CN113955945A - 液滴附壁化学加工的石英玻璃回转体工件的表面修饰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液滴附壁化学加工的石英玻璃回转体工件的表面修饰方法，包括：将工件装夹在主轴上，主轴带动工件绕中心线旋转；在管口处产生凸出的腐蚀液滴，液滴与工件表面接触，控制液滴的半径保持稳定；根据液滴与工件表面的接触面积以及工件的加工目标表面粗糙度要求，确定工件的相对线速度下限v；由相对线速度下限v以及工件的回转半径确定主轴转速下限N；控制主轴的转速≥N，并控制液滴中心点相对运动对工件表面进行加工，且液滴中心与工件表面的距离保持不变；检测管口处的液滴的流量信号变化，若超过阈值，视为完成对工件的表面修饰。采用该方法可得无微裂纹、无变质层、表面光滑的石英玻璃回转体工件，且操作简便，可控性好。

Description

液滴附壁化学加工的石英玻璃回转体工件的表面修饰方法

技术领域

本发明属于特种加工技术领域，具体涉及一种液滴附壁化学加工的石英玻璃回转体工件的表面修饰方法。

背景技术

石英玻璃材料透光性好、阻尼低、热膨胀系数低，同时具有优异的电绝缘性能和化学稳定性，因此广泛应用于核聚变、光学仪器、惯性导航等领域，但同时石英玻璃是一种硬脆性材料，不易加工，加工表面容易出现裂纹和损伤层，得到的工件表面难以满足目前的使用要求。

目前，磨削是加工石英玻璃的最重要手段。然而，现有技术1(Suratwala T,SteeleR,M.D.Feit,et al.Effect of rogue particles on the sub-surface damage of fusedsilica during grinding/polishing[J].Journal of Non Crystalline Solids,2008,354(18):0-2037.)公开了石英玻璃在磨削加工后会在表面产生含有微裂纹的变质层，即在加工表面出现裂纹和损伤层，且变质层的厚度较大。现有技术2(张巧云，吕志清.微机械加工技术在传感器制作中的应用[J].压电与声光,1998(02):140-144.)公开了常采用氢氟酸化学腐蚀去除石英玻璃表面的变质层，但同时也会导致石英玻璃表面粗糙度变大。因此，为了满足目前的使用要求，需要进一步对石英玻璃表面进行加工。目前，现有技术3(胡晓东,罗康俊,余波,et al.采用离子束技术对半球振子进行质量调平[C]//中国惯性技术学会第五届学术年会论文集.2003.)公开的离子束修调技术是一种常用的方法，但是用到的设备非常昂贵，操作复杂；此外，现有技术4(Hamelin B,Tavassoli V,Ayazi F.LocalizedEutectic Trimming of Polysilicon Microhemispherical Resonating Gyroscopes[J].IEEE Sensors Journal,2014,14(10):3498-3505.)公开了还可以用激光进行表面修调，但是存在局部应力集中的问题，并且采用激光处理成本同样较高，操作相对复杂。

因此，现有的针对磨削加工后石英玻璃的表面修饰方法有待改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种液滴附壁化学加工的石英玻璃回转体工件的表面修饰方法，采用该方法对石英玻璃回转体工件进行表面修饰，可以得到无微裂纹、无变质层、表面光滑的石英玻璃回转体工件。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种液滴附壁化学加工的石英玻璃回转体工件的表面修饰方法。根据本发明的实施例，所述方法包括：

(1)将石英玻璃回转体工件装夹在主轴上，所述主轴带动所述工件绕所述工件的中心线旋转；

(2)在管口处产生凸出的腐蚀液滴，所述腐蚀液滴与所述工件的表面接触，并控制所述腐蚀液滴的半径大小保持稳定；

(3)根据所述腐蚀液滴与所述工件表面的接触面积以及所述工件的加工目标表面粗糙度要求，确定所述工件的相对所述腐蚀液滴的线速度下限v；

(4)由所述相对线速度下限v以及所述工件的回转半径确定所述主轴的转速下限N；

(5)控制所述主轴的转速≥N，使所述腐蚀液滴与所述工件表面的接触处于Cassie状态，并控制所述腐蚀液滴中心点相对运动对所述工件表面进行加工，所述加工过程中所述腐蚀液滴中心与所述工件表面的距离保持不变；

