CN106379856B - 一种基于雾化颗粒的水溶解微纳加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于雾化颗粒的水溶解微纳加工装置，包括加压夹持单元、供雾扩散单元和风淋加工单元；所述的风淋加工单元位于加压夹持单元与供雾扩散单元之间。本发明采用漏斗形收集构件与加工介质扩散腔相配合的方式使得在传输过程中形成的大尺度液滴得到了有效的回收，避免其对晶体材料加工区域的影响，同时改善了雾化颗粒的均匀性和流动性。本发明的带孔磨抛板实现了雾化颗粒与晶体工件加工表面的有效接触，在加工运动轨迹的配合下有效提高了晶体工作加工表面水溶解的均匀性。本发明的微孔采用“倒置漏斗”结构，使得雾化颗粒在流经带孔磨抛板时，在重力的作用下逆流至加工介质扩散腔，进而保证了加工区域雾化颗粒的均匀性及稳定性。
Description
技术领域
本发明属于精密与超精密加工技术领域，涉及一种适用于具有水溶解特性的软脆功能晶体器件的微纳加工装置。
背景技术
软脆功能晶体由于其诸多优异的材料性能，广泛应用于航空航天、国防军工、信息科学及基础核物理研究等国家核心战略领域，在科学技术飞速进步的今天受到了国内外学者的重点关注。随着相关高新技术不断取得跨越式进展，对该类型晶体器件的微纳加工质量的要求日益提高。然而，由于软脆功能晶体一般均具有诸如软脆、各向异性、易潮解的难加工材料特性，使得高质量晶体器件的供应问题成为了制约相关领域发展的关键技术瓶颈环节。
以软脆功能晶体易潮解特性为理论依据的超声雾化水溶解微纳加工是一种行之有效的方法。该方法通过超声激发方式将水溶液转变为微米级雾化颗粒，此后通过输送装置到达晶体器件被加工表面，并在合适的工艺参数配合下实现晶体器件加工表面材料的去除及平坦化。但是，由于晶体器件与加工部件的紧密接触使得雾化颗粒难以有效进入加工区域并产生溶解作用；同时在雾化颗粒的输运过程中由于管路结构的干扰作用极易发生相互碰撞、凝聚，产生大尺度液滴，最终造成晶体器件加工表面的过渡潮解。如何在保证微米级雾化颗粒有效与被加工区域材料发生水溶解作用的同时，避免大尺度液滴对表面的破坏，是实现超声雾化水溶解微纳加工方法高效性与稳定性的关键技术问题。
在期刊《材料科学与工程学报》第33卷第3期中，文献《精细雾化抛光TFT-LCD玻璃基板的抛光液研制》介绍了一种采用超声雾化供液的化学机械抛光设备；该设备以环抛机为加工平台，利用有机玻璃容器实现加工区域的密封；经过超声雾化后的抛光液颗粒在由空压机产生的负压环境下进入封闭加工区域，参与工件材料的抛光；该设备提高了抛光液的利用率，取得了一定的加工效果；然而，超声雾化的抛光液颗粒采用自然吸附方式到达抛光垫上表面，并没有直接作用于工件与抛光垫接触作用区域；此外雾化抛光液输送过程缺少对 传输过程生成的大尺度液滴的有效处理，易于造成施液量的波动，不利于易潮解型软脆功能晶体的精密超精密加工。
在目前已发表的学术论文和已授权的专利技术中，并未发现能够在功能原理及应用技术层面兼具超声雾化水溶解微纳加工方法高效性与稳定性的例子。
发明内容
为克服现有技术存在的上述问题，本发明要提出一种能够保证超声雾化水溶解微纳加工方法自身稳定性，并显著提高软脆功能晶体器件材料去除率及表面质量的基于雾化颗粒的水溶解微纳加工装置。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于雾化颗粒的水溶解微纳加工装置，包括加压夹持单元、供雾扩散单元和风淋加工单元；所述的加压夹持单元位于供雾扩散单元上方，风淋加工单元位于加压夹持单元与供雾扩散单元之间；
