CN109551374A - 基于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工方法，将非电解质为载体的磨粒流经过高压静电场后磨粒带电，实现磨粒在流场中的分布可控，减小磨粒粒度不均及大粒径磨粒在加工中产生的负面影响；再在工件表面施加电场，通过电荷尖端聚集效应，改变带负电荷磨粒在带正电荷工件表面撞击区域的分布特征，增加磨粒对工件微观表面波峰的撞击概率，加速工件表面波峰的去除，再结合脉动方式，使磨粒流入射角度进行周期性摆动，通过对脉动频率和摆动角度的有效调控，得到作用于工件的最优抛光交变力，保证高效去除前提下的高质量表面的获得。
Description
技术领域
本发明涉及超精密加工技术领域，适用于光学元件、非晶薄膜衬底等工件表面研磨与抛光加工，更具体的说，尤其涉及一种基于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工方法。
背景技术
纳米薄膜材料在国际上一直是科学研究的热门领域，因其具有独特的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，并体现出各种奇特的力、电、光、磁、热效应以及化学活性，从而在微电子、光学、能源等领域具有广泛的应用前景。衬底(如单晶硅、碳化硅等)是纳米薄膜制备过程中不可缺少的材料，具有支撑薄膜和改善薄膜特性的重要作用。衬底的表面粗糙度、位错形态和残余应力等指标都将影响纳米薄膜的厚度均匀性和表面缺陷等，决定其最终产品的性能。因此，制备少、无损伤，超光滑和高精度衬底是纳米薄膜研究领域迫切需要解决的难题之一。流体抛光是获取超光滑表面的重要手段之一，备受研究者关注。浮法抛光、浴法抛光、磁流体抛光、电流变液抛光、磁流变液抛光、流体振动抛光、超声波磁流变复合抛光、射流抛光、动压悬浮抛光、介电泳抛光、气液固三相磨粒流抛光等技术应运而生。已有研究表明：少、无损伤超光滑表面的形成取决于磨粒与工件表面的接触状态。流体抛光采用无工具或工具不直接作用的加工方式，很好地实现了磨粒与工件的软性接触，减少了工件层变质和亚表面损伤。目前的流体抛光技术，或多或少存在如下问题：磨粒与工件的切削作用较弱，可控性较差，且磨粒的有效加工参与率不够，导致加工效率较低；技术水平和操作环境要求较高，工件适应性不佳，影响加工效果的部分工艺参数控制难度较高等。因此，在保证衬底表面少、无损伤的前提下，实现较高效率的超光滑表面加工是目前急需解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有加工中加工效率、资源利用率低，加工质量不易于提高等缺点，提供了一种基于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工方法，该方法适用于光学元件、非晶薄膜衬底等工件表面精密自动化研磨与抛光。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种基于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工方法，包括如下步骤：
第一步：利用负压配模方式，使工件通固定于配模吸附平台上，配模吸附平台内部安装传感器，通过传感器实现在线检测及解决重复安装定位问题，通过负压吸附工件底面，而工件置于配模吸附平台中，配模吸附平台解决边缘接触压力突变不可控，材料去除不均匀的问题，解决其边缘效应；
第二步：将配模吸附平台放置在磨粒流收集箱内，旋转驱动装置通过穿过磨粒流收集箱底部的旋转轴连接配模吸附平台，完成架工作台上抛光系统的架设；
