CN111451847B - 一种静电喷射微粉磨粒均布的微结构阵列原位抛光方法 - Google Patents

一种静电喷射微粉磨粒均布的微结构阵列原位抛光方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种静电喷射微粉磨粒均布的微结构阵列原位抛光方法，包括如下步骤：1.在微结构元件上均匀地喷涂一层脱模剂；2.将微结构元件安装于旋转工作台上，调节微结构元件与喷射装置的位置；3.将抛光体制备溶液喷射到微结构元件上，制备与微结构元件的空腔完全匹配的抛光体；4.调节抛光主轴与微结构元件的位置，吸附抛光体；5.往复运动抛光微结构元件。一种静电喷射微粉磨粒均布的微结构原位抛光装置包括支撑系统、工作台系统、抛光体成型系统、原位抛光系统、微结构元件、脱模剂和抛光体。本发明利用静电喷射技术直接在微结构元件腔内成型与其形状相匹配的抛光体，使用真空吸盘吸附抛光体，实现对微结构的原位抛光，获得高质量的微结构。

Description

一种静电喷射微粉磨粒均布的微结构阵列原位抛光方法
技术领域
本发明属于超精密加工技术领域，涉及一种静电喷射微粉磨粒均布的微结构阵列原位抛光方法
背景技术
随着超精密加工技术的发展应用，微纳制造的作用变得越来越重要。高精度微结构元件已经成为微纳制造产品中的关键部分，特别是微结构光学元件已成为智能手机相机、光电通信、MEMS、红外探测、航空航天、智能制导等系统中最引人注目的核心器件，应用也越来越广泛，其表面粗糙度也要求达到纳米级别。要进一步获得高质量微结构表面，超精密抛光工艺不可缺少。
专利CN106272106A公开了一种磁场辅助微细磨料水射流加工方法及其喷射装置，其加工方法是水射流通过中央管路经过高压水喷嘴喷出高压水射流，磁性磨料经磨料入口进入混合腔，水射流与磨料在混合腔混合，在磁场的作用下形成准直性高速度大的磨料水射流，最后通过磨料喷嘴喷出。该技术利用喷射技术对材料进行微细加工，并没有将喷射技术应用于微结构的抛光。
专利CN208289640U公开了一种抛光模具微结构表面的抛光头以及抛光装置，抛光头外表面由符合预设柔性要求且相互独立的软毛覆盖，采用软毛带动磨粒的方法进行抛光。该装置中软毛之间存在缝隙，大大降低了高精度微结构的抛光效果。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种静电喷射微粉磨粒均布的微结构阵列原位抛光方法及装置；本发明利用静电喷射技术直接在微结构腔内成型与其形状相匹配的微粉抛光体，形成一种针对微结构的抛光工具，微粉磨粒与微结构元件实现更高效的原位抛光，获得更高质量的微结构元件，工艺过程简单，适用多种微结构的抛光。
一种静电喷射微粉磨粒均布的微结构阵列原位抛光方法，包括如下步骤：
步骤一、在微结构元件表面均匀喷涂抛光体制备溶液，并使抛光体制备溶液固化形成抛光体；
步骤二、固定抛光体并使抛光体与微结构元件相对运动对微结构元件进行抛光。
进一步的改进，所述抛光体溶液包括微粉磨粒、树脂和添加剂；微粉磨粒、树脂和添加剂的质量分数分别为40％-55％，15％-35％，15％-30％；微粉磨粒包括金刚石、二氧化铈、二氧化硅、碳化硅中的一种或任意混合；所述添加剂为乙醇、煤油、吐温中的一种或任意混合。
进一步的改进，在微结构元件表面喷涂抛光体溶液前，先均匀喷涂一层脱模剂。
进一步的改进，所述脱模剂为硅油、聚乙二醇中的一种或任意混合；抛光体溶液固化的方式为紫外光照射。
