CN105458902A - 一种微结构表面三维椭圆振动超精密抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微结构表面超精密抛光的三维椭圆振动轨迹计算方法，抛光过程中抛光工具与工件之间有一定的相对速度和一定的抛光压力对加工表面作用的同时，抛光头相对加工表面做椭圆振动，之后根据被加工表面的曲率变化，调整抛光工具相对工件表面的姿态，然后根据被加工表面的曲率变化，调整椭圆的离心角，最后根据抛光工具相对工件的位置和椭圆轨迹获得抛光工具的运动轨迹以进行抛光。本发明的三维椭圆振动轨迹计算方法兼具切平面和法平面椭圆振动轨迹的优点，对获得均匀性材料去除效果很好而且三维椭圆运动抛光方法改变硬、脆、难加工材料的表面抛光技术，显著提高加工表面质量。

Description

一种微结构表面三维椭圆振动超精密抛光方法

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，特别是涉及一种微结构表面三维椭圆振动超精密抛光方法。

背景技术

在航空航天、国防科技和微电子等领域中，微结构表面的功能元件已成为不可或缺的关键元件，具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景。微结构表面是具有特定功能的微小表面拓扑几何形状，可由此转化元件的光学、机械和物理等性质以表现出特定功能的结构性表面，其特征尺寸一般在微米级。这类元件通常采用复制加工技术制造，要求模具材料具有高硬度、耐高温、耐磨损等性能。因此，模具表面的加工质量对微结构产品的性能起着至关重要的作用。在某些应用领域，需使用更高加工质量的光学元件，这就要求进一步提高微结构模具表面的制造技术水平，作为最终加工工序的金刚石切削和精密磨削已经不能满足实际需要，必须对微结构表面进行最后的超精密抛光。

现在多采用机械抛光、化学机械抛光、超声振动机械抛光、磨粒射流抛光和激光抛光等多种制造方法对微结构光学功能元件模具进行抛光，但机械抛光、化学机械抛光、磨粒射流抛光和激光抛光等抛光方法不适于应用在硬脆难加工材料微结构表面的抛光。超声振动机械抛光过程中，抛光工具以一定频率振动能够有效提高加工效率和改善表面质量，但目前微结构表面振动辅助抛光还存在不足：现有振动模式的研究都是一维振动或二维振动，其中二维振动是工具在已加工表面切平面(平行型)或其正交法平面(正交型)内做圆形或椭圆轨迹运动。正交型二维椭圆振动兼有横向一维振动和纵向一维振动的作用，具有较好的强化磨粒对加工表面的作用，能实现加工表面工具抛光轨迹沿一个方向局部复杂化；平行型能实现加工表面工具抛光轨迹沿两个方向局部复杂化，这对获得均匀性材料去除效果很好，然而目前还尚未出现同时兼顾具有这两种作用的振动抛光方式。

发明内容

本发明的目的是解决提供一种三维椭圆振动超精密抛光方法，改变硬、脆、难加工材料的表面抛光技术，显著提高加工表面质量。

本发明还有一个目的是抛光工具可根据被加工表面的曲率变化调整椭圆运动轨迹平面与坐标平面的夹角，提高微结构表面的均匀度和抛光精度。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种微结构表面三维椭圆振动超精密抛光方法，包括以下步骤：

步骤一：抛光过程中，抛光工具与微结构表面间以一定的相对速度和一定的抛光压力对微结构表面作用，抛光工具的运动轨迹为：

X_E＝acosθcos(2πft+φ)+acosθ

Y_E＝bsin(2πft+φ)

Z_E＝asinθcos(2πft+φ)+asinθ

其中，a为椭圆长轴半径；b为椭圆短轴半径；θ为椭圆所在平面与O_E-X_EY_E平面形成的夹角；f为振动频率；t为时间；为离心角；

步骤二：根据被加工表面曲率变化，不断调整α值使抛光工具轴线与抛光点切平面的夹角为设定角度θ：

α＝arctan(f′(X_W))+θ

其中，f′(X_W)是抛光轨迹接触点运动轨迹方向的斜率；

步骤三：根据被加工表面的曲率变化，根据公式计算调整椭圆的离心角

其中，为椭圆的相位角；K为被加工表面的曲率；

步骤四：根据抛光轨迹是被加工曲面上的某一空间曲线，抛光工具的整个运动轨迹为：

X_W＝acosθcos(2πft+φ)+acosθ+f(t)