第三步：结合静电感应原理和库伦定律，使以非电解质为载体的磨粒流经过高压静电场后磨粒带电，利用静电感应原理使经过高压静电发生器的磨粒携带一定的电荷，并通过加工喷头喷洒到工件上；由于不同粒径的磨粒经过相同的静电场后具有不同的电荷量，利用荷电颗粒振动引起的凝聚与扩散现象，细颗粒带电量较多时被大颗粒排斥，因此不同粒径的颗粒会存在速度差异现象，实现磨粒流中掺杂的大粒径颗粒与小粒径颗粒分离，减小大颗粒与工件表面发生碰撞的概率，从而使作用于工件的磨粒粒径均匀性更好，并减小大粒径磨粒在加工中产生的负面影响；
第四步：在工件表面施加电场，通过电荷尖端聚集效应，改变带负电荷磨粒在带正电荷工件表面撞击区域的分布特征，增加磨粒对工件微观表面波峰的撞击概率，加速工件表面波峰的去除。由于工件表面外加电场的存在也提高了带电磨粒整体与工件表面撞击的概率，提高了磨粒在加工过程中的有效参与率，从而提高了加工效率。
第五步：调节脉动调控装置的X轴直线模组和Z轴直线模组使加工喷头朝向适合的加工位置，在利用脉动调控装置的脉动旋转装置采用脉动方式进行摆动频率和摆角幅度周期性变化的转动，通过对脉动频率和摆动角度的调控改变加工喷头的方向，得到作用于工件的最优抛光交变力；保证高效去除前提下高质量表面的获得。
第六步：通过磨粒流循环系统收集磨粒，磨粒流收集箱中的磨粒先通过过滤器，再通过搅拌装置送入加压泵，再次被送入静电发生器，进行循环利用磨粒对工件表面进行均匀性去除，直至完成工件的加工。
上述方法所用的装置为一种基于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工系统，包括磨粒流收集箱、电场发生器、高压静电发生器、脉动调控装置、配模吸附平台、控制系统、加工喷头、旋转驱动装置和磨粒流循环系统，配模吸附平台设置在磨粒流收集箱内，工件通过配模吸附平台的吸附作用固定在配模吸附平台上，加工喷头设置在工件上方且加工喷头固定在脉动调控装置上，高压静电发生器固定在加工喷头上用于对经过加工喷头的磨粒流施加静电，脉动调控装置调节加工喷头和高压静电发生器在水平和竖直方向上的位置以及驱动加工喷头以脉动方式进行转动；磨粒流收集箱通过管道与磨粒流循环系统连接并性成磨粒循环，电场发生器为外接设备且电场发生器在工件表面产生均匀电场；旋转驱动装置通过穿过磨粒流收集箱的转动轴连接配模吸附平台并带动配模吸附平台的转动；
所述配模吸附平台包括上端盖、下底座、负压发生器和气管，上端盖固定在下底座上方，上端盖和下底座之间形成密封的气腔，上端盖上设置有用于放置工件的凹槽，凹槽的底面均布多个与气腔相连通的吸附孔，下端盖上设置有出气口，负压发生器通过气管连接下底座上的出气口，负压发生器工作时通过气管将气腔内的空气抽走，进而将工件吸附在上端盖的凹槽上；
所述脉动调控装置包括脉动旋转装置、X轴直线模组和Z轴直线模组，X轴之间模组水平固定在磨粒流收集箱上端，Z轴直线模组安装在X轴直线模组的滑块上，脉动旋转装置安装在Z轴直线模组的滑块上；高压静电发生器安装在脉动旋转装置上；
所述磨粒流收集箱底部设置有出料口，磨粒流循环系统包括过滤器、搅拌装置、磨粒泵和管道，过滤器、搅拌装置和磨粒泵通过管道依次连接，过滤器通过管道连接磨粒流收集箱底部的出料口，磨粒泵的出料口通过管道连接加工喷头，加工喷头安装在Z轴直线模组的滑块上；
所述磨粒泵、搅拌装置的电机、负压发生器、电场发生器、高压静电发生器和脉动调控装置均与控制系统连接。
进一步的，所述配模吸附平台还包括用于检测工件位置的传感器，传感器设置在上端盖上。
进一步的，所述转动轴上设置有电气滑环，传感器输出线和气管均通过电气滑环连接到转动轴内部并经过转动轴内部分别连接到控制系统和负压发生器上。
