[发明专利]一种工件表面分级微结构的加工方法

说明书

本发明公开了一种工件表面分级微结构的加工方法，表面分级结构由亚微米级放电形貌和微米级表面织构组成，包括：基于待加工工件的表面形貌建立连续脉冲放电过程的材料蚀除模型，并建立映射关系，根据映射关系得到待加工工件表面亚微米级放电形貌的调控方法；建立电火花线切割加工可蚀除距离模型和可控间歇放电加工作用下表面织构的成形模型，得到待加工工件表面微米级织构的成形工艺。本发明利用电火花线切割可控间歇放电加工方法直接制备表面分级微结构，解决了表面分级微结构制备过程复杂、成本效率较低等问题，在改善表面传热性能、自清洁、流体减阻等领域具有重要应用前景。

技术领域

本发明涉及表面加工技术领域，尤其涉及一种工件表面分级微结构的加工方法。

背景技术

荷叶上表面使一种具有微纳米乳突结构的粗糙表面，这种表面使得小水滴总是向荷叶表面最低处集聚，最后变成大水滴致使荷叶倾斜，整体从荷叶表面上掉落，同时带走表面上的灰尘而达到自清洁作用。自然界类似这样的现象还有水稻叶、玫瑰花瓣和蝴蝶翅膀等，它们的共同点是表面都具有复杂的微结构，这使得它们能够实现自清洁、抗菌、防覆冰等功能。受到自然界的启示，人们意识到表面微结构在航空航天、新能源、生物医疗等领域具有巨大的应用潜力，于是国内外学者对表面分级微结构展开了许多的研究；到目前为止，表面微结构被证明在防腐蚀、改善传热和流体减租方面有很好的效果，已经广泛应用于超疏水、自清洁、油水分离处理等领域中。因此表面微结构的制备有十分重要的应用价值。

在现有制造技术中，表面微结构常用的制备方法有化学刻蚀法、沉积法、激光刻蚀法、纳米复合涂层法、机械加工法等。但它们的制备过程都存在一定的问题。沉积法制备表面微结构步骤复杂，至少需要两步以上的加工且难以操作；激光刻蚀和纳米复合涂层法难以大规模制备且成本较高，制备得到的表面微结构难以推广到市场应用；化学刻蚀的方法大部分用到有毒的有机试剂，在制备的过程中处理不当就容易污染环境，不符合绿色制造理念，因此表面微结构的制备方法需要进行进一步的研究改进和创新。

电火花不同于传统的机械加工，不通过机械能和切削力去直接对工件进行去除，而是采用火花放电产生的热能对工件进行切割。电火花线切割可以无视工件硬度、脆性、强度加工工件，且功耗低，加工效率高。由于电火花线切割本身的加工特性，在放电加工后表面会出现凹坑和凸起的亚微米级放电形貌，有利于提升疏水效果，所以常被用于制造具有超疏水效果的表面微结构。因此，利用电火花线切割制备表面分级微结构不仅易获得亚微米级的微结构，而且具有功耗成本低和加工效率高的优点。

在专利CN110625208A中，公开了一种超疏水表面制备的方法，在电火花切割加工后的表面进行化学试剂修饰，制成了再微观下具有绒毛类结构的表面，大大降低了金属的表面能，形成了超疏水表面，达到了高效、清洁和抗结冰的目的。但其制备工艺复杂，化学试剂容易污染环境且存在保存时效，难以应用于大面积、大规模生产。

对于电火花线切割加工来说，电极丝振动是影响加工性能的重要因素，一定频率的振动有时对加工性能是有利的，可以促进电极丝在放电间隙热量的散发，减少弯曲变形。在专利CN109128408A中，公开了一种辅助电火花线切割加工的低频振动装置，利用伺服电机带动连杆产生往复式运动，从而对线切割加工过程中电极丝辅助以径向振动，解决了电极丝振动辅助都集中在一个激励源的问题，为多振动激励源下对电极丝振动情况和加工情况的进一步研究和实验提供了便利。但由于电极丝直径小、刚度低，往复运动加载在电极丝上会加剧电极丝振动，影响加工稳定性导致微米级表面织构的轮廓不完整，而将往复运动加载在工件上能够减小电极丝的振动幅度，从而使加工过程中工件表面织构的轮廓更加完整。