Y_W＝bsin(2πft+φ)+g(t)

Z_W＝asinθcos(2πft+φ)+asinθ+h(t)

其中，f(t),g(t),h(t)为抛光轨迹曲线参数方程，t为参数。

优选的是，所述振动频率f在500～5000Hz之间。

优选的是，所述夹角θ等于0°时，其在切平面内做椭圆轨迹运动：

当θ＝0°时，抛光工具在O_E-X_EY_E平面内做两维椭圆振动

X_E＝acos(2πft+φ)+a

Y_E＝bsin(2πft+φ)。

优选的是，所述夹角θ等于90°时，其在法平面内做椭圆轨迹运动：

当θ＝90°时，抛光工具在O_E-Y_EZ_E平面内做两维椭圆振动

Y_E＝bsin(2πft+φ)

Z_E＝acos(2πft+φ)+a。

优选的是，所述步骤4中抛光轨迹曲线参数方程表示为：

X_l＝vt

Y_l＝0

Z_l＝0

其中，v为抛光速度，t为时间；

根据如下公式计算抛光速度v，

其中，m为抛光工具与被加工表面的垂直距离，A为速度影响因子。

本发明至少包括以下有益效果：1、三维坐标空间内，抛光工具相对于被加工表面作一定频率的振动且振动轨迹为椭圆，当夹角θ等于0或90度时，其在平面内按照椭圆轨迹运动，切平面的椭圆轨迹能实现加工表面工具抛光轨迹沿两个方向局部复杂化；而法平面的椭圆加工轨迹能实现加工表面工具抛光轨迹沿两个方向局部复杂化，这对获得均匀性材料去除效果很好；三维椭圆振动能同时具有两种二维椭圆振动的优点；2、三维椭圆运动抛光方法改变硬、脆、难加工材料的表面抛光技术，显著提高加工表面质量。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1是本发明的微结构表面三维椭圆振动抛光装置。

图2是本发明的抛光工具与工件抛光过程中三维坐标系示意图。

图3是本发明的抛光工具三维椭圆振动轨迹及平面投影示意图。

图4是本发明的微结构表面抛光过程示意图。

图5是本发明的在O_E-X_EY_EZ_E坐标系下M点处椭圆轨迹。

图6是本发明的不同夹角θ时在O_E-Y_EZ_E平面运动轨迹投影示意图。

图7是本发明的在O_W-X_WY_WZ_W坐标系下M点处椭圆轨迹。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

图1为抛光工具示意图，抛光工具由振动生成装置1、工件2、工作台3和抛光头4组成，其中，振动生成装置1和抛光头4固定连接；工作时将待加工工件2固定在工作台3上，防止工件2在加工过程中发生滑动，开启开关使振动生成装置1产生振动，振动生成装置1带动抛光头4对工件2进行抛光。

图2和图3示出了微结构表面三维椭圆振动超精密抛光轨迹，如图2所示，假设任意时刻抛光头4与工件2表面的接触点为M，接触点M所在的工件所在切平面设为O_E-X_EY_E平面，与此平面相垂直且指向抛光工具方向的为O_E-Z_E轴。所述微结构表面，是指表面精度达亚微米级，表面粗糙度达纳米级，具有特定功能的微小表面拓扑形状。

步骤一：抛光过程中，抛光头4与工件2之间有一定的相对速度，抛光工具以一定的抛光压力对加工表面作用的同时，抛光头相对加工表面还要做椭圆轨迹振动，图3示出了椭圆运动轨迹，其运动轨迹方程为：

X_E＝acosθcos(2πft+φ)+acosθ

Y_E＝bsin(2πft+φ)

Z_E＝asinθcos(2πft+φ)+asinθ

其中，a为椭圆长轴半径，单位为mm；b为椭圆短轴半径，单位为mm；θ为椭圆所在平面与O_E-X_EY_E平面形成的夹角，单位为度；f为振动频率，单位为Hz；t为时间，单位为s；为椭圆上任意一点的离心角，单位为度。

步骤二：抛光过程中，被加工表面曲率是变化的，需要不断调整抛光工具轴线与对应位置切平面的夹角，才能保证θ值。对于回转对称的微结构表面，设O_W-X_WY_WZ_W表示工件坐标系，O_W-Z_W为工件的回转轴,以朝向抛光工具的方向为正向，O_W-X_W轴与O_W-Y_W轴所张成的坐标平面是工件的Z向基准面。抛光工具相对于工件坐标系的抛光轨迹为曲线Z_W＝f(X_W)，其切线方程为Z_W＝f′(X_W)，当椭圆所在平面与O_E-X_EY_E平面形成的夹角为θ，则抛光工具轴线与工件坐标系O_W-X_WY_W平面的夹角为α，关系如下

