CN110421413B - 芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列方法及装置 - Google Patents
芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列方法及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110421413B CN110421413B CN201910462794.6A CN201910462794A CN110421413B CN 110421413 B CN110421413 B CN 110421413B CN 201910462794 A CN201910462794 A CN 201910462794A CN 110421413 B CN110421413 B CN 110421413B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ultrasonic
- fenton
- silicon carbide
- fixing plate
- guide fixing
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 51
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 51
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 47
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 42
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 42
- 238000005498 polishing Methods 0.000 claims abstract description 42
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 35
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 28
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims abstract description 24
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 14
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 32
- 238000003754 machining Methods 0.000 claims description 30
- 239000012028 Fenton's reagent Substances 0.000 claims description 19
- -1 polyethylene Polymers 0.000 claims description 11
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 claims description 10
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 claims description 10
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims description 9
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 8
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 8
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 5
- 238000010008 shearing Methods 0.000 claims description 4
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 2
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 abstract description 11
- 230000003116 impacting effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 239000004579 marble Substances 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000006061 abrasive grain Substances 0.000 description 3
- 238000010892 electric spark Methods 0.000 description 3
- 238000009760 electrical discharge machining Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- MGZTXXNFBIUONY-UHFFFAOYSA-N hydrogen peroxide;iron(2+);sulfuric acid Chemical compound [Fe+2].OO.OS(O)(=O)=O MGZTXXNFBIUONY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- TUJKJAMUKRIRHC-UHFFFAOYSA-N hydroxyl Chemical compound [OH] TUJKJAMUKRIRHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000007790 scraping Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 235000003891 ferrous sulphate Nutrition 0.000 description 1
- 239000011790 ferrous sulphate Substances 0.000 description 1
- BAUYGSIQEAFULO-UHFFFAOYSA-L iron(2+) sulfate (anhydrous) Chemical compound [Fe+2].[O-]S([O-])(=O)=O BAUYGSIQEAFULO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910000359 iron(II) sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B24—GRINDING; POLISHING
- B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
- B24B1/00—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes
- B24B1/04—Processes of grinding or polishing; Use of auxiliary equipment in connection with such processes subjecting the grinding or polishing tools, the abrading or polishing medium or work to vibration, e.g. grinding with ultrasonic frequency
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Grinding And Polishing Of Tertiary Curved Surfaces And Surfaces With Complex Shapes (AREA)
Abstract
本发明公开了一种芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列方法及装置，包括研抛模平台，其变幅杆连接高频可调超声发射装置，变幅杆上装有可拆卸式超硬镀层工具头，导向固定板上加工有光滑通孔，所述氧化铝球体被限制在导向固定板上，导向固定板和碳化硅晶圆片放置于水平工作台上；将研抛液均匀充满导向固定板和碳化硅晶圆片上；超硬镀层复合工具头接收给定的频率和振幅的超声高速振动，撞击氧化铝球体并发射，氧化铝球体高速撞击磨粒后，撞击碳化硅衬底，撞击期间对二氧化硅进行去除，撞击期间芬顿反应和超声加工表现为逐层反应，逐层去除，期间通过超声加工的多域可控法，获得高表面质量的微半球凹模阵列。
Description
技术领域
本发明涉及超精密加工领域，尤其涉及一种芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列方法及装置。
背景技术
半球谐振陀螺(Hemispherical Resonator Gyro,简称HRG),是利用半球谐振子在高频振动时产生的哥氏效应制成的一种角运动检测装置。因为不同于机械转子在高速转动时动量矩对空间位置产生的变化的原理，HRG能够极大的减小陀螺体积，且具有较强的抗冲击能力。具有精度高、体积小、可靠度高、寿命长、低功耗、启动时间短、断电后能继续工作15Min的特性，在与MEMS(微机电系统)技术结合起来，制备成的微半球谐振陀螺技术(μHRG)被广泛的运用在航天航空，国防军工上，是导弹、航空器等飞行单位惯性测量单元和姿态稳定控制的关键部件。
目前高精度高质量的HRG的主要被美国、法国和俄罗斯所垄断。因为半球谐振陀螺的品质因数对振子的几何物理精度上具有很高要求，目前的HRG谐振子制造方法都是首先获得一个高回转精度和高表面质量的半球凹模，然后利用各种沉积方法在凹模表面沉积出一个半球空腔，再经过一系列工步，最终实现谐振子的装配。目前技术的难点在于获得高回转精度和高表面质量的半球凹模，国际上现有的在硬脆材料上加工半球凹模的传统加工方法主要有：微电火花加工，高能束加工，超声加工等。