进一步的改进，所述微结构元件表面的微结构为直线形槽时，抛光体沿直线形槽长度方向往复运动进行抛光。
所述微结构元件表面的微结构为环形槽时，抛光体沿环形槽方向往复旋转运动进行抛光。
进一步的改进，包括如下步骤：
步骤一、在微结构元件上均匀地喷涂一层脱模剂；
步骤二、将微结构元件安装于旋转工作台上，控制X轴运动平台水平前后运动调节微结构元件的位置，控制Y轴运动平台水平左右运动和Z轴运动平台竖直上下运动，调节喷射装置的位置；
步骤三、打开静电发生器和紫外光发生器，启动压力泵，经进液管和出液管将抛光体制备溶液从储液装置中输入喷射装置中；通过X轴运动平台水平前后运动、Y轴运动平台水平左右运动、旋转工作台旋转运动，控制喷射装置将抛光体制备溶液喷射到微结构元件上，同时通过紫外光发生器产生的紫外光固化抛光体制备溶液形成与微结构空腔完全匹配的抛光体；关闭压力泵，关闭静电发生器和紫外光发生器，关闭旋转电机；微结构空腔可以是直线形槽，也可以表示的是环形槽，通常是直线槽，抛光体溶液喷到凹槽里面并且与微结构凹槽面贴合，制备成与凹槽表面贴合的抛光体；
步骤四、控制Z轴运动平台竖直上下运动、Y轴运动平台水平左右运动，调节抛光主轴与微结构元件的位置；打开真空发生器产生真空压力，通过压力表观察真空压力大小，通过真空调压阀调整真空压力的大小至抛光主轴完全吸附抛光体；
步骤五、控制X轴运动平台和Y轴运动平台往复运动抛光直线形槽微结构元件，或者控制旋转工作往复旋转运动抛光环形槽微结构元件，获得高精度的微结构元件。
一种静电喷射微粉磨粒均布的微结构原位抛光装置，包括支撑系统、工作台系统、抛光体成型系统和原位抛光系统；所述支撑系统包括龙门架，龙门架上安装有Y轴运动平台，Y轴运动平台连接有Z轴运动平台；Z轴运动平台通过连接横梁连接抛光体成型系统和原位抛光系统；工作台系统处于Z轴运动平台下方；
工作台系统包括X轴运动平台，X轴运动平台连接有旋转电机，旋转电机通过支撑座连接有旋转工作台；
所述抛光体成型系统包括固定在连接横梁上的喷射装置，喷射装置通过出液管连通有压力泵，压力泵通过进液管连通有存储抛光体制备溶液的储液装置；喷射装置包括静电喷嘴，配合静电喷嘴安装有紫外光发生器和环状电极装置，环状电极装置连接有静电发生器；
所述原位抛光系统包括固定在连接横梁上的抛光主轴，抛光主轴内安装有柔性吸盘，柔性吸盘通过真空气管Ⅰ连通真空调压阀，真空调压阀通过真空气管Ⅱ连通压力表，真空调压阀通过真空气管Ⅲ连通真空发生器。
进一步的改进，所述抛光主轴的连接主轴上装有连接吸盘，连接吸盘内安装有多孔刚性吸盘，多孔刚性吸盘内安装有柔性吸盘。
进一步的改进，所述环状电极装置为矩形截面环状电极或圆形截面环状电极。
本发明的有益效果是：
所述一种静电喷射微粉磨粒均布的微结构阵列原位抛光方法，通过高压静电雾化喷射使磨粒均匀分布在微结构元件上，制备匹配微结构元件的抛光体，高质高效加工宽度和深径比大的工件，进一步获得高质量微结构元件，形成具有自主知识产权的微结构元件的抛光理论与方法。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步阐述。
附图说明
图1是本发明的一种静电喷射微粉磨粒均布的微结构阵列原位抛光方法示意图；
图2是本发明的一种实施例立体图；
图3是本发明所述连接横梁立体图；
图4是本发明所述真空吸附抛光工具结构图；
图5是本发明所述喷嘴装置、所述环状电极装置和所述紫外光发生器立体图；
