CN103817563B - 超硬材料微结构表面的超声振动辅助抛光装置的使用方法 - Google Patents
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Abstract
超硬材料微结构表面的超声振动辅助抛光装置的使用方法，它涉及超声振动辅助抛光装置的使用方法。本发明要解决机械抛光方法的效率低、加工表面质量不均匀及微结构尖锐处易破坏的问题。本发明装置由精密磨床工作台、测力仪、超声振动工作台、超硬材料仿形加工工具、光学显微镜和精密磨床主轴构成。使用方法：一、磨削；二、抛光；三、依次加工所有的微槽即完成。本发明确保了磨削后的微结构形状精度及微结构表面尖锐部分不被破坏，有效的提高了超硬材料的抛光效率，并且可以高效的得到高质量的微结构表面。本发明用于超硬微结构表面精密抛光。
Description
技术领域
本发明涉及超声振动辅助抛光装置及其使用方法，具体涉及一种线性微结构表面的超声振动辅助抛光装置及其使用方法，适用于陶瓷类超硬线性微结构表面的高效高精度抛光加工。
背景技术
微结构表面是指具有规律周期阵列及高深宽比几何形状，并能够实现光学、机械、物理、生物等特定功能的微小结构性表面。具有微结构表面的光学元件均具有体积小、低功耗、携带方便及集成性好等优点，目前已经成为制造微小光电及通讯产品的关键元器件。
通常适用于微结构光学元件大批量生产的方法为复制技术，而用于复制技术的具有微结构光学功能表面的超硬模具的精密加工的最终加工工序—超精密抛光技术尤为重要，超硬模具微结构功能表面抛光的好坏直接影响着最终产品能否达到其要实现的特殊功能。然而由于这些材料的高硬度导致其本身的难加工性和模具表面复杂的微结构特性，往往使得在对超硬模具材料微结构表面进行传统抛光时最终很难得到理想的表面，从而影响了微结构光学功能元件的低成本，大批量的生产及应用。
目前，针对这类超硬微结构表面的抛光方法有射流抛光技术、离子束抛光技术、激光抛光技术、化学机械抛等。射流抛光是一种可以实现原子级去除的加工技术，但液体射流界面存在不稳定的问题直接导致抛光区的不稳定性。采用离子束抛光技术，材料的去除量取决离子束在该点的喷射时间，故其加工效率低。激光抛光是一种非接触式抛光技术，只适用于粗抛，很难得到纳米级表面粗糙度的光滑表面。化学机械抛光技术，加工稳定性好，抛光精度高，抛光后表面粗糙度可达到纳米量级，但其缺点为抛光效率低，在某种程度上影响了最终微结构光学功能元件的批量生产。
超声振动辅助抛光是超声振动、化学、机械多场复合的超精密抛光技术。与化学机械抛光相比，超声振动辅助抛光技术不但可以提高抛光表面质量及加工效率，还可以有效地去除磨削加工导致的工件亚表面损伤，降低抛光轮的磨损，适用于超硬材料的精密抛光。但是微结构表面不仅要求具有低的表面粗糙度，而且要求具有高的面形精度及形状精度，尤其是结构表面尖锐处要求具有极小的圆弧半径，而传统平面的超声振动辅助抛光中，因为其工艺方法不需要考虑待加工表面的结构性，因此加工微结构表面时尖锐处容易被破坏，从而破坏微结构表面的形状精度。
发明内容
本发明的目的是为了解决机械抛光方法的效率低、加工表面质量不均匀及微结构尖锐处易破坏的问题，提供超硬材料微结构表面的超声振动辅助抛光装置及其使用方法。
本发明的超硬材料微结构表面的超声振动辅助抛光装置由精密磨床工作台、测力仪、超声振动工作台、超硬材料仿形加工工具、光学显微镜和精密磨床主轴构成，测力仪位于精密磨床工作台左侧上表面上，光学显微镜位于精密磨床工作台右侧的上表面上，超声振动工作台位于测力仪的传感器上且与其固定连接，从而采集加工区域垂直抛光力的变化，超硬材料工件固定在超声振动工作台的工具头前端的端部上，所述工具头随精密磨床工作台左右方向移动，超硬材料仿形加工工具安装在精密磨床主轴上，且与其下方的超硬材料工件接触，超硬材料仿形加工工具为金刚石仿形砂轮或仿形抛光轮，光学显微镜的镜头朝向超硬材料仿形加工工具与超硬材料工件的接触位置。
本发明的超硬材料微结构表面的超声振动辅助抛光装置的使用方法，通过以下步骤实现的：
一、将金刚石仿形砂轮安装在精密磨床主轴上，将超硬材料工件固定到超声振动工作台的工具头前端端部，施加一维超声振动，所述一维振动方向与工具头进给方向相同，控制金刚石仿形砂轮的转速为2000rpm～4000rpm，控制精密磨床工作台进给速度为0.2mm/min～2mm/min，完成对超硬材料工件的精密磨削；
