一種高硬度表面多尺度功能微結構制備方法與裝置與流程
本發明涉及高硬度表面功能微結構，尤其涉及一種高硬度表面多尺度功能微結構制備方法與裝置。
背景技術：
諸如車刀、銑刀等高硬度表面刀具，在航空航天、船舶汽車領域中加工難加工材料時存在切削力大、刀具磨損嚴重等問題，所以如何改善刀具切削性能，延長刀具壽命成為了技術研究的熱點。
而在高硬度表面刀具上設計高硬度表面功能微結構，能廣泛用于加工鈦合金、陶瓷以及高溫鎳基合金等難加工材料；但是，目前在高硬度表面上制備多尺度功能微結構的研究十分有限，如公開號為cn201010290499.6的專利公開了一種多層次非晶合金基微結構的制備方法，通過該方法制備的多層次非晶合金基微結構的表面精度可達到亞納米精度要求，并可在任何地方形成可貫通的微結構，且力學和熱穩定性檢測表明該多層次非晶合金基微結構可在700℃和500mpa下安全使用。但此微結構光刻制備成本很高，且只有單一尺度的微結構，因此研制高效、經濟、便捷的多尺度功能微結構制備方法與裝置具有十分必要的意義。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有刀具、齒輪等高硬度表面磨損嚴重、散熱困難、使用壽命短等不足，提供一種高硬度表面功能微結構制備方法與裝置。本發明受生物表面多尺度微結構具有良好的耐磨和散熱等多種特性的啟發而提出；本發明是一種將特殊型仿生毫米或亞毫米級結構與微米或亞微米級結構同時配置在高硬度表面上形成的多尺度功能微結構；是一種制備特定仿生功能微結構的單點金剛石刀具設計方法，是一種制備特定仿生功能微結構的多刃金剛石刀具設計方法，在高硬度表面上形成多尺度功能微結構的制備方法；是一種采用毫米級倒圓臺形(或其他形狀)單點金剛石刀尖在高硬度表面上垂直或刻劃形成毫米級功能微結構的制備方法；是一種采用微米級圓錐形(或其他形狀)金剛石刀尖在高硬度表面上垂直及旋轉，或者刻劃形成微米或亞微米級功能微結構的制備方法；是一種單點金剛石刀尖垂直及旋轉，或者刻劃伺服驅動控制工藝；是一種集成高硬度表面精密定位、單點金剛石刀尖設計和刀具精密伺服驅動控制于一體的仿生多尺度功能微結構精密制備裝置。
本發明一種高硬度表面多尺度功能微結構制備方法，具體步驟如下：
步驟一、采用金剛石制作單點金剛石刀尖；然后，將單點金剛石刀尖燒結在一個刀柄上制成單點金剛石刀具。所述的單點金剛石刀尖呈倒圓臺形，單點金剛石刀尖的母線與中心軸線的夾角θ1＝θ，21.5°≤θ≤23.5°，單點金剛石刀尖的最大直徑d1＝d，1mm≤d≤2mm；單點金剛石刀尖的最小直徑d2＝d，0.1mm≤d≤0.2mm；單點金剛石刀尖的高h1＝1.5h，0.5mm≤h≤1.5mm。
步驟二、采用金剛石制作多刃金剛石刀尖；然后，在多刃金剛石刀尖的側面上與多刃金剛石刀尖底面相距高度為h2＝0.5h的位置處燒結n顆金剛石顆粒，1≤n≤6；金剛石顆粒呈圓錐形，底面直徑為d3，0.03mm≤d3≤0.1mm；最后，將多刃金剛石刀尖燒結在另一個刀柄上制成多刃金剛石刀具。所述的多刃金剛石刀尖整體呈倒圓臺形，多刃金剛石刀尖的母線與中心軸線的夾角等于θ1，多刃金剛石刀尖的最大直徑等于d1；多刃金剛石刀尖的最小直徑等于d2；多刃金剛石刀尖的高等于h1。
