CN109434609B - 一种针对超精密加工的工件去除毛刺的方法 - Google Patents

一种针对超精密加工的工件去除毛刺的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种针对超精密加工的工件去除毛刺的方法，包括如下步骤：(A)将超精密加工后的工件相对设置，在相对设置的间隙中放置介质材料；(B)将所述工件依次经过预热、模压以及冷却的步骤后，即可；其中，预热的温度高于所述介质材料的软化温度或玻璃化温度。本发明实施例的针对超精密加工的工件去除毛刺的方法采用的材料在预热后表现出了粘弹性材料性质，受到压力作用挤压工件，毛刺在挤压过程中断裂并被介质材料粘附去除，而工件超高精度表面不被破坏，对于超精密加工中出现的细小纤维状毛刺，该材料冷却固化将其包裹，并在脱模过程使毛刺与工件分离，通过此方法去除毛刺，保持了微结构阵列的表面光洁度和表面质量，对保证其加工精度具有非常重要的作用。

Description

一种针对超精密加工的工件去除毛刺的方法
技术领域
本发明涉及超精密加工领域，具体而言，涉及一种针对超精密加工的工件去除毛刺的方法。
背景技术
光学微结构阵列可以实现在微纳米尺度上对光波的物理特性的调控和利用，实现传统光学难以完成的任意波面变换等光学功能。因此在照明、光通信、高端成像与显示、精密检测、海陆空目标探测等系统中都具有极其广泛的应用，遍布通信、制造、国家安全、科学研究等诸多领域，体现出了无可替代的重要作用，也显示出了强烈而巨大的需求。超精密加工技术可生成复杂的三维轮廓外形，加工一系列材料实现良好的表面质量具有生成各种纵横比微结构表面的能力。因此，超精密技术被广泛用来加工光学微结构阵列。然而在铣削、飞切加工等超精密加工过程中，由于被加工材料产生塑性变形形成切屑，在切屑与被加工材料分离过程中，一部分材料残留在光学微结构阵列上形成毛刺。毛刺的存在严重影响光学微结构阵列的加工质量，从而大大影响其光学性能以及在光学系统中的应用。
现有技术中所采用的去除毛刺的方法一般为挤压珩磨去毛刺的方法，但是该种去除方法是利用挤压一种半固态的磨料介质通过待加工零件的棱边、表面产生的磨蚀作用，达到去毛刺的目的。磨料介质由基料、磨料和添加剂组成。在一定的挤压力作用下，磨料颗粒的切削刃在通过待加工零件表面和棱边时，对金属产生切削作用，与此同时把加工下来的金属切屑包容在磨料介质中，随磨料一起被带走。但是该方法会造成工件材料的损失，一般加工余量为0.01mm，不适合于超精密加工制造的高精度元器件毛刺；同时该方法的设备费用和介质费用高，极大地增加了生产成本。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对超精密加工的工件去除毛刺的方法，该方法利用介质材料去毛刺，加热介质材料超过其软化温度或玻璃化温度，此时介质材料表现出了粘弹性，后续再受到压力作用挤压工件的表面，从而使毛刺在挤压过程中断裂，然后断裂的毛刺被介质材料粘附去除。对于超精密加工中出现的细小纤维状毛刺，该介质材料在冷却固化时将其包裹，并在脱模过程使毛刺与工件分离，通过此方法去除毛刺，不但保持了微结构阵列的表面光洁度和表面质量，不会造成工件材料的任何损失，而且对保证其加工精度具有非常重要的作用。该方法非常适用于光学微结构阵列工件的去除毛刺操作，操作效率高，操作方法简便，操作步骤前后衔接紧密，介质材料便宜易得，成本低，值得在超精密加工领域广泛推广进行应用。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
本发明实施例提供了一种针对超精密加工的工件去除毛刺的方法，包括如下步骤：
(A)将超精密加工后的工件相对设置，在相对设置的间隙中放置介质材料；
(B)将所述工件依次经过预热、模压以及冷却的步骤后，即可；
其中，模压的温度高于所述介质材料的软化温度或玻璃化温度。
本发明这种对工件去除毛刺的方法非常适用于超精密加工的工件，尤其是光学微结构阵列，这种工件对加工精度以及加工质量都有更高的要求，如果采用普通的去毛刺的方法，比如进行打磨或者采用磨料进行挤压的方法，会对工件的表面有损伤，影响其精度，因此本发明为了解决上述技术问题，提供了一种去毛刺方法，利用介质材料加热后超过其软化温度或玻璃化温度，然后挤压后介质材料软化正好包裹工件表面的毛刺，造成毛刺的断裂，从而达到去毛刺的效果，可见本发明的方法步骤操作简单，而且非常适用于超精密加工领域。