本发明的有益效果在于：本发明在已有流体抛光技术的基础上，结合静电感应原理和库伦定律，使以非电解质为载体的磨粒流经过高压静电场后磨粒带电，实现磨粒在流场中的分布可控，减小磨粒粒度不均及大粒径磨粒在加工中产生的负面影响。同时，在工件表面施加电场，通过电荷尖端聚集效应，改变带负电荷磨粒在带正电荷工件表面撞击区域的分布特征，增加磨粒对工件微观表面波峰的撞击概率，加速工件表面波峰的去除。另外，工件表面外加电场的存在也提高了带电磨粒整体与工件表面撞击的概率，即提高了磨粒在加工过程中的有效参与率，从而提高了加工效率。再者，结合脉动方式，使磨粒流入射角度进行周期性摆动，通过对脉动频率和摆动角度的有效调控，得到作用于工件的最优抛光交变力，保证高效去除前提下的高质量表面的获得。
附图说明
图1是本发明一种基于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工方法的流程示意图。
图2是本发明的基于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工系统的结构示意图。
图3是本发明涉及的配模吸附平台的俯视示意图。
图4是发明配模吸附平台的主视剖视结构示意图。
图5是本发明静电发生器产生带电磨粒作用工件示意图。
图6是本发明未施加电场时工件带电磨粒分布示意图。
图7是本发明施加电场时工件表面带电磨粒分布示意图。
图中，1-高压静电发生器、2-工件、3-配模吸附平台、4-电气滑环、5-负压发生器、6-控制系统、7-过滤器、8-搅拌装置、9-磨粒泵、10-加工喷头、11-脉动调控装置、12-磨粒流收集箱、13-上端盖、14-下底座、15-气管、16-管道、17-吸附孔、18-传感器、19-传感器输出线、20-出气口、21-转动轴、22-带正电荷磨粒、23-带负电荷磨粒、24-外加电场、25工件实际表面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1～6中所示，一种基于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工方法，包括如下步骤：
第一步：利用负压配模方式，使工件通固定与负压配模装置上，通过传感器可实现在线检测及解决重复安装定位问题，通过负压吸附工件底面，而工件置于负压配模装置中，负压配模装置解决边缘接触压力突变不可控，材料去除不均匀的问题，解决其边缘效应；
第二步：架设在工作台上抛光系统，结合静电感应原理和库伦定律，使以非电解质为载体的磨粒流经过高压静电场后磨粒带电，利用静电感应原理使磨粒携带一定的电荷，由于不同粒径的磨粒经过相同的静电场后具有不同的电荷量，利用荷电颗粒振动引起的凝聚与扩散现象，细颗粒带电量较多时被大颗粒排斥，因此不同粒径的颗粒会存在速度差异现象，实现磨粒流中掺杂的大粒径颗粒与小粒径颗粒分离，减小大颗粒与工件表面发生碰撞的概率，从而使作用于工件的磨粒粒径均匀性更好，并减小大粒径磨粒在加工中产生的负面影响；
第三步：在工件表面施加电场，通过电荷尖端聚集效应，改变带负电荷磨粒在带正电荷工件表面撞击区域的分布特征，增加磨粒对工件微观表面波峰的撞击概率，加速工件表面波峰的去除。由于工件表面外加电场的存在也提高了带电磨粒整体与工件表面撞击的概率，即提高了磨粒在加工过程中的有效参与率，从而提高了加工效率。
第四步：脉动调控装置采用脉动方式，即摆动频率和摆角幅度周期性变化，通过对脉动频率和摆动角度的有效调控，得到作用于工件的最优抛光交变力，保证高效去除前提下高质量表面的获得。
第五步：通过磨粒流循环系统收集磨粒，磨粒流收集箱中的磨粒先通过过滤器，再通过搅拌装置送入加压泵，再次被送入静电发生器，进行循环利用磨粒对工件表面进行均匀性去除。