步驟三、首先將固定支架和xyz三軸滑臺固定在底座上，將激振器固定在固定支架上；然后，將z軸向旋轉驅動件固定在xyz三軸滑臺上，夾具固定在z軸向旋轉驅動件上；最后，通過夾具將待加工工件夾緊。
步驟四、制備中心倒圓臺凹坑微結構陣列或v形溝槽微結構陣列，具體過程如下：
將步驟一制成的單點金剛石刀具與激振器的輸出端固定，然后啟動激振器，將激振器的振動頻率調整為f，50hz≤f≤200hz，振幅調整為a，a＝h；xyz三軸滑臺和z軸向旋轉驅動件驅動待加工工件運動，單點金剛石刀具在待加工工件的待加工表面壓印出中心倒圓臺凹坑微結構陣列或犁削出v形溝槽微結構陣列；最后，停止激振器的振動。
所述的中心倒圓臺凹坑微結構陣列由m行n列仿生微結構組成，m≥4，n≥7；所述的仿生微結構由中心倒圓臺凹坑和位于中心倒圓臺凹坑外沿的弧形面組成；中心倒圓臺凹坑的母線與中心軸線的夾角為θ，中心倒圓臺凹坑的高度為h；中心倒圓臺凹坑的最小直徑為d；相鄰仿生微結構的中心距為l1，1mm≤l1≤3mm。
所述的v形溝槽微結構陣列由等距布置的m個v形溝槽組成；v形溝槽的高度等于h，兩側壁夾角等于θ，底部槽寬等于d，長度為l，5mm≤l≤15mm；相鄰兩個v形溝槽的中心距等于l1。
步驟五、制備微米或亞微米級功能微結構，具體如下：
xyz三軸滑臺帶動待加工工件下移z，15mm≤z≤30mm；拆卸單點金剛石刀具，并將步驟二制成的多刃金剛石刀具固定在激振器的輸出端；接著xyz三軸滑臺帶動待加工工件上移z；然后，啟動激振器，激振器的振動頻率保持為f，振幅保持為a。若步驟四制備出的是中心倒圓臺凹坑微結構陣列，則xyz三軸滑臺和z軸向旋轉驅動件同時驅動待加工工件運動，多刃金剛石刀具在待加工工件的每個仿生微結構的中心倒圓臺凹坑圓周側面上壓印出沿周向均布的兩個螺旋形微米或亞微米級功能微結構；其中，在每個仿生微結構的中心倒圓臺凹坑內壓印螺旋形微米或亞微米級功能微結構時，xyz三軸滑臺不動，z軸向旋轉驅動件帶動待加工工件以角速度ω旋轉角度β，5°/s≤ω≤45°/s，5°≤β≤90°。若步驟四制備出的是v形溝槽微結構陣列，則xyz三軸滑臺單獨驅動待加工工件運動，多刃金剛石刀具在待加工工件的每個v形溝槽兩側壁壓印出對稱的兩個連續折線形微米或亞微米級功能微結構；其中，在每個v形溝槽內壓印連續折線形微米或亞微米級功能微結構時，xyz三軸滑臺帶動待加工工件沿x向平移距離l。
本發明高硬度表面多尺度功能微結構制備裝置，包括四自由度定位機構、夾具、激振器、單點金剛石刀具和多刃金剛石刀具。所述的四自由度定位機構包括xyz三軸滑臺和z軸向旋轉驅動件；所述的xyz三軸滑臺包括x軸向直線滑臺、y軸向直線滑臺和z軸向直線滑臺；所述的x軸向直線滑臺包括x軸向伺服電機、x軸向絲桿、x軸向滑塊、x軸向導軌和x軸向座體；x軸向座體固定在底座上；x軸向絲桿與x軸向座體構成轉動副，并由x軸向伺服電機驅動；x軸向滑塊與x軸向絲桿構成螺旋副，并與固定在x軸向座體上的x軸向導軌構成滑動副；所述的y軸向直線滑臺包括y軸向伺服電機、y軸向絲桿、y軸向滑塊、y軸向導軌和y軸向座體；y軸向絲桿與y軸向座體構成轉動副，并由y軸向伺服電機驅動；y軸向座體固定在x軸向座體上；y軸向滑塊與y軸向絲桿構成螺旋副，并與固定在y軸向座體上的y軸向導軌構成滑動副；所述的z軸向直線滑臺包括z軸向伺服電機、z軸向絲桿、z軸向滑塊、z軸向導軌和z軸向座體；z軸向絲桿與z軸向座體構成轉動副，并由z軸向伺服電機驅動；z軸向座體固定在y軸向滑塊上；z軸向滑塊與z軸向絲桿構成螺旋副，并與固定在z軸向座體上的z軸向導軌構成滑動副；所述的z軸向旋轉驅動件與z軸向滑塊固定，并驅動夾具繞z軸旋轉。