专利摘要

一种基于放电加工的表面粗化方法，通过电弧放电加工具有能量利用效率高、材料去除效率高、电极形状可定制以实现沉入式加工等优势，利用电弧加工实现待粗化表面高效的小余量材料蚀除，在表面形成微小的凸起或凹陷的可控表面形貌特征，从而实现表面粗化效果。与现有表面粗化方法相比，本发明具有高效率、低成本以及粗化几何特征可控的特点，弥补了现有表面粗化方法中存在的粗化效率低、粗化成本高和无法控制粗化表面特征形状等不足。

权利要求

1.一种基于放电加工的表面粗化方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)根据待粗化表面(4)需要加工的表面形貌特征(3)加工具有相应特征形状或选择具有相应特征形状的专用电极(1)；其中，所述的专用电极(1)包括：直纹面成形电极(6)、曲面成形电极(7)、集束电极(8)和圆滚电极(9)；所述的表面形貌特征(3)包括：针状、圆柱、圆锥、圆台状或多面体凸起，或圆锥、球形、圆柱形截面的凹坑；

2)在待粗化表面(4)上设置所述的专用电极(1)，使所述的专用电极(1)与所述的待粗化表面(4)之间保持一定的放电间隙，并在该放电间隙通过外冲液、内冲液或者浸入方式引入工作介质(2)；

3)将放电电源(5)的负极或正极与所述的专用电极(1)相连，将所述的待粗化表面(4)与所述的放电电源(5)正极或负极相连；

4)开启所述的放电电源(5)，所述的放电电源(5)通过专用电极(1)、工作介质(2)、待粗化表面(4)形成放电加工，通过成形电极的多轴沉入式进给、集束电极的多轴沉入式进给、或圆滚电极辊压式进给方式在待粗化表面(4)形成微小的凸起或凹陷的可控的表面形貌特征(3)，实现待粗化表面的粗化。

2.根据权利要求1所述的基于放电加工的表面粗化方法，其特征在于所述的放电加工包括电弧放电加工、电火花加工或电化学放电加工方法。

3.根据权利要求1所述的基于放电加工的表面粗化方法，其特征在于所述的工作介质为水基电介液、油基电介液、气体、或雾介质。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于放电加工的表面粗化方法，其特征在于所述的放电电源(5)是指放电电流为1A-5000A可调，脉宽长度为0.1μs-100ms可调，脉间宽度为0.1μs-100ms可调的脉冲电源或者直流电源。

说明书

技术领域

本发明涉及材料表面粗化，特别是一种基于放电加工的表面粗化方法。

背景技术

在粘接和胶接结构应用中，如何提高粘附强度和增加粘接的可靠性一直是一个急需解决的问题。例如，目前的固体火箭发动机喷管多采用复合材料扩散段和金属壳体粘接的结构形式。工作时高压燃气导致喷管扩散段胶接界面失效并被吹脱落是固体火箭发动机喷管的常见故障，给以固体火箭发动机为动力的型号产品带来很大的潜在隐患。为了提高的粘附强度和增加粘接结构的可靠性，学者们研究发现对表面进行粗化处理，使得表面形成微小的凹凸不平，可以大幅度增加胶接贴合面面积，从而极大强化复合结构的强度和可靠性。因此，表面粗化处理也被广泛应用于零部件的粘接和胶接以及复合材料制备等场合。