(6)检测所述管口处的腐蚀液滴的流量信号变化，所述流量信号的变化量对应所述腐蚀液滴与所述工件表面的接触状态变化，当流量增加量超过接触状态变化阈值，视为完成对所述石英玻璃回转体工件的表面修饰。

根据本发明实施例的液滴附壁化学加工的石英玻璃回转体工件的表面修饰方法，通过将石英玻璃回转体工件装夹在主轴上，由主轴带动工件绕工件的中心线旋转，同时在管口处产生凸出的腐蚀液滴，使得腐蚀液滴与工件的表面接触，并控制腐蚀液滴的半径大小保持稳定，再根据腐蚀液滴与工件表面的接触面积以及工件的加工目标表面粗糙度要求，确定工件的相对腐蚀液滴的线速度下限v，并由相对线速度下限v以及工件的回转半径确定主轴的转速下限N，然后控制主轴的转速≥N，使液滴与工件表面的接触处于Cassie状态/Cassie-Baxter状态，以及控制腐蚀液滴中心点相对运动对工件表面进行加工，加工过程中腐蚀液滴中心与工件表面的距离保持不变。在工件表面上的“凸起”特征高度较高，且腐蚀液滴相对工件表面运动速度较快的情况下，由于腐蚀液滴来不及进入到“凸起”特征间隙对工件表面进行润湿就已经移动至下一个“凸起”特征处，从而工件表面上的粗糙结构与液滴之间存在着“空气层”，腐蚀液滴在工件表面发生滑移流动并只与“凸起”特征发生化学反应将其去除，“凸起”特征高度下降，当工件表面的粗糙度加工至目标要求后，腐蚀液滴在工件表面的滑移流动无法继续维持，液滴进入到间隙中，完全润湿工件表面，“空气层”消失，由于表面力的作用，腐蚀液滴会被工件表面完全带走或者是部分带走，此时液滴出口处的流量信号增大，通过检测管口处的腐蚀液滴的流量信号变化，所述流量信号的变化对应液滴与工件表面的接触状态变化，当流量从零增加至超过接触状态变化阈值，视为完成对石英玻璃回转体工件的表面修饰。综上，本申请的方法采用半径可控可维持的腐蚀液滴与石英玻璃表面粗糙结构中的“凸起”特征以滑移流动的方式接触，实现腐蚀液滴对工件表面的选择性加工，最终得到无微裂纹、无变质层、表面光滑的石英玻璃回转体工件。此外，与现有技术相比，本申请的方法具有操作简便、可控性好的优点。

另外，根据本发明上述实施例的液滴附壁化学加工的石英玻璃回转体工件的表面修饰方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述腐蚀液滴由氢氟酸和/或氟化铵与水混合得到。由此，腐蚀液滴可以与工件表面上的“凸起”特征发生化学反应从而将其去除。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，采用压力控制的方法控制所述腐蚀液滴的半径大小并保持稳定。由此，腐蚀液滴的半径大小可控性较高。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述管口端面经疏水修饰处理。由此，有利于控制腐蚀液滴的半径大小保持稳定。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述管采用毛细管。

在本发明的一些实施例中，在步骤(3)中，所述腐蚀液滴与所述工件表面的接触面积取决于所述腐蚀液滴的半径以及所述腐蚀液滴的中心与所述工件表面的距离，其中，所述腐蚀液滴半径为0.1～1.5mm，所述腐蚀液滴中心与所述工件表面的距离为0.1～1.12mm。

在本发明的一些实施例中，在步骤(4)中，根据所述工件不同位置的回转半径确定对应的主轴转速下限N。

在本发明的一些实施例中，在步骤(5)中，所述加工过程中，所述腐蚀液滴的运动轨迹包络工件的被加工表面。由此，可以对石英玻璃回转体工件的整个表面进行加工。

在本发明的一些实施例中，在步骤(6)中，通过与所述流量信号相关联的控制系统来完成对所述石英玻璃回转体工件的表面修饰。

在本发明的一些实施例中，所述主轴在旋转过程中的径向跳动≤0.005mm。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的液滴附壁化学加工的石英玻璃回转体工件的表面修饰方法的总体方案示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的液滴附壁化学加工的石英玻璃回转体工件的表面修饰方法流程示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的液滴附壁化学加工中液滴与工件接触示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的液滴附壁化学加工临界相对线速度曲线示意图；