微电火花加工(Electro Discharge Meching EDM),是利用两极间高强度火花放电的电蚀现象来蚀除材料的方法。高能束加工，常用的如激光加工，利用产生的高温使非金属硬脆材料表面融化气化并伴随爆炸来达到去除材料的目的。传统的超声加工又称悬浮磨粒超声冲击加工，利用超声的高能冲击磨粒对材料进行机械去除。他们在加工半球凹模时都要致命的缺点，微电火花加工效率低，又难以获得较好的形状精度；激光加工还会使材料热应力集中，产生裂纹和热变形，影响加工形状精度和表面质量。超声加工中工具头磨损严重，加工效率低且加工硬脆材料时加工表面常会出现“崩豁”现象，严重影响加工表面质量。
发明内容
本发明的目的是针对现有谐振振子凹模加工技术存在的无法保证表面质量和形状精度、无法批量制造、加工复杂的缺陷和不足，提供一种芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列方法及装置。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
S1、将所述研抛液均匀充满导向固定板和碳化硅晶圆片之间；
S2、超硬镀层复合工具头接收给定的频率和振幅的超声高速振动，撞击氧化铝球体，将氧化铝球体发射出去，氧化铝球体高速撞击磨粒后，撞击碳化硅衬底，撞击期间伴随着磨粒对衬底材料的机械冲击、剪切、抛磨、加工液的空化现象对二氧化硅进行去除，撞击期间芬顿反应和超声加工表现为逐层反应，逐层去除；
S3、通过超声加工的多域可控法，获得表面粗糙度Sa＝20nm-40nm的微半球凹模阵列。使得受氧化铝球体激发的单磨粒冲击力从大于0.15g下降到0.065g,从而改变材料去除方式使其从脆性破坏转向塑性去除，获得表面粗糙度介于Sa＝10nm-20nm的微半球凹模阵列。
进一步的，可拆卸式超硬镀层复合工具头在钛合金工具头前端断面镀上一层陶瓷材料。如碳化钨，金刚石等耐磨超硬陶瓷材料，提高工具头的耐磨性和寿命，但不为碳化硅材料。
进一步的，导向固定板为铝合金，导向固定板加工有n×n阵列圆孔的金属或非金属薄片，圆孔其直径大于氧化铝球体，圆孔直径为1-2mm。其厚度远小于其他几何尺寸，直径略小于氧化铝球体，其目的是限制氧化铝球体在加工表面脱离加工位置的同时又能实现三自由度转动，在氧化铝球体撞击工件的期间，使得球体与工件碰撞的点接触不断改变，从而通过球体转动降低因氧化铝球体磨损带来的加工误差，极大的提高加工Z向精度即凹模深度。
进一步的，所述研抛液为芬顿试剂和微纳级别的磨粒混合的抛光液。利用芬顿试剂的氧化性对碳化硅衬底发生化学反应产生二氧化硅薄层，使碳化硅脆化，让超声加工更易进行，方便超声加工对工件的材料去除，提高加工效率。
进一步的，氧化铝球体在撞击期间为非限制性固定。
进一步的，为防止芬顿试剂对碳化硅衬底表面全部氧化，在碳化硅表面镀一层聚乙烯涂层，但不限于聚乙烯，可以为任意不被芬顿液氧化的金属、非金属涂层，目的是隔绝芬顿液体和碳化硅衬底，防止芬顿液与非加工区域的工件表面反应。
进一步的，S3中所述多域可控法为通过控制超声振动频率和振幅，控制材料去除从脆性破坏向塑性去除转变，提高加工表面质量的方法。
本发明上述方法通过以下装置实现，一种基于芬顿效应的制备微半球凹模阵列的装置，包括研抛模平台，所述研抛模平台包括超声转换装置、超硬镀层复合工具头，混有芬顿试剂的研抛液、氧化铝球体、导向固定板、碳化硅晶圆片及水平工作台，所述超声转换装置包括变幅杆和换能器，变幅杆连接高频可调超声发射装置，变幅杆上装有可拆卸式超硬复合镀层工具头，导向固定板上加工有n×n阵列的光滑通孔，所述氧化铝球体被限制在导向固定板上，其尺寸小于通孔直径，导向固定板和碳化硅晶圆片放置于水平工作台上。
采用本发明技术方案，本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明通过控制超声振幅和频率达到对凹模的形状精度的控制，利用芬顿液和磨粒的共同化学-机械去除能得到更高表面质量和形状精度的半球凹模，采用分级多域可控的方法缩短加工时间，获得更高表面质量的半球凹模，将传统超声加工达到的表面粗糙度Sa>30nm下降到10nm-20nm，在此之上该方法能够低成本批量制造半球凹模。对半球谐振子的普及应用具有重大意义。
附图说明
图1是本发明提供的一种研抛模平台结构图；
图2是本发明提供的一种超硬镀层复合工具头结构图；
图3是本发明提供的化学-超声去除法批量制备微半球球壳方法的原理图；
图4是本发明提供的混有芬顿试剂的研抛液液制备原理图。
图5是本发明提供的普通微电火花加工与芬顿效应下的微超声加工实验对比图。
具体实施方式
结合附图对本发明具体方案具体实施例作进一步的阐述。
如图1、2所述，一种一种芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列的装置，包括研抛模平台，所述研抛模平台包括超声转换装置10、超硬镀层复合工具头6，混有芬顿试剂的研抛液12-4、氧化铝球体12-3、导向固定板12-5、碳化硅晶圆片12-6及水平工作台7，所述超声转换装置10包括变幅杆3-2和换能器3-1，变幅杆3-2连接高频可调超声发射装置3-3，变幅杆3-2上装有可拆卸式超硬复合镀层工具头，导向固定板上加工有n×n阵列的光滑通孔，所述氧化铝球体12-3被限制在导向固定板12-5上，其尺寸小于通孔直径，导向固定板12-5和碳化硅晶圆片12-6放置于水平工作台7上。