α＝arctan(f′(X_W))+θ

因此，抛光过程中需要根据被加工表面曲率变化，调整α值才能保证抛光工具轴线与该位置切平面的夹角为θ。

步骤三：根据被加工表面的曲率变化，调整椭圆的离心角

其中，为椭圆的相位角；K为被加工表面的曲率；

步骤四：根据工件坐标系中被加工表面与工件接触点M的坐标为(X_WE,Y_WE,Z_WE)，抛光工具的运动轨迹为

X_W＝acosθcos(2πft+φ)+acosθ+X_WE

Y_W＝bsin(2πft+φ)+Y_WE

Z_W＝asinθcos(2πft+φ)+asinθ+Z_WE

当抛光轨迹是被加工曲面上的某一空间曲线时，采用参数方程可以表示为

X_l＝f(t)

Y_l＝g(t)

Z_l＝h(t)

其中，t为参数，抛光工具在O_W-X_WY_WZ_W坐标系内整个运动轨迹为：

X_W＝X_E+X_l＝acosθcos(2πft+φ)+acosθ+f(t)

Y_W＝Y_E+Y_l＝bsin(2πft+φ)+g(t)

Z_W＝Z_E+Z_l＝asinθcos(2πft+φ)+asinθ+h(t)

<实例1>

对碳化钨材质微结构模具表面进行抛光，抛光头4与碳化钨材质回转对称微结构模具表面的接触点为M，接触点M所在切平面设为O_E-X_EY_E平面，与此平面相垂直且指向抛光工具方向的为O_E-Z_E轴。

步骤一：被加工微结构表面的曲面方程为

X_W ²+Y_W ²+(Z_W-1)²＝1，(Z_W＞0)，M(X_WE,Y_WE,Z_WE)是抛光工具与曲面接触点，此点坐标为工件坐标系为O_W-X_WY_WZ_W，如图4所示。假设任意时刻t，碳化钨微结构模具工件以一定的速度旋转运动，抛光工具以一定的抛光压力对加工表面作用的同时，抛光头相对加工表面还要做椭圆振动，椭圆运动轨迹的参数为

(a＝0.1mm,b＝0.05mm,f＝1000Hz,，其运动轨迹方程为：

$X_E=\frac{\sqrt{3}}{20}cos(2000\mathrm{\&pi;}t+\mathrm{\&phi;})+\frac{\sqrt{3}}{20}$

$Y_E=\frac{1}{20}sin(2000\mathrm{\&pi;}t+\mathrm{\&phi;})$

$Z_E=\frac{1}{20}cos(2000\mathrm{\&pi;}t+\mathrm{\&phi;})+\frac{1}{20}$

步骤二：抛光工具在曲面上的抛光轨迹为曲线

$Z_W=1-\sqrt{1-{X_W}^2},(0<X_W<1,0<Z_W<1),$ 切线方程为 $Z_W=\frac{X_W}{\sqrt{1-{X_W}^2}},$ 在M点处，当时，抛光工具轴线与工件坐标系O_W-X_WY_WZ_W平面的夹角为

$\mathrm{\&alpha;}=arctan\left(\frac{X_{WE}}{\sqrt{1-{X_{WE}}^2}}\right)+\frac{\mathrm{\&pi;}}{6}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{3}$

由于被加工表面曲率变化，有时需要调整椭圆的相位角。

步骤三：此时被加工表面的曲率为1，根据如下公式计算椭圆的离心角

其中，为椭圆的离心角，单位为度；K为被加工表面的曲率。

图5为椭圆的参数为a＝0.1mm，b＝0.05mm，θ＝π/6，f＝1000Hz时，利用椭圆振动抛光方法抛光碳化钨材质微结构模具表面点处的运动轨迹。图6给出了椭圆相位角θ变化时的投影轨迹的变化情况(a＝0.1mm,b＝0.5mm,f＝1000Hz)，θ取值分别为15°,30°,45°,60°,75°。

步骤三：M点的坐标为在O_W-X_WY_WZ_W坐标系内抛光工具的运动轨迹为：

$X_W=\frac{\sqrt{3}}{20}cos\left(2000\mathrm{\&pi;}t\right)+\frac{\sqrt{3}}{20}+0.5$

