CN100484709C - 二维流体振动超光滑表面抛光设备及其抛光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开二维流体振动超光滑表面抛光设备及其抛光方法，抛光设备由旋转驱动机构、角度调整机构、行星轮机构、超声波发生装置、水平方向振动发生器、抛光槽、工件装夹机构、抛光液循环装置构成；上述抛光槽在水平方向振动发生器作用下可以在水平方向上来回往复振动；上述抛光设备使用流体作为抛光工具，通过超声波发生装置使流体产生垂直方向的超声振动，与水平方向振动发生器所产生的水平振动构成二维流体振动；本发明可以低成本地实现平面的超光滑抛光。

Description

二维流体振动超光滑表面抛光设备及其抛光方法
技术领域
本发明涉及超光滑表面抛光设备及其抛光方法，特别涉及二维流体振动超光滑表面抛光设备及其抛光方法。
背景技术
目前的超光滑表面制备技术多为有磨料抛光，采用固体或粘弹性体作为抛光盘或磨料载体，由于磨料的细化程度有限，很难使抛光精度稳定地达到埃级以上，而且采用这些方法进行抛光时，为了提高加工精度，工件与抛光盘间往往并不直接接触，并且要求抛光盘具有很高的精度，因此提高了抛光过程的控制难度，使废品率和加工成本增高。本发明在抛光过程中可以分为两级抛光。在一级抛光时，抛光液中可适当地加入精细磨料和化学物质，以提高抛光效率，而在进行二级抛光时则采用纯流体作为抛光液，由流体分子的冲击和摩擦化学作用共同完成材料的去除，由于流体分子直径约为埃级，因此可使抛光精度达到埃级甚至原子级。
发明内容
本发明将提供一种超光滑表面抛光设备及其抛光方法，使抛光精度稳定地达到埃级甚至原子级，并将显著地降低加工成本。
本发明的二维流体振动超光滑表面抛光设备，由旋转驱动机构、角度调整机构、行星轮机构、超声波发生装置、水平方向振动发生器、抛光槽、工件装夹机构、抛光液循环装置构成；上述抛光槽在水平方向振动发生器作用下可以在水平方向上来回往复振动；上述抛光设备使用流体作为抛光工具，通过超声波发生装置使流体产生垂直方向的超声振动，与水平方向振动发生器所产生的水平振动构成二维流体振动。
上述角度调整机构由升降机构和支承板组成，上述旋转驱动机构通过传动轴与行星轮机构相连接，传动轴将整个行星轮机构与角度调整机构中的支承板进行连接；
上述行星轮机构由系杆、行星轮、固定轮、行星轮轴组成，固定轮通过齿圈一侧的轮辐与角度调整机构中的支承板刚性连接，行星轮、系杆通过行星轮轴连接成一部件；上述行星轮机构中的行星轮下部装有工件装夹机构，
上述水平方向振动发生器通过连杆与抛光槽连接，上述超声波发生装置由超声电源和浸入式超声波换能器构成，浸入式超声波换能器安装在抛光槽内部底板上，抛光槽通过管道与抛光液循环装置连接，并安装在基座上。
上述升降机构采用螺旋升降、液压升降或气动升降。
上述旋转驱动机构由电机驱动减速器，减速器通过皮带带动传动轴与行星轮机构转动。
上述抛光槽与基座之间用滚子支撑。
在上述基座上安装有一个密封容器，密封整个设备。
本发明抛光设备的抛光方法是抛光过程分为两级抛光，在一级抛光时，抛光液中适当地加入精细磨料和化学物质；在进行二级抛光时则采用纯流体作为抛光液，由流体分子的冲击和摩擦化学作用共同完成材料的去除。
上述精细磨料是纳米金刚石粉、SiO2纳米粉、Al2O3纳米粉、TiO2纳米粉、SiC纳米粉、Si3O4纳米粉或氧化铁纳米粉。
上述精细磨料是金刚石粉和SiO2纳米粉的混合粉末，或TiO2纳米粉和Al2O3纳米粉的混合粉末，或TiO2纳米粉和SiC纳米粉的混合粉末，或氧化铁纳米粉和Al2O3纳米粉的混合粉末。
上述化学物质是氢氧化物、络合物、表面活性剂、酸或碱。
上述纯流体是水、甘油、环乙烷、乙醇、四氯化碳、煤油或茴香甘油酯，或水和乙醇的混合溶液，或水和甘油的混合溶液，或乙醇和茴香甘油酯的混合溶液，或甘油和环乙烷的混合溶液。
本发明采用流体作为抛光工具，并附加二维高频振动以施加抛光作用力。由于流体分子直径约为埃级，因此可使抛光精度达到埃级甚至原子级。同时，由于流体没有固定的形状，因此能始终与工件保持完全的均匀接触，极大地降低了控制难度。二维高频振动能在抛光液内形成稳定的振场，使流体分子或磨料能以一定的速度冲击工件表面，提供抛光作用力。同时，这种振动也能降低工件表层原子的原子结合能，使材料更容易去除。另外高频振动也能对工件表面进行清洗，避免工件表面污染，并有助于一级抛光时磨料在抛光液内的均匀混合。在进行抛光时，工件平面与水平振动方向间形成一个小倾角(角度通过升降机构调整)，可以产生一定的动压，提高抛光效率。
本发明的有益效果是，可以低成本地实现平面的超光滑抛光。
附图说明
图1为本发明装置的剖面图。
1、超声电源  2、水平振动发生器  3、密闭容器  4、升降机构  5、支承板  6、电机  7、减速器  8、系杆  9、传动轴  10、行星轮  11、固定轮  12、抛光液循环装置  13、基座  14、工件  15、滚子  16、抛光液  17、工件夹具  18 浸入式超声波换能器  19、抛光槽
具体实施方式
下面将结合实施方式及附图对本发明作进一步详细的描述。
抛光过程中，工件安14装在工件夹具17上，工件夹具可以采用真空吸盘或者是机械装夹方式，电机6通过减速器7减速以后，通过带传动方式、齿轮传动方式、链传动方式或者是涡轮蜗杆传动方式带动传动轴9转动，传动轴通过系杆8带动行星轮10绕着固定轮11转动，行星轮10在公转的同时还有自转，在此行星轮机构可以采用齿轮啮合方式或者是摩擦轮啮合方式实现。工件14将随着行星轮一起旋转(既公转也自转)，以保证抛光的均匀性。通过升降机构4，可以调节支承板5与水平方向的夹角，从而可以改变工件与水平方向的夹角。升降机构可以采用螺旋升降、液压、气动方式。水平方向振动发生器2带动抛光槽19在水平方向作往复振动，振动发生器产生的振动可以由机械、气动或电磁振动方式产生，振动频率2-4000赫兹，振幅为几百微米到几毫米可调。浸入式超声波换能器18产生垂直方向的超声振动，振动频率为20000-1000000赫兹，振幅为几十纳米到十几微米可调。抛光液也可以通过抛光液循环装置12来进行抛光液的添加和更换。整个抛光过程在密闭容器3中完成，容器中施加一定压力(1-10个大气压可调)，该压力通过液体传递到工件表面，可增加液体对工件的摩擦作用。