所述的激振器直接固定在固定支架上，或激振器由xyz三軸移動平臺驅動，xyz三軸移動平臺固定在固定支架上；xyz三軸移動平臺的結構與xyz三軸滑臺的結構相同；固定支架固定在底座上。單點金剛石刀具或多刃金剛石刀具與激振器的輸出端固定。
所述的單點金剛石刀具包括刀柄和燒結在刀柄上的單點金剛石刀尖。所述的單點金剛石刀尖呈倒圓臺形，單點金剛石刀尖的母線與中心軸線的夾角θ1＝θ，21.5°≤θ≤23.5°，單點金剛石刀尖的最大直徑d1＝d，1mm≤d≤2mm；單點金剛石刀尖的最小直徑d2＝d，0.1mm≤d≤0.2mm；單點金剛石刀尖的高h1＝1.5h，0.5mm≤h≤1.5mm。
所述的多刃金剛石刀具包括刀柄和燒結在刀柄上的多刃金剛石刀尖；所述多刃金剛石刀尖的側面上與多刃金剛石刀尖底面相距高度為h2＝0.5h的位置處燒結n顆金剛石顆粒，1≤n≤6；所述的金剛石顆粒呈圓錐形，底面直徑為d3，0.03mm≤d3≤0.1mm；所述的多刃金剛石刀尖整體呈倒圓臺形，多刃金剛石刀尖的母線與中心軸線的夾角等于θ1，多刃金剛石刀尖的最大直徑等于d1；多刃金剛石刀尖的最小直徑等于d2；多刃金剛石刀尖的高等于h1。
進一步，所述的z軸向旋轉驅動件采用z軸向旋轉電缸；z軸向旋轉電缸的缸體固定在z軸向滑塊上，夾具固定在z軸向旋轉電缸的推桿上。
進一步，所述的z軸向旋轉驅動件采用z軸向電機，z軸向電機的殼體固定在z軸向滑塊上，夾具固定在z軸向電機的輸出軸上。
本發明具有的有益效果是：
本發明受貝殼表面多尺度復合結構的啟發，在高硬度表面加工功能微結構，具體是通過特質單點金剛石刀具(單刃與雙刃或多刃的結合)將特殊型仿生毫米或亞毫米級結構與微米或亞微米級結構同時配置在高硬度表面上，形成多尺度功能微結構，能提高高硬度表面的硬度、強度、耐磨性和精度，對高硬度加工行業的發展有著十分重要的意義。以切削加工為例，通過多尺度仿生功能微結構的加入，在刀尖高硬度表面上形成一種特殊的復合微結構，使潤滑液更能滯留在刀尖表面，以減小切削時的摩擦力，達到減小表面磨損，保護刀具、延長刀具使用壽命的目的。
附圖說明
圖1為本發明高硬度表面多尺度功能微結構制備裝置的立體圖。
圖2為本發明中單點金剛石刀具的立體圖。
圖3為本發明中多刃金剛石刀具的立體圖。
圖4為圖2中a處刀具的放大示意圖。
圖5為圖3中b處刀具的放大示意圖。
圖6為本發明在工件加工表面上制備出中心倒圓臺凹坑微結構陣列和螺旋形微米或亞微米級功能微結構的立體圖。
圖7為本發明在工件加工表面上制備出v形溝槽微結構陣列和連續折線形微米或亞微米級功能微結構的立體圖。
圖8為本發明在工件加工表面上制備出的多尺度功能微結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明做進一步描述。
一種高硬度表面多尺度功能微結構制備方法，具體步驟如下：
