用于制备多级微结构的加工设备及加工方法
阅读说明：本技术 用于制备多级微结构的加工设备及加工方法 (Processing equipment and processing method for preparing multi-stage microstructure ) 是由 姚栋 石广丰 于 2021-01-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于制备多级微结构的加工设备及加工方法,其中,加工设备包括工件、基体,能够压入工件表面的印压组件、用于驱动印压组件朝向工件运动的驱动件、激光发生装置、以及与驱动件和激光发生装置相连接的控制器,印压组件具有供激光发生装置激光穿过的通孔,控制器控制驱动件和激光发生装置同步动作；加工方法为：驱动件驱动印压组件压入工件表面在工件表面加工一级微凹坑结构；激光发生装置的激光沿通孔聚焦至工件表面在工件表面加工二级微凹坑结构,在一级微凹坑结构表面烧蚀出二级微凹坑结构；在工件表面加工一级微凹坑结构、在工件表面加工二级微凹坑结构同步进行。通过上述技术方案,通过多种装置的配合使用,可以同时制备多级微凹坑结构,避免了现有技术中二次加工对一级微凹坑结构表面的不良影响。(The invention relates to a processing device and a processing method for preparing a multi-stage microstructure, wherein the processing device comprises a workpiece, a base body, a coining assembly capable of being pressed into the surface of the workpiece, a driving piece for driving the coining assembly to move towards the workpiece, a laser generating device and a controller connected with the driving piece and the laser generating device, the coining assembly is provided with a through hole for laser of the laser generating device to pass through, and the controller controls the driving piece and the laser generating device to synchronously act; the processing method comprises the following steps: the driving piece drives the stamping assembly to be pressed into the surface of the workpiece to process a primary micro-pit structure on the surface of the workpiece; focusing laser of the laser generating device to the surface of the workpiece along the through hole to process a secondary micro-pit structure on the surface of the workpiece, and ablating the secondary micro-pit structure on the surface of the primary micro-pit structure; and processing a primary micro-pit structure on the surface of the workpiece and processing a secondary micro-pit structure on the surface of the workpiece synchronously. Through the technical scheme, the multistage micro-pit structure can be prepared simultaneously by matching the various devices, and the adverse effect of secondary processing on the surface of the one-stage micro-pit structure in the prior art is avoided.)
技术领域
本发明涉及多级微结构加工技术领域，具体地，涉及一种用于制备多级微结构的加工设备及加工方法。
背景技术
自然界中，许多生物能够利用身体构形与体表形态，减少运动时所受的阻力，以提高运动效能，例如：鸟类身体的纺锤形，鱼类身体的流线型，鲨鱼体表的微沟槽结构，蜣螂、贝壳、鱼类体表的微凹坑结构。对于鱼类体表的鱼鳞体表结构采用Micro XAMTM白光干涉三维形貌进行观察和测量，如图1所示，可以发现在现有毫米级微凹坑结构的基础上还存在微米级的凹坑结构，这种微米级结构称之为二级微结构，相关研究已证明，二级及以上微结构的减阻性能明显优于一级微结构，然而二级及以上微结构的加工却是一个难题。目前可以使用机械加工、磨削、电化学等方法加工一级微凹坑、微沟槽、微凸起等微结构形式，而二级微结构通常在一级微结构形成后，在此基础使用其他的加工方法进行复合加工，过程复杂、成本大、周期长且不可避免的会对原有一级微结构表面质量产生一定的副作用。