图6是本发明所述喷嘴装置和所述环电极装置结构图；
图7是本发明所述圆截面环状电极示意图；
在图中：
1支撑系统
101龙门架，102Y轴运动平台，103Z轴运动平台，104连接横梁，105X轴运动平台；
2原位抛光系统
201抛光主轴，202真空气管Ⅰ，203真空调压阀，204真空气管Ⅱ，205压力表，206真空气管Ⅲ，207真空发生器；
201-1连接轴，201-2连接吸盘，201-3多孔刚性吸盘，201-4柔性吸盘；
3工作台系统
301旋转工作台，302支撑座，303旋转电机；
4抛光体成型系统
401抛光体制备溶液，402储液装置，403进液管，404压力泵，405出液管，406紫外光发生器，407环状电极装置，408电极线Ⅰ，409喷射装置，410电极线Ⅱ，411静电发生器；
407-1电极支柱Ⅰ，407-2固定螺钉Ⅰ，407-3固定螺钉Ⅱ，407-4矩形截面环状电极，407-5电极支柱Ⅱ，407-6连接环Ⅱ，407-7圆截面环状电极，407-8连接环Ⅰ，407-9电极线固定螺钉Ⅱ；
409-1调高端盖，409-2静电喷嘴，409-3电极线固定螺钉Ⅰ；
5微结构元件
5-1直线形槽微结构元件，5-2环形槽微结构元件；
6脱模剂
7抛光体
具体实施方式
一种静电喷射微粉磨粒均布的微结构阵列原位抛光方法，相关装置由支撑系统1、原位抛光系统2、工作台系统3、抛光体成型系统4构成。
支撑系统1包括龙门架101、Y轴运动平台102、Z轴运动平台103、连接横梁104、X轴运动平台105。Y轴运动平台102与龙门架101连接。Z轴运动平台103与Y轴运动平台102连接，且Z轴运动平台103能在Y轴运动平台102上水平左右运动。连接横梁104与Z轴运动平台103连接，且连接横梁104能在Z轴运动平台103上竖直上下运动。
原位抛光系统2包括抛光主轴201、真空气管Ⅰ202、真空调压阀203、真空气管Ⅱ204、压力表205、真空气管Ⅲ206、真空发生器207。抛光主轴201与连接横梁104连接。真空气管Ⅰ202一端与抛光主轴201连接，另一端与真空调压阀203连接。真空气管Ⅱ204一端与真空调压阀203连接，另一端与压力表205连接。真空气管Ⅲ206一端与真空调压阀203连接，另一端与真空发生器207连接。
工作台系统3包括旋转工作台301、支撑座302、旋转电机303。旋转工作台301与支撑座302连接；支撑座302与X轴运动平台105连接，且支撑座302能在X轴运动平台105上水平前后运动；旋转电机303与支撑座302连接，且旋转电机303能控制旋转工作台301旋转运动。
抛光体成型系统4包括抛光体制备溶液401、储液装置402、进液管403、压力泵404、出液管405、紫外光发生器406、环状电极装置407、电极线Ⅰ408、喷射装置409、电极线Ⅱ410、静电发生器411。抛光体制备溶液401使用时盛放在储液装置402中，且抛光体制备溶液401由金刚石、二氧化铈、二氧化硅、碳化硅等微粉磨粒与树脂和添加剂混合搅拌均匀而成。进液管403一端与压力泵404连接，另一端与储液装置402连接。出液管405一端与喷射装置409的调高端盖409-1连接，另一端与压力泵404连接。紫外光发生器406与连接横梁104连接；环状电极装置407与连接横梁104连接；电极线Ⅰ408一端与喷射装置409的电极线固定螺钉Ⅰ409-3连接，另一端与静电发生器411连接。电极线Ⅱ410一端与环状电极装置407的固定螺钉Ⅱ407-3连接，另一端与静电发生器411连接。