具体的操作设备可以选用模压机进行。
优选地，作为一种可实施的方案，所述介质材料为玻璃或树脂中的其中一种。
优选地，作为一种可实施的方案，所述介质材料为热塑性树脂，优选地所述热塑性树脂为PMMA树脂、PBT树脂、PET树脂、PP树脂以及ABS树脂中的其中一种。
优选地，作为一种可实施的方案，所述介质材料为PMMA热塑性树脂。
上述材料之所以比较适用于本发明的工艺，是因为玻璃或树脂预热后正好可以软化，又不会变成流体的状态，呈现了良好的粘弹性。
优选地，作为一种可实施的方案，预热分成2-3个阶段进行，前一阶段比后一阶段的温度低于30-40℃；
优选地，预热分成三个阶段进行；
优选地，每个预热阶段的操作时间为80-120s之间。
优选地，作为一种可实施的方案，模压的温度控制在200-600℃之间，模压的时间控制在80-120s之间。
优选地，作为一种可实施的方案，模压的压力控制在0.3-0.8MPa之间。
优选地，作为一种可实施的方案，冷却分成2-3个阶段进行，前一阶段比后一阶段的温度高30-40℃。
优选地，作为一种可实施的方案，冷却分成三个阶段进行。
优选地，作为一种可实施的方案，前两个阶段的冷却压力为0.1-0.2MPa之间，最后的冷却阶段的压力为常压。
整个操作流程按照预热-模压-冷却的步骤依次进行，但是预热与冷却的阶段最好分成多个阶段来操作，因为逐步进行可以使得材料本身温度变化比较缓和的进行，以免温度变化太过剧烈造成工件内部热应力过大，从而对其后续的使用性能受到一定的影响，因此最好将预热与冷却分别分多个阶段进行，一般预热分成2-3个阶段，冷却分成2-3个阶段，即可满足要求。
采用模压机进行工作的完整工艺流程按照以下操作进行：
通过模压机设备对微结构阵列等超精密加工的工件去除毛刺，首先利用模压机对介质材料进行加热升温至软化温度或玻璃化转变温度，此时材料呈现显著的粘弹性，粘弹性材料受恒定应力时，随着时间的增长，应变会逐渐增加，称之为蠕变特性。粘弹性材料的应变率对温度非常敏感，温度越高，相同时间内蠕变变形量越大。通过模压机对高温下的介质材料施加一定的压力进行模压，使介质材料挤压工件表面，毛刺在挤压作用下断裂并被介质材料粘附带走去除。由于粘弹性材料的蠕变特性，去除毛刺过程不会造成工件材料的损失。模压机可以设定温度、时间和压力，设定不同加热温度时，介质材料具有不同的蠕变特性和硬度，可以灵活去除切入毛刺、切出毛刺等不同类型以及不同尺度的毛刺。当毛刺厚度较厚时，设定较低的加热温度使介质材料具有足够的硬度去除毛刺，毛刺较薄时与之相反。同时通过控制模压机压力的大小亦可达到去除不同类型和不同尺度毛刺的效果，较大的挤压力可以去除厚度较厚的毛刺。不同的工件材料具有不同的硬度，此时亦可通过控制加热温度和挤压力实现毛刺去除，可见上述工艺条件需要根据不同的工件材质对整个工艺过程进行相应的调整。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明所采用的基于高温下的玻璃、树脂等介质材料去毛刺的方法属于一种柔性去毛刺的方法，与挤压珩磨去毛刺方法所利用的磨料介质相比，高温下玻璃、树脂等材料具有蠕变特性等粘弹性材料性质，在挤压工件表面去除毛刺过程中无加工余量，不会造成工件材料的损失，非常适合超精密加工去毛刺；
(2)本发明的方法通过控制不同温度下粘弹性材料的蠕变特性和挤压力大小，能够去除不同种类和不同尺度的毛刺，同时可以实现不同硬度材料的毛刺去除，能够加工的材料种类多，适用范围广。利用工位模压机去除毛刺效率高，生成成本大幅度降低，通过此方法去除毛刺，对保证超精密加工工件的加工质量具有非常重要的作用。
(3)本发明的去除毛刺的方法，不但保持了微结构阵列的表面光洁度和表面质量，不会造成工件材料的任何损失，而且对提高其加工精度具有非常重要的作用。该方法非常适用于光学微结构阵列加工工件的去除毛刺操作，操作效率高，操作方法简便，操作步骤前后衔接紧密，介质材料便宜易得，成本低，值得在超精密加工及精密加工领域广泛推广进行应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一的针对精密加工的工件去除毛刺的模压机工作原理图；
