基于高压淹没空化水射流的微零件冲压及刻蚀的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于高压淹没空化水射流的微零件冲压及刻蚀装置及方法，其特征在于利用高压淹没空化水射流中空泡溃灭产生的高压冲击波、高速微射流和局部高温，并结合相应的模具来对微零件进行冲压或刻蚀加工，冲压或累积刻蚀形成所需要的形状。用于产生高压淹没空化水射流的装置，包括蓄水池系统，定量泵‑蓄能器‑卸荷阀恒压能源系统，空化水射流发生系统，高压淹没加工系统，循环回路系统和相关外围设备；本发明专利技术不同于常规的加工方法，其丰富了微零件冲压和刻蚀的加工方法，冲压的程度和精度、刻蚀加工的精度和效率得到较大提高，且整个装置结构简单，易操作，易维护，成本较低，对环境友好。

Device and method for stamping and etching of micro parts based on high pressure submerged cavitation water jet

The invention relates to a micro stamping and etching device and method for high voltage submerged cavitating water jet based, characterized by high pressure shock generated by high pressure hollow bubble collapse of cavitation water wave, high speed micro jet and local temperature, and combined with the corresponding die for stamping or etching of the micro parts, stamping or accumulation etching to form the desired shape. A device for producing high pressure submerged cavitating water jet, including reservoir system, quantitative pump accumulator unloading valve constant pressure energy system, cavitation water jet system, pressure submerged processing system, circulation system and related peripheral equipment; the invention is different from the conventional machining method, the machining method of micro stamping parts rich and the precision and efficiency of etching, etching processing, stamping and precision is improved, and the whole device has the advantages of simple structure, easy operation, easy maintenance, low cost, environmentally friendly.

【技术实现步骤摘要】
基于高压淹没空化水射流的微零件冲压及刻蚀的装置及方法
本专利技术涉及机械制造、材料成形、特种加工领域，特指种基于高压淹没空化水射流的微零件冲压及刻蚀的装置及方法。
技术介绍