图5是根据本发明的一个实施例的液滴附壁化学加工过程示意图；

图6是根据本发明的一个实施例的表面加工选择性示意图；

图7是实施例1中的液滴重复扫描加工示意图(端面)；

图8是实施例2中的液滴重复扫描加工示意图(外球面)；

图9是实施例3中的液滴重复扫描加工示意图(内球面)。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的第一个方面，本发明提出了一种液滴附壁化学加工的石英玻璃回转体工件的表面修饰方法。根据本发明的实施例，参考图1、2，该方法包括：

S100：将石英玻璃回转体工件装夹在主轴上，主轴带动工件绕工件的中心线旋转

该步骤中，参考图1，通过将石英玻璃回转体工件装夹在主轴8上，主轴8在动力的驱动下可以带动工4绕工件4的中心线旋转。优选地，主轴8在旋转过程中的径向跳动≤0.005mm。发明人发现，若主轴在旋转过程中径向跳动值过大，会导致液滴与工件表面的接触面积不稳定，影响加工质量。

S200：在管口处产生凸出的腐蚀液滴，腐蚀液滴与工件的表面接触，并控制腐蚀液滴的半径大小保持稳定

该步骤中，参考图3和图5-9，由供液系统在管1的开口处产生凸出的腐蚀液滴3，液滴3凸出于管口，腐蚀液滴3与工件4的表面接触，并控制腐蚀液滴3的半径大小保持稳定。需要说明的是，上述腐蚀液滴的具体类型并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如，腐蚀液滴由氢氟酸和/或氟化铵与水混合得到，具体的，腐蚀液滴可以由氢氟酸水混合得到；或者可以由氟化铵与水混合得到；再或者可以由氢氟酸和氟化铵与水混合得到，且氢氟酸和/或氟化铵与水的混合比例并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择。同时，本领域技术人员可以根据实际需要对上述供液系统和管的具体类型进行选择，例如，管可以采用毛细管。优选地，采用压力控制的方法控制腐蚀液滴的半径大小并保持稳定。由此，可以实现对腐蚀液滴半径大小的精确控制，可控性较高。优选地，上述管口端面2经疏水修饰处理，以利于液滴的凸出与保持。

S300：根据腐蚀液滴与工件表面的接触面积以及工件的加工目标表面粗糙度要求，确定工件的相对腐蚀液滴的线速度下限v

该步骤中，根据腐蚀液滴与工件表面的接触面积以及工件的加工目标表面粗糙度要求，确定工件的相对腐蚀液滴的线速度下限v。具体的，在某一液滴半径及接触面积参数下，液滴在工件表面上的润湿状态由相对线速度和表面粗糙度两个因素决定，可由理论计算和经验公式绘制出相应临界曲线，如图4所示，临界曲线上每个点的纵坐标对应工件的加工目标表面粗糙度要求，横坐标对应工件相对腐蚀液滴的线速度下限v，临界曲线的上方为液滴可实现滑移流动区域，临界曲线的下方为无滑移流动区域，即对于特定的工件表面的粗糙度值，发生滑移流动的前提是工件表面与液滴的相对运动线速度高于临界值。

上述过程的理论依据为：液滴与工件表面接触后，润湿表面需要一定的时间，并且由表面粗糙度的定义和润湿原理可知，表面粗糙度值越大，润湿表面所需的时间越多。在液滴完全润湿工件表面之前，液滴和工件表面之间存在空气层，此时液滴在工件表面发生表观滑移(Lauga E,Brenner M,Stone H.Microfluidics:The No-Slip Boundary Condition[J].Springer Berlin Heidelberg.2005.)，腐蚀液滴只与工件表面的“凸起“特征接触，从而达到表面修饰的效果。随着化学加工的进行，表面粗糙度值降低，润湿表面所需的时间减少，接近液滴和工件表面单个位置的接触时间(由接触区域直径和工件表面线速度决定)。因此，可以通过实验得到决定液滴在工件表面润湿状态的相对线速度和表面粗糙度临界曲线。

