发明内容
[0004] 本发明针对目前各种金属材料表面微纳米级形貌加工制造较为困难的问题，提供一种更为精密的能保护工件表层的材料表面纳米级形貌的加工方法及装置。软刀具加工是一种新颖的加工方式，在目前的加工领域极少使用该加工方式，其使用的刀具硬度小于工件硬度，故不会对工件造成损害，而超声振动辅助切削将连续切削转换为高频低幅的断续切削，可实现精密加工。因此，将超声振动与软刀具结合应用于材料表面微形貌的形成对于一些难加工材料以及弱刚度材料的加工有着重要意义。
[0005] 本发明一种金属材料表面纳米级形貌加工方法，具体如下：
[0006] 步骤一、针对待加工金属工件的材料，选择不同材料的刀具。若待加工金属工件为钛合金，则选择硬木材料的刀具；若待加工金属工件为钢，则选择硬木、铝合金或铜材料的刀具。
[0007] 步骤二、将待加工金属工件放置于工件平台上，夹紧气缸带动夹具夹紧待加工金属工件。
[0008] 步骤三、调节超声振动装置的振动频率以及振幅。
[0009] 步骤四、XY驱动台将金属工件的初始加工位置定位到刀具正下方；启动超声振动装置，使刀具在加工前振动。
[0010] 步骤五、启动微量进给装置，刀具接触金属工件时停止微量进给装置。XY驱动台根据金属工件的预设纳米级形貌带动金属工件在X、Y方向上进给，同时再次启动微量进给装置按预设进给量进给，开始加工。要加工金属工件的预设纳米级形貌中下一个不连续位置时，微量进给装置复位并停止。
[0011] 步骤六、重复步骤五，直到加工完金属工件的整个预设纳米级形貌。
[0012] 进一步，若金属工件的材料为钛合金，则预设进给量为100nm～500nm；若金属工件的材料为钢，则预设进给量为500nm～1.0μm。
[0013] 本发明一种金属材料表面纳米级形貌加工装置，主要由水平方向移动的工件移动平台、竖直方向移动的微量进给装置、超声振动装置和刀具组成。所述的工件移动平台包括XY驱动台、工件平台、工件夹具和夹紧气缸。所述的XY驱动台包括X向滚珠丝杠驱动装置和Y向滚珠丝杠驱动装置；工件夹具由夹紧气缸驱动；工件平台和夹紧气缸由XY驱动台同步驱动；所述的超声振动装置由微量进给装置实现竖直方向的微量进给，超声振动装置产生振动施加在刀具上。所述的刀具为硬木、铜或铝合金。
[0014] 所述的工件平台两侧各设一个工件夹具和一个夹紧气缸，两个夹紧气缸同步启动或停止。
[0015] 所述X向滚珠丝杠驱动装置和Y向滚珠丝杠驱动装置的行程均为200mm，定位精度均为0.02mm，重复定位精度为0.01mm；夹紧气缸的缸径为12mm，行程为10mm。
[0016] 所述的微量进给装置采用Z向滚珠丝杠驱动装置，Z向滚珠丝杠驱动装置的每转进给量为100nm～1.0μm，X向滚珠丝杠驱动装置和Y向滚珠丝杠的每转进给量均为0.01mm～0.1mm。
[0017] 所述的超声振动装置主要由超声波发生器、换能器和变幅杆组成；超声波发生器产生大于或等于1MHz的振动信号，经换能器转换为机械振动，再由变幅杆将振幅转换为1～100nm级振幅，并传递给刀具。
[0018] 本发明的有益效果：
[0019] 1、本发明是一种以软刀具(如硬木(即如檀木、橄榄乌木等硬度较高的木材)、铜(布氏硬度为110～130HB)、铝合金(布氏硬度为120～150HB))超声振动超微量加工硬工件表面(如45号钢(布氏硬度为190～250HB)、轴承钢(布氏硬度170～207HB)等各种钢，以及钛合金(退火后布氏硬度达298～349HB))，从而改变工件表面能量梯度的方法；是一种利用软刀具向金属工件表面传质扩散成传质膜，从而改变工件表面能量梯度的方法；是一种基于软刀具在金属工件表面进行原子与分子级加工，改变金属工件表面纳米级形貌的方法；是一种以软刀具加工金属工件的三轴联动型表面形貌加工制造装置；是一种可控制材料表面能梯度的纳米级形貌加工制造装置；是一种加工工件可在水平面内精密移动，超声振动(纳米级振幅，1MHz以上频率)软刀具可在竖直方向精密移动的三轴加工装置。
[0020] 2、本发明的振动频率远远大于人耳能听到的声频范围，不会有噪声污染。同时通过超微量分子、原子级加工传质成传质膜，调控材料表面形貌，从而达到调控表面能分布的目的；主要可以用于精密机械、信息存储与安全、疏水和亲水表面制造等领域。