在工业领域中，各种微零件的使用场合越来越多，特别是在生物学、环境监控、航空航天、工业与国防等领域。由于在尺度效应、结构、材料和工作原理等方面的变化，微零件的成形和加工难度越来越大，其中既有材料性能提高带来的成形和加工难度，也有零件结构微小带来的复杂性，例如钢的强度由250MPa提高到1000MPa，塑性由45％降低到12％，铝合金的强度由150MPa提高到530MPa，塑性由30％降低到10％。如何找到一种加工精度高、加工效率高、生产成本低、适应性较强，特别适合于这些难加工材料微零件的加工方法是目前迫切需要解决的问题。目前对于这些难加工材料微零件的加工方法主要有传统机械加工、微细电火花加工、激光加工、电子束加工、微细电腐蚀加工、离子束加工、微塑性成形加工、LIGA和准LIGA工艺等。其中，应用较广的冲压成形主要采用机械微冲压技术、激光微冲击成型技术，刻蚀加工主要采用LIGA、准LIGA工艺等。现有的微塑性成形加工中工件存在变形，且受限于刀具尺寸，很难加工出微零件结构。机械微冲压技术同样存在很多技术难点：一是冲头的制造成本高，效率低；二是由于冲头尺寸小、强度低，轻微的扰动都可能导致冲头和冲模的损坏；三是冲头和冲模的定位和运动控制决定了冲床应具有很高的精度。激光微冲击成形技术存在设备贵，加工件存在重铸层，且表面质量差等缺点。对于刻蚀加工，LIGA和准LIGA工艺技术投资大，加工过程复杂，对环境污染大。专利CN102248292B(利用激光空化微射流冲压成型微细零件的装置及方法虽然解决了激光微冲击成型激光直接作用于零件表面引起的问题，但是其产生的空化微射流强度有限，加工效率较低，没有能力完成刻蚀加工，并且设备贵的问题未得到解决。如何解决这些难题，提出一种新的加工理念及加工方法是一个巨大的挑战。为此，本专利技术提出了一种全新的微零件成形和刻蚀加工的方法，目前这方面国内外没有涉及，所以该方法有着巨大的发展潜力。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出种基于高压淹没空化水射流的微零件冲压及刻蚀的装置及方法。利用强度可调节的高压淹没空化水射流中空泡溃灭产生的高压冲击波、高速微射流和局部高温，并结合空化水射流导向装置、冲压模具、刻蚀掩模等来对难加工微零件进行冲压和刻蚀加工。本专利技术采用的技术方案是：一种基于高压淹没空化水射流的微零件冲压及刻蚀装置，其特征在于：包括蓄水池系统、定量泵-蓄能器-卸荷阀恒压能源系统、空化水射流发生系统、高压淹没加工系统，其特征在于，所述蓄水池系统由蓄水池、冷水机组和排水阀组成；蓄水池右下方设计有进水口与冷水机组连通，蓄水池左下方设有排水阀，且蓄水池上方分别设置进水管和出水管；所述定量泵-蓄能器-卸荷阀恒压能源系统包括第一过滤器、高压柱塞泵、单向阀、电磁溢流阀和卸荷阀，所述蓄水池出水管上依次设置第一过滤器、高压柱塞泵、单向阀，所述高压柱塞泵与单向阀之间的管路上设置分支管路连通蓄水池，所述分支管路上设置有电磁溢流阀和卸荷阀；所述空化水射流发生系统包括第一调节阀、温度传感器、第一流量计、第一压力表、空化喷嘴、空化水射流导向装置，空化喷嘴通过高压软管与单向阀连接，单向阀与空化喷嘴之间依次设置第一调节阀、温度传感器、第一流量计、第一压力表，空化喷嘴连接在空化水射流导向装置上；所述高压淹没加工系统由高压容器、增压阀、排气阀、第二压力表、进水阀、三坐标工作台、冲压模具或刻蚀掩模、定位夹紧装置、高压空气压缩机组成；三坐标工作台安装在高压容器内部底面上，定位夹紧装置安装在三坐标工作台上，空化喷嘴、空化水射流导向装置均位于高压容器内部，高压容器上还分别设置增压阀、排气阀、第二压力表、进水阀，增压阀与高压空气压缩机连接；进水阀能够与进水管相连。进一步地，还包括循环回路系统，高压容器底部设置排水口通过高压软管与蓄水池相连，高压容器与蓄水池之间依次设置第二过滤器、第二调节阀、第二流量计，构成循环回路系统。进一步地，所述定量泵-蓄能器-卸荷阀恒压能源系统还包括蓄能器、压力继电器，所述单向阀下游的管路上设置一个分支管路与蓄能器连接，蓄能器下端安装压力继电器。进一步地，空化水射流发生系统的高压软管与高压容器之间通过法兰密封连接。进一步地，循环回路系统高压软管与高压容器的排水口以及蓄水池的进水口采用高压软管接头连接。进一步地，三坐标工作台位于空化喷嘴正下方。进一步地，高压容器由具有高透光性PMMA材料制成，厚度≥4mm，可承受≥1.5MPa的水压。进一步地，蓄水池中设置两个竖直的多孔隔板，将蓄水池分割成三个独立的空间。