步驟一、采用金剛石制作單點金剛石刀尖，如圖4所示，其中，單點金剛石刀尖呈倒圓臺形，單點金剛石刀尖的母線與中心軸線的夾角θ1＝θ＝22.5°，單點金剛石刀尖的最大直徑d1＝d＝1.5mm；單點金剛石刀尖的最小直徑d2＝d＝0.2mm；單點金剛石刀尖的高h1＝1.5h＝1.5mm；然后，將單點金剛石刀尖燒結在一個刀柄上制成單點金剛石刀具(單刃)，如圖2所示。單點金剛石刀具用于制作毫米-亞毫米級功能微結構。
步驟二、采用金剛石制作多刃金剛石刀尖，如圖5所示，其中，多刃金剛石刀尖整體呈倒圓臺形，多刃金剛石刀尖的母線與中心軸線的夾角等于θ1，多刃金剛石刀尖的最大直徑等于d1；多刃金剛石刀尖的最小直徑等于d2；多刃金剛石刀尖的高等于h1。在多刃金剛石刀尖的側面上與多刃金剛石刀尖底面相距高度為h2＝0.5h＝0.5mm的位置處燒結沿周向均布的n顆金剛石顆粒，優選地n＝2；金剛石顆粒呈圓錐形，底面直徑d3＝0.05mm；然后，將多刃金剛石刀尖燒結在另一個刀柄上制成多刃金剛石刀具(三刃)，如圖3所示。多刃金剛石刀具用于制作微米-亞微米級功能微結構。
步驟三、如圖1所示，首先將固定支架11和xyz三軸滑臺固定在底座上，將振動頻率范圍為50～200hz的激振器9固定在固定支架11上；然后，將z軸向旋轉驅動件4固定在xyz三軸滑臺上，夾具6固定在z軸向旋轉驅動件4上；通過夾具6將待加工工件7夾緊。
步驟四、制備中心倒圓臺凹坑微結構陣列或v形溝槽微結構陣列，具體過程如下：
將步驟一制成的單點金剛石刀具與激振器9的輸出端固定，然后啟動激振器9，將激振器的振動頻率f調整為200hz，振幅a調整為1.5m；xyz三軸滑臺和z軸向旋轉驅動件4驅動待加工工件7運動，單點金剛石刀具在待加工工件7的待加工表面壓印出中心倒圓臺凹坑微結構陣列或犁削(邊壓印邊沿直線運動)出v形溝槽微結構陣列；最后，停止激振器的振動；中心倒圓臺凹坑微結構陣列如圖6和8所示，v形溝槽微結構陣列如圖7和8所示，中心倒圓臺凹坑微結構陣列和v形溝槽微結構陣列均是一種毫米或亞毫米級功能微結構。
中心倒圓臺凹坑微結構陣列由m行n列仿生微結構組成，m＝9，n＝9；仿生微結構由中心倒圓臺凹坑和位于中心倒圓臺凹坑外沿的弧形面(是由于單點金剛石刀具壓印而排擠到中心倒圓臺凹坑外沿而形成的)組成；中心倒圓臺凹坑的母線與中心軸線的夾角θ滿足θ＝22.5°，中心倒圓臺凹坑的高度h＝1mm；中心倒圓臺凹坑的最小直徑d＝0.2mm；相鄰仿生微結構的中心距l1＝2mm。
v形溝槽微結構陣列由等距布置的m個v形溝槽組成；v形溝槽的高度等于h，兩側壁夾角等于θ，底部槽寬等于d，長度l＝10mm；相鄰兩個v形溝槽的中心距等于l1。
步驟五、制備微米或亞微米級功能微結構，具體如下：
xyz三軸滑臺帶動待加工工件7下移30mm；拆卸單點金剛石刀具，并將步驟二制成的多刃金剛石刀具固定在激振器9的輸出端；接著xyz三軸滑臺帶動待加工工件7上移30mm，使得待加工工件的待加工表面與多刃金剛石刀具接觸。然后，啟動激振器9，激振器的振動頻率保持為f，振幅保持為a。