[发明专利]基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造方法与装置

说明书

本发明公开了基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造方法与装置。目前还没有利用原子迁移定向调控原理进行金属表面微结构制造的方法与装置。本发明通过脉冲电源对模板金属块和待加工金属块通电激发表面原子迁移，实现微结构的定向调控和位置重组；通过调节滑台对模板金属和待加工金属表面间距进行调控；通过高速摄像机与图像处理主机实现对微凸结构的检测；本发明是一种集微凸结构设计、表面微凸结构形核和生长过程外部环境调控的金属表面微凸结构制造装置，制造方法简便，使用环境安全，适用性较广。

技术领域

本发明属于金属表面微结构的制造领域，特别涉及一种基于原子迁移定向调控的金属表面微凸结构制造方法与装置。

背景技术

机械零件表面形成微凸起及微坑结构在摩擦学、仿生制造等领域具有重要意义。经过大量的实验研究表明在金属表面开设微结构能够有效地改善金属表面接触性能。在复杂多样的表面微结构形貌中，又可以将其划分为表面微凸结构和表面微凹结构两大类。其中人们对表面微凹结构的开设已经有了较为成熟的实施方法，如激光加工、化学蚀刻等方法。微弹流动力润滑理论打破了机械领域中滚动接触的机械零件表面越光滑越好的传统观点。具有微凸起接触的粗糙表面非但没有降低机械零件表面抗磨损能力，反而能大大提高承载能力和使用寿命，因此研制一种能够在金属表面有效开设微凸结构的方法与装置有着十分重要的意义。

目前，对于金属表面微凸结构的制造方法技术研究较少，并且尚未发现有利用原子迁移定向调控原理进行金属表面微结构制造的方法与装置。如申请专利号为CN201010517410的发明专利公开了一种用于加工圆柱杆件表面阵列群凸起的微细电火花加工工艺及其装置，主轴上安装有夹头夹紧工件，中心顶尖固定在滑块上与工件相联，主轴通过与专用夹头相联带动工件匀速旋转；径向加工电极安装在机床主轴上，随着工件的匀速旋转，径向加工电极沿Z向伺服进给的同时沿X向运动完成加工；轴向加工电极安装在机床主轴上进行加工时，工件固定不动，轴向加工电极沿Y向伺服进给完成加工。本发明专利所采用的是放电成形加工，属于电火花加工方法的一种。

其弊端在于电极的夹持必须准确保证位置精度，并且对电极的损害较大，需要经常性的更换加工电极。甚至如果采取的加工方法不正确，容易引起火灾存在安全隐患。

发明内容

本发明针对目前尚无较成熟的金属表面微凸结构制造方法与装置的不足，提供一种适用于不同材料、不同微结构规格(形状、尺寸和深度)和不同曲面的金属表面微凸结构制造方法及装置。该方法是一种基于表面原子迁移激发、定向调控和位置重组的方法；是一种基于微结构模板的表面原子非接触式高频(1K-20KHz)高压间断吸放的原子迁移激发和迁移调控方法；是一种基于微结构模板温度辅助调控的表面原子迁移激发和迁移调控方法；是一种基于代加工表面材料原子与微结构模板材料原子吸引力匹配(易结合形成新相)的优化设计方法；是一种微结构模板与待加工金属表面间隙精密控制的制造装置；是一种微结构模板与待加工金属表面温度精确控制的制造装置；是一种集微凸结构设计、表面微凸结构形核和生长过程外部环境(电磁场和温度场)调控的金属表面微凸结构制造装置。

本发明基于原子迁移定向调控的金属表面微结构制造方法，具体如下：

步骤一、将表面开设有微凹结构的模板金属块通过螺栓连接于L型安装板上，使模板金属块上开设有微凹结构的表面朝下设置。其中，L型安装板与Z向滑台的滑块固定。

步骤二、将待加工金属块水平放置于框型平台上，夹紧机构夹紧待加工金属块。

步骤三、启动Y向滑台，带动夹紧机构和待加工金属块水平同步移动到模板金属块的正下方；启动Z向滑台，带动模板金属块向靠近待加工金属块的方向移动，通过位置传感器对模板金属块下表面和待加工金属块上表面之间的距离H进行检测，使两个表面间的距离H保持在0.1mm～0.5mm之间；利用导线将模板金属块连接至脉冲电源的正极，将待加工金属块连接至脉冲电源的负极；合上保温盖，罩住模板金属块和待加工金属块。