基于高压淹没空化水射流的微零件冲压及刻蚀的方法，其特征在于，包含以下步骤：(1)根据所要成形和刻蚀加工的形状，设计相应的冲压模具和刻蚀掩模，并选择相应的空化水射流导向装置；(2)蓄水池中注水至距顶端10cm左右使水源充足，避免气体进入空化水射流发生系统，高压容器通过进水阀注水且水面高出空化喷嘴顶端d1＝2～4cm，并通过高压空气压缩机加压使得高压容器内的压力P1＝1.2MPa；(3)设置压力继电器的值为20.0～30.0MPa，通过调节第一调节阀并观察第一压力表使空化喷嘴进口压力P2＝20.0～30.0MPa，通过调节调节阀并观察第二压力表调节高压容器内的压力，即空化水射流围压P3＝0.3～1.0MPa以获得符合加工条件的高压淹没空化水射流强度；(4)设置冷水机组出水温度为15～20℃，保证水温能产生较大强度的空化水射流；(5)改变三坐标工作台与空化喷嘴之间的相对距离d2，间接改变微零件待加工表面与空化喷嘴射流出口处的相对距离d3，使空泡溃灭发生在待加工微零件表面附近；高压淹没空化水射流中大量空泡溃灭时会产生约为4×104～6×104MPa的高压冲击波、100～400m/s的高速微射流、5000±200K的局部高温对微零件产生冲压或刻蚀加工效果；进一步地，所述冲压模具和刻蚀掩模根据需要加工的微零件具体加工，Ra≤0.6μm，材料选用模具钢；实现冲压的参数为：设置压力继电器的值为20.0～25.0MPa，P2＝20.0～25.0MPa，P3＝0.7～1.0MPa，加工时间约为10min；实现刻蚀的参数为：设置压力继电器的值为25.0～30.0MPa，P2＝25.0～30.0MPa，P3＝0.3～0.5MPa，加工时间约为20min。本专利技术所提供的基于高压淹没空化水射流的微零件冲压及刻蚀装置，可通过调节高压淹没空化水射流强度和加工时间t，并结合相应的冲压模具或刻蚀掩模来完成微零件冲压和刻蚀两种加工；高压容器通过进水阀注水且水面高出空化喷嘴顶端d1＝2～4cm，并通过高压空气压缩机加压使得高压容器内的压力P1＝1.2MPa；设置压力继电器的值为20.0～30.0MPa，通过调节第一调节阀并观察第一压力表调节空化喷嘴进口压力P2＝20.0～30.0MPa，通过调节减压阀并观察第二压力表调节高压容器内的压力P3＝0.3～1.0MPa以获得符合加工条件的高压淹没空化水射流强度；通过改变三坐标工作台与空化喷嘴之间的相对距离d2，间接改变工件表面与空化喷嘴射流本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于高压淹没空化水射流的微零件冲压及刻蚀装置，其特征在于：包括蓄水池系统、定量泵‑蓄能器‑卸荷阀恒压能源系统、空化水射流发生系统、高压淹没加工系统，其特征在于，所述蓄水池系统由蓄水池(1)、冷水机组(3)和排水阀(4)组成；蓄水池(1)右下方设计有进水口与冷水机组(3)连通，蓄水池(1)左下方设有排水阀(4)，且蓄水池(1)上方分别设置进水管和出水管；所述定量泵‑蓄能器‑卸荷阀恒压能源系统包括第一过滤器(5)、高压柱塞泵(6)、单向阀(7)、电磁溢流阀(10)和卸荷阀(11)，所述蓄水池(1)出水管上依次设置第一过滤器(5)、高压柱塞泵(6)、单向阀(7)，所述高压柱塞泵(6)与单向阀(7)之间的管路上设置分支管路连通蓄水池(1)，所述分支管路上设置有电磁溢流阀(10)和卸荷阀(11)；所述空化水射流发生系统包括第一调节阀(12)、温度传感器(13)、第一流量计(14)、第一压力表(15)、空化喷嘴(16)、空化水射流导向装置(17)，空化喷嘴(16)通过高压软管与单向阀(7)连接，单向阀(7)与空化喷嘴(16)之间依次设置第一调节阀(12)、温度传感器(13)、第一流量计(14)、第一压力表(15)，空化喷嘴(16)连接在空化水射流导向装置(17)上；所述高压淹没加工系统由高压容器(18)、增压阀(19)、排气阀(20)、第二压力表(21)、进水阀(22)、三坐标工作台(23)、冲压模具或刻蚀掩模(24)、定位夹紧装置(26)、高压空气压缩机(27)组成；三坐标工作台(23)安装在高压容器(18)内部底面上，定位夹紧装置(26)安装在三坐标工作台(23)上，空化喷嘴(16)、空化水射流导向装置(17)均位于高压容器(18)内部，高压容器(18)上还分别设置增压阀(19)、排气阀(20)、第二压力表(21)、进水阀(22)，增压阀(19)与高压空气压缩机(27)连接；进水阀(22)能够与进水管相连。...