所示包括Z向进给滑台1、Z向精密进给二级平台2、超声转换装置3、固定支座4、大理石机架5、超硬复合镀层工具头6、水平工作台7、Y向进给滑台8、X向进给滑台9、超声发生装置10、研抛模底座11，如图2所示，所述超硬复合工具头包括：换能器3-1、变幅杆3-2、工具头6-1、超声连接装置3-3。
其中，大理石机架5被水平架设在研抛模底座11上，z向进给滑台1固定于大理石机架5顶端，能够实现快速Z向进给,将工具头6-1定位到加工位置。通过螺钉连接将Z向精密进给二级平台2固定于Z向进给滑台1上。Z向精密进给二级平台2能实现精度为1微米的Z向进给，保证研抛模的加工精度。所述超硬复合工具头6与超声转换装置3刚性连接。超声转换装置3包括超声换能器3-1，变幅杆3-2，高频可调超声发射装置3-3，超硬复合工具头6包括工具头6-1、镀层6-2。超声发生装置10通过信号线发射高频电流脉冲到高频可调超声发射装置3-3，其将电信号传到换能器3-1，换能器3-1和变幅杆3-2将高频电流转换成高频振动脉冲，换能器3-1和变幅杆3-2通过螺纹刚性连接。工具头6-1通过螺纹与变幅杆3-2连接，使得工具头磨损后能够快速拆卸更换。
如图3所示化学-超声去除法批量制备微半球球壳方法的原理图所示：工具头6-1前端涂覆有超硬镀层6-2，导向固定板上12-5上加工有n×n阵列的光滑通孔，氧化铝球体12-3被限制在导向固定板12-5上，其尺寸为1-2mm略小于通孔直径，具体直径视加工凹模直径所定，所述研抛液12-4均匀充满导向固定板12-5和碳化硅晶圆片12-6间。碳化硅晶圆片12-6、导向固定板12-5、氧化铝球体12-3被放置于大理石调水平装置7-1上，大理石调水平装置7-1位于水平工作台7中央，调水平保证精度方便加工。
本发明包括以下步骤，
S1、将所述研抛液12-4均匀充满导向固定板12-5和碳化硅晶圆片12-6之间；
S2、超硬镀层复合工具头6接收给定的频率和振幅的超声高速振动，撞击氧化铝球体，将氧化铝球体12-3发射出去，氧化铝球体12-3高速撞击磨粒后，撞击碳化硅衬底，撞击期间伴随着磨粒对衬底材料的机械冲击、剪切、抛磨、加工液的空化现象对二氧化硅进行去除，撞击期间芬顿反应和超声加工表现为逐层反应，逐层去除。研抛液12-4中的羟基自由基(·OH)将碳化硅晶圆片12-6表面的SIC发生氧化反应，将其转化为易于去除的二氧化硅。超硬镀层复合工具头6接收给定的频率和振幅的超声高速振动，撞击氧化铝球体12-3，将氧化铝球体12-3发射出去，氧化铝球体12-3高速撞击磨粒后，撞击碳化硅晶圆片12-6，撞击期间伴随着磨粒对衬底材料的机械冲击、剪切、抛磨、加工液的空化现象对二氧化硅进行去除，撞击期间芬顿反应和超声加工表现为逐层反应，逐层去除。
S3、通过超声加工的多域可控法，获得表面粗糙度Sa＝20nm-40nm的微半球凹模阵列。使得受氧化铝球体12-3激发的单磨粒冲击力从大于0.15g下降到0.065g,从而改变材料去除方式使其从脆性破坏转向塑性去除，获得表面粗糙度介于Sa＝10nm-20nm的微半球凹模阵列。保证粗糙度Sa<20nm。
超声转换装置3上端通过电缆与超声发生装置10连接，超声发生装置发射高频电流脉冲通过信号线传到超声转换装置3，超声转换装置3将高频电流转换成高频振动脉冲并带动超硬镀层复合工具头6在Z向工作平面上作往复超声振动，撞击被导向固定板12-5固定在碳化硅晶圆片12-6上的99氧化铝球体12-3。氧化铝球体12-3高速撞击碳化硅晶圆片12-6，利用球体的机械撞击和磨粒的切削，刮擦，超声振动带动磨抛液产生的超声空化现象达到去除材料的目的。
所述氧化铝球体12-3和衬底材料间充满研抛液12-4，所述研抛液12-4为混有芬顿试剂和一定磨粒的混合加工液，其主要成分为混有氮化钨，金刚石磨粒的芬顿液，但不能为碳化硅。芬顿试剂中的羟基自由基(·OH)将碳化硅晶圆片12-6表面的SiC发生氧化反应，将其转化为易于去除的二氧化硅。所述二氧化硅氧化层的硬度和模度量远小于原始工件碳化硅晶圆片12-6表面，采用超声加工的方式能够很容易的去除这层软化氧化层。因为芬顿反应为其加工机理，所以所用磨粒不能为碳化硅成分。
所述超硬镀层复合工具头6镀有耐磨金刚石涂层(但不限于金刚石涂层，可以为任何比碳化硅耐磨的涂层)，通过化学气相沉积法(CVD)和物理气相沉积法(PVD),让原子级别的耐磨材料(非碳化硅材质)在工具头顶端发生原子聚集，产生高度耐磨性，高韧性。因为磨粒和氧化铝球体硬度较高，超硬镀层复合工具头6在高频超声的作用下会以极快的速度磨损，为防止超硬镀层复合工具头6磨损影响加工精度，在工具头6-1表面涂有1mm厚度的耐磨超硬涂层(但不限于1mm，可为任意厚度的耐磨涂层)，提高加工质量，减少加工成本和换模时间。
所述研抛液12-4是混有芬顿试剂和一定磨粒的混合加工液为0.02wt.％FeSO4、5wt.％H2O2在pH3条件下配置的芬顿试剂和微纳级别的磨粒混合而成。因为芬顿液中的H2O2极为容易在空气中自发分解，本发明为防止芬顿液中在空气中易于分解的现象，将配置芬顿液的主要成分：硫酸亚铁溶液和过氧化氢溶液分开存储。