例如：当加工目标的表面粗糙度要求为Ra₁时，对应曲线上的点为A点(v₁，Ra₁)，从而选定石英玻璃回转体工件相对线速度下限为v₁，即在选定相对线速度为v₁的情况下，当表面粗糙度降低至Ra₁时，固-液界面浸润状态改变，滑移流动无法维持，加工状态发生改变，所以选择v₁作为石英玻璃回转体工件的相对线速度下限。同理，当加工目标的表面粗糙度要求为Ra₂时，对应临界曲线上的点为B点(v₂，Ra₂)，从而选定相应的相对线速度下限为v₂。其中，参考图3，腐蚀液滴3与工件4表面的接触区域为一个半径为r的圆，二者接触面积取决于腐蚀液滴3的半径以及腐蚀液滴3的中心与工件4表面的距离。优选地，腐蚀液滴半径为0.1～1.5mm，腐蚀液滴中心与工件表面的距离为0.1～1.12mm。若腐蚀液滴的半径过小或者腐蚀液滴中心与工件表面的距离过大，即腐蚀液滴与工件表面的接触面积过小，此时加工效率低，甚至会出现接触面积为0的情况，无法进行加工；而若腐蚀液滴的半径过大或者腐蚀液滴中心与工件表面的距离过小，即腐蚀液滴与工件表面的接触面积过大，此时腐蚀液滴会由于挤压的作用发生断裂，使得流量增加量明显提高，难以和加工终点的信号进行区分。由此，采用本申请的腐蚀液滴半径以及腐蚀液滴中心与工件表面的距离，一方面有利于提高加工效率，另一方面可以避免腐蚀液滴在加工过程中发生断裂。

S400：由相对线速度下限v以及工件的回转半径确定主轴的转速下限N

该步骤中，由相对线速度下限v以及工件的回转半径确定主轴的转速下限N。具体的，参照公式：转速＝线速度/2πr，其中，公式中的“线速度”代入步骤S300得到的相对线速度下限v，公式中的“r”代入工件表面某个位置的回转半径，即可得到该位置对应的主轴的转速下限N。进一步地，还可以根据工件不同位置的回转半径确定对应的主轴转速下限N。由此，可以实现对各种具有特殊形状的石英玻璃回转体工件的表面进行加工。

S500：控制主轴的转速≥N，使腐蚀液滴与工件表面的接触处于Cassie状态/Cassie-Baxter状态，并控制腐蚀液滴中心点相对运动对工件表面进行加工，加工过程中腐蚀液滴中心与工件表面的距离保持不变

该步骤中，通过控制主轴的转速≥N，可以控制工件与腐蚀液滴之间的相对线速度≥v，使液滴与工件表面的接触处于Cassie状态/Cassie-Baxter状态，并控制腐蚀液滴中心点相对运动对工件表面进行加工，加工过程中腐蚀液滴中心与工件表面的距离保持不变。具体的，参考图1，以腐蚀液滴的中心点为控制对象，通过数控系统及XZ运动平台9实现液滴中心与工件表面的距离保持不变。发明人发现，由于该步骤中控制腐蚀液滴中心与工件表面的距离保持不变，步骤S200中同样控制腐蚀液滴的半径大小保持稳定，即加工过程中始终控制腐蚀液滴与工件表面的接触面积保持不变，因此可由理论计算和经验公式得到该接触面积对应的临界曲线，参考图5中的A理解，在加工的初始阶段，工件4的表面粗糙度较大，表面粗糙结构的“凸起”特征高度较高，通过控制工件4与腐蚀液滴3之间的相对线速度≥v，此时液滴3的润湿状态为Cassie状态，难以进入到“凸起”特征的间隙中，只与“凸起”特征接触并在反应区域5发生化学反应实现材料的去除。在上述过程中，管口处腐蚀液滴的流量接近为0，腐蚀液滴3中心与工件4表面的距离d₂保持不变，且腐蚀液滴3中心与工件4表面的距离d₂远大于工件4表面凸起高度(0.2～10μm)。

优选地，上述加工过程中，腐蚀液滴的运动轨迹包络工件的被加工表面。由此，可以对石英玻璃回转体工件的整个表面进行加工。具体的，根据石英玻璃回转体工件的形状特点编写好相应的代码程序，并执行程序，使得腐蚀液滴的运动轨迹包络工件的被加工表面，并在加工区域内重复扫描运动，每次扫描运动的轨迹均相同，从而实现液滴附壁化学加工。

