CN101850946A - 纳米级精度的表面熨压处理与微纳结构阵列加工平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米级精度的表面熨压处理与微纳结构阵列加工平台。由支撑单元、驱动单元、预紧机构组成。所述支撑单元由支撑单元I与支撑单元II螺纹连接组成；所述驱动单元是将压电叠堆设置于工具座的矩形槽中，工具座的中部以柔性铰链传动；工具头置于工具头座前端的锥形槽中，碟簧置于支撑单元I与工具头之间。所述预紧机构由预紧螺钉与支撑单元II的螺纹相互配合构成。优点在于：降低工件的表面粗糙度、提高其表面质量，并达到表面强化的功能；同时利用不同直径的钢球或具有确定尖端形状的工具头对平面或回转表面进行断续的压入作用，还可实现特定形状微纳结构阵列的精密塑性加工。

Description

纳米级精度的表面熨压处理与微纳结构阵列加工平台

技术领域

本发明涉及机电类，特别涉及一种应用于微纳驱动控制、超精密加工、微纳加工、精密光学以及航空航天等领域的纳米级精度的表面熨压处理与微纳结构阵列加工平台。

技术背景

近年来，随着微电子学、生物医学、光学、数据存储、超精密机械及其制造等学科的迅猛发展，人们对工件的表面质量及其可用性提出了越来越高的要求。传统的降低工件表面粗糙度的方法大都采用多次切削、磨床磨削乃至于超精密加工等手段，工艺复杂不说，还难以保证工件的表面质量，特别是不具备工件表面强化的功能。而如果采用传统的表面强化方法，除对设备要求较高外，往往还会对工件的表面精度产生不利的影响。此外，在微纳加工领域，具有微纳结构特征的阵列结构的高效、高精度、低成本加工，一直是困扰工程界的技术难题，从而直接制约了精密光学技术、半导体技术等领域的发展，限制了现代制造业的整体水平。因此，有必要设计一种既能实现工件表面平坦化处理，又能对工件表面预加应力和表面强化的纳米级超精密工具。

发明内容

本发明提供一种纳米级精度的表面熨压处理与微纳结构阵列加工平台，解决了上述问题。本发明具有高精度、响应迅速、便于操作使用等特点，能够较大程度的降低工件表面粗糙度，实现工件表面的平坦化处理，又能对工件表面预加应力和表面强化；同时，利用确定尖端形式的工具头或钢球还能实现特定形状微纳结构阵列的超精密塑性加工。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：

纳米级精度的表面熨压处理与微纳结构阵列加工平台，包括支撑单元、驱动单元及预紧机构，所述支撑单元由包括支撑单元I 3及支撑单元II 6，该支撑单元I 3与支撑单元II 6螺纹连接；所述驱动单元包括工具头1、碟簧2、工具头座4及压电叠堆5，该压电叠堆5设置于工具头座4的矩形槽中，工具头座4的中部以柔性铰链8传动；工具头1置于工具头座4前端的锥形槽中，碟簧2置于支撑单元I3与工具头1之间。用于实现钢球的反向回弹；工具头1和碟簧2为配套式的可更换元件，根据特定加工要求可更换为不同直径的钢球或特定尖端形式的工具头；所述预紧机构由预紧螺钉7与支撑单元II 6的螺纹相互配合构成，通过手动调节方式实现预紧。

所述的工具头1为钢球，根据特定加工要求可更换为不同直径的钢球或特定尖端形式的工具头；工具头座4为钢球座。

所述压电叠堆5为可控面型的精密致动元件，通过对压电叠堆5施加电压，使工具头座4伸长，推动钢球1沿压电叠堆轴线方向进行纳米级精密直线运动。

所述工具头座4中部有一组薄壁柔性铰链8，薄壁柔性铰链通过电火花线切割方式加工而成，在压电叠堆5的直接推力作用下，可产生精密弯曲变形，在压电叠堆5直接推力作用撤销时，柔性铰链8可产生反向回弹作用。

所述碟簧2位于支撑单元3前部与工具头1之间，压电叠堆5直接推力作用撤销后，可推动工具头1回到初始位置，同时碟簧2的圆孔有校正工具头(钢球)1球心的作用。

本发明通过控制压电叠堆5的驱动电压，使工具头座4中部的薄壁柔性铰链8产生确定量值的精密伸长运动，推动工具头1产生确定量值的纳米级精密直线位移，在撤去电压之后，通过碟簧2和薄壁柔性铰链8的反向回弹作用使钢球回到初始位置。通过工具头1对工件表面施加确定压力或确定压深的连续机械式熨压作用，可实现对工件表面的光整化处理、提高其表面质量，还可达到表面强化的功能。通过不同直径的钢球或具有确定尖端形状的工具头对平面或回转表面进行断续的压入作用，还可实现特定形状微纳结构阵列的精密塑性加工。