如图4所示，含一定微纳磨粒的0.02wt.％FeSO4溶液和5wt.％H2O2溶液通过上方两个导管进入混合室发生反应，完成芬顿试剂的配置，得到所述混有芬顿试剂的研抛液12-4，配置完成后直接进入半球凹模加工环节，减少因芬顿试剂分解而影响加工效果。加工过程中通过滴加在碳化硅衬底或导向板上，利用流体的毛细现象使其充满精密液体和导向板之间。
所述碳化硅晶圆片7-1上镀有超薄聚乙烯镀层，但不限于聚乙烯可以为任意易去除但不被芬顿液氧化的金属、非金属、复合涂层，高速发射的氧化铝球体12-3在高频震荡中将聚乙烯薄膜击碎，余下的聚乙烯镀层保护剩下的碳化硅衬底不被混有芬顿试剂的研抛液12-4中的羟基自由基氧化，防止碳化硅衬底表面脆化后因豁崩效应影响加工效果。
如图3所示，所述研抛原理图包括超硬复合镀层工具头6-1，超硬镀层6-2，氧化铝球体12-3，导向固定板12-5，碳化硅晶圆片12-6，芬顿试剂12-4，大理石调水平装置7-1。
超硬复合镀层工具头前端6-1。在每秒20kHz-50kHz高速高频振动下，撞击氧化铝球体12-3，将氧化铝球体12-3发射出去，氧化铝球体12-3在混有芬顿试剂的磨削加工液12-4中高速撞击碳化硅衬底12-6，但氧化铝球体12-3在略大于球体直径的孔中被导向固定板12-5限制在垂直工作平面的方向上运动，防止氧化铝球体脱离加工位置，造成加工误差，影响加工质量。所述氧化铝球体12-3在超声震荡中，利用球体的瞬间高能的机械撞击和超硬磨粒的切削，刮擦，超声振动带动磨抛液产生的超声空化现象达到去除材料的目的。因为研抛液12-4采用芬顿液和磨粒混合的试剂，芬顿液将衬底材料表面的SiC发生氧化反应，生成二氧化硅(SiO2)、水(H2O)和二氧化碳(CO2)因为MOHS二氧化硅<<MOHS碳化硅，在物理表现形式上二氧化硅不但比碳化硅更易被去除，且化学反应后与碳化硅在结合度上小，所以在加工过程中更易被去除。而且因为芬顿液只与碳化硅表面一层反应，超声去除和芬顿氧化同时进行，二氧化硅在超声频率的极小时间段上表现为逐层出现，逐层去除，且因为衬底材料为更不易去除的碳化硅，所以在加工过程中能实现更好表面质量的加工面。所述大理石调水平装置7-1能通过调节开关迅速调水平，保证加工精度。
所述微超声加工采用多域可控法，通过超声发射器控制工具头上的能量密度改变振动幅度，控制材料去除从脆性破坏向塑性加工转变，实现对材料的微小去除。
根据去除量控制加工振幅为6μm-50μm，使得前一阶段为加工速率较快的脆性破坏,提高加工速率。接着控制加工振幅在0.3μm-6μm，具体振幅大小取决于发射球体的质量以及磨粒的平均粒径、质量和硬度,使加工方式转变为后一阶段的加工速率较慢的塑性加工。脆性破坏阶段克服了超声加工速度慢的缺点，实现对衬底材料的粗加工，得到一个具有一定形状精度但表面质量不佳的半球凹模。塑性加工阶段实现对半球凹模的精加工，利用脆性材料塑性加工的原理能在微量去除量的条件下，实现对材料在原子层面的去除，显著降低在加工过程中对硬脆材料(碳化硅)的表面破坏，减少其裂纹数量和规模，由此得到更好的表面质量和形状精度，使其表面粗糙度达到Sa＝10nm-20nm。
本发明方法加工的零件表面粗糙度和传统电火花加工零件的表面粗糙度对比如表1所示，芬顿效应下的微超声加工半球凹模阵列平均粗糙度为17.6nm，为电火花加工为68.4nm，芬顿效应下的微超声加工法所加工的半球凹模表面质量远远优于微电火花加工法所加工的半球凹模。
表1
本发明方法加工的零件形状精度与文献实测的传统微细超声加工的零件形状精度对比如图5所示，图5左为本发明方法加工的凹模零件圆度显微图像，图5右图为传统微细超声加工的凹模显微图像，图中可见凹模零件圆度明显优于传统微信超声加工零件的圆度。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (5)
1.一种芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列方法，其特征在于，包括如下步骤，
S1、将研抛液均匀充满导向固定板和碳化硅晶圆片之间，导向固定板限制氧化铝球体在加工表面脱离加工位置的同时，又实现三自由度转动，在氧化铝球体撞击工件的期间，使得球体与工件碰撞的点接触不断改变；
S2、变幅杆连接高频可调超声发射装置，变幅杆上装有可拆卸式超硬复合镀层工具头，超硬镀层复合工具头接收给定的频率和振幅的超声高速振动，撞击氧化铝球体，将氧化铝球体发射出去，氧化铝球体高速撞击磨粒后，撞击碳化硅衬底，撞击期间伴随着磨粒对衬底材料的机械冲击、剪切、抛磨、加工液的空化现象对二氧化硅进行去除，撞击期间芬顿反应和超声加工表现为逐层反应，逐层去除；氧化铝球体在撞击期间为非限制性固定，
S3、通过超声加工的多域可控法，获得表面粗糙度Sa＝20nm-40nm的微半球凹模阵列，S3中所述多域可控法为通过控制超声振动频率和振幅，控制材料去除从脆性破坏向塑性去除转变，提高加工表面质量的方法；
所述碳化硅晶圆片上镀有超薄聚乙烯镀层，镀层材料不限于聚乙烯可以为任意易去除但不被芬顿液氧化的金属、非金属、复合涂层，发射的氧化铝球体在高频震荡中将聚乙烯镀层击碎，余下的聚乙烯镀层保护剩下的碳化硅衬底不被混有芬顿试剂的研抛液中的羟基自由基氧化。
2.如权利要求1所述一种芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列方法，其特征在于，可拆卸式超硬镀层复合工具头在钛合金工具头前端断面镀上一层陶瓷材料。
