[发明专利]一种跨尺度分级微结构创成方法

说明书

本发明涉及一种跨尺度分级微结构创成方法，集成了慢刀伺服、椭圆振动（或快刀伺服）和超声振动三种加工方式，慢刀伺服主要创成毫米或亚毫米尺寸的微结构，椭圆振动（或快刀伺服）主要在所述慢刀伺服创成微结构表面创成微米或亚微米尺寸的微结构，超声振动主要在所述椭圆振动（或快刀伺服）创成微结构表面创成纳米尺度的微结构；所述慢刀伺服可以由机床的伺服导轨或设计的低频大行程伺服驱动装置实现，所述椭圆振动（或快刀伺服）由设计的非共振椭圆振动装置实现，所述超声振动由设计的超声振动装置实现。在跨尺度分级微结构创成领域，本发明对不同工件材料的适应性强、工序少、加工效率高、易于实现，且能大大降低刀具的磨损，从而降低加工成本。

技术领域

本发明涉及一种跨尺度分级微结构创成方法，属于微/纳结构超精密制造领域。

背景技术

随着仿生学科的快速发展，模拟自然界生物体表特征结构的功能表面受到了广泛的关注，该类微结构的宏观和微观几何形貌通常决定了器件所实现的功能，如光学功能、润滑功能、摩擦功能以及信息存储功能等。因此，基于该类微结构的功能表面在航空航天、生物医疗、能源、光电子学和界面科学等领域被认为具有极大的发展前景，而自然生物的优势原型体表多呈现为微纳多级和跨尺度的特点，如何对这类多级微结构进行精密创成，是其能否得到快速应用并推动相关领域快速发展的关键，同时也是当前业界面临的主要问题。目前，微结构的创成方法主要包括激光加工、聚焦离子束加工、电子束加工和金刚石切削等。激光加工、聚焦离子束加工和电子束加工等方式存在设备昂贵、加工条件严苛、加工精度和效率相对较低等问题。而金刚石切削具有较高的几何精度、表面质量和加工效率，能够实现复杂微结构的直接创成，如快速刀具伺服技术、椭圆振动切削技术等。现存的金刚石切削技术适合于创成简单的单级或二级微结构，对于多级微结构的创成方面还存在一定的局限性，如无法直接创成三级微结构。因此，目前的基于金刚石切削的微结构创成技术还有待进一步发展，从而满足不同应用的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种跨尺度分级微结构的创成方法，利用单向低频振动、椭圆振动（或单向高频振动）和单向超声振动的集成，通过控制参与加工的驱动方式、刀具形状以及工艺参数，实现不同微结构（如单级、二级或多级）的直接创成，具有加工成本低、柔性好、精度高、对不同机床适应性强的特点。

本发明所采用的技术方案如下。

1） 机床、刀具配置方式的确定：根据微结构所在基面的面形特征选择所采用的机床运动轴、刀具配置形式，例如（a）如果基面为圆柱面，则可以选择以车削外圆的配置方式进行加工；（b）如果基面为平面或自由曲面，则可以选择以车削端面的配置方式进行加工。

2） 参与切削的驱动方式确定：根据基面的面形特征以及微结构的层级、形状和尺寸特征，对参与加工的驱动方式进行确定，例如（a）如果基面面形连续或微结构尺寸特征为毫米或亚毫米且面形连续，则需要慢刀伺服驱动参与加工；（b）如果基面面形连续且微结构尺寸特征为微米或亚微米，则需要椭圆振动（或快刀伺服）参与加工；（c）如果微结构尺寸特征为纳米甚至更低尺度，则需要超声振动参与加工。

3） 刀具轨迹规划：基于选定的加工方式和参与切削的驱动方式，根据基面的面形特征、微结构的形状和尺寸特征以及选用刀具的几何参数，对加工过程中刀具的运动轨迹进行规划控制。

4） 微结构加工：根据上述步骤基于超精密机床便可以开展微结构的加工，根据不同驱动方式的协调配合，可以实现连续曲面、单级、二级或多级微结构的直接创成。

所述的跨尺度分级微结构创成方法，该方法集成了慢刀伺服、椭圆振动（或快刀伺服）和超声振动三种辅助加工方式，慢刀伺服驱动由超精密机床的伺服导轨或低频大行程伺服驱动装置实现，椭圆振动（或快刀伺服）由非共振椭圆振动辅助发生装置实现，超声振动由超声振动发生装置实现，依托于超精密机床开展相关的跨尺度微结构创成，通过控制参与加工的驱动方式以及工艺参数，实现在平面或自由曲面上高效创成跨尺度分级微结构。所述非共振椭圆振动切削发生装置，其为二维或三维椭圆振动发生装置，通过不同运动轴的激励信号协同控制实现快刀伺服驱动或椭圆振动。