目前，实现金属表面粗化的工艺方法有很多，例如传统的插入销钉、机械切削、激光毛化、激光切割、电化学加工和电火花毛化等方式，并且这些方法都各有特点。首先，传统的插入销钉和机械切削方式粗化表面研究中，吉林大学任露泉等人为了改善活塞的润滑条件，使用振动加工的方法在活塞裙部表面加工出浅坑作为集油孔，但是该方法只能在表面上加工出浅坑或孔洞，无法加工出微突起结构，而且机械粗化表面受待粗化表面硬度的限制和制约。其次，在利用激光表面粗化时，由于激光具有良好的空间和时间控制性，以及极高的能量密度和功率密度，因而可以实现高硬度、高熔点的材料表面粗化处理。然而，激光粗化表面产生的微观蚀坑尺寸较小，虽然能提高衬层的结合力，但是无法形成金属壳体与内衬层的结构交错，强化效果仍然不理想。最后，在电火花加工粗化表面处理中，南京航空航天大学的杨志伟等使用电火花线切割的方法在紫铜电极上加工出阵列微突起结构，然后采用电火花成型加工的方法加工出具有阵列浅坑结构的表面。但是该方法需要制备复杂的电极，加工效率较低，而且不适用于具有曲率表面的加工。综上所述，现有的各种表面粗化工艺都存在一定的局限性，并且针对如何实现高效率和精确可控的表面粗化，以及如何借助该特殊工艺加工出定制的几何凸起，从而在粘接界面引入机械力强化复合结构的强度和可靠性的工艺方法，目前在国内外相关领域尚未有报道。

据专利检索可知，日本学者横田博纪等人在专利CN107532272A中阐述了一种基材的表面粗化方法、基材的表面处理方法、喷涂覆膜被覆部件及其制造方法，该专利主要提出了一种基于激光加工的表面粗化工艺；该专利通过高功率密度激光照射基材表面，且在粗化表面形成氧化膜，并通过粗化表面所产生的物理密合力加上化学亲和力的作用，获得与陶瓷基材上形成的喷涂覆膜的高密合性。同样，日本学者染谷安信等人在专利CN106061627A中提出了一种表面粗化处理方法，该专利阐述了在基板上或在基板上的层上涂布含有无机粒子和有机树脂的组合物进行干燥和固化，进而从该基板的上方进行蚀刻，实现基板的表面粗化的工序。日本学者渡边元等人在专利CN102517617B中提出了一种表面粗化铜板的装置以及表面粗化铜板方法。该专利主要内容是通过先采用电解方式在铜板两侧生成铜微粒，而后通过电镀方式将铜微粒固定在铜板表面，由此形成粒径为10μm以下的微细瘤状突起，表面粗化后的粗糙度Rz值范围为3μm-20μm。张兵等人在专利CN107747096A中提出了一种不锈钢表面粗化处理的方法。该专利主要提出了一种基于化学表面腐蚀的表面粗化工艺，并且可以实现具有1-40μm到10-400nm的粗糙面，从而能够有效提高不锈钢与表面附着物的附着力，增加其结合强度。然而，上述所提及的已有表面粗化的专利主要涉及的是微观尺度表面粗化，表面粗化后的微观凸起或是凹陷一般为微米甚至是纳米级别的尺度，并且这些方法粗化处理的目的是实现微观的表面粗糙不平或是增加表面粗糙度，实现增强表面化学亲和力或者表面附着力等。但是，由于上述已有专利的所能实现的表面粗化后微观蚀坑尺寸非常小，针对通过表面粗化技术实现增加粘接面积和在粘接界面引入机械力的相关内容尚未涉及。

此外，据专利检索可知，日本学者富冈晃德等人在专利CN106345928B中提出了用于金属原料的表面粗化装置以及表面粗化方法。该专利提出了通过把具有尖角凸起特征的模具按压至待粗化表面，从而在待粗化表面形成相应的凹陷特征，达到实现表面粗化的目的。相比于上述提及的专利方法，该专利通过控制模具尖角特征的尺寸，可实现表面特征形貌较大的表面粗化，从而在粗化后的表面增加粘接面积和在粘接界面引入机械力的目的。然而，该方法是通过机械方法将模具按压至待粗化表面，当待粗化表面为高硬度、高强度表面时，采用该方法势必会带来很大的困难，包括模具成本高、粗化效率较低和粗化效果较差等。此外，该专利所提及的实施过程中，表面粗化过程主要依靠模具在按压作用力下反拷贝模具的形貌特征到待粗化表面，当待粗化表面为复杂的曲面时，势必会给模具的制造造成极大的困难和极高的成本，因此该方法在高强度和高硬度材料以及复杂曲面的表面粗化时存在的很大的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于放电加工的表面粗化方法，该方法特别是针对高硬度和高强度材料以及形状复杂曲面进行非微观尺度表面粗化有明显优势，弥补了现有表面粗化方法中存在的表面粗化尺度微小、表面粗化效率低和表面粗化成本高等不足。本发明具有高效率、低成本以及粗化几何特征可控的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于放电加工的表面粗化方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