若步驟四制備出的是中心倒圓臺凹坑微結構陣列，則xyz三軸滑臺和z軸向旋轉驅動件4同時驅動待加工工件7運動，多刃金剛石刀具在待加工工件7的每個仿生微結構的中心倒圓臺凹坑圓周側面上壓印出沿周向均布的兩個螺旋形微米或亞微米級功能微結構；加工完成的工件表面如圖6所示；其中，在每個仿生微結構的中心倒圓臺凹坑內壓印螺旋形微米或亞微米級功能微結構時，xyz三軸滑臺不動，z軸向旋轉驅動件4帶動待加工工件以角速度ω旋轉角度β＝45°，ω＝45°/s。若步驟四制備出的是v形溝槽微結構陣列，則xyz三軸滑臺單獨驅動待加工工件7運動，多刃金剛石刀具在待加工工件7的每個v形溝槽兩側壁壓印出對稱的兩個連續折線形微米或亞微米級功能微結構；加工完成的工件表面如圖7所示；其中，在每個v形溝槽內壓印連續折線形微米或亞微米級功能微結構時，xyz三軸滑臺帶動待加工工件沿x向平移距離l。
如圖1所示，本發明高硬度表面多尺度功能微結構制備裝置，包括四自由度定位機構、夾具6、激振器9、單點金剛石刀具8和多刃金剛石刀具。
四自由度定位機構包括xyz三軸滑臺和z軸向旋轉驅動件4；xyz三軸滑臺包括x軸向直線滑臺1、y軸向直線滑臺3和z軸向直線滑臺5；x軸向直線滑臺包括x軸向伺服電機、x軸向絲桿、x軸向滑塊、x軸向導軌和x軸向座體；x軸向座體固定在底座2上；x軸向絲桿與x軸向座體構成轉動副，并由x軸向伺服電機驅動；x軸向滑塊與x軸向絲桿構成螺旋副，并與固定在x軸向座體上的x軸向導軌構成滑動副；y軸向直線滑臺包括y軸向伺服電機、y軸向絲桿、y軸向滑塊、y軸向導軌和y軸向座體；y軸向絲桿與y軸向座體構成轉動副，并由y軸向伺服電機驅動；y軸向座體固定在x軸向座體上；y軸向滑塊與y軸向絲桿構成螺旋副，并與固定在y軸向座體上的y軸向導軌構成滑動副；z軸向直線滑臺包括z軸向伺服電機、z軸向絲桿、z軸向滑塊、z軸向導軌和z軸向座體；z軸向絲桿與z軸向座體構成轉動副，并由z軸向伺服電機驅動；z軸向座體固定在y軸向滑塊上；z軸向滑塊與z軸向絲桿構成螺旋副，并與固定在z軸向座體上的z軸向導軌構成滑動副；z軸向旋轉驅動件4與z軸向滑塊固定，并驅動夾具6繞z軸旋轉；z軸向旋轉驅動件4為z軸向旋轉電缸或z軸向電機；z軸向旋轉驅動件4采用z軸向旋轉電缸時，z軸向旋轉電缸的缸體固定在z軸向滑塊上，夾具6固定在z軸向旋轉電缸4的推桿上；z軸向旋轉驅動件4采用z軸向電機時，z軸向電機的殼體固定在z軸向滑塊上，夾具6固定在z軸向電機的輸出軸上。待加工工件7由夾具6夾緊固定。
激振器9直接固定在固定支架11上，或激振器9由xyz三軸移動平臺10驅動，xyz三軸移動平臺10固定在固定支架11上；xyz三軸移動平臺10的結構與xyz三軸滑臺的結構相同；固定支架11固定在底座2上。單點金剛石刀具8或多刃金剛石刀具與激振器的輸出端固定。
x軸向伺服電機、y軸向伺服電機、z軸向伺服電機、z軸向電機和激振器9均由控制器控制。
技術特征：
1.一種高硬度表面多尺度功能微結構制備方法，其特征在于：該方法具體步驟如下：
步驟一、采用金剛石制作單點金剛石刀尖；然后，將單點金剛石刀尖燒結在一個刀柄上制成單點金剛石刀具；所述的單點金剛石刀尖呈倒圓臺形，單點金剛石刀尖的母線與中心軸線的夾角θ1＝θ，21.5°≤θ≤23.5°，單點金剛石刀尖的最大直徑d1＝d，1mm≤d≤2mm；單點金剛石刀尖的最小直徑d2＝d，0.1mm≤d≤0.2mm；單點金剛石刀尖的高h1＝1.5h，0.5mm≤h≤1.5mm；