图2-3为本发明实施例一的工件材料去除毛刺之前的电镜图；
图4为本发明实施例一的工件材料去除毛刺之后的电镜图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
该实施例模压机的具体工作原理图如图1所示，工件与介质材料(玻璃)需要在去毛刺前进行装配，介质材料放置于需要去毛刺的两工件之间，在工件之外有内外两个套筒起导向作用和限定下压距离的作用，完成装配后送入模压机中。模压机共包含7个工位，其中三个预热工位(第1、2、3级工位)利用电加热棒实现对装配体的加热使玻璃达到软化温度，一个加压工位(第4级工位)对装配体加压使玻璃挤压工件表面去除毛刺，两个退火工位(第5、6级工位)消除经过热循环工件内部产生的热应力，一个冷却工位(第7级工位)使装配体冷却到室温。
具体各个工位的操作参数见下表1所示，从工件送入模压机依次按照预热1-预热2-预热3-模压-冷却1-冷却2-冷却3的步骤进行，工件的材料为磷化镍，每个工位的操作时间为100s。
表1具体操作参数
工位 预热1 预热2 预热3 模压 冷却1 冷却2 冷却3
温度(℃) 480 540 570 580 510 450 室温
压力(MPa) 0 0 0 0.4 0.1 0.1 0
经过去毛刺之前的工件材料表面毛刺结构与去毛刺之后的表面毛刺结构的对比图具体见附图2-4所示。
实施例2
该实施例模压机的具体工作流程如下：工件与介质材料(玻璃)需要在去毛刺前进行装配，介质材料放置于需要去毛刺的两工件之间，在工件之外有内外两个套筒起导向作用和限定下压距离的作用，完成装配后送入模压机中。模压机共包含5个工位，其中三个预热工位(第1、2级工位)利用电加热棒实现对装配体的加热使玻璃达到软化温度，一个加压工位(第3级工位)对装配体加压使玻璃挤压工件表面去除毛刺，一个退火工位(第4级工位)消除经过热循环工件内部产生的热应力，一个冷却工位(第5级工位)使装配体冷却到室温。
具体各个工位的操作参数见下表2所示，从工件送入模压机依次按照预热1-预热2-模压-冷却1-冷却2的步骤进行，工件的材料为磷化镍，每个工位的操作时间为80s。
表2具体操作参数
工位 预热1 预热2 模压 冷却1 冷却2
温度(℃) 480 520 550 510 室温
压力(MPa) 0 0 0.3 0.2 0
经过去毛刺之前的工件材料表面毛刺结构与去毛刺之后的表面毛刺结构的对比图与上述实施例1的结果基本类似。
实施例3
该实施例模压机的具体工作流程如下：工件与介质材料(PMMA热塑性树脂材料)需要在去毛刺前进行装配，介质材料放置于需要去毛刺的两工件之间，在工件之外有内外两个套筒起导向作用和限定下压距离的作用，完成装配后送入模压机中。模压机共包含7个工位，其中三个预热工位(第1、2、3级工位)利用电加热棒实现对装配体的加热使PMMA热塑性树脂材料达到玻璃化转变温度，一个加压工位(第4级工位)对装配体加压使玻璃挤压工件表面去除毛刺，两个退火工位(第5、6级工位)消除经过热循环工件内部产生的热应力，一个冷却工位(第7级工位)使装配体冷却到室温。
具体各个工位的操作参数见下表3所示，从工件送入模压机依次按照预热1-预热2-预热3-模压-冷却1-冷却2-冷却3的步骤进行，工件的材料为磷化镍，每个工位的操作时间为120s。
表3具体操作参数
工位 预热1 预热2 预热3 模压 冷却1 冷却2 冷却3
温度(℃) 100 130 170 180 160 120 室温
压力(MPa) 0 0 0 0.8 0.1 0.1 0
经过去毛刺之前的工件材料表面毛刺结构与去毛刺之后的表面毛刺结构的对比图与上述实施例1的结果基本类似。
实施例4
该实施例模压机的具体工作流程如下：工件与介质材料(PMMA热塑性树脂材料)需要在去毛刺前进行装配，介质材料放置于需要去毛刺的两工件之间，在工件之外有内外两个套筒起导向作用和限定下压距离的作用，完成装配后送入模压机中。模压机共包含7个工位，其中三个预热工位(第1、2、3级工位)利用电加热棒实现对装配体的加热使PMMA热塑性树脂材料达到玻璃化转变温度，一个加压工位(第4级工位)对装配体加压使玻璃挤压工件表面去除毛刺，两个退火工位(第5、6级工位)消除经过热循环工件内部产生的热应力，一个冷却工位(第7级工位)使装配体冷却到室温。