喷射装置409包括调高端盖409-1、静电喷嘴409-2、电极线固定螺钉Ⅰ409-3。调高端盖409-1与静电喷嘴409-2均采用绝缘材质。调高端盖409-1使用螺纹与静电喷嘴409-2连接，且调高端盖409-1能控制静电喷嘴409-2的高度。
环状电极装置的实施方式一：包括电极支柱Ⅰ407-1，固定螺钉Ⅰ407-2，固定螺钉Ⅱ407-3，矩形截面环状电极407-4，电极支柱Ⅱ407-5。电极支柱Ⅰ407-1一端通过螺纹与连接横梁104连接，另一端通过固定螺钉Ⅰ407-2与矩形截面环状电极407-4连接。电极支柱Ⅱ407-5一端通过螺纹与连接横梁104连接，另一端通过固定螺钉Ⅱ407-3与矩形截面环状电极407-4连接。电极线Ⅱ410一端与环状电极装置407的固定螺钉Ⅱ407-3连接，另一端与静电发生器411连接。
环状电极装置的实施方式二：包括电极支柱Ⅰ407-1，连接环Ⅱ407-6，圆形截面环状电极407-7，连接环Ⅰ407-8，电极支柱Ⅱ407-5。电极支柱Ⅰ407-1一端通过螺纹与连接横梁104连接，另一端通过连接环Ⅰ407-8与圆形截面环状电极407-7连接。电极支柱Ⅱ407-5一端通过螺纹与连接横梁104连接，另一端通过连接环Ⅱ407-6与圆形截面环状电极407-7连接。电极线Ⅱ410一端与环状电极装置407的电极线固定螺钉Ⅱ407-9连接，另一端与静电发生器411连接。
抛光主轴201包括连接轴201-1、连接吸盘201-2、多孔刚性吸盘201-3、柔性吸盘201-4。连接轴201-1向下与连接吸盘201-2紧紧贴合，旋转180度与连接吸盘201-2连接。多孔刚性吸盘201-3与连接吸盘201-2连接。柔性吸盘201-4与多孔刚性吸盘201-3连接。
一种静电喷射微粉磨粒均布的微结构阵列原位抛光方法，具体实施步骤如下：
步骤一、在微结构元件5上均匀地喷涂一层脱模剂6；
步骤二、将微结构元件5安装于旋转工作台301上，控制X轴运动平台105水平前后运动调节微结构元件5的位置，控制Y轴运动平台102水平左右运动和Z轴运动平台102竖直上下运动，调节喷射装置409的位置；
步骤三、打开静电发生器411和紫外光发生器406，启动压力泵404，经进液管403和出液管405将抛光体制备溶液401从储液装置402中缓慢输入喷射装置409中；通过X轴运动平台105水平前后运动、Y轴运动平台102水平左右运动、旋转工作台301旋转运动，控制喷射装置409将抛光体制备溶液401喷射到微结构元件5上，同时通过紫外光发生器406产生的紫外光固化成型与微结构元件5的空腔完全匹配的抛光体7；关闭压力泵404，关闭静电发生器411和紫外光发生器406，关闭旋转电机303；
步骤四、控制Z轴运动平台103竖直上下运动、Y轴运动平台102水平左右运动，调节抛光主轴201与微结构元件5的位置；打开真空发生器207产生真空压力，通过压力表205观察真空压力大小，通过真空调压阀203调整真空压力的大小至抛光主轴201完全吸附抛光体7；
步骤五、控制X轴运动平台105和Y轴运动平台102直线往复运动抛光直线形槽微结构元件5-1，获得高精度的微结构元件5-1。
步骤五中还可以控制旋转工作台301旋转往复运动抛光环形槽微结构元件5-2，获得高精度的环形槽微结构元件5-2。
本说明书实施例的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (2)