所述的加压夹持单元包括球头组件、销、夹持盘和螺旋夹紧机构；所述的球头组件顶部与机床运动主轴固定连接，将机床的动力及载荷传递给加压夹持单元；球头组件底部与夹持盘顶部通过销连接；夹持盘底部固定连接螺旋夹紧机构，螺旋夹紧机构有多组，沿周向均布在夹持盘底部，用于夹紧晶体工件；
所述的供雾扩散单元包括底板、支撑梁、加强筋组件、密封圈、支撑板、雾化颗粒入口、超声雾化发生装置、加工介质扩散腔、漏斗形收集构件和可移动工作台；所述的可移动工作台位于供雾扩散单元的底部，与上方底板通过螺纹固定连接；底板上表面四周边缘位置与四根长度相等的支撑梁固定连接；加强筋组件环绕安装在四根支撑梁的中上部，用于提高供雾扩散单元的刚度及稳定性；四根支撑梁的顶部与支撑板下表面固定连接；支撑板上表面开有圆环形凹槽，圆环形凹槽内放置密封圈；支撑板中心部位开有圆形通孔，圆形通孔与漏斗形收集构件的上方开口固定连接；漏斗形收集构件底部与雾化颗粒入口固定连接；雾化颗粒入口下方设置超声雾化发生装置，超声雾化发生装置通过气动管路与雾化颗粒入口连接；
所述的风淋加工单元包括带孔磨抛板、风淋装置、固定管卡和螺纹连接组件；所述的带孔磨抛板的边缘部位均匀分布有四个通孔，通过四个通孔及螺纹连接组件与供雾扩散单元中的支撑板固定连接；带孔磨抛板表面分布有“倒置漏斗”结构的微孔；风淋装置位于带孔磨抛板上表面靠近一侧边缘的位置，通 过分布在其两端的两组固定管卡固定在带孔磨抛板上。
进一步地，所述的螺旋夹紧机构为3-4组。
本发明的工作原理如下：
加压夹持单元工作时，通过螺旋夹紧机构将晶体工件夹紧。
供雾扩散单元工作时，由超声雾化发生装置产生的雾化颗粒通过雾化颗粒入口进入到加工介质扩散腔内部，实现雾气的均匀扩散；由于雾化颗粒在传输及扩散过程中相互作用较为频繁，导致了大尺度液滴生成的不可避免性；当雾化颗粒经过传输管路到达加工介质扩散腔中时，大尺度液滴在自身重力的作用下滴落至漏斗形收集构件内表面，并在倾斜结构的引导下发生聚集，此后沿着雾化颗粒入口排出加工介质扩散腔，最终回收至超声雾化发生装置中。
风淋加工单元工作时，经过扩散均匀化过程后的雾化颗粒与带孔磨抛板的下表面接触，并通过其上的微孔输送至晶体工件的加工表面；雾化颗粒在流经带孔磨抛板时，由于温差等原因易于发生凝聚，这会造成水溶解微纳加工不可控因素的增加，如大尺度液滴喷溅、雾化颗粒输送微孔阻塞；“倒置漏斗”结构使分布于微孔附近的大尺度液滴在重力的作用下逆流至加工介质扩散腔，进而保证了由带孔磨抛板喷出的雾化颗粒自身的均匀性及稳定性；压缩空气经过风淋装置喷射至带孔磨抛板上表面，将多余的雾化颗粒吹离加工区域，防止由带孔磨抛板喷出的雾化颗粒在自身重力作用下回落至带孔磨抛板上表面并发生聚集，造成晶体工件的严重潮解；在执行水溶解微纳加工作业时，晶体工件由计算机程序通过加压夹持单元实现其轨迹运动，当晶体工件运动至微孔上方时，加工表面与雾化颗粒接触并发生材料的微纳溶解，当晶体工件运动至平坦磨抛区域时，通过磨抛面的机械作用实现溶解材料的去除，经过这种周而复始的“溶解——去除”过程实现加工表面材料的微纳去除及整体平坦化。
与现有技术相比，本发明具备以下有益效果：
1、本发明采用漏斗形收集构件与加工介质扩散腔相配合的方式使得在传输过程中形成的大尺度液滴得到了有效的回收，避免其对晶体材料加工区域的影响，同时改善了雾化颗粒的均匀性和流动性。
2、本发明的带孔磨抛板实现了雾化颗粒与晶体工件加工表面的有效接触，在加工运动轨迹的配合下有效提高了晶体工件加工表面水溶解的均匀性，有助于提高微纳加工质量。
3、本发明的微孔采用“倒置漏斗”结构，使得雾化颗粒在流经带孔磨抛板时由于温差等原因发生凝聚后，在重力的作用下逆流至加工介质扩散腔，进而保证了加工区域雾化颗粒的均匀性及稳定性。