1)根据待粗化表面需要加工的表面形貌特征加工具有相应特征形状或选择具有相应特征形状的专用电极；

2)在待粗化表面上设置所述的专用电极，使所述的专用电极与所述的待粗化表面之间保持一定的放电间隙，并在该放电间隙中通过外冲液、内冲液或者浸入方式设置工作介质；

3)将放电电源的负极(或正极)与所述的专用电极相连，将所述的待粗化表面与所述的放电电源正极(或负极)相连；

4)开启所述的放电电源，所述的放电电源通过专用电极、工作介质、待粗化表面形成放电加工，在待粗化表面形成微小的凸起或凹陷的可控的表面形貌特征，实现待粗化表面的粗化。

所述的放电加工包括电弧放电加工、电火花加工或电化学放电加工方法。

所述的可控的表面形貌特征包括：针状、圆柱、圆锥、圆台状或多面体凸起，或圆锥、球形、圆柱形截面的凹坑。

所述的专用电极为直纹面成形电极、曲面成形电极、集束电极和圆滚电极。

所述的工作介质为水基电介液、油基电介液、气体、或雾介质。

所述的放电电源是指放电电流为1A-5000A可调，脉宽长度为0.1μs-100ms可调，脉间宽度为0.1μs-100ms可调的脉冲电源或者直流电源。

本发明的有益效果是：

1、本发明借助于放电加工(电弧加工)具有能量利用效率高、材料去除效率高等优势，可实现高效、低成本的表面粗化，弥补了现有表面粗化方法中存在的粗化效率低和粗化成本高等不足；

2、本发明利用电弧加工具有电极形状可定制以实现沉入式加工的特点，粗化表面几何特征可定制的粗化过程，改进了现有表面粗化方法中无法控制粗化表面特征形状和尺寸等问题；

3、本发明所提及的粗化方法通过加工出定制的几何体特征，为复合材料和复合结构的粘接等应用提供了增加粘接面积以及引入机械接触等措施，从而有效的避免胶接材料从基体的脱落；

4、本发明利用放电加工方法实施表面粗化，它不受材料的硬度、强度和力学性能影响，特别适合航空航天领域的难加工材料表面粗化；

5、本发明通过采用各种类型的专用电极和相应的进给方式，可实现复杂曲面的高效表面粗化。

附图说明

图1为本发明基于放电加工的表面粗化方法一个实施例的示意图

图中：1-专用电极、2-工作介质、3-已粗化表面及其形貌特征的、4-待粗化表面、放电电源5。

图2为各种专用电极示意图

图中：6-直纹面成形电极、7-曲面成形电极、8-集束电极、9-圆滚电极。

图3为本发明基于放电加工的表面粗化方法实施例的粗化结果

图中：10-粗化工件模型图、11-粗化表面实物图。

具体实施方式

结合说明附图1和图2对本发明技术方案做进一步说明，给出了具体的实施例和操作过程，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。

如图1所示，图1为本发明基于放电加工的表面粗化方法一个实施例的示意图，本发明基于放电加工的表面粗化方法是指利用放电加工方法，通过配合使用专用电极1、工作介质2和放电电源5对待粗化表面4进行小余量的放电材料蚀除，在表面形成微小的凸起或凹陷的可控的表面形貌特征3，从而实现表面粗化效果。