步驟二、采用金剛石制作多刃金剛石刀尖；然后，在多刃金剛石刀尖的側面上與多刃金剛石刀尖底面相距高度為h2＝0.5h的位置處燒結n顆金剛石顆粒，1≤n≤6；金剛石顆粒呈圓錐形，底面直徑為d3，0.03mm≤d3≤0.1mm；最后，將多刃金剛石刀尖燒結在另一個刀柄上制成多刃金剛石刀具；所述的多刃金剛石刀尖整體呈倒圓臺形，多刃金剛石刀尖的母線與中心軸線的夾角等于θ1，多刃金剛石刀尖的最大直徑等于d1；多刃金剛石刀尖的最小直徑等于d2；多刃金剛石刀尖的高等于h1；
步驟三、首先將固定支架和xyz三軸滑臺固定在底座上，將激振器固定在固定支架上；然后，將z軸向旋轉驅動件固定在xyz三軸滑臺上，夾具固定在z軸向旋轉驅動件上；最后，通過夾具將待加工工件夾緊；
步驟四、制備中心倒圓臺凹坑微結構陣列或v形溝槽微結構陣列，具體過程如下：
將步驟一制成的單點金剛石刀具與激振器的輸出端固定，然后啟動激振器，將激振器的振動頻率調整為f，50hz≤f≤200hz，振幅調整為a，a＝h；xyz三軸滑臺和z軸向旋轉驅動件驅動待加工工件運動，單點金剛石刀具在待加工工件的待加工表面壓印出中心倒圓臺凹坑微結構陣列或犁削出v形溝槽微結構陣列；最后，停止激振器的振動；
所述的中心倒圓臺凹坑微結構陣列由m行n列仿生微結構組成，m≥4，n≥7；所述的仿生微結構由中心倒圓臺凹坑和位于中心倒圓臺凹坑外沿的弧形面組成；中心倒圓臺凹坑的母線與中心軸線的夾角為θ，中心倒圓臺凹坑的高度為h；中心倒圓臺凹坑的最小直徑為d；相鄰仿生微結構的中心距為l1，1mm≤l1≤3mm；
所述的v形溝槽微結構陣列由等距布置的m個v形溝槽組成；v形溝槽的高度等于h，兩側壁夾角等于θ，底部槽寬等于d，長度為l，5mm≤l≤15mm；相鄰兩個v形溝槽的中心距等于l1；
步驟五、制備微米或亞微米級功能微結構，具體如下：
xyz三軸滑臺帶動待加工工件下移z，15mm≤z≤30mm；拆卸單點金剛石刀具，并將步驟二制成的多刃金剛石刀具固定在激振器的輸出端；接著xyz三軸滑臺帶動待加工工件上移z；然后，啟動激振器，激振器的振動頻率保持為f，振幅保持為a；若步驟四制備出的是中心倒圓臺凹坑微結構陣列，則xyz三軸滑臺和z軸向旋轉驅動件同時驅動待加工工件運動，多刃金剛石刀具在待加工工件的每個仿生微結構的中心倒圓臺凹坑圓周側面上壓印出沿周向均布的兩個螺旋形微米或亞微米級功能微結構；其中，在每個仿生微結構的中心倒圓臺凹坑內壓印螺旋形微米或亞微米級功能微結構時，xyz三軸滑臺不動，z軸向旋轉驅動件帶動待加工工件以角速度ω旋轉角度β，5°/s≤ω≤45°/s，5°≤β≤90°；若步驟四制備出的是v形溝槽微結構陣列，則xyz三軸滑臺單獨驅動待加工工件運動，多刃金剛石刀具在待加工工件的每個v形溝槽兩側壁壓印出對稱的兩個連續折線形微米或亞微米級功能微結構；其中，在每個v形溝槽內壓印連續折線形微米或亞微米級功能微結構時，xyz三軸滑臺帶動待加工工件沿x向平移距離l。