3.如权利要求1所述一种芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列方法，其特征在于，导向固定板为铝合金，导向固定板加工有n×n阵列圆孔的金属或非金属薄片，圆孔其直径大于氧化铝球体，圆孔直径为1-2mm。
4.如权利要求1所述一种芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列方法，其特征在于，所述研抛液为芬顿试剂和微纳级别的磨粒混合的抛光液。
5.一种用于实现权利要求1所述的芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列方法的装置，其特征在于，包括研抛模平台，所述研抛模平台包括超声转换装置、超硬镀层复合工具头，混有芬顿试剂的研抛液、氧化铝球体、导向固定板、碳化硅晶圆片及水平工作台，所述超声转换装置包括变幅杆和换能器，变幅杆连接高频可调超声发射装置，变幅杆上装有可拆卸式超硬复合镀层工具头，导向固定板上加工有n×n阵列的光滑通孔，所述氧化铝球体被限制在导向固定板上，其尺寸小于通孔直径，导向固定板和碳化硅晶圆片放置于水平工作台上。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910462794.6A CN110421413B (zh) | 2019-05-30 | 2019-05-30 | 芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201910462794.6A CN110421413B (zh) | 2019-05-30 | 2019-05-30 | 芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列方法及装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110421413A CN110421413A (zh) | 2019-11-08 |
| CN110421413B true CN110421413B (zh) | 2021-05-14 |
Family
ID=68408445
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201910462794.6A Active CN110421413B (zh) | 2019-05-30 | 2019-05-30 | 芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列方法及装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110421413B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111390659A (zh) * | 2020-04-30 | 2020-07-10 | 岭南师范学院 | 基于3d打印模具的微流道超声加工装置及方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5829116A (en) * | 1996-01-24 | 1998-11-03 | Seb S.A. | Method of treating a metal surface and for manufacturing a culinary article |
| JP2001225246A (ja) * | 2000-02-16 | 2001-08-21 | Olympus Optical Co Ltd | 球面創成方法及び球面創成装置 |
| JP2002283225A (ja) * | 2001-03-22 | 2002-10-03 | Olympus Optical Co Ltd | 凹球面の加工装置および加工方法 |
| JP2003048152A (ja) * | 2001-08-08 | 2003-02-18 | Olympus Optical Co Ltd | 超音波による凹球面加工装置及び凹球面加工方法 |
| CN105364641A (zh) * | 2015-11-19 | 2016-03-02 | 浙江工业大学 | 微半环凹模阵列式研抛方法及装置 |
| CN108581817A (zh) * | 2018-04-02 | 2018-09-28 | 浙江工业大学 | 一种芬顿辅助三相流动压空化抛光SiC光学曲面方法及装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018046980A1 (en) * | 2016-09-06 | 2018-03-15 | Fibre Reinforced Thermoplastics B.V. | Fiber-reinforced composites, laminates including the same, and systems and methods for making such laminates |
-
2019
