材料进行定点溶解，可以精确定位至所金属材料所需修形的实际区域，并在相应区域内进行喷射电解液，达到高精度修形的效果，并且修形后的金属材料具有光滑的表面以及较高的耐腐蚀性能。

可以想到的是，喷头210的截面可以设置为圆形、椭圆形、多边形等，本发明的一个实施例中，喷头210的截面设置为圆形，电解液可以在金属材料表面形成圆形的单点刻蚀坑，圆形的单点刻蚀坑边缘较为圆滑，有利于提高不同单点刻蚀坑结合区域的平整度，使金属材料修形区域的边界更为平整。另外，可以通过改变喷头210的截面积，调整单点刻蚀坑的大小，如，减小喷头210的截面积，可以进一步提高对金属材料的修形精度。

在一个实施例中，如图3所示，喷头210包括第一挡壁215、第二挡壁216与连接壁217，第一挡壁215与第二挡壁216分别位于连接壁217的两侧，第一挡壁215与连接壁217形成的内腔为进液腔211，第二挡壁216与连接壁217形成的内腔为回液腔212，出液口213与回液口214相邻设置，从进液腔211喷出的电解液能够被快速回收至回液腔212内。

在另一实施例中，如图4所示，喷头210包括第一挡壁215与第二挡壁216，第一挡壁215与第二挡壁216均呈环形，第二挡壁216套设于第一挡壁215的外部，第一挡壁215与第二挡壁216之间具有间隙，该间隙为进液腔211，第一挡壁215的内腔为回液腔212，出液口213环设于回液口214的外部，出液口213与回液口214相邻设置，便于电解液回流，由于第一挡壁215整个内周环设于回液口214的外部，从出液口213排出的电解液能够较容易的回流至回液腔212内，提高了电解液的回流效率。

在其他实施例中，如图5所示，第一挡壁215与第二挡壁216之间的间隙形成回液腔212，第一挡壁215的内腔为进液腔211，回液口214环设于出液口213的外部，第一挡壁215的整个外周均被围设于回液口214的内侧，因此，从出液口213喷出的电解液能够全部回流至回液腔212内，减少电解液的流失，提高了电解液的回收利用率。

进一步的，为便于喷头210送液以及电解液的回液，在一个实施例中，进液输送件220通过管道连接于喷头210的底部，电解液从喷头210的底部进入进液腔211内，并向上喷出，提高了喷头210喷出的电解液柱的直线度以及单点刻蚀坑的精度，有利于对金属材料的高精度修形。

图6至图11示出了高纯钨表面修形前后的对比图，图6为修形前高纯钨的表面状态，从图中可知，高纯钨的表面平整，但分布有大量的划痕，图7为修形前，在P1点与P2点之间，高纯钨表面的高度起伏状态，由图可知，在P1点与P2点之间，高纯钨表面的起伏不定，图8为修形前高纯钨表面粗糙度的示意图，由图可知，修形前高纯钨的表面粗糙度为20.2nm。图9为修形后高纯钨的表面状态，由图可知，由于金属的溶解被限制在喷头210的外缘内侧，因此修形后在高纯钨的表面形成一个具有一定深度的刻蚀坑，图10为修形后，在P3点与P4点之间，高纯钨表面的起伏状态，由图可知，在P3点与P4点之间，刻蚀坑内的高纯钨表面起伏较低，图11为修形后，高纯钨的表面粗糙度示意图，由图可知，修形后的高纯钨表面粗糙度为1.28nm，修形后高纯钨的表面粗糙度降低，划痕被去除。因此，通过喷头210对金属材料表面的局部定点加工，可以实现对金属材料的精确修形。

回液输送件230通过管道连接于第二挡壁216的侧部，第二挡壁216的侧部面积较大，能够同时供多个管道连接，每一管道上均可连接回液输送件230，多个管道与第二挡壁216的连接位置沿第二挡壁216的周向均匀分布，从而回液口214的不同区域均可受到回液输送件230的抽液作用，回液输送件230对电解液抽吸作用更为均匀、彻底。

另外，喷头210的底部可同时连接多条管道，每条管道均可连接进液输送件220，多个进液输送件220可以单独或组合向进液腔211送液，并且通过调整进液输送件220的工作个数、工作功率，以及回液输送件230的工作个数、工作功率等参数，使出液口213喷出的电解液量与回液口214回流的电解液量保持动态平衡，避免出现电解液对金属材料溶解强度不足，或者电解液过度流失的情况。

如图1所述，电解液循环组件200还包括进液管道240、回液管道250与储液容器260，进液输送件220连接于进液管道240，回液输送件230连接于回液管道250，进液管道240与回液管道250均与储液容器260连通，储液容器260用于容纳电解液，储液容器260内的电解液在进液输送件220的输送作用下，通过进液管道240输送至进液腔211，从回液腔212回流的电解液进入回液管道250，并在回液输送件230的输送作用下，流动至储液容器260储存，实现对电解液的循环利用，资源利用率高。

另外，回液管道250与储液容器260之间设置有过滤器，过滤器用于过滤回流的电解液中的杂质，保持储液容器260内电解液的纯净度。

电解液循环组件200还包括流量控制阀270，流量控制阀270连接于进液管道240和/或回液管道250，流量控制阀270用于调节电解液的进液流量以及电解液的回液流量，通过调节流量控制阀270，可使喷头210出液口213喷射的电解液量与回液口214回收的电解液量在单位时间内达到动态平衡，以减少电解液流失。