进一步地，上述相对运动的速度为0.2～6mm/min，具体的，可以为0.2mm/min、1mm/min、2mm/min、3mm/min、4mm/min、5mm/min或6mm/min。若腐蚀液滴相对运动的速度过快，则易出现液滴形状不稳定难以维持的问题；而若腐蚀液滴相对运动的速度过慢，则易出现在部分区域停留时间过长，提前出现加工终点的信号，而此时仍有其他区域尚未加工完成。因此，需要选取适中的腐蚀液滴相对运动速度(即扫描运动速度)。

S600：检测管口处的腐蚀液滴的流量信号变化，流量信号的变化量对应腐蚀液滴与工件表面的接触状态变化，当流量增加量超过接触状态变化阈值，视为完成对石英玻璃回转体工件的表面修饰

该步骤中，随着上述加工过程的逐渐进行，参考图5中的B理解，工件4表面的“凸起”特征被部分去除，高度下降，工件4的表面粗糙度逐渐减小，液滴3与工件4表面的润湿状态会逐渐向Cassie-Baxter状态转化，液滴3会有一部分进入到间隙中，此时液滴3和工件4表面之间仍然存在“空气层”，滑移流动继续进行；当加工过程继续进行，参考图5中的C理解，工件4表面“凸起”特征的高度进一步下降，当工件4的表面粗糙度降至目标值以下，液滴3完全浸润间隙，“空气层”消失，无法发生滑移流动，此时会出现以下两种情况：(1)液滴3会因为表面力的作用从而发生断裂最终附着在工件4上，供液系统在管口处的后续供液同时也会被带走(如图5中的C)；(2)液滴3与工件4表面的润湿状态为Cassie-Baxter状态时，液滴3进入到间隙中的部分6与原来的液滴3发生分离，液滴3的半径逐渐减小，并最终减小至与工件4表面发生分离，此时供液系统的后续供液无法使得液滴3的半径增加(如图5中的D)。上述两种情况均会使得管口处的流量信号增大，因此可以通过液滴出口处的流量信号变化来判断加工状态是否发生改变，当变化量超过阈值时可以认为此时润湿状态发生改变，视为完成对石英玻璃回转体工件的表面修饰。进一步地，上述阈值为9mL/h。需要说明的是，流量信号检测装置的具体类型并不受特别限制，例如可以为精密流量传感器。进一步地，通过与流量信号相关联的控制系统(未示出)来完成对石英玻璃回转体工件的表面修饰。由此，可以实现对加工终点的精确自动化控制。

发明人发现，通过将石英玻璃回转体工件装夹在主轴上，由主轴带动工件绕工件的中心线旋转，同时在管口处产生凸出的腐蚀液滴，使得腐蚀液滴与工件的表面接触，并控制腐蚀液滴的半径大小保持稳定，再根据腐蚀液滴与工件表面的接触面积以及工件的加工目标表面粗糙度要求，确定工件的相对腐蚀液滴的线速度下限v，并由相对线速度下限v以及工件的回转半径确定主轴的转速下限N，然后控制主轴的转速≥N，使液滴与工件表面的接触处于Cassie状态/Cassie-Baxter状态，以及控制腐蚀液滴中心点相对运动对工件表面进行加工，加工过程中腐蚀液滴中心与工件表面的距离保持不变，在工件表面上的“凸起”特征高度较高，且腐蚀液滴相对工件表面运动速度较快的情况下，由于腐蚀液滴来不及进入到“凸起”特征间隙对工件表面进行润湿就已经移动至下一个“凸起”特征处，从而工件表面上的粗糙结构与液滴之间存在着“空气层”，腐蚀液滴在工件表面发生滑移流动并只与“凸起”特征发生化学反应将其去除，“凸起”特征高度下降，当工件表面的粗糙度加工至目标要求后，腐蚀液滴在工件表面的滑移流动无法继续维持，液滴进入到间隙中，完全润湿工件表面，“空气层”消失，由于表面力的作用，腐蚀液滴会被工件表面完全带走或者是部分带走，此时液滴出口处的流量信号增大，通过检测管口处的腐蚀液滴的流量信号变化，所述流量信号的变化对应液滴与工件表面的接触状态变化，当流量从零增加至超过接触状态变化阈值，视为完成对石英玻璃回转体工件的表面修饰。综上，本申请的方法采用半径可控可维持的腐蚀液滴与石英玻璃表面粗糙结构中的“凸起”特征以滑移流动的方式接触，实现腐蚀液滴对工件表面的选择性加工，最终得到无微裂纹、无变质层、表面光滑的石英玻璃回转体工件。此外，与现有技术相比，本申请的技术具有操作简便、可控性好的优点。