本发明的积极效果是：通过使钢球或其他形状的工具头球产生微小的位移，在工件表面进行熨压，从而既能实现较大程度的降低工件表面粗糙度，又能达到对工件表面预加应力和表面强化的效果，同时利用确定尖端形式的工具头或钢球还可实现特定形状的微纳结构阵列的超精密塑性加工。

附图说明

图1是本发明的剖视示意图。

图2是本发明的外观示意图。

图3是本发明的驱动单元结构示意图。

图4是本发明的柔性铰链结构原理图。其中的δ＝F/K，K为柔性铰链的弯曲刚度，δ为柔性铰链微变形，F为加在柔性铰链自由端的外力。

具体实施方式

参见图1至图4，纳米级精度的表面熨压处理与微纳结构阵列加工平台，包括支撑单元、驱动单元及预紧机构，所述支撑单元由包括支撑单元I 3及支撑单元II 6，该支撑单元I 3与支撑单元II 6螺纹连接；所述驱动单元包括工具头1、碟簧2、工具头座4及压电叠堆5，该压电叠堆5设置于工具头座4的矩形槽中，工具头座4的中部以柔性铰链8传动；工具头1置于工具头座4前端的锥形槽中，碟簧2置于支撑单元I3与工具头1之间。用于实现钢球的反向回弹；工具头1和碟簧2为配套式的可更换元件，根据特定加工要求可更换为不同直径的钢球或特定尖端形式的工具头；所述预紧机构由预紧螺钉7与支撑单元II 6的螺纹相互配合构成，通过手动调节方式实现预紧。

所述的工具头1为钢球，根据特定加工要求可更换为不同直径的钢球或特定尖端形式的工具头；工具头座4为钢球座。

所述压电叠堆5为可控面型的精密致动元件，通过对压电叠堆5施加电压，使工具头座4伸长，推动钢球1沿压电叠堆轴线方向进行纳米级精密直线运动。

所述工具头座4中部有一组薄壁柔性铰链8，薄壁柔性铰链通过电火花线切割方式加工而成，在压电叠堆5的直接推力作用下，可产生精密弯曲变形，在压电叠堆5直接推力作用撤销时，柔性铰链8可产生反向回弹作用。

所述碟簧2位于支撑单元3前部与工具头1之间，压电叠堆5直接推力作用撤销后，可推动工具头1回到初始位置，同时碟簧2的圆孔有校正工具头(钢球)1球心的作用。

本发明通过控制压电叠堆5的驱动电压，使工具头座4中部的薄壁柔性铰链8产生确定量值的精密伸长运动，推动工具头1产生确定量值的纳米级精密直线位移，在撤去电压之后，通过碟簧2和薄壁柔性铰链8的反向回弹作用使钢球回到初始位置。通过工具头1对工件表面施加确定压力或确定压深的连续机械式熨压作用，可实现对工件表面的光整化处理、提高其表面质量，还可达到表面强化的功能。通过不同直径的钢球或具有确定尖端形状的工具头对平面或回转表面进行断续的压入作用，还可实现特定形状微纳结构阵列的精密塑性加工。

本发明的具体工作过程如下：

初始状态：压电叠堆5不带电，系统处于自由状态，通过预紧螺钉7对压电叠堆5进行预紧调节，然后将支撑单元6固定于机床工作台或转塔刀架上。当压电叠堆5通电伸长时，柔性铰链8在其作用下发生弹性变形而推动工具头1输出精密直线运动。当压电叠堆5断电回缩时，碟簧2在其自身反向回复力作用下推动工具头1回到初始位置。工具头1和碟簧2为配套式的可更换元件，根据特定加工要求可更换为不同直径的钢球或特定尖端形式的工具头，可实现特定形状的微纳结构阵列的超精密塑性加工。

Claims (3)

1.一种纳米级精度的表面熨压处理与微纳结构阵列加工平台，包括支撑单元、驱动单元及预紧机构，其特征在于：所述支撑单元由包括支撑单元I(3)及支撑单元II(6)，该支撑单元I(3)与支撑单元II(6)螺纹连接；

所述驱动单元包括工具头(1)、碟簧(2)、工具头座(4)及压电叠堆(5)，该压电叠堆(5)设置于工具头座(4)的矩形槽中，工具头座(4)的中部以柔性铰链传动；工具头(1)置于工具头座(4)前端的锥形槽中，碟簧(2)置于支撑单元I(3)与工具头(1)之间；所述预紧机构由预紧螺钉(7)与支撑单元II(6)的螺纹相互配合构成。

2.根据权利要求1所述的纳米级精度的表面熨压处理与微纳结构阵列加工平台，其特征在于：所述的工具头(1)为钢球，工具头座(4)为钢球座。

3.根据权利要求1或2所述的纳米级精度的表面熨压处理与微纳结构阵列加工平台，其特征在于：所述的工具头(1)与碟簧(2)相互配合。

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