具体各个工位的操作参数见下表4所示，从工件送入模压机依次按照预热1-预热2-预热3-模压-冷却1-冷却2-冷却3的步骤进行，工件的材料为磷化镍，每个工位的操作时间为100s。
表4具体操作参数
工位 预热1 预热2 预热3 模压 冷却1 冷却2 冷却3
温度(℃) 100 140 180 190 160 120 室温
压力(MPa) 0 0 0 0.5 0.1 0.1 0
经过去毛刺之前的工件材料表面毛刺结构与去毛刺之后的表面毛刺结构的对比图与上述实施例1的结果基本类似。
实施例5
该实施例模压机的具体工作流程如下：工件与介质材料(PET热塑性树脂材料)需要在去毛刺前进行装配，介质材料放置于需要去毛刺的两工件之间，在工件之外有内外两个套筒起导向作用和限定下压距离的作用，完成装配后送入模压机中。模压机共包含7个工位，其中三个预热工位(第1、2、3级工位)利用电加热棒实现对装配体的加热使PET热塑性树脂材料达到玻璃化转变温度，一个加压工位(第4级工位)对装配体加压使玻璃挤压工件表面去除毛刺，两个退火工位(第5、6级工位)消除经过热循环工件内部产生的热应力，一个冷却工位(第7级工位)使装配体冷却到室温。
具体各个工位的操作参数见下表5所示，从工件送入模压机依次按照预热1-预热2-预热3-模压-冷却1-冷却2-冷却3的步骤进行，工件的材料为磷化镍，每个工位的操作时间为100s。
表5具体操作参数
Figure BDA0001860766920000091
Figure BDA0001860766920000101
经过去毛刺之前的工件材料表面毛刺结构与去毛刺之后的表面毛刺结构的对比图与上述实施例1的结果基本类似。
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (9)

1.一种针对超精密加工的工件去除毛刺的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(A)将超精密加工后的工件相对设置，在相对设置的间隙中放置介质材料；
(B)将所述工件依次经过预热、模压以及冷却的步骤后，即可；
其中，所述模压的温度高于所述介质材料的软化温度或玻璃化温度；
预热分成三个阶段进行；前一阶段比后一阶段的温度低30-40℃，每个预热阶段的操作时间为80-120s之间；
模压的压力控制在0.3-0.8MPa之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介质材料为玻璃或树脂中的其中一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述介质材料为热塑性树脂。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述热塑性树脂为PMMA树脂、PBT树脂、PET树脂、PP树脂以及ABS树脂中的其中一种。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述介质材料为PMMA热塑性树脂。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，模压的温度控制在200-600℃之间，模压的时间控制在80-120s之间。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，冷却分成2-3个阶段进行，前一阶段比后一阶段的温度高30-40℃。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，冷却分成三个阶段进行。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，前两个阶段的冷却压力为0.1-0.2MPa之间，最后的冷却阶段的压力为常压。
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