二、将金刚石仿形砂轮取下，将仿形抛光轮安装到机床主轴上，通过光学显微镜观察及测力仪监控精密调整仿形抛光轮与超硬材料工件微结构表面的相对位置和接触力度，使仿形抛光轮处于第一待抛光微结构表面正上方，通过超声发生器向超声振动工作台施加一维超声振动，带动超声振动工作台上的超硬材料工件进行一维超声振动，同时超硬材料工件和超声振动工作台随精密磨床工作台沿X轴方向进给，调节振动频率为25kHz～35kHz，振动振幅为1μm～5μm，仿形抛光轮转速为50rpm～300rpm，超硬材料工件进给速度为1mm/min～100mm/min，选取抛光液进行抛光；X轴方向为超硬材料工件进给方向，Z轴方向为精密磨床主轴方向；
三、每间隔1～3分钟向抛光区域内滴入抛光液，完成第一微槽抛光后，仿形抛光轮沿Z轴方向移动到相邻的第二待抛光微槽处，依次加工所有的微槽即完成。
本发明中为避免重复安装工件带来的安装误差，采用原位加工方法，将仿形抛光轮取代金刚石仿形砂轮并安装在磨削机床上。
本发明中为精确控制仿形抛光轮相对于微结构表面的位置，采用测力仪对仿形抛光轮的位置进行微动调节，当仿形抛光轮与微结构表面接触时，测力仪可以采集到两者接触区域内的轴向(Z轴方向)、切向、垂直三个方向的接触力，若轴向力不为零，则证明仿形抛光轮没有处于微结构表面正上方，此时可以沿Z轴方向微动调节仿形抛光轮，利用测力仪再次采集接触区域内的轴向力，反复调节及采集直至所采集到的轴向力约为零时表明仿形抛光轮的位置已经精确调节好，其正处于微结构表面的正上方。
本发明的有益效果：
1、本发明实现超硬材料线性微结构表面的高效率，高精度，确定性加工；
2、本发明的超声振动辅助抛光方法通过光学显微镜的观测及测力仪的精密控制使得仿形抛光与微结构精确对中，从而确保了磨削后的微结构形状精度及微结构表面尖锐部分不被破坏；同时超声振动的引入使得抛光区域摩擦力减小，纳米级的磨粒分布均匀，提高了超硬材料抛光中的三体磨损，微结构表面的粗糙度(Ra≤0.07μm)及面形精度(PV≤1μm)得到明显的改善，超声振动的空化作用有效的提高了超硬材料的抛光效率，与普通机械抛光方法相比提高2～3倍，本发明超声振动辅助抛光方法与现有的抛光方法相比可以高效的得到高质量的微结构表面。
附图说明
图1是本发明超声振动辅助抛光装置的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1的左视图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式超硬材料微结构表面的超声振动辅助抛光装置由精密磨床工作台1、测力仪2、超声振动工作台3、超硬材料仿形加工工具5、光学显微镜6和精密磨床主轴7构成，测力仪2位于精密磨床工作台1左侧上表面上，光学显微镜6位于精密磨床工作台1右侧的上表面上，超声振动工作台3位于测力仪2的传感器上且与其固定连接，从而采集加工区域垂直抛光力的变化，超硬材料工件4固定在超声振动工作台3的工具头3-1前端的端部上，所述工具头3-1随精密磨床工作台1左右方向移动，超硬材料仿形加工工具5安装在精密磨床主轴7上，且与其下方的超硬材料工件4接触，超硬材料仿形加工工具5为金刚石仿形砂轮5-1或仿形抛光轮5-2，光学显微镜6的镜头朝向超硬材料仿形加工工具5与超硬材料工件4的接触位置。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的超硬材料工件为碳化钨、碳化硅或氮化硅。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式的超硬材料微结构表面的超声振动辅助抛光装置的使用方法，通过以下步骤实现的：
一、将金刚石仿形砂轮5-1安装在精密磨床主轴7上，将超硬材料工件4固定到超声振动工作台3的工具头3-1前端端部，施加一维超声振动，所述一维振动方向与工具头3-1进给方向相同，控制金刚石仿形砂轮5-1的转速为2000rpm～4000rpm，控制精密磨床工作台1进给速度为0.2mm/min～2mm/min，完成对超硬材料工件4的精密磨削；
二、将金刚石仿形砂轮5-1取下，将仿形抛光轮5-2安装到机床主轴7上，通过光学显微镜6观察及测力仪2监控精密调整仿形抛光轮5-2与超硬材料工件4微结构表面的相对位置和接触力度，使仿形抛光轮5-2处于第一待抛光微结构表面正上方，通过超声发生器向超声振动工作台3施加一维超声振动，带动超声振动工作台3上的超硬材料工件4进行一维超声振动，同时超硬材料工件4和超声振动工作台3随精密磨床工作台1沿X轴方向进给，调节振动频率为25kHz～35kHz，振动振幅为1μm～5μm，仿形抛光轮5-2转速为50rpm～300rpm，超硬材料工件4进给速度为1mm/min～100mm/min，选取抛光液进行抛光；X轴方向为超硬材料工件4进给方向，Z轴方向为精密磨床主轴7方向；