发明内容
解决的技术问题
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明的第一个目的是提供一种用于制备多级微结构的加工设备，该加工设备结构简单，通过多种装置的配合使用，可以一次性同时制备出多级微结构，避免了现有技术中二次加工对一级微结构表面的不良影响。
本发明的第二个目的是提供一种用于制备多级微结构的加工方法，该方法效率高、灵活性大，可以通过一次加工制备质量较高的多级微结构。
技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种用于制备多级微结构的加工设备，工件放置于基体上，所述加工设备包括能够压入所述工件表面的印压组件、用于驱动所述印压组件朝向所述工件运动的驱动件、激光发生装置、以及与所述驱动件和所述激光发生装置相连接的控制器，所述印压组件具有供所述激光发生装置的激光穿过的通孔，所述控制器控制所述驱动件和所述激光发生装置同步动作，以在所述工件的表面形成所述多级微结构。
更进一步地，所述印压组件包括上端与所述驱动件相连接的刀杆，以及连接于所述刀杆下端的刀头，所述通孔沿所述刀杆的轴线方向延伸至所述刀头。
更进一步地，所述通孔形成为贯穿所述刀杆的多个，所述激光发生装置能够发射多组激光沿每个通孔传播至所述刀头，以使得所述多级微结构至少包括与所述刀头形状相匹配的一级微凹坑结构，以及在所述一级微凹坑结构表面形成的二级微凹坑结构。
更进一步地，所述通孔内设置有分光器，所述通孔延伸至所述分光器时形成为沿轴线方向均匀布置的多个通孔，以使得所述多级微结构至少包括与所述刀头形状相匹配的一级微凹坑结构，以及在所述一级微凹坑结构表面形成的二级微凹坑结构。
更进一步地，所述刀杆上安装有角度调节构件上以用于控制刀杆和刀头的垂直度。
更进一步地，所述激光发生装置包括激光器、准直器、控制面板，所述激光器产生激光束通过光纤电缆引导至所述准直器，所述准直器将激光通过通孔传输到所述印压组件。
一种用于制备多级微结构的加工方法，所述加工方法包括：在工件表面加工一级微凹坑结构：所述驱动件驱动所述印压组件压入所述工件表面；在工件表面加工二级微凹坑结构：所述激光发生装置的激光沿所述通孔聚焦至所述工件表面，在所述一级微凹坑结构表面烧蚀出二级微凹坑结构；其中，所述在工件表面加工一级微凹坑结构的步骤和所述在工件表面加工二级微凹坑结构的步骤同步进行。
更进一步地，所述印压组件具有多个不同形式的通孔，所述激光发生装置发射的激光对应穿过每个所述通孔，所述在工件表面加工一级微凹坑结构的同时，在所述一级微凹坑表面同时加工出多个二级微凹坑结构。
更进一步地，所述加工方法还包括：调整所述激光发生装置的功率、脉冲频率、光斑半径及曝光时间，在所述二级微凹坑结构基础上烧蚀出三级以上的微凹坑结构。
更进一步地，所述激光发生装置的功率为3-200W，脉冲为30-200kHz。
有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已知的公有技术相比，具有如下有益效果：
本发明通过驱动件驱动印压组件压入工件表面，在工件表面加工一级微凹坑结构，激光发生装置的激光沿通孔聚焦至工件表面，在一级微凹坑结构表面烧蚀出二级微凹坑结构；其中，在工件表面加工一级微凹坑结构的步骤和在工件表面加工二级微凹坑结构的步骤同步进行，能够在工件表面制备出一级微凹坑结构的同时在一级微凹坑的表面制备出二级及以上的微凹坑结构，通过多种装置的配合使用，可以同时制备多级微凹坑结构，避免了现有技术中二次加工对一级微凹坑结构表面的不良影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是鱼鳞表面微米级凹坑形貌图；
图2是本发明的用于制备多级微结构的加工设备结构示意图；
图3是本发明的刀杆内部通孔的结构示意图；
图4是本发明的一、二级微凹坑结构示意图；
图5是本发明的多级微凹坑结构示意图；
图6是本发明的利用仿真软件Comsol制备多级结构仿真效果图。
图中的标号分别代表：1-基体；2-工件；3-印压组件4-驱动件；5-激光发生装置；6-控制器；21-一级微凹坑结构；22-二级微凹坑结构；31-角度调节构件；32-刀杆；33-刀头；34-通孔；35-分光器；51-激光器；52-准直器；53-控制面板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