4、本发明的风淋装置可以有效防止重力作用下雾化颗粒在微纳加工表面的聚集效应，避免了晶体工件在过量水分的作用下的表面严重潮解。
5、本发明可根据晶体工件尺寸、材料特性、加工运动轨迹等因素自由调节带孔磨抛板上的微孔尺寸、分布密度、分布范围，适应于各种易潮解软脆功能晶体的微纳加工，具有优良的可推广性。
6、本发明作为一种新型微纳加工设备，具有结构简单，可靠性高，造价低廉的显著特征。
附图说明
图1是装置整体结构示意图。
图2是加压夹持单元结构图。
图3是供雾扩散单元结构图。
图4是风淋加工单元结构图。
图中：1、晶体工件；2、螺旋夹紧机构；3、夹持盘；4、销；5、球头组件；6、底板；7、加强筋组件；8、支撑梁；9、密封圈；10、支撑板；11、漏斗形收集构件；12、加工介质扩散腔；13、雾化颗粒入口；14、超声雾化发生装置；15、可移动工作台；16、带孔磨抛板；17、风淋装置；18、固定管卡；19、螺纹连接组件；20、微孔。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式结合技术方案及附图进行详细说明。如图1-4所示，一种基于雾化颗粒的水溶解微纳加工装置，包括加压夹持单元、供雾扩散单元和风淋加工单元；所述的加压夹持单元位于供雾扩散单元上方，风淋加工单元位于加压夹持单元与供雾扩散单元之间；
所述的加压夹持单元包括球头组件5、销4、夹持盘3和螺旋夹紧机构2；所述的球头组件5顶部与机床运动主轴固定连接，将机床的动力及载荷传递给加压夹持单元；球头组件5底部与夹持盘3顶部通过销4连接；夹持盘3底部固定连接螺旋夹紧机构2，螺旋夹紧机构2有多组，沿周向均布在夹持盘3底部，用于夹紧晶体工件1；
所述的供雾扩散单元包括底板6、支撑梁8、加强筋组件7、密封圈9、支撑板10、雾化颗粒入口13、超声雾化发生装置14、加工介质扩散腔12、漏斗形收集构件11和可移动工作台15；所述的可移动工作台15位于供雾扩散单元的底部，与上方底板6通过螺纹固定连接；底板6上表面四周边缘位置与四根长度相等的支撑梁8固定连接；加强筋组件7环绕安装在四根支撑梁8的中上部，用于提高供雾扩散单元的刚度及稳定性；四根支撑梁8的顶部与支撑板10下表面固定连接；支撑板10上表面开有圆环形凹槽，圆环形凹槽内放置密封圈9；支撑板10中心部位开有圆形通孔，圆形通孔与漏斗形收集构件11的上方开口固定连接；漏斗形收集构件11底部与雾化颗粒入口13固定连接；雾化颗粒入口13下方设置超声雾化发生装置14，超声雾化发生装置14通过气动管路与雾化颗粒入口13连接；
所述的风淋加工单元包括带孔磨抛板16、风淋装置17、固定管卡18和螺纹连接组件19；所述的带孔磨抛板16的边缘部位均匀分布有四个通孔，通过四个通孔及螺纹连接组件19与供雾扩散单元中的支撑板10固定连接；带孔磨抛板16表面分布有“倒置漏斗”结构的微孔20；风淋装置17位于带孔磨抛板16上表面靠近一侧边缘的位置，通过分布在其两端的两组固定管卡18固定在带孔磨抛板16上。
进一步地，所述的螺旋夹紧机构2为3-4组。
本发明的工作原理如下：
加压夹持单元工作时，通过螺旋夹紧机构2将晶体工件1夹紧。
供雾扩散单元工作时，由超声雾化发生装置14产生的雾化颗粒通过雾化颗粒入口13进入到加工介质扩散腔12内部，实现雾气的均匀扩散；由于雾化颗粒在传输及扩散过程中相互作用较为频繁，导致了大尺度液滴生成的不可避免性；当雾化颗粒经过传输管路到达加工介质扩散腔12中时，大尺度液滴在自身重力的作用下滴落至漏斗形收集构件11内表面，并在倾斜结构的引导下发生聚集，此后沿着雾化颗粒入口13排出加工介质扩散腔12，最终回收至超声雾化发生装置14中。