2.高硬度表面多尺度功能微結構制備裝置，包括四自由度定位機構、夾具、激振器和單點金剛石刀具，其特征在于：還包括多刃金剛石刀具；所述的四自由度定位機構包括xyz三軸滑臺和z軸向旋轉驅動件；所述的xyz三軸滑臺包括x軸向直線滑臺、y軸向直線滑臺和z軸向直線滑臺；所述的x軸向直線滑臺包括x軸向伺服電機、x軸向絲桿、x軸向滑塊、x軸向導軌和x軸向座體；x軸向座體固定在底座上；x軸向絲桿與x軸向座體構成轉動副，并由x軸向伺服電機驅動；x軸向滑塊與x軸向絲桿構成螺旋副，并與固定在x軸向座體上的x軸向導軌構成滑動副；所述的y軸向直線滑臺包括y軸向伺服電機、y軸向絲桿、y軸向滑塊、y軸向導軌和y軸向座體；y軸向絲桿與y軸向座體構成轉動副，并由y軸向伺服電機驅動；y軸向座體固定在x軸向座體上；y軸向滑塊與y軸向絲桿構成螺旋副，并與固定在y軸向座體上的y軸向導軌構成滑動副；所述的z軸向直線滑臺包括z軸向伺服電機、z軸向絲桿、z軸向滑塊、z軸向導軌和z軸向座體；z軸向絲桿與z軸向座體構成轉動副，并由z軸向伺服電機驅動；z軸向座體固定在y軸向滑塊上；z軸向滑塊與z軸向絲桿構成螺旋副，并與固定在z軸向座體上的z軸向導軌構成滑動副；所述的z軸向旋轉驅動件與z軸向滑塊固定，并驅動夾具繞z軸旋轉；所述的激振器直接固定在固定支架上，或激振器由xyz三軸移動平臺驅動，xyz三軸移動平臺固定在固定支架上；xyz三軸移動平臺的結構與xyz三軸滑臺的結構相同；固定支架固定在底座上；單點金剛石刀具或多刃金剛石刀具與激振器的輸出端固定；
所述的單點金剛石刀具包括刀柄和燒結在刀柄上的單點金剛石刀尖；所述的單點金剛石刀尖呈倒圓臺形，單點金剛石刀尖的母線與中心軸線的夾角θ1＝θ，21.5°≤θ≤23.5°，單點金剛石刀尖的最大直徑d1＝d，1mm≤d≤2mm；單點金剛石刀尖的最小直徑d2＝d，0.1mm≤d≤0.2mm；單點金剛石刀尖的高h1＝1.5h，0.5mm≤h≤1.5mm；
所述的多刃金剛石刀具包括刀柄和燒結在刀柄上的多刃金剛石刀尖；所述多刃金剛石刀尖的側面上與多刃金剛石刀尖底面相距高度為h2＝0.5h的位置處燒結n顆金剛石顆粒，1≤n≤6；所述的金剛石顆粒呈圓錐形，底面直徑為d3，0.03mm≤d3≤0.1mm；所述的多刃金剛石刀尖整體呈倒圓臺形，多刃金剛石刀尖的母線與中心軸線的夾角等于θ1，多刃金剛石刀尖的最大直徑等于d1；多刃金剛石刀尖的最小直徑等于d2；多刃金剛石刀尖的高等于h1。
3.根據權利要求2所述的高硬度表面多尺度功能微結構制備裝置，其特征在于：所述的z軸向旋轉驅動件采用z軸向旋轉電缸；z軸向旋轉電缸的缸體固定在z軸向滑塊上，夾具固定在z軸向旋轉電缸的推桿上。
4.根據權利要求2所述的高硬度表面多尺度功能微結構制備裝置，其特征在于：所述的z軸向旋轉驅動件采用z軸向電機，z軸向電機的殼體固定在z軸向滑塊上，夾具固定在z軸向電機的輸出軸上。
技術總結
本發明公開了一種高硬度表面多尺度功能微結構制備方法與裝置。研制高效、便捷的多尺度功能微結構制備方法與裝置十分必要。本發明方法：制成單點金剛石刀具和多刃金剛石刀具；然后，在待加工工件的待加工表面壓印出中心倒圓臺凹坑微結構陣列或V形溝槽微結構陣列；最后，在中心倒圓臺凹坑微結構陣列或V形溝槽微結構陣列上制備微米或亞微米級功能微結構。本發明裝置包括四自由度定位機構、夾具、激振器、單點金剛石刀具和多刃金剛石刀具。本發明在高硬度表面加工了多尺度功能微結構，能提高高硬度表面的硬度、強度、耐磨性和精度，對高硬度加工行業的發展有著十分重要的意義。