如图2所示，本发明中，将工件2放置于基体1上，驱动件4驱动印压组件3压入工件2的表面形成微凹坑结构，激光发生装置5设置在驱动件4的上方，驱动件4和激光发生装置5与控制器6连接，控制器6可以精确控制驱动件4从而精确控制刀头33的压入量、压出量以及刀头33的下压速率，其中，压入量和下压速率两参数对于微凹坑结构的形成、大小有着重要的影响，根据实际加工经验，下压速率设置为0.1mm/s时可以获得质量较好的微凹坑结构；同时，控制器6能够控制激光发生装置5的开启、激光功率和频率大小等参数的调整。印压组件3上还开设有供激光发生装置5发出的激光穿过的通孔34，图2和图3中所示的箭线为激光示意，激光沿着通孔34传播至刀头33，这里刀头33可以采用金刚石材质的刀头，激光经过刀头33作用在工件2的表面。这里需要从理论和仿真角度对原理加以说明：激光经过刀头的过程中，会发生光的反射和折射，所以激光穿过不同结构形式和材质的刀头传播至工件表面时，会有能量损失，且能量损失也不尽相同，另外，激光经过刀头到达工件表面能够保持光斑的大小和形状尺寸精度，并且足有足够的强度，进而可以在一级微凹坑的结构形式表面同时制备出尺寸和形状规则的二级微凹坑结构。针对于此，本发明提供一种实施方式，刀头形式选择为轴锥镜刀头，根据实际加工经验以及使用有限元分析软件Comsol进行模拟仿真，可以选取锥角为80°-130°，利用解析法建立三维高斯热载荷模型仿真，仿真过程中在刀头的正上方施加激光热载荷，使其穿过刀头，作用到工件表面，以此实现与实际加工相同激光效果，仿真过程中需要设置的参数包括基体材料的选择、温度的控制、持续时间的影响等影响因素。激光热载荷和光斑形状显示如图6，并采用Fluke Ti400+热像仪进行验证实验，在印压实验进行过程中，Fluke Ti400+热像仪可精确获得对焦图像，并对印压结果进行显示，还能准确读取对焦图像中的温度读数，根据仿真和多次实验验证可以看出，在控制好通孔尺寸以及垂直度、激光发生装置功率和频率的大小可以保证光斑的大小和形状精度，从而控制二级微凹坑结构的大小和形状精度；在光强度方面，针对轴锥镜结构形式的刀头，轴棱锥夹角为θ，激光经由轴锥镜刀头传播至工件上，经过刀头的透过率函数可表示为：
式中n表示折射率，轴棱锥透镜的直径为D，k＝2π/λ，λ为波长，利用稳相的方法根据菲涅尔衍射理论，激光传播至轴棱锥刀头后的衍射场和强度可以写成：
式中：
强度表达式为：
临界点用Zmax表示：Zmax＝D/[2(n-1)θ]
由于光场的范围不同所以它的复振幅和强度也存在一定的差异，通过控制轴棱锥透镜的直径和夹角、激光装置的功率和频率来控制激光强度从而保证激光经由轴锥镜刀头后的区域光斑保持不变的是它的大小和形状，同时具有一定的强度。
本发明中的控制器6控制驱动件4和激光发生装置5同步动作，以在工件2的表面同时形成多级微结构。具体地：如图1和图4所示，控制器6控制驱动件4驱动印压组件3压入工件2的表面制备出一级微凹坑结构21，与此同时，控制器6发信号给述激光发生装置5，激光发生装置5发出的激光沿通孔34经过刀头33聚焦至工件2的表面，利用激光产生的巨大能量在一级微凹坑结构21的表面烧蚀出二级微凹坑结构22，这里激光功率的大小通常根据材料属性进行相应的调整。本发明提供的加工设备及方法易控制，操作简单，外界影响因素小，可以一次性同时制备出多级微结构，避免了现有技术中二次加工对一级微结构表面的不良影响。
具体地，本发明中，印压组件3包括刀杆32以及连接于刀杆32下端的刀头33，通孔34沿刀杆32的轴线方向延伸至刀头33，这样，激光发生装置5产生的激光将通过通孔34传播至刀头33，进而作用在一级微凹坑结构21表面同时形成二级微凹坑结构22。如图3所示，通孔34可以形成为多个不同形式的通孔，激光发生装置5发射的激光对应穿过每个通孔；这样，如图4所示，可以在工件2的表面加工一级微凹坑结构21的同时加工出多个二级微凹坑结构22，如图3所示，关于通孔34的形式可以为贯穿刀杆32的多个，具体地，可以是刀杆32的四周沿圆周方向开设多个通孔，此时激光发生装置5需要设置多个激光器51和准直器52，使得多组激光沿每个通孔传播至刀头33的不同位置，或者仅使用一套激光发生装置5，此时在通孔34内部预先设置分光器35，这样激光将经过分光器35将沿多个通孔传播至刀头33，这样，使得多级微凹坑结构至少包括与刀头33形状相匹配的一级微凹坑结构21，以及在一级微凹坑结构21表面形成的多个沿一级微凹坑结构21内表面圆周方向均匀布置的多个二级微凹坑结构22。
另外，本发明中刀头33的垂直度对成孔效果的影响较大，所以在刀杆32上安装有角度调节构件31以用于控制刀杆32和刀头33的垂直度。这里本发明提供一种实施案例：角度调节构件为NT06GM30小角度调节俯仰台，外观尺寸25×25mm，角度范围为±30°，最小调整量0.5°，通过相关参数的调整可以精确控制凹坑的大小和形状；除了可以获得传统意义上的圆形微凹坑结构外，当刀头倾斜角度以10°、20°、30°在工件表面进行印压时，这里印压深度选择0.5mm，还可以制备得到鱼鳞型凹坑微结构，鱼鳞型凹坑微结构呈“变异卵圆形”结构形式，此时如果激光发生装置5同时动作，也可以在鱼鳞型凹坑微结构表面制备出多级微坑结构，具体方式这里不再赘述。
本发明中的激光发生装置5包括激光器51、准直器52、控制面板53，控制面板53与控制器6连接，准直器52可以保证激光垂直照射进通孔34，控制面板53上具有手动操作按钮，手动操作按钮可以直接控制激光器51动作。作为一种可选的实施方式，激光器可以选用红外脉冲掺镱型光纤激光器，该激光器具有单脉冲能量大、脉冲频率高等优点，功率调节范围3-200W，脉冲频率范围30-500kHz；激光器51产生的激光束通过光纤电缆与准直器52连接，准直器52将激光通过通孔34传输到印压组件3。
本发明中，如图5所示，不仅可以一次性制备出二级微凹坑结构，当通过控制器6或者控制面板53可以调整激光发生装置5的功率和脉冲频率大小、光斑半径及曝光时间，尤其是光斑半径的大小可以在二级微凹坑结构基础上烧蚀出三级及以上的微凹坑结构，此时需要严格精确控制好激光发生装置5的相关参数。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的保护范围。