一种基于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工系统，包括磨粒流收集箱、电场发生器、高压静电发生器、脉动调控装置、配模吸附平台、控制系统和磨粒流循环系统，配模吸附平台设置在磨粒流收集箱内，工件通过配模吸附平台的吸附作用固定在配模吸附平台上，高压静电发生器设置在工件上方且高压静电发生器固定在脉动调控装置上，脉动调控装置调节高压静电发生器在水平和竖直方向上的位置；磨粒流循环箱通过管道与磨粒流循环系统连接并性成磨粒循环，电场发生器在工件表面产生均匀电场；
所述负压配模装置包括上端盖、下底座、负压发生器和管道，上端盖固定在下底座上方，上端盖和下底座之间形成密封的气腔，上端盖上设置有用于放置工件的凹槽，凹槽的底面均布多个与气腔相连通的吸附孔，下端盖上设置有出气口，负压发生器通过管道连接下底座上的出气口，负压发生器工作时通过管道将气腔内的空气抽走，进而将工件吸附在上端盖的凹槽上；
所述脉动调控装置包括X轴直线模组和Z轴直线模组，X轴之间模组水平固定在磨粒流收集箱上端，Z轴直线模组安装在X轴直线模组的滑块上，高压静电发生器安装在Z轴直线模组的滑块上；
所述磨粒流收集箱底部设置有出料口，磨粒流循环系统包括过滤器、搅拌装置、磨粒泵和管道，过滤器、搅拌装置和磨粒泵通过管道依次连接，过滤器通过管道连接磨粒流收集箱底部的出料口，磨粒泵的出料口通过管道连接加工喷头，加工喷头安装在Z轴直线模组的滑块上；
所述磨粒泵、搅拌装置的电机、负压发生器、电场发生器、高压静电发生器和脉动调控装置均与控制系统连接。
进一步的，所述负压配模装置还包括用于检测工件位置的传感器，传感器设置在上端盖上。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。
Claims (4)
1.一基于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步：利用负压配模方式，使工件(2)通固定于负压配模系统(18)上，负压配模系统(18)内部安装压力反馈传感器(18)，通过压力反馈传感器(18)实现在线检测及解决重复安装定位问题，通过负压吸附工件(2)底面，而工件(2)置于负压配模系统(18)中，负压配模系统(18)解决边缘接触压力突变不可控，材料去除不均匀的问题，解决其边缘效应；
第二步：将负压配模系统(18)放置在磨粒流收集箱(12)内，旋转驱动装置通过穿过磨粒流收集箱(12)底部的旋转轴(21)连接负压配模系统(18)，完成架工作台上抛光系统的架设；
第三步：结合静电感应原理和库伦定律，使以非电解质为载体的磨粒流经过高压静电场后磨粒带电，利用静电感应原理使经过高压静电发生器(1)的磨粒携带一定的电荷，并通过加工喷头喷洒到工件(2)上；由于不同粒径的磨粒经过相同的静电场后具有不同的电荷量，利用荷电颗粒振动引起的凝聚与扩散现象，细颗粒带电量较多时被大颗粒排斥，因此不同粒径的颗粒会存在速度差异现象，实现磨粒流中掺杂的大粒径颗粒与小粒径颗粒分离，减小大颗粒与工件(2)表面发生碰撞的概率，从而使作用于工件(2)的磨粒粒径均匀性更好，并减小大粒径磨粒在加工中产生的负面影响；
第四步：在工件(2)表面施加电场，通过电荷尖端聚集效应，改变带负电荷磨粒在带正电荷工件(2)表面撞击区域的分布特征，增加磨粒对工件(2)微观表面波峰的撞击概率，加速工件(2)表面波峰的去除。由于工件(2)表面外加电场的存在也提高了带电磨粒整体与工件(2)表面撞击的概率，提高了磨粒在加工过程中的有效参与率；
第五步：调节脉动调控装置(11)的X轴直线模组和Z轴直线模组使加工喷头朝向适合的加工位置，在利用脉动调控装置(11)的脉动旋转装置采用脉动方式进行摆动频率和摆角幅度周期性变化的转动，通过对脉动频率和摆动角度的调控改变加工喷头的方向，得到作用于工件(2)的最优抛光交变力；