$Y_W=\frac{1}{20}sin\left(2000\mathrm{\&pi;}t\right)$

$Z_W=\frac{1}{20}cos\left(2000\mathrm{\&pi;}t\right)+\frac{\sqrt{3}}{2}+1\frac{1}{20}$

图7为椭圆的参数为a＝0.1mm，b＝0.05mm，θ＝π/6，f＝1000Hz时，利用椭圆抛光方法抛光碳化钨材质微结构模具表面O_W-X_WY_WZ_W坐标系下在点处的运动轨迹。

当被加工表面的抛光轨迹线为

$Z_W=1-\sqrt{1-{X_W}^2},(0<X_W<1,0<Z_W<1),$ 参数方程为

X_l＝sinγ

Z_l＝1-cosγ

其中，γ为参数，

在O_W-X_WY_WZ_W坐标系内抛光工具的整个运动轨迹为

$X_W=\frac{\sqrt{3}}{20}cos\left(2000\mathrm{\&pi;}t\right)+\frac{\sqrt{3}}{20}+\sin \mathrm{\&gamma;}$

$Y_W=\frac{1}{20}sin\left(2000\mathrm{\&pi;}t\right)$

$Z_W=\frac{1}{20}cos\left(2000\mathrm{\&pi;}t\right)+1\frac{1}{20}-cos\mathrm{\&gamma;}$

当夹角θ等于0或90度时，其在平面内按照椭圆轨迹运动：

当θ＝0°时，抛光工具在O_E-X_EY_E平面内做两维椭圆振动

X_E＝acos(2πft+φ)+a

Y_E＝bsin(2πft+φ)

当θ＝90°时，抛光工具在O_E-Y_EZ_E平面内做两维椭圆振动

Y_E＝bsin(2πft+φ)

Z_E＝acos(2πft+φ)+a

本发明还示出了另一种抛光方法，该抛光方法随着抛光工具与微结构表面的距离变化随时调整抛光速度，并根据被加工表面的曲率变化调整椭圆运动轨迹的相位角，提高微结构表面的均匀度和抛光精度，该抛光方法的具体步骤为：

<实例2>

步骤一：抛光过程中，抛光头4与工件2之间有一定的相对速度，抛光工具以一定的抛光压力对加工表面作用的同时，抛光头相对加工表面还要做椭圆轨迹振动，图3示出了椭圆运动轨迹，其运动轨迹方程为：

X_E＝acosθcos(2πft+φ)+acosθ

Y_E＝bsin(2πft+φ)

Z_E＝asinθcos(2πft+φ)+asinθ

其中，a为椭圆长轴半径，单位为mm；b为椭圆短轴半径，单位为mm；θ为椭圆所在平面与O_E-X_EY_E平面形成的夹角，单位为度；f为振动频率，单位为Hz；t为时间，单位为s；为椭圆上任意一点的离心角，单位为度。

步骤二：抛光过程中，被加工表面曲率是变化的，需要不断调整抛光工具轴线与对应位置切平面的夹角，才能保证θ值。对于回转对称的微结构表面，设O_W-X_WY_WZ_W表示工件坐标系，O_W-Z_W为工件的回转轴,以朝向抛光工具的方向为正向，O_W-X_W轴与O_W-Y_W轴所张成的坐标平面是工件的Z向基准面。抛光工具相对于工件坐标系的抛光轨迹为曲线Z_W＝f(X_W)，其切线方程为Z_W＝f′(X_W)，当椭圆所在平面与O_E-X_EY_E平面形成的夹角为θ，则抛光工具轴线与工件坐标系O_W-X_WY_W平面的夹角为α，关系如下

α＝arctan(f′(X_W))+θ

因此，抛光过程中需要根据被加工表面曲率变化，调整α值才能保证抛光工具轴线与该位置切平面的夹角为θ。

步骤三：根据被加工表面的曲率变化，调整椭圆的离心角

其中，为椭圆的相位角；K为被加工表面的曲率；

步骤四：根据工件坐标系中被加工表面与工件接触点M的坐标为(X_WE,Y_WE,Z_WE)，抛光工具的运动轨迹为

X_W＝acosθcos(2πft+φ)+acosθ+X_WE

Y_W＝bsin(2πft+φ)+Y_WE

Z_W＝asinθcos(2πft+φ)+asinθ+Z_WE

当抛光轨迹是被加工曲面上的某一空间曲线时，采用参数方程可以表示为

X_l＝vt

Y_l＝0

Z_l＝0

其中，t为参数，抛光工具在O_W-X_WY_WZ_W坐标系内整个运动轨迹为：

X_W＝X_E+X_l＝acosθcos(2πft+φ)+acosθ+vt

Y_W＝Y_E+Y_l＝bsin(2πft+φ)