风淋加工单元工作时，经过扩散均匀化过程后的雾化颗粒与带孔磨抛板16的下表面接触，并通过其上的微孔20输送至晶体工件1的加工表面；雾化颗粒在流经带孔磨抛板16时，由于温差等原因易于发生凝聚，这会造成水溶解微纳 加工不可控因素的增加，如大尺度液滴喷溅、雾化颗粒输送微孔20阻塞；“倒置漏斗”结构使分布于微孔20附近的大尺度液滴在重力的作用下逆流至加工介质扩散腔12，进而保证了由带孔磨抛板16喷出的雾化颗粒自身的均匀性及稳定性；压缩空气经过风淋装置17喷射至带孔磨抛板16上表面，将多余的雾化颗粒吹离加工区域，防止由带孔磨抛板16喷出的雾化颗粒在自身重力作用下回落至带孔磨抛板16上表面并发生聚集，造成晶体工件1的严重潮解；在执行水溶解微纳加工作业时，晶体工件1由计算机程序通过加压夹持单元实现其轨迹运动，当晶体工件1运动至微孔20上方时，加工表面与雾化颗粒接触并发生材料的微纳溶解，当晶体工件1运动至平坦磨抛区域时，通过磨抛面的机械作用实现溶解材料的去除，经过这种周而复始的“溶解——去除”过程实现加工表面材料的微纳去除及整体平坦化。
Claims (2)
1.一种基于雾化颗粒的水溶解微纳加工装置，其特征在于：包括加压夹持单元、供雾扩散单元和风淋加工单元；所述的加压夹持单元位于供雾扩散单元上方，风淋加工单元位于加压夹持单元与供雾扩散单元之间；
所述的加压夹持单元包括球头组件(5)、销(4)、夹持盘(3)和螺旋夹紧机构(2)；所述的球头组件(5)顶部与机床运动主轴固定连接，将机床的动力及载荷传递给加压夹持单元；球头组件(5)底部与夹持盘(3)顶部通过销(4)连接；夹持盘(3)底部固定连接螺旋夹紧机构(2)，螺旋夹紧机构(2)有多组，沿周向均布在夹持盘(3)底部，用于夹紧晶体工件(1)；
所述的供雾扩散单元包括底板(6)、支撑梁(8)、加强筋组件(7)、密封圈(9)、支撑板(10)、雾化颗粒入口(13)、超声雾化发生装置(14)、加工介质扩散腔(12)、漏斗形收集构件(11)和可移动工作台(15)；所述的可移动工作台(15)位于供雾扩散单元的底部，与上方底板(6)通过螺纹固定连接；底板(6)上表面四周边缘位置与四根长度相等的支撑梁(8)固定连接；加强筋组件(7)环绕安装在四根支撑梁(8)的中上部，用于提高供雾扩散单元的刚度及稳定性；四根支撑梁(8)的顶部与支撑板(10)下表面固定连接；支撑板(10)上表面开有圆环形凹槽，圆环形凹槽内放置密封圈(9)；支撑板(10)中心部位开有圆形通孔，圆形通孔与漏斗形收集构件(11)的上方开口固定连接；漏斗形收集构件(11)底部与雾化颗粒入口(13)固定连接；雾化颗粒入口(13)下方设置超声雾化发生装置(14)，超声雾化发生装置(14)通过气动管路与雾化颗粒入口(13)连接；
所述的风淋加工单元包括带孔磨抛板(16)、风淋装置(17)、固定管卡(18)和螺纹连接组件(19)；所述的带孔磨抛板(16)的边缘部位均匀分布有四个通孔，通过四个通孔及螺纹连接组件(19)与供雾扩散单元中的支撑板(10)固定连接；带孔磨抛板(16)表面分布有“倒置漏斗”结构的微孔(20)；风淋装置(17)位于带孔磨抛板(16)上表面靠近一侧边缘的位置，通过分布在其两端的两组固定管卡(18)固定在带孔磨抛板(16)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于雾化颗粒的水溶解微纳加工装置，其特征在于：所述的螺旋夹紧机构(2)为3-4组。
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