本發(fā)明涉及一種微裂紋輔助的復(fù)合微結(jié)構(gòu)面創(chuàng)成方法，屬于脆性材料復(fù)雜微結(jié)構(gòu)面精密加工。

背景技術(shù)：

1、目前基于難加工材料的復(fù)雜型面廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍事、微電子器件和光學(xué)元件等高科技高附加值領(lǐng)域，但由于該類材料的難切削加工性，給當(dāng)前的機(jī)械加工技術(shù)帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。尤其基于脆性材料的復(fù)雜型面，由于固有的高硬度、低斷裂韌性，在加工過(guò)程中極易產(chǎn)生裂紋，很難保證加工質(zhì)量和效率。微結(jié)構(gòu)面是一種典型的復(fù)雜型面，當(dāng)前脆性材料微納結(jié)構(gòu)的加工可以通過(guò)減材（如切削等）、增材（如3d打印等）和等材（如模壓等）等方式制備，但為了保證加工質(zhì)量，通常依賴于昂貴的加工設(shè)備和復(fù)雜的工藝條件，不僅加工效率低且成本高。當(dāng)前為實(shí)現(xiàn)脆性材料高效低損傷加工，機(jī)械加工領(lǐng)域的共識(shí)是控制切削深度小于脆塑轉(zhuǎn)變臨界切深，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低損傷加工。但通常脆性材料的脆塑轉(zhuǎn)變臨界切深閾值極小（亞微米級(jí)），為了進(jìn)一步提高脆塑轉(zhuǎn)變臨界切深值，能量場(chǎng)（熱場(chǎng)、振動(dòng)場(chǎng)等）被引入加工過(guò)程，使得該臨界值得以有效提高，但當(dāng)前的低損傷切削參數(shù)（如切削深度、進(jìn)給量）均以脆塑轉(zhuǎn)變臨界切深為判斷依據(jù)，使得該臨界值一定程度上成為限制該類材料高效低損傷加工的瓶頸。針對(duì)該問(wèn)題，中國(guó)發(fā)明專利cn116238058b公開(kāi)了一種脆性材料高效低損傷加工方法，公開(kāi)了以下技術(shù)內(nèi)容：通過(guò)調(diào)整刀具姿態(tài)和振動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)了裂紋擴(kuò)展方向的調(diào)制，確定了該方式下裂紋擴(kuò)展至最低點(diǎn)的臨界切削深度，當(dāng)實(shí)際加工深度小于該裂紋擴(kuò)展至最低點(diǎn)臨界切削深度時(shí)，利用多次走刀實(shí)現(xiàn)此次走刀產(chǎn)生的已加工表面偏向預(yù)走刀進(jìn)給方向一側(cè)的裂紋，將在下次走刀過(guò)程中被去除。該方法提供了切削深度大于傳統(tǒng)脆塑轉(zhuǎn)變臨界切深進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低損傷加工的一種新途徑，有助于提高脆性材料的加工效率。但該方法并未涉及通過(guò)微裂紋輔助的主動(dòng)調(diào)控微缺陷位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面的直接創(chuàng)成。

2、雖然在脆性材料加工過(guò)程中，微裂紋的形核與擴(kuò)展通常被認(rèn)為是引起材料脆裂進(jìn)而影響加工質(zhì)量的主要因素之一，是不希望出現(xiàn)的。但利用微裂紋也可以產(chǎn)生積極的作用，有學(xué)者利用微裂紋成功實(shí)現(xiàn)了表面的納米圖案化（kim?m.?et?al.?cracking-assistedphotolithography?for?mixed-scale?patterning?and?nanofluidic?applications.2015,?6(1):6247；nam?k.?h.,?et?al.?patterning?by?controlled?cracking.?2012,485(7397):?221-224）。但上述方法僅適用于二維表面圖案的制備。在仿生學(xué)領(lǐng)域，生物體表由于具有復(fù)雜的三維多層級(jí)結(jié)構(gòu)，而具有特殊的功能（如親疏水性等），其體表形貌具有光滑、粗糙、不規(guī)則等復(fù)合結(jié)構(gòu)特征。但在機(jī)械創(chuàng)成過(guò)程中，保證加工表面質(zhì)量的前提下，如何利用微裂紋輔助制備三維微結(jié)構(gòu)特征，還未見(jiàn)報(bào)道。因此，如何借助微裂紋作用實(shí)現(xiàn)脆塑復(fù)合的三維微結(jié)構(gòu)加工，仍然充滿挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種裂紋輔助的復(fù)合微結(jié)構(gòu)面創(chuàng)成方法：（1）通過(guò)調(diào)控微裂紋在特定區(qū)域相互擴(kuò)展交叉實(shí)現(xiàn)材料去除形成空間高頻層級(jí)特征；（2）通過(guò)調(diào)控微裂紋誘導(dǎo)的微缺陷在特定位置形成，微缺陷作為微結(jié)構(gòu)表面的空間高頻層級(jí)特征，實(shí)現(xiàn)微裂紋輔助的主動(dòng)調(diào)控微缺陷的復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面創(chuàng)成。該方法有助于提高三維微結(jié)構(gòu)表面的層級(jí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)表面的某些特殊表界面性能的增強(qiáng)，具有高效率、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：該裂紋輔助的復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面創(chuàng)成方法，其特征在于，包括以下步驟：

3、1）設(shè)計(jì)擬制備脆塑復(fù)合微結(jié)構(gòu)面，確定待加工的脆性材料和刀具；

4、2）確定刀具的加工深度，選定刀具的調(diào)制切削方式并規(guī)劃刀具的振動(dòng)軌跡，調(diào)控刀具姿態(tài)和走刀路徑，使刀具姿態(tài)配合合理的走刀路徑及振動(dòng)軌跡，對(duì)刀并加工，實(shí)現(xiàn)加工微缺陷向加工方向單側(cè)與表面擴(kuò)展；