下面详细描述本发明的实施例，需要说明的是下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例1

本实施例以在石英玻璃回转体工件上进行液滴附壁化学加工得到无微裂纹、无变质层、表面光滑的石英玻璃回转体工件为目的，最终石英玻璃回转体工件的表面粗糙度Ra值不超过50nm。参考图7，选用的石英玻璃回转体工件的待加工特征为端面部分，回转半径范围为7.5-10mm，具体材料型号为Corning7980。所选用的石英玻璃回转体工件其表面粗糙度Ra值为0.5μm。选用的腐蚀液为缓冲氧化物刻蚀液(配置后的成分为3wt％HF，30wt％NH₄F)。主要步骤如下：

1)石英玻璃工件装夹在精密旋转主轴(径向跳动≤0.005mm)上，使其可绕中心线旋转；

2)利用供液系统，通过压力控制的方法产生半径为0.50mm大小的液滴(毛细管管口端面经疏水修饰处理)，并保持液滴半径大小不变；

3)预设的液滴中心与工件表面的距离为0.48mm，此时液滴与工件的接触区域为半径为0.14mm的圆，在此条件下，结合加工目标表面粗糙度Ra值不超过50nm，得到相应的临界相对线速度曲线，并找到临界相对线速度曲线上的B点(15.7m/s，50nm)，选定相应的相对线速度为15.7m/s；

4)结合回转体的待加工特征为半径7.5-10mm范围的端面，选定相应的工件转速参数为15000-20000rpm，加工过程中转速随着加工位置的回转半径变化而变化，保证相对线速度始终≥15.7m/s；

5)确定液滴中心点和工件表面的相对位置，根据加工需要编写好G代码程序，并执行程序使得液滴在加工区域重复扫描运动进行化学加工，加工过程中的工件转速为15000-20000rpm，液滴中心点的扫描运动的速度为1mm/min，在加工过程中保持液滴中心点与工件表面的距离为0.48mm不变，相对线速度始终≥15.7m/s；液滴中心点的扫描运动轨迹如图7所示，其中1表示液滴出口处毛细管，3表示液滴，4表示工件(半剖示意图)，7表示扫描加工运动轨迹。

6)通过状态检测模块检测液滴出口处流量信号变化，当液滴出口处的流量超过9ml/h时，判断此时加工状态发生改变，此时停止加工，去除残留腐蚀液，完成石英玻璃回转体工件的表面修饰。修饰后工件无微裂纹、无变质层、表面光滑。

实施例2

本实施例以在石英玻璃回转体工件上进行液滴附壁化学加工得到无微裂纹、无变质层、表面光滑的石英玻璃回转体工件为目的，最终石英玻璃回转体工件的表面粗糙度Ra值不超过50nm。参考图8，选用的石英玻璃回转体工件的待加工特征为半径10mm外球面，其回转半径范围为2-10mm，具体材料型号为Corning7980。所选用的石英玻璃回转体工件其表面粗糙度Ra值为0.5μm。选用的腐蚀液为缓冲氧化物刻蚀液(配置后的成分为3wt％HF，30wt％NH₄F)。主要步骤与实施例1中基本相同，两者的区别仅在于步骤4)和步骤5)，本实施例的步骤4)和步骤5)表述如下：

4)结合回转体的待加工特征为半径2-10mm范围的外球面，选定相应的工件转速参数为15000-75000rpm，加工过程中转速随着加工位置的回转半径变化而变化，保证相对线速度始终≥15.7m/s；