Claims (10)

1、一种二维流体振动超光滑表面抛光设备，其特征在于：该设备由旋转驱动机构、角度调整机构、行星轮机构、超声波发生装置、水平方向振动发生器、抛光槽、工件装夹机构、抛光液循环装置组成；
上述角度调整机构由升降机构和支承板组成，上述旋转驱动机构通过传动轴与行星轮机构相连接，传动轴将整个行星轮机构与角度调整机构中的支承板进行连接；
上述行星轮机构由系杆、行星轮、固定轮、行星轮轴组成，固定轮通过齿圈一侧的轮辐与角度调整机构中的支承板刚性连接，行星轮、系杆通过行星轮轴连接成一部件；上述行星轮机构中的行星轮下部装有工件装夹机构，
上述水平方向振动发生器通过连杆与抛光槽连接，上述超声波发生装置由超声电源和浸入式超声波换能器构成，浸入式超声波换能器安装在抛光槽内部底板上，抛光槽通过管道与抛光液循环装置连接，并安装在基座上。
2.根据权利要求1中所述的二维流体振动超光滑表面抛光设备，其特征在于：上述升降机构采用螺旋升降、液压升降或气动升降。
3.根据权利要求1中所述的二维流体振动超光滑表面抛光设备，其特征在于：上述旋转驱动机构由电机驱动减速器，减速器通过皮带带动传动轴与行星轮机构转动。
4.根据权利要求1中所述的二维流体振动超光滑表面抛光设备，其特征在于：上述抛光槽与基座之间用滚子支撑。
5.根据权利要求1中所述的二维流体振动超光滑表面抛光设备，其特征在于：在上述基座上安装有一个密封容器，密封整个设备。
6.一种权利要求1所述抛光设备的抛光方法，其特征是：抛光过程分为两级抛光，在一级抛光时，抛光液中适当地加入精细磨料和化学物质；在进行二级抛光时则采用纯流体作为抛光液，由流体分子的冲击和摩擦化学作用共同完成材料的去除。
7.根据权利要求6所述抛光设备的抛光方法，其特征是：上述精细磨料是纳米金刚石粉、SiO2纳米粉、Al2O3纳米粉、TiO2纳米粉、SiC纳米粉、Si3O4纳米粉或氧化铁纳米粉。
8.根据权利要求6所述抛光设备的抛光方法，其特征是：上述精细磨料是金刚石粉和SiO2纳米粉的混合粉末，或TiO2纳米粉和Al2O3纳米粉的混合粉末，或TiO2纳米粉和SiC纳米粉的混合粉末，或氧化铁纳米粉和A l2O3纳米粉的混合粉末。
9.根据权利要求6所述抛光设备的抛光方法，其特征是：上述化学物质是氢氧化物、络合物、表面活性剂、酸或碱。
10.根据权利要求6所述抛光设备的抛光方法，其特征是：上述纯流体是水、甘油、环乙烷、乙醇、四氯化碳、煤油或茴香甘油酯，或水和乙醇的混合溶液，或水和甘油的混合溶液，或乙醇和茴香甘油酯的混合溶液，或甘油和环乙烷的混合溶液。
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