【技术特征摘要】
1.基于高压淹没空化水射流的微零件冲压及刻蚀装置，其特征在于：包括蓄水池系统、定量泵-蓄能器-卸荷阀恒压能源系统、空化水射流发生系统、高压淹没加工系统，其特征在于，所述蓄水池系统由蓄水池(1)、冷水机组(3)和排水阀(4)组成；蓄水池(1)右下方设计有进水口与冷水机组(3)连通，蓄水池(1)左下方设有排水阀(4)，且蓄水池(1)上方分别设置进水管和出水管；所述定量泵-蓄能器-卸荷阀恒压能源系统包括第一过滤器(5)、高压柱塞泵(6)、单向阀(7)、电磁溢流阀(10)和卸荷阀(11)，所述蓄水池(1)出水管上依次设置第一过滤器(5)、高压柱塞泵(6)、单向阀(7)，所述高压柱塞泵(6)与单向阀(7)之间的管路上设置分支管路连通蓄水池(1)，所述分支管路上设置有电磁溢流阀(10)和卸荷阀(11)；所述空化水射流发生系统包括第一调节阀(12)、温度传感器(13)、第一流量计(14)、第一压力表(15)、空化喷嘴(16)、空化水射流导向装置(17)，空化喷嘴(16)通过高压软管与单向阀(7)连接，单向阀(7)与空化喷嘴(16)之间依次设置第一调节阀(12)、温度传感器(13)、第一流量计(14)、第一压力表(15)，空化喷嘴(16)连接在空化水射流导向装置(17)上；所述高压淹没加工系统由高压容器(18)、增压阀(19)、排气阀(20)、第二压力表(21)、进水阀(22)、三坐标工作台(23)、冲压模具或刻蚀掩模(24)、定位夹紧装置(26)、高压空气压缩机(27)组成；三坐标工作台(23)安装在高压容器(18)内部底面上，定位夹紧装置(26)安装在三坐标工作台(23)上，空化喷嘴(16)、空化水射流导向装置(17)均位于高压容器(18)内部，高压容器(18)上还分别设置增压阀(19)、排气阀(20)、第二压力表(21)、进水阀(22)，增压阀(19)与高压空气压缩机(27)连接；进水阀(22)能够与进水管相连。2.根据权利要求1所述的一种基于高压淹没空化水射流的微零件冲压及刻蚀装置，其特征在于，还包括循环回路系统，高压容器(18)底部设置排水口通过高压软管与蓄水池(1)相连，高压容器(18)与蓄水池(1)之间依次设置第二过滤器(28)、第二调节阀(29)、第二流量计(30)，构成循环回路系统。3.根据权利要求1所述的一种基于高压淹没空化水射流的微零件冲压及刻蚀装置，其特征在于，所述定量泵-蓄能器-卸荷阀恒压能源系统还包括蓄能器(8)、压力继电器(9)，所述单向阀(7)下游的管路上设置一个分支管路与蓄能器(8)连接，蓄能器(8)下端安装压力继电器(9)。4.根据权利要求1所述的一种基于高压淹没空化水射流的微零件冲压及刻蚀装置，其特征在于，空化水射流发生系统的高压软管与高压容器(18)之间通过法兰密封连接。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：李富柱，谭中锐，王匀，于超，蒋鹏赟，姜鼎，陆素雯，蒋志刚，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32