5)确定液滴中心点和工件表面的相对位置，根据加工需要编写好G代码程序，并执行程序使得液滴在加工区域重复扫描运动进行化学加工，加工过程中的工件转速为15000-75000rpm，液滴中心点的扫描运动的速度为1mm/min，在加工过程中保持液滴中心点与工件表面的距离为0.48mm不变，相对线速度始终≥15.7m/s；液滴中心点的扫描运动轨迹如图8所示。修饰后工件无微裂纹、无变质层、表面光滑。

实施例3

本实施例以在石英玻璃回转体工件上进行液滴附壁化学加工得到无微裂纹、无变质层、表面光滑的石英玻璃回转体工件为目的，最终石英玻璃回转体工件的表面粗糙度Ra值不超过50nm。参考图9，选用的石英玻璃回转体工件的待加工特征为半径9mm内球面，其回转半径范围为2-9mm，具体材料型号为Corning7980。所选用的石英玻璃回转体工件其表面粗糙度Ra值为0.5μm。选用的腐蚀液为缓冲氧化物刻蚀液(配置后的成分为3wt％HF，30wt％NH₄F)。主要步骤与实施例1中基本相同，两者的区别仅在于步骤4)和步骤5)，本实施例的步骤4)和步骤5)表述如下：

4)结合回转体的待加工特征为半径2-9mm范围的内球面，选定相应的工件转速参数为17000-75000rpm，加工过程中转速随着加工位置的回转半径变化而变化，保证相对线速度始终≥15.7m/s；

5)确定液滴中心点和工件表面的相对位置，根据加工需要编写好G代码程序，并执行程序使得液滴在加工区域重复扫描运动进行化学加工，加工过程中的工件转速为15000-75000rpm，液滴中心点的扫描运动的速度为1mm/min，在加工过程中保持液滴中心点与工件表面的距离为0.48mm不变，相对线速度始终≥15.7m/s；液滴中心点的扫描运动轨迹如图9所示。特别地，在加工内球面时需要调整管口和工件的角度以避免和工件发生干涉。修饰后工件无微裂纹、无变质层、表面光滑。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种液滴附壁化学加工的石英玻璃回转体工件的表面修饰方法，其特征在于，包括：

(1)将石英玻璃回转体工件装夹在主轴上，所述主轴带动所述工件绕所述工件的中心线旋转；

(2)在管口处产生凸出的腐蚀液滴，所述腐蚀液滴与所述工件的表面接触，并控制所述腐蚀液滴的半径大小保持稳定；

(3)根据所述腐蚀液滴与所述工件表面的接触面积以及所述工件的加工目标表面粗糙度要求，确定所述工件的相对所述腐蚀液滴的线速度下限v；

(4)由所述相对线速度下限v以及所述工件的回转半径确定所述主轴的转速下限N；

(5)控制所述主轴的转速≥N，使所述腐蚀液滴与所述工件表面的接触处于Cassie状态/Cassie-Baxter状态，并控制所述腐蚀液滴中心点相对运动对所述工件表面进行加工，所述加工过程中所述腐蚀液滴中心与所述工件表面的距离保持不变；

(6)检测所述管口处的腐蚀液滴的流量信号变化，所述流量信号的变化对应所述腐蚀液滴与所述工件表面的接触状态变化，当流量从零增加至超过接触状态变化阈值，视为完成对所述石英玻璃回转体工件的表面修饰。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述腐蚀液滴由氢氟酸和/或氟化铵与水混合得到。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，采用压力控制的方法控制所述腐蚀液滴的半径大小并保持稳定。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述管口端面经疏水修饰处理；

任选地，在步骤(2)中，所述管采用毛细管。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述腐蚀液滴与所述工件表面的接触面积取决于所述腐蚀液滴的半径以及所述腐蚀液滴的中心与所述工件表面的距离，其中，所述腐蚀液滴半径为0.1～1.5mm，所述腐蚀液滴中心与所述工件表面的距离为0.1～1.12mm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，根据所述工件不同位置的回转半径确定对应的主轴转速下限N。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述加工过程中，所述腐蚀液滴的运动轨迹包络工件的被加工表面。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(6)中，通过与所述流量信号相关联的控制系统来完成对所述石英玻璃回转体工件的表面修饰。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主轴在旋转过程中的径向跳动≤0.005mm。

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