1.一种静电喷射微粉磨粒均布的微结构阵列原位抛光方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、在微结构元件上均匀地喷涂一层脱模剂；
步骤二、将微结构元件安装于旋转工作台上，控制X轴运动平台水平前后运动调节微结构元件的位置，控制Y轴运动平台水平左右运动和Z轴运动平台竖直上下运动，调节喷射装置的位置；
步骤三、打开静电发生器和紫外光发生器，启动压力泵，经进液管和出液管将抛光体制备溶液从储液装置中输入喷射装置中；通过X轴运动平台水平前后运动、Y轴运动平台水平左右运动、旋转工作台旋转运动，控制喷射装置将抛光体制备溶液喷射到微结构元件上，同时通过紫外光发生器产生的紫外光固化抛光体制备溶液形成与微结构元件的空腔完全匹配的抛光体；关闭压力泵，关闭静电发生器和紫外光发生器，关闭旋转电机；
步骤四、控制Z轴运动平台竖直上下运动、Y轴运动平台水平左右运动，调节抛光主轴与微结构元件的位置；打开真空发生器产生真空压力，通过压力表观察真空压力大小，通过真空调压阀调整真空压力的大小至抛光主轴完全吸附抛光体；
步骤五、控制X轴运动平台和Y轴运动平台直线往复运动抛光直线形槽微结构元件，或者控制旋转工作台旋转往复运动抛光环形槽微结构元件，获得高精度的微结构元件；
所述抛光体制备溶液包括微粉磨粒、树脂和添加剂；微粉磨粒、树脂和添加剂的质量分数分别为40%-55%，15%-35%，15%-30%；微粉磨粒包括金刚石、二氧化铈、二氧化硅、碳化硅中的一种或任意混合；所述添加剂为乙醇、煤油、吐温中的一种或任意混合；微结构元件表面静电喷涂抛光体制备溶液前，先均匀喷涂一层脱模剂；所述脱模剂为聚乙烯、聚乙二醇中的一种或混合；抛光体制备溶液固化的方式为紫外光照射；
步骤二、固定抛光体并使抛光体与微结构元件相对运动对微结构元件进行抛光；微结构元件表面的微结构为直线形槽或者环形槽，抛光体沿直线形槽或者环形槽进行直线往复或者旋转往复运动进行抛光；
静电喷射微粉磨粒均布的微结构阵列原位抛光方法采用静电喷射微粉磨粒均布的微结构原位抛光装置进行；
静电喷射微粉磨粒均布的微结构原位抛光装置包括支撑系统、工作台系统、抛光体成型系统和原位抛光系统；所述支撑系统包括龙门架，龙门架上安装有Y轴运动平台，Y轴运动平台连接有Z轴运动平台；Z轴运动平台通过连接横梁连接抛光体成型系统和原位抛光系统；工作台系统处于Z轴运动平台下方；
工作台系统包括X轴运动平台，X轴运动平台连接有旋转电机，旋转电机通过支撑座连接有旋转工作台；
所述抛光体成型系统包括固定在连接横梁上的喷射装置，喷射装置通过出液管连通有压力泵，压力泵通过进液管连通有存储抛光体制备溶液的储液装置；喷射装置包括静电喷嘴，配合静电喷嘴安装有紫外光发生器和环状电极装置，环状电极装置电连接有静电发生器；
所述原位抛光系统包括固定在连接横梁上的抛光主轴，抛光主轴内安装有柔性吸盘，柔性吸盘通过真空气管Ⅰ连通真空调压阀，真空调压阀通过真空气管Ⅱ连通压力表，真空调压阀通过真空气管Ⅲ连通真空发生器；所述抛光主轴的连接主轴上装有连接吸盘，连接吸盘内安装有多孔刚性吸盘，多孔刚性吸盘内安装有柔性吸盘。
2.如权利要求1所述的静电喷射微粉磨粒均布的微结构阵列原位抛光方法，其特征在于，所述环状电极装置为矩形截面环状电极或圆形截面环状电极。
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