三、每间隔1～3分钟向抛光区域内滴入抛光液，完成第一微槽抛光后，仿形抛光轮5-2沿Z轴方向移动到相邻的第二待抛光微槽处，依次加工所有的微槽即完成。
本实施方式的有益效果：
1、本实施方式实现超硬材料线性微结构表面的高效率，高精度，确定性加工；
2、本实施方式的超声振动辅助抛光方法通过光学显微镜的观测及测力仪的精密控制使得仿形抛光与微结构精确对中，从而确保了磨削后的微结构形状精度及微结构表面尖锐部分不被破坏；同时超声振动的引入使得抛光区域摩擦力减小，纳米级的磨粒分布均匀，提高了超硬材料抛光中的三体磨损，微结构表面的粗糙度(Ra≤0.07μm)及面形精度(PV≤1μm)得到明显的改善，超声振动的空化作用有效的提高了超硬材料的抛光效率，与普通机械抛光方法相比提高2～3倍，本实施方式超声振动辅助抛光方法与现有的抛光方法相比可以高效的得到高质量的微结构表面。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述的超硬材料工件为碳化钨、碳化硅或氮化硅。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是：步骤一中所述的控制金刚石仿形砂轮5-1的转速为2000rpm。其它与具体实施方式三或四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式三至五之一不同的是：步骤二中所述的调节振动频率为35kHz。其它与具体实施方式三至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三至六之一不同的是：步骤二中所述的振动振幅为2.5μm。其它与具体实施方式三至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式三至七之一不同的是：步骤二中所述的仿形抛光轮5-2转速为50rpm。其它与具体实施方式三至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式三至八之一不同的是：步骤二中所述的超硬材料工件4进给速度为1mm/min。其它与具体实施方式三至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式三至九之一不同的是：步骤二中所述的抛光液为粒度为50nm的质量分数为30％的金刚石和粒度为100nm的质量分数为15％的氧化铈按体积比为1:1进行混合的抛光液。其它与具体实施方式三至九之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例超硬材料微结构表面的超声振动辅助抛光装置的使用方法，按以下步骤进行：
一、将金刚石仿形砂轮5-1安装在平面精密磨削机床的主轴7上，将超声振动工作台3安装到精密磨床工作台1上，将待磨削的碳化硅4固定在超声振动工作台3上端面振幅最大处，当加工平行线性微结构表面时(如圆弧槽阵列和V形槽阵列表面)，首先调节一维超声振动工作台3，将一维超声振动工作台3的振动方向调整为与精密磨床工作台1进给方向平行，应用缓进给高效深度磨削方法磨削微结构表面，控制金刚石仿形砂轮5-1转速为2000rpm，控制工作台1进给速度为0.2mm/min，从而完成所有沟槽的磨削加工；
二、将金刚石仿形砂轮5-1取下，将仿形抛光轮5-2安装到机床主轴7上，当抛光平行线性微结构表面时，通过光学显微镜6观察及测力仪2监控精密调整仿形抛光轮5-2与微结构表面的相对位置，使仿形抛光轮5-2处于第一待抛光微结构表面正上方，通过超声发生器向超声振动工作台3施加一维超声振动即可带动超声振动工作台3上的碳化硅工件4进行一维超声振动，同时碳化硅工件4和超声振动工作台3随精密磨床工作台1沿X轴方向进给，控制超声振动发生器的振动频率为35kHz，振动振幅为2.5μm，抛光轮5-2转速为50rpm，碳化硅工件4进给速度为1mm/min，选取抛光液进行抛光；X轴方向为超硬材料工件4进给方向，Z轴方向为精密磨床主轴7方向；
三、每间隔2分钟向抛光区域内滴入抛光液，完成第一微槽抛光后，仿形抛光轮5-2沿Z轴方向移动到相邻的第二待抛光微槽处，依次加工所有的微槽即完成。
当抛光轮转速为50rpm时，其加工效果最好，加工后的表面质量最高；当工件进给速度为1mm/min时，其加工效果最好，加工后的表面质量最高；当振幅为2.5μm时，其振动效果最好，加工后的表面质量最高。