金属材料表面修形装置还包括驱动模组，驱动模组与平台130或喷头210连接，并用于驱动喷头210或平台130相对运动，驱动模组可以设置为机械手、多轴模组等，可以带动平台130或喷头210沿不同方向运动。如，在一个实施例中，驱动模组与平台130连接，并带动平台130在水平面内移动或转动，金属材料与喷头210在水平面内发生相对位置变化，喷头210能够朝向金属材料的不同位置喷射电解液，以对金属材料的不同位置进行精确修形，并且通过驱动模组带动平台130沿预设运动轨迹移动，可以实现对金属材料表面相应区域的修形；在另一实施例中，驱动模组与平台130连接，并带动平台130沿竖直方向升降，以改变金属材料与喷头210之间的间距，调节电解液对金属材料的溶解强度。

本发明还提供了一种金属材料表面修形方法，包括如下步骤：

获取待处理金属材料的初始面形，将初始面形与预设面形对比得到修形数据集；

获取金属材料表面去除率与刻蚀驻留时间的关系函数，并根据上述的修形数据集得到修形驻留时间分布函数；

配置电解液，并形成上述的金属材料表面修形装置；

金属材料表面修形装置工作，对金属材料的表面修形。

具体为，首先选择预设面形，预设面形为金属材料修形后的最终面形，将预设面形的数据集输入至系统模块内，然后通过白光干涉仪、激光干涉仪等测量金属材料的初始面形，得到金属材料初始面形的数据集，系统模块将初始面形的数据集与预设面形的数据集进行对比，得到修形数据集，修形数据集为，在电解液喷射的方向上需修形的高度差的集合。

对于不同类型的金属材料，金属材料的表面去除率(金属材料表面所形成的单点刻蚀坑的深度)各有不同，去除率与喷头210在金属材料同一修形点处停留的时间(刻蚀驻留时间)形成的关联函数，即单坑去除函数，然后根据上述的修形数据集，即可将单坑去除函数演算为修形驻留时间分布函数，由此可知，在金属材料不同的修形点喷头210所需驻留的时间。

配置相应类型的电解液，以匹配单坑去除函数，将电解液注入电解液容器内，开启进液输送件220与回液输送件230，使电解液进行稳定循环，并根据修形驻留时间分布函数，控制喷头210在相应修形点处的驻留时间，并使喷头210按预设轨迹移动，完成金属材料所需修形区域的修形，得到预设面形。

需要说明的是，单坑去除函数与电解液的成分、电解液的浓度、电源110的电压大小、电解液的温度、喷头210与金属材料之间的距离等参数有关。如，电解液中氧化剂的氧化能力越强、电解液中氧化剂浓度越高、电解液的温度越高，单位时间内的去除率越大；电源110的电压越大，喷头210与金属材料之间的距离越小，单位时间内的去除率越大。因此，单坑去除函数受多个因素的影响，可通过设定电解液的成分、浓度、温度，以及电源110的电压大小，喷头210与金属材料之间的间距等，通过测量喷头210在金属材料表面驻留不同时间的去除率，得到单坑去除函数。

在一个实施例中，获取修形驻留时间分布函数的步骤包括，通过调节修形参数，使金属材料表面去除率与刻蚀驻留时间的关系函数为线性函数，以降低刻蚀驻留时间分布的计算量及计算难度，提高系统模块的运算效率。上述的修形参数包括电解液的成分、电解液的浓度、电源110的电压大小、电解液的温度、喷头210与金属材料之间的距离中的至少一个。

另外，金属材料在相应的修形参数范围内具有各向同行刻蚀的特性，各向同性刻蚀即，在刻蚀过程中，材料不同晶面呈现出相同的刻蚀速率，材料在各向同性刻蚀的区域具有较高的平整度。在本发明的一个实施例中，在获取修形驻留分布时间函数的步骤还包括，调节修形参数，使电解液对金属材料表面进行各向同性刻蚀，修形参数包括电解液的成分、电解液的浓度、电源110的电压大小、电解液的温度、喷头210与金属材料之间的距离中的至少一个。

需要说明的是，修形过程中，电源110与驱动模组同时开启，喷头210或平台130开始运动，使喷头210沿预设的轨迹相对金属材料移动，对金属材料修形。相邻的修形刻蚀坑之间应具有重叠区域，以避免二者之间出现断口，影响金属表面的平整度。

另外，在获取金属材料的初始面形前，对金属材料的表面进行清洗并干燥，以清除金属材料表面的杂质，以及残留的清洗液，避免杂质或清洗液影响初始面形的获取精度。清洗液可以选用无水乙醇，并通过超声清洗，清洗后放入烘箱进行干燥。

单次的表面修形完成后，将金属材料从平台130上取下，利用超纯水去除金属材料表面的清洗液，再进行超声清洗，最后放入烘箱内烘干。通过扫描电子显微镜和原子力显微镜测量观察金属材料的表面面形并测量表面的高度集合，获取金属材料修形后的表面状态，根据所测得的金属材料的表面修形高度集合，若达到修形标准，则终止修形，若存在修形未达标的区域，则可选择性的重复多次表面修形步骤，以保证修形精度，需要说明的是，表面修形步骤是指得到修形数据集、刻蚀驻留时间分布函数后，喷头按相应轨迹相对金属材料移动并修形的加工流程。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。