5、3）利用加工設(shè)備運(yùn)動(dòng)軸與刀具的宏觀相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)脆性材料進(jìn)行加工，控制刀具橫向進(jìn)給量，通過(guò)多次走刀，實(shí)現(xiàn)同一刀具姿態(tài)加工脆性材料的微裂紋輔助的主動(dòng)調(diào)控微缺陷的微結(jié)構(gòu)表面；

6、4）調(diào)整刀具加工位置位于步驟3）橫向進(jìn)給方向、第一組走刀的相鄰未加工位置，再次調(diào)控刀具姿態(tài)，通過(guò)僅改變一次刀具姿態(tài)，控制刀具橫向進(jìn)給量，利用多次走刀，即可實(shí)現(xiàn)加工脆性材料產(chǎn)生的微裂紋在特定區(qū)域相互擴(kuò)展交叉實(shí)現(xiàn)材料去除或誘導(dǎo)微缺陷在特定位置形成，進(jìn)而形成空間高頻層級(jí)特征，實(shí)現(xiàn)微裂紋輔助的主動(dòng)調(diào)控微缺陷的復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面創(chuàng)成。

7、進(jìn)一步地，步驟1）中所述脆塑復(fù)合微結(jié)構(gòu)面為由刀具和工件脆性材料相互運(yùn)動(dòng)形成的包含塑性成形特征和由微裂紋在特定區(qū)域相互擴(kuò)展交叉實(shí)現(xiàn)材料去除或誘導(dǎo)微缺陷在特定位置形成的脆裂去除特征，所述加工的刀具為圓弧刃刀具。

8、進(jìn)一步地，步驟2）中刀具的調(diào)制切削方式根據(jù)設(shè)計(jì)的脆塑復(fù)合微結(jié)構(gòu)面進(jìn)行選擇，其方式包括但不限于刀具偏轉(zhuǎn)角度配合二維橢圓振動(dòng)或三維橢圓振動(dòng)，利用振動(dòng)軌跡規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)在空間低頻特征上創(chuàng)成更微細(xì)的空間高頻特征，形成多層級(jí)復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面。

9、進(jìn)一步地，步驟2）中調(diào)控刀具姿態(tài)是在不改變刀尖位置的基礎(chǔ)上旋轉(zhuǎn)刀具，實(shí)現(xiàn)刀具姿態(tài)的變化。刀具的加工深度大于傳統(tǒng)脆塑轉(zhuǎn)變臨界切深，小于微缺陷首次擴(kuò)展到溝槽最低點(diǎn)位置的深度。

10、進(jìn)一步地，步驟3）中控制刀具橫向進(jìn)給量，所述橫向進(jìn)給量應(yīng)是當(dāng)前走刀創(chuàng)成溝槽寬度的2倍以上。

11、進(jìn)一步地，步驟4）中再次調(diào)控刀具姿態(tài)，具體是使刀具旋轉(zhuǎn)方向與步驟2）中調(diào)控刀具姿態(tài)的旋轉(zhuǎn)方向相反，通過(guò)控制刀具橫向進(jìn)給量，利用多次走刀，即可實(shí)現(xiàn)加工脆性材料產(chǎn)生的微裂紋在特定區(qū)域相互擴(kuò)展交叉實(shí)現(xiàn)材料去除或誘導(dǎo)微缺陷在特定位置形成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微裂紋輔助的主動(dòng)調(diào)控微缺陷的復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面創(chuàng)成。

12、進(jìn)一步地，步驟4）中所述橫向進(jìn)給量應(yīng)是步驟3）中走刀創(chuàng)成溝槽寬度的2倍以上，2.5倍以下。

13、進(jìn)一步地，步驟3）和步驟4）中刀具調(diào)制切削方式、振動(dòng)軌跡、走刀方式相同。

14、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果是：

15、本發(fā)明通過(guò)主動(dòng)調(diào)控刀具位置和姿態(tài)、振動(dòng)軌跡和走刀路徑，利用微裂紋誘導(dǎo)形成加工微缺陷向加工方向單側(cè)與表面擴(kuò)展，通過(guò)多次走刀和橫向進(jìn)給量控制，可實(shí)現(xiàn)在脆性材料上一次性創(chuàng)成具有塑性去除特征的空間低頻特征結(jié)構(gòu)和在塑性低頻空間上創(chuàng)成空間高頻脆裂去除特征的復(fù)合微結(jié)構(gòu)表面，效率高，成本低。

16、通過(guò)主動(dòng)調(diào)控微缺陷的位置，在空間低頻塑性特征特定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)微裂紋相互擴(kuò)展交叉，進(jìn)而形成材料去除，或誘導(dǎo)脆裂微缺陷在特定位置形成微粗糙元。微裂紋相互交叉形成的去除特征或殘留在空間低頻塑性特征特定區(qū)域的脆裂微粗糙元，有助于提高微結(jié)構(gòu)表面的層級(jí)結(jié)構(gòu)特征，該復(fù)合多層級(jí)微結(jié)構(gòu)面，可以直接或進(jìn)一步通過(guò)后處理（如噴涂等）等方式使微結(jié)構(gòu)表面的某些特殊表界面功能增強(qiáng)。同時(shí)，該方法利用脆性材料加工過(guò)程中容易出現(xiàn)微裂紋的現(xiàn)象，通過(guò)調(diào)控微裂紋的擴(kuò)展行為，為空間層級(jí)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)成提供了一種新的方法。