Z_W＝Z_E+Z_l＝asinθcos(2πft+φ)+asinθ

步骤五：根据抛光工具与被加工表面的垂直距离m，调整抛光速度v，经实验得知抛光速度v与振动频率f、距离m、椭圆的长短轴ab值及初相位角相关，经拟合得到如下经验公式：

其中，m为抛光工具与加工表面的垂直距离，单位为mm；A为速度影响因子，当工件为金属材质时A的范围为10～15，当工件为塑料材质时A的范围为3～8，当工件为二氧化硅材质的光学器件是A的范围为8～10，单位为Hz·s^-1。

本发明至少包括以下有益效果：1、三维坐标空间内，抛光工具相对于被加工表面作一定频率的振动且振动轨迹为椭圆，当夹角θ等于0或90度时，其在平面内按照椭圆轨迹运动，切平面的椭圆轨迹能实现加工表面工具抛光轨迹沿两个方向局部复杂化；而法平面的椭圆加工轨迹能实现加工表面工具抛光轨迹沿两个方向局部复杂化，这对获得均匀性材料去除效果很好；三维椭圆振动能同时具有两种二维椭圆振动的优点；2、三维椭圆运动抛光方法改变硬、脆、难加工材料的表面抛光技术，显著提高加工表面质量。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种微结构表面三维椭圆振动超精密抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：抛光过程中，抛光工具与微结构表面间以一定的相对速度和一定的抛光压力对微结构表面作用，抛光工具的运动轨迹为：

X_E＝acosθcos(2πft+φ)+acosθ

Y_E＝bsin(2πft+φ)

Z_E＝asinθcos(2πft+φ)+asinθ

其中，a为椭圆长轴半径；b为椭圆短轴半径；θ为椭圆所在平面与O_E-X_EY_E平面形成的夹角；f为振动频率；t为时间；为离心角；

步骤二：根据被加工表面曲率变化，不断调整α值使抛光工具轴线与抛光点切平面的夹角为设定角度θ：

α＝arctan(f′(X_W))+θ

其中，f′(X_W)是抛光轨迹接触点运动轨迹方向的斜率；

步骤三：根据被加工表面的曲率变化，根据公式计算调整椭圆的离心角

其中，为椭圆的相位角；K为被加工表面的曲率；

步骤四：根据抛光轨迹是被加工曲面上的某一空间曲线，抛光工具的整个运动轨迹为：

X_W＝acosθcos(2πft+φ)+acosθ+f(t)

Y_W＝bsin(2πft+φ)+g(t)

Z_W＝asinθcos(2πft+φ)+asinθ+h(t)

其中，f(t),g(t),h(t)为抛光轨迹曲线参数方程，t为参数。

2.如权利要求1所述的微结构表面三维椭圆振动超精密抛光方法，其特征在于，所述振动频率f在500～5000Hz之间。

3.如权利要求1所述的微结构表面三维椭圆振动超精密抛光方法，其特征在于，所述夹角θ等于0°时，其在切平面内做椭圆轨迹运动：

当θ＝0°时，抛光工具在O_E-X_EY_E平面内做两维椭圆振动

X_E＝acos(2πft+φ)+a

Y_E＝bsin(2πft+φ)。

4.如权利要求1所述的微结构表面三维椭圆振动超精密抛光方法，其特征在于，所述夹角θ等于90°时，其在法平面内做椭圆轨迹运动：

当θ＝90°时，抛光工具在O_E-Y_EZ_E平面内做两维椭圆振动

Y_E＝bsin(2πft+φ)

Z_E＝acos(2πft+φ)+a。

5.如权利要求1所述的微结构表面三维椭圆振动超精密抛光方法，其特征在于，所述步骤4中抛光轨迹曲线参数方程表示为：

X_l＝vt

Y_l＝0

Z_l＝0

其中，v为抛光速度，t为时间；

根据如下公式计算抛光速度v，

其中，m为抛光工具与被加工表面的垂直距离，A为速度影响因子。