第六步：通过磨粒流循环系统收集磨粒，磨粒流收集箱(12)中的磨粒先通过过滤器，再通过搅拌装置送入加压泵，再次被送入静电发生器，进行循环利用磨粒对工件(2)表面进行均匀性去除，直至完成工件(2)的加工。
2.根据权利要求1所述的一基于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工方法，其采用的设备为基于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工系统，其特征在于：包括磨粒流收集箱(12)、电场发生器、高压静电发生器(1)、脉动调控装置(11)、配模吸附平台(3)、控制系统(6)、加工喷头(10)、旋转驱动装置和磨粒流循环系统，配模吸附平台(3)设置在磨粒流收集箱(12)内，工件(2)通过配模吸附平台(3)的吸附作用固定在配模吸附平台(3)上，加工喷头(10)设置在工件(2)上方且加工喷头(10)固定在脉动调控装置(11)上，高压静电发生器(1)固定在加工喷头(10)上用于对经过加工喷头(10)的磨粒流施加静电，脉动调控装置(11)调节加工喷头(10)和高压静电发生器(1)在水平和竖直方向上的位置以及驱动加工喷头(10)以脉动方式进行转动；磨粒流收集箱(12)通过管道(16)与磨粒流循环系统连接并性成磨粒循环，电场发生器为外接设备且电场发生器在工件(2)表面产生均匀电场；旋转驱动装置通过穿过磨粒流收集箱(12)的转动轴(21)连接配模吸附平台(3)并带动配模吸附平台(3)的转动；
所述配模吸附平台(3)包括上端盖(13)、下底座(14)、负压发生器(5)和气管(15)，上端盖(13)固定在下底座(14)上方，上端盖(13)和下底座(14)之间形成密封的气腔，上端盖(13)上设置有用于放置工件(2)的凹槽，凹槽的底面均布多个与气腔相连通的吸附孔(17)，下端盖上设置有出气口，负压发生器(5)通过气管(15)连接下底座(14)上的出气口(20)，负压发生器(5)工作时通过气管(15)将气腔内的空气抽走，进而将工件(2)吸附在上端盖(13)的凹槽上；
所述脉动调控装置(11)包括脉动旋转装置、X轴直线模组和Z轴直线模组，X轴之间模组水平固定在磨粒流收集箱(12)上端，Z轴直线模组安装在X轴直线模组的滑块上，脉动旋转装置安装在Z轴直线模组的滑块上；高压静电发生器(1)安装在脉动旋转装置上；
所述磨粒流收集箱(12)底部设置有出料口，磨粒流循环系统包括过滤器(7)、搅拌装置(8)、磨粒泵(9)和管道(16)，过滤器(7)、搅拌装置(8)和磨粒泵(9)通过管道(16)依次连接，过滤器(7)通过管道(16)连接磨粒流收集箱(12)底部的出料口，磨粒泵(9)的出料口通过管道(16)连接加工喷头(10)，加工喷头(10)安装在Z轴直线模组的滑块上；
所述磨粒泵(9)、搅拌装置(8)的电机、负压发生器(5)、电场发生器、高压静电发生器(1)和脉动调控装置(11)均与控制系统(6)连接。
3.根据权利要求2所述的一基于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工方法，其特征在于：所述配模吸附平台(3)还包括用于检测工件(2)位置的传感器(18)，传感器(18)设置在上端盖(13)上。
4.根据权利要求2所述的一基于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工方法，其特征在于：所述转动轴(21)上设置有电气滑环(4)，传感器输出线(19)和气管(15)均通过电气滑环连接到转动轴(21)内部并经过转动轴(21)内部分别连接到控制系统(6)和负压发生器(5)上。
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