- 2019-05-30 CN CN201910462794.6A patent/CN110421413B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5829116A (en) * | 1996-01-24 | 1998-11-03 | Seb S.A. | Method of treating a metal surface and for manufacturing a culinary article |
| JP2001225246A (ja) * | 2000-02-16 | 2001-08-21 | Olympus Optical Co Ltd | 球面創成方法及び球面創成装置 |
| JP2002283225A (ja) * | 2001-03-22 | 2002-10-03 | Olympus Optical Co Ltd | 凹球面の加工装置および加工方法 |
| JP2003048152A (ja) * | 2001-08-08 | 2003-02-18 | Olympus Optical Co Ltd | 超音波による凹球面加工装置及び凹球面加工方法 |
| CN105364641A (zh) * | 2015-11-19 | 2016-03-02 | 浙江工业大学 | 微半环凹模阵列式研抛方法及装置 |
| CN108581817A (zh) * | 2018-04-02 | 2018-09-28 | 浙江工业大学 | 一种芬顿辅助三相流动压空化抛光SiC光学曲面方法及装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 王磊.基于芬顿反应的单晶碳化硅化学机械抛光液研究.《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》.2015,(第11期),第33-37页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110421413A (zh) | 2019-11-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chavoshi et al. | Hybrid micro-machining processes: A review | |
| CN105364641B (zh) | 微半环凹模阵列式研抛方法及装置 | |
| CN110370099B (zh) | 旋转超声加工结合磁力研磨加工微半球凹模阵列的方法 | |
| Chen et al. | A review on recent advances in machining methods based on abrasive jet polishing (AJP) | |
| CN105479275B (zh) | 一种微半环凹模阵列微细超声分级研抛方法 | |
| CN110026908A (zh) | 一种超声空化辅助射流抛光系统及抛光方法 | |
| CN108972302B (zh) | 一种非谐振式振动辅助抛光装置及方法 | |
| WO2006112392A1 (ja) | シャワープレート及びその製造方法 | |
| US5976347A (en) | Micro cutting method and system | |
| CN111215970B (zh) | 一种微结构模具超声空化辅助超声磁力抛光方法 | |
| CN110421413B (zh) | 芬顿多域超声加工制备微半球凹模阵列方法及装置 | |
| JP4512737B2 (ja) | 超音波振動加工装置 | |
| CN114918742B (zh) | 基于电流变效应的微结构原位磨抛加工装置及其加工方法 | |
| CN110340748A (zh) | 一种旋转超声法加工微半球凹模阵列的方法及装置 | |
| CN102441820A (zh) | 一种非接触式超声波面形修抛方法及装置 | |
| CN1036046A (zh) | 防噪音和/或振动的涂层涂有上述涂层的部件及该涂层涂覆方法 | |
| CN105364640B (zh) | 一种微半环凹模阵列化学‑机械分级复合制造方法 | |
| JP2005289793A (ja) | 低融点ガラスの加工方法および低融点ガラスの加工装置ならびに低融点ガラス加工材 | |
| CN110355620B (zh) | 陶瓷材质上芬顿辅助的旋转超声高效抛光法 | |
| CN110370100B (zh) | 芬顿辅助复合杆微超声球体制备半球凹模阵列方法 | |
| JPWO2007018117A1 (ja) | 電子ビームアシストｅｅｍ法 | |
| CN209936704U (zh) | 一种超声空化辅助射流抛光系统 | |
| CN205218689U (zh) | 微半环凹模阵列式研抛装置 | |
| JP6372068B2 (ja) | 微細工具のリコンディショニング装置およびリコンディショニング機能付き加工装置 | |
| CN110340747B (zh) | 气泡调控微超声球体发射仿形阵列研抛方法与装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |