CN109551375B - 静电可控磨粒流加工去除量检测装置与检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种静电可控磨粒流加工去除量检测装置及检测方法，包括磨粒流加工装置、法拉第筒法系统和显微可视化系统，所述磨粒流加工系统包括高压静电发生器、配模吸附平台、外加电场、磨粒流和工件，工件通过配模吸附平台进行固定，磨粒流经过高压静电发生器后发射到工件表面进行磨粒流加工，外加电场直接加载在整个配模吸附平台和工件上；本发明提出适用于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工方法经验预测模型方程，通过法拉第筒系统设计解决了磨粒的带电电荷量测量的相关，为选择合适磨粒与工件的切削作用力提供理论依据。
Description
技术领域
本发明涉及超精密加工技术领域，更具体的说，尤其涉及一种静电可控磨粒流加工去除量检测装置及检测方法。
背景技术
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。现在提出的新的流体抛光方法：基于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工方法。该方法是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，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，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高质量表面的获得。目前的静电可控流体抛光技术，或多或少存在如下问题：磨粒与工件的切削作用较弱，与磨粒的带电电荷量相关，导致磨粒的有效加工参与率不够，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，难以对其加工过过程进行监控等不可测因数。因此，在保证衬底表面少、无损伤的前提下，实现较高效率超光滑表面加工可控可预测是目前急需解决的电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工方法中的其中一项技术难题。Preston 方程是广泛应用在磨削加工中的经验公式。在一定条件下，可以用 Preston 方程描述磨粒流加工对工件的去除量与各种工艺参数以及磨粒特性的关系。 在 Preston 方程中，将磨粒的速度和磨粒对壁面压力之外的所有因素的作用都归为一个比例常数kp，称为 Preston常数，Δz=，式中 Δz ——磨削去除量，v ——磨粒在近壁区的相对运动速度p ——磨粒在近壁区的相对压力，kp包括了与磨粒本身相关的部分因素。而基于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工方法中引入了电场的概念，脉动控制引入了抛光交变力，Preston 方程并不完全适用于该方法的理论研究，故针对电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工方法需要提出新的经验预测模型方程。
发明内容
本发明的目的在于解决现有静电可控磨粒流加工中Preston 方程不适用，加工效率、加工质量不易于提高、加工过程工艺参数难以控制等缺点，提供了一种静电可控磨粒流加工去除量检测装置及检测方法，该方法适用于基于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工方法中对光学元件、非晶薄膜衬底等工件表面精密自动化研磨与抛光的工艺优化。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种静电可控磨粒流加工去除量检测装置，包括磨粒流加工装置、法拉第筒法系统和显微可视化系统，所述磨粒流加工系统包括高压静电发生器、配模吸附平台、外加电场、磨粒流和工件，工件通过配模吸附平台进行固定，磨粒流经过高压静电发生器后发射到工件表面进行磨粒流加工，外加电场直接加载在整个配模吸附平台和工件上；
所述法拉第筒法系统包括外筒体、内筒体、非电解质溶液、静电计和绝缘体，非电解质溶液放置在内筒体内部，经过高压静电发生器后的磨粒直接注入非电解质溶液中，内筒体设置在外筒体内部，静电计设置在外筒体外侧，静电计的检测端设置在内筒体上，内筒体通过绝缘体连接外筒体；
所述为可视化系统包括激光器、反光镜、连续变焦镜头和CCD高速摄像机，激光器发射的光线经过反光镜反光后照亮整个窗口内的流场，CCD高速摄像机通过连续变焦镜头的放大后对视场内被示踪细微磨粒进行拍摄和储存。
一种静电可控磨粒流加工去除量检测方法，包括如下步骤：
第一步：在电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工中，将不同粒径的磨粒经过相同的静电场，不同粒径的磨粒经过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会被大颗粒排斥，不同粒径的颗粒存在速度差异等现象，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；
第二步：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；
第三步：建立适用于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工的预测模型；工件表面施加电场后，不同电荷状态磨粒运动规律、不同电场环境下带电磨粒运动规律、工件电荷尖端聚集效应条件下带电磨粒对工件撞击位置的分布概率、脉动状态对带电磨粒运动轨迹和速度影响规律、表面损伤和有效冲击力阈值与工件电场大小和磨粒带电荷数呈量化关系，故根据这些参数提出类Preston 方程，即适用于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工的预测模型方程,
其中，Δz 为磨削去除量；m为击中概率；kp包括了与磨粒本身相关的因素和磨粒与壁面发生作用时的因素，是加工常量；q为磨粒平均带电量；ρ为磨粒密度；V为磨粒体积；v为磨粒运动速度；
第四步：针对磨粒经过高压静电场后的电荷量进行检测，将经过高压静电场的磨粒射到法拉第筒法系统，当荷电磨粒被置于法拉第筒法系统内时，法拉第筒法系统的内筒壁面会感应出与磨粒所带电荷大小相同、极性相反的电荷，静电计的电容中则会得到与被测物体所带电荷大小相同、极性也相同的电荷，用示波器记录下此信号，就可推算出所测量的电子束流的强度；将不同种类和粒径的磨粒进行法拉第筒法检测，进而预估不同粒径磨粒经过高压静电场后的电荷量q；
第五步：设计显微可视化系统，显微可视化系统包括激光器、反光镜、连续变焦镜头和CCD高速摄像机，当激光器通过显微镜物镜照亮整个窗口内的流场，视场中运动被示踪细微磨粒通过物镜和连续变焦镜头的放大，被CCD高速摄像机以一定的拍摄速度记录并存储，经过软件分析处理后可以得到粒径、速度、运动轨迹的数据，以观察细颗磨粒在视场范围内的整个运动过程。
进一步的，所述第三步中磨粒本身相关的因素包括磨粒的大小、磨粒的形状和磨粒的硬度，磨粒与壁面发生作用时的因素包括磨粒与壁面的撞击角度和撞击时磨粒的速度。
进一步的，所述步骤五的具体过程如下：抛光过程中的流动磨粒流场由激光器经过反光镜照射照明，为了保留流道内部流场的稳定性，采用了抛光台一侧开设一块尺寸为45mm*25 mm的石英玻璃观测窗口，并采用拥有超长工作距离的且连续变焦镜头能对细颗粒物的运动进行较大范围的观察的CCD高速摄像机对放大后的细颗粒物进行拍摄和记录；根据得到的磨粒加工图片，根据图像成形原理计算磨粒粒径R来推算磨粒体积，计算公式为;根据相邻两张图片同一磨粒相对运动位移ΔX,计算磨粒的运动速度/>。
由于CCD高速摄像机机身自带内存是固定的，因此要拍得较高分辨率的图片必然导致一次拍摄的图片张数的减少，为了保证高速摄像过程中能对观察对象进行一定时间的拍摄，高速摄像机自定义了在一定图片分辨率下的最高拍摄频率，高速摄像机的拍摄帧频为3000 fps，即每秒钟拍摄3000张图片。
本发明的有益效果在于：本发明提出适用于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工方法经验预测模型方程：，通过法拉第筒法系统设计解决了磨粒的带电电荷量测量的相关，为选择合适磨粒与工件的切削作用力提供理论依据。通过显显微可视化系统，对加工工艺参数中磨粒的运动速度v、磨粒体积V进行检测计算，对加工过过程进行监控。因此，该整套加工工艺在改善衬底表面少、无损伤的前提下，实现较高效率超光滑表面加工。
附图说明
图1是本发明电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工方法经验预测模型方程构成图。
图2是本发明中磨粒流加工装置的基本结构示意图。
图3是本发明磨粒流加工装置的不带电状态下工件表面磨粒分布示意图。
图4是本发明磨粒流加工装置的带电状态下工件表面磨粒分布示意图。
图5是本发明法拉第筒法系统的结构示意图。
图6是本发明显微可视化系统的工作示意图。
图中1-高压静电发生器、2-磨粒流、3-工件、4-配模吸附平台、5-外加电场、6-外筒体、7-实际工件表面、8-工件表面低谷、9-工件表面峰顶、10-磨粒、11-正电荷磨粒、12-内筒体、13-负电荷磨粒、16-非电解质溶液，17-静电计，18-绝缘体，19-带电磨粒、20-激光器、21-反光镜、22-照亮区域、23-CCD高速摄像机、24-图像平台、25-运动分解图、26-流场方向。
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，一种静电可控磨粒流加工去除量检测装置，包括磨粒流加工装置、法拉第筒法系统和显微可视化系统，所述磨粒流加工系统包括高压静电发生器1、配模吸附平台4、外加电场5、磨粒流2和工件3，工件3通过配模吸附平台4进行固定，磨粒流2经过高压静电发生器1后发射到工件3表面进行磨粒流加工，外加电场5直接加载在整个配模吸附平台4和工件3上。
磨粒流加工装置工作时，工件3的实际加工表面7并非平整的表面，而是不断高低起伏的不规则面，实际加工表面7具有工件表面低谷8和工件表面峰顶9，分别为实际加工表面7的低谷和高峰，磨粒在外加电场未加载时仅分散在实际加工表面7的上表面的外侧，当加载外加电场时，正电荷磨粒11从下方向实际加工表面7处聚集，而负电荷磨粒13在工件表面峰顶9处聚集。
所述法拉第筒法系统包括外筒体6、内筒体12、非电解质溶液16、静电计17和绝缘体18，非电解质溶液16放置在内筒体12内部，经过高压静电发生器1后的带电磨粒19直接注入非电解质溶液16中，内筒体12设置在外筒体6内部，静电计17设置在外筒体6外侧，静电计17的检测端设置在内筒体12上，内筒体12通过绝缘体18连接外筒体6。
所述为可视化系统包括激光器20、反光镜21、连续变焦镜头和CCD高速摄像机，激光器20发射的光线经过反光镜21反光后照亮整个窗口内的流场，CCD高速摄像机通过连续变焦镜头的放大后对视场内被示踪细微磨粒进行拍摄和储存。
一种静电可控磨粒流加工去除量检测方法，包括如下步骤：
第一步：在电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工中，将不同粒径的磨粒经过相同的静电场，不同粒径的磨粒经过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会被大颗粒排斥，不同粒径的颗粒存在速度差异等现象，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3表面发生碰撞的概率；
第二步：在工件3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3表面撞击区域的分布特征，增加磨粒对工件3微观表面波峰的撞击概率，加速工件3表面波峰的去除；
第三步：建立适用于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工的预测模型；工件3表面施加电场后，不同电荷状态磨粒运动规律、不同电场环境下带电磨粒运动规律、工件3电荷尖端聚集效应条件下带电磨粒对工件3撞击位置的分布概率、脉动状态对带电磨粒运动轨迹和速度影响规律、表面损伤和有效冲击力阈值与工件3电场大小和磨粒带电荷数呈量化关系，故根据这些参数提出类Preston 方程，即适用于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工的预测模型方程
其中，Δz 为磨削去除量；m为击中概率；kp包括了与磨粒本身相关的因素和磨粒与壁面发生作用时的因素，是加工常量；q为磨粒平均带电量；ρ为磨粒密度；V为磨粒体积；v为磨粒运动速度；
第四步：针对磨粒经过高压静电场后的电荷量进行检测，将经过高压静电场的磨粒射到法拉第筒法系统，当荷电磨粒被置于法拉第筒法系统内时，法拉第筒法系统的内筒壁面会感应出与磨粒所带电荷大小相同、极性相反的电荷，静电计17的电容中则会得到与被测物体所带电荷大小相同、极性也相同的电荷，用示波器记录下此信号，就可推算出所测量的电子束流的强度；将不同种类和粒径的磨粒进行法拉第筒法检测，进而预估不同粒径磨粒经过高压静电场后的电荷量q；
第五步：设计显微可视化系统，显微可视化系统包括激光器20、反光镜21、连续变焦镜头和CCD高速摄像机，当激光器20通过显微镜物镜照亮整个窗口内的流场，视场中运动被示踪细微磨粒通过物镜和连续变焦镜头的放大，被CCD高速摄像机以一定的拍摄速度记录并存储，经过软件分析处理后可以得到粒径、速度、运动轨迹的数据，以观察细颗磨粒在视场范围内的整个运动过程。
所述第三步中磨粒本身相关的因素包括磨粒的大小、磨粒的形状和磨粒的硬度，磨粒与壁面发生作用时的因素包括磨粒与壁面的撞击角度和撞击时磨粒的速度。
所述步骤五的具体过程如下：抛光过程中的流动磨粒流场由激光器20经过反光镜21照射照明，为了保留流道内部流场的稳定性，采用了抛光台一侧开设一块尺寸为45mm*25mm的石英玻璃观测窗口，并采用拥有超长工作距离的且连续变焦镜头能对细颗粒物的运动进行较大范围的观察的CCD高速摄像机对放大后的细颗粒物进行拍摄和记录；根据得到的磨粒加工图片，根据图像成形原理计算磨粒粒径R来推算磨粒体积，计算公式为;根据相邻两张图片同一磨粒相对运动位移ΔX,计算磨粒的运动速度/>。
由于CCD高速摄像机机身自带内存是固定的，因此要拍得较高分辨率的图片必然导致一次拍摄的图片张数的减少，为了保证高速摄像过程中能对观察对象进行一定时间的拍摄，高速摄像机自定义了在一定图片分辨率下的最高拍摄频率，高速摄像机的拍摄帧频为3000 fps，即每秒钟拍摄3000张图片。
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)
1.一种静电可控磨粒流加工去除量检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
第一步：在电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工中，将不同粒径的磨粒经过相同的静电场，不同粒径的磨粒经过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，小粒径颗粒带电量较多时会被大粒径颗粒排斥，不同粒径的颗粒存在速度差异的现象，实现磨粒流中掺杂的大粒径颗粒与小粒径颗粒分离，减小大粒径颗粒与工件（3）表面发生碰撞的概率；
第二步：在工件（3）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（3）表面撞击区域的分布特征，增加磨粒对工件（3）微观表面波峰的撞击概率，加速工件（3）表面波峰的去除；
第三步：建立适用于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工的预测模型；工件（3）表面施加电场后，不同电荷状态磨粒运动规律、不同电场环境下带电磨粒运动规律、工件（3）电荷尖端聚集效应条件下带电磨粒对工件（3）撞击位置的分布概率、脉动状态对带电磨粒运动轨迹和速度影响规律、表面损伤和有效冲击力阈值与工件（3）电场大小和磨粒带电荷数呈量化关系，故根据这些参数提出类Preston 方程，即适用于电荷尖端聚集效应的静电可控磨粒流加工的预测模型方程;
其中，Δz 为磨削去除量；m为击中概率；kp包括了与磨粒本身相关的因素和磨粒与壁面发生作用时的因素，是加工常量；q为磨粒平均带电量；ρ为磨粒密度；V为磨粒体积；v为磨粒运动速度；
第四步：针对磨粒经过高压静电场后的电荷量进行检测，将经过高压静电场的磨粒射到法拉第筒法系统，所述法拉第筒法系统包括外筒体（6）、内筒体（12）、非电解质溶液（16）、静电计（17）和绝缘体（18），非电解质溶液（16）放置在内筒体（12）内部，内筒体（12）设置在外筒体（6）内部，静电计（17）设置在外筒体（6）外侧，静电计（17）的检测端设置在内筒体（12）上，内筒体（12）通过绝缘体（18）连接外筒体（6），当荷电磨粒被置于法拉第筒法系统内时，法拉第筒法系统的内筒体（12）壁面会感应出与磨粒所带电荷大小相同、极性相反的电荷，静电计（17）的电容中则会得到与被测物体所带电荷大小相同、极性也相同的电荷，用示波器记录下此信号，就可推算出所测量的电子束流的强度；将不同种类和粒径的磨粒进行法拉第筒法检测，进而预估不同粒径磨粒经过高压静电场后的电荷量q；
第五步：设计显微可视化系统，显微可视化系统包括激光器（20）、反光镜（21）、连续变焦镜头和CCD高速摄像机，当激光器（20）通过显微镜物镜照亮整个视场中的流场，视场中运动被示踪小粒径颗粒通过物镜和连续变焦镜头的放大，被CCD高速摄像机以一定的拍摄速度记录并存储，经过软件分析处理后可以得到粒径、速度、运动轨迹的数据，以观察小粒径颗粒在视场范围内的整个运动过程。
2.根据权利要求1所述的一种静电可控磨粒流加工去除量检测方法，其特征在于：所述第三步中磨粒本身相关的因素包括磨粒的大小、磨粒的形状和磨粒的硬度，磨粒与壁面发生作用时的因素包括磨粒与壁面的撞击角度和撞击时磨粒的速度。
3. 根据权利要求1所述的一种静电可控磨粒流加工去除量检测方法，其特征在于：所述第五步的具体过程如下：抛光过程中的流动磨粒流场由激光器（20）经过反光镜（21）照射照明，为了保留流道内部流场的稳定性，采用了抛光台一侧开设一块尺寸为45 mm*25 mm的石英玻璃观测窗口，并采用拥有超长工作距离的且连续变焦镜头能对小粒径颗粒物的运动进行较大范围的观察的CCD高速摄像机对放大后的小粒径颗粒物进行拍摄和记录；根据得到的磨粒加工图片，根据图像成形原理计算磨粒粒径R来推算磨粒体积，计算公式为;根据相邻两张图片同一磨粒相对运动位移ΔX,计算磨粒的运动速度/>。
4.采用如权利要求1所述检测方法的一种静电可控磨粒流加工去除量检测装置，其特征在于：包括磨粒流加工装置、法拉第筒法系统和显微可视化系统，所述磨粒流加工装置包括高压静电发生器（1）、配模吸附平台（4）、外加电场（5）、磨粒流（2）和工件（3），工件（3）通过配模吸附平台（4）进行固定，磨粒流（2）经过高压静电发生器（1）后发射到工件（3）表面进行磨粒流加工，外加电场（5）直接加载在整个配模吸附平台（4）和工件（3）上；
所述法拉第筒法系统包括外筒体（6）、内筒体（12）、非电解质溶液（16）、静电计（17）和绝缘体（18），非电解质溶液（16）放置在内筒体（12）内部，经过高压静电发生器（1）后的磨粒直接注入非电解质溶液（16）中，内筒体（12）设置在外筒体（6）内部，静电计（17）设置在外筒体（6）外侧，静电计（17）的检测端设置在内筒体（12）上，内筒体（12）通过绝缘体（18）连接外筒体（6）；
所述显微可视化系统包括激光器（20）、反光镜（21）、连续变焦镜头和CCD高速摄像机，激光器（20）发射的光线经过反光镜（21）反光后照亮整个视场中的流场，CCD高速摄像机通过连续变焦镜头的放大后对视场内被示踪小粒径颗粒进行拍摄和储存。
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