本发明基于放电加工的表面粗化方法，包括下列步骤：

1)根据待粗化表面4需要加工的表面形貌特征3加工具有相应特征形状或选择具有相应特征形状的专用电极1；

2)在待粗化表面4上设置所述的专用电极1，使所述的专用电极1与所述的待粗化表面4之间保持一定的放电间隙，并在该放电间隙通过外冲液、内冲液或者浸入方式引入工作介质2；

3)将放电电源5的负极(或正极)与所述的专用电极1相连，将所述的待粗化表面4与所述的放电电源5正极(或负极)相连；

4)开启所述的放电电源5，所述的放电电源5通过专用电极1、工作介质2、待粗化表面4形成放电回路实现放电加工，在待粗化表面4形成微小的凸起或凹陷的可控的表面形貌特征3，实现待粗化表面的粗化。

放电电源5加载在电极1与待粗化表面4两端的电压击穿间隙中的介质2，形成的放电等离子体进而热蚀除待粗化表面4的材料，在待粗化的表面形成可控表面形貌特征3，完成表面粗化处理。

所述的放电加工包括电弧放电加工、电火花加工或电化学放电加工方法。

所述的可控的表面形貌特征包括：针状、圆柱、圆锥、圆台状或多面体凸起，或圆锥、球形、圆柱形截面的凹坑。

所述的专用电极1如图2所示，图中，6为直纹面成形电极、7为曲面成形电极、8为集束电极和9为圆滚电极。

所述的工作介质为水基电介液、油基电介液、气体、或雾介质。

所述的放电电源是指放电电流为1A-5000A可调，脉宽长度为0.1μs-100ms可调，脉间宽度为0.1μs-100ms可调的脉冲电源或者直流电源。

本发明针对不同形状的待粗化表面，通过采用不同形式的专用电极(1)和配合使用不同形式的进给方式，可实现包括直纹面和复杂曲面的表面粗化；不同形式的专用电极和配合使用不同形式的进给方式包括成形电极的多轴沉入式进给、集束电极的多轴沉入式进给、圆滚电极辊压式进给等。

本发明实施过程如下：在基于放电加工的表面粗化方法实施中，专用电极1和待粗化表面4工件分别与专用电源5的正级、负极连接，通过专用电源5、放电介质2、待粗化表面4和专用电源5四者之间形成放电加工所需的放电回路；加载在专用电极1和待粗化表面4两端的放电电压击穿工作介质，形成高温等离子体蚀除待粗化表面的材料，加工出特定的表面几何形貌特征3，实现可控的定制表面粗化。在此过程中，冲液式或者浸入液式的工作液能有效的冷却放电加工区域，带走放电蚀除颗粒和产物，防止粗化表面被烧伤。

实施例

结合说明图3阐述本发明的在完成图中样件粗化的工作过程：在如图3所示的样件表面粗化实施过程中，先根据样件需要粗化的表面形貌加工出相应的粗化专用电极1，将专用电极1安装在电弧加工机床的主轴上，将待粗化工件4安装在机床工作台上，并将专用电极1与专用电源5的负极连接，将待粗化工件4与专用电源5的正极连接；移动机床主轴和工作台，使将专用电极1和待粗化表面4之间保持适当的间隙，在放电间隙间实施水基工作液冲液，再通过放电电源5在放电间隙间施加电压和电流，使电极1与待粗化表面4之间形成高温等离子体，从而热蚀除待粗化表面的材料，再配合机床的多轴进给运动，在待粗化表面加工出特定的表面几何形貌特征，实现可控的定制表面粗化。图3为本发明基于放电加工的表面粗化方法实施例的粗化结果，图中：10为粗化工件模型图、11为粗化表面实物图。

实验表明对表面粗化具有高效率、低成本好粗化几何特征可控的特点。

基于放电加工的表面粗化方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。