本实施例步骤二中所选取的抛光液为粒度为50nm的质量分数为30％的金刚石和粒度为100nm的质量分数为15％的氧化铈按体积比为1:1进行混合的抛光液，由于工件材料的硬度非常高，金刚石磨粒可以有效将其机械去除，但抛光后工件表面存在金刚石微耕犁作用产生的微沟槽，从而影响微结构表面质量，氧化铈抛光液虽然较软，但其可以与超硬材料发生化学反应，在微结构表面生成较软的氧化膜，有效的将微沟槽去除从而提高微结构表面质量。相比单一抛光液，采用氧化铈和金刚石混合抛光液可以有效的提高抛光效率及微结构表面质量。
Claims (8)
1.超硬材料微结构表面的超声振动辅助抛光装置的使用方法，所述的超硬材料微结构表面的超声振动辅助抛光装置由精密磨床工作台(1)、测力仪(2)、超声振动工作台(3)、超硬材料仿形加工工具(5)、光学显微镜(6)和精密磨床主轴(7)构成，测力仪(2)位于精密磨床工作台(1)左侧上表面上，光学显微镜(6)位于精密磨床工作台(1)右侧的上表面上，超声振动工作台(3)位于测力仪(2)的传感器上且与其固定连接，从而采集加工区域垂直抛光力的变化，超硬材料工件(4)固定在超声振动工作台(3)的工具头(3-1)前端的端部上，所述工具头(3-1)随精密磨床工作台(1)左右方向移动，超硬材料仿形加工工具(5)安装在精密磨床主轴(7)上，且与其下方的超硬材料工件(4)接触，超硬材料仿形加工工具(5)为金刚石仿形砂轮(5-1)或仿形抛光轮(5-2)，光学显微镜(6)的镜头朝向超硬材料仿形加工工具(5)与超硬材料工件(4)的接触位置，其特征在于所述的使用方法包括如下步骤：
一、将金刚石仿形砂轮(5-1)安装在精密磨床主轴(7)上，将超硬材料工件(4)固定到超声振动工作台(3)的工具头(3-1)前端端部，施加一维超声振动，所述一维振动方向与工具头(3-1)进给方向相同，控制金刚石仿形砂轮(5-1)的转速为2000rpm～4000rpm，控制精密磨床工作台(1)进给速度为0.2mm/min～2mm/min，完成对超硬材料工件(4)的精密磨削；
二、将金刚石仿形砂轮(5-1)取下，将仿形抛光轮(5-2)安装到机床主轴(7)上，通过光学显微镜(6)观察及测力仪(2)监控精密调整仿形抛光轮(5-2)与超硬材料工件(4)微结构表面的相对位置和接触力度，使仿形抛光轮(5-2)处于第一待抛光微结构表面正上方，通过超声发生器向超声振动工作台(3)施加一维超声振动，带动超声振动工作台(3)上的超硬材料工件(4)进行一维超声振动，同时超硬材料工件(4)和超声振动工作台(3)随精密磨床工作台(1)沿X轴方向进给，调节振动频率为25kHz～35kHz，振动振幅为1μm～5μm，仿形抛光轮(5-2)转速为50rpm～300rpm，超硬材料工件(4)进给速度为1mm/min～100mm/min，选取抛光液进行抛光；X轴方向为超硬材料工件(4)进给方向，Z轴方向为精密磨床主轴(7)方向；
三、每间隔1～3分钟向抛光区域内滴入抛光液，完成第一微槽抛光后，仿形抛光轮(5-2)沿Z轴方向移动到相邻的第二待抛光微槽处，依次加工所有的微槽即完成。
2.根据权利要求1所述的超硬材料微结构表面的超声振动辅助抛光装置的使用方法，其特征在于所述的超硬材料工件为碳化钨、碳化硅或氮化硅。
3.根据权利要求1所述的超硬材料微结构表面的超声振动辅助抛光装置的使用方法， 其特征在于步骤一中所述的控制金刚石仿形砂轮(5-1)的转速为2000rpm。
4.根据权利要求1所述的超硬材料微结构表面的超声振动辅助抛光装置的使用方法，其特征在于步骤二中所述的调节振动频率为35kHz。
5.根据权利要求1所述的超硬材料微结构表面的超声振动辅助抛光装置的使用方法，其特征在于步骤二中所述的振动振幅为2.5μm。
6.根据权利要求1所述的超硬材料微结构表面的超声振动辅助抛光装置的使用方法，其特征在于步骤二中所述的仿形抛光轮(5-2)转速为50rpm。
7.根据权利要求1所述的超硬材料微结构表面的超声振动辅助抛光装置的使用方法，其特征在于步骤二中所述的超硬材料工件(4)进给速度为1mm/min。
8.根据权利要求1所述的超硬材料微结构表面的超声振动辅助抛光装置的使用方法，其特征在于步骤二中所述的抛光液为粒度为50nm的质量分数为30％的金刚石和粒度为100nm的质量分数为15％的氧化铈按体积比为1:1进行混合的抛光液。
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