CN114918742A - 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 - Google Patents
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Abstract
本发明属于精密和超精密加工技术领域，具体涉及一种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，包括加工机构和驱动机构，加工机构包括金属结合剂砂轮、第一导电件、第二导电件和抛光电极，金属结合剂砂轮的底部具有打磨头，第一导电件与金属结合剂砂轮电连接，抛光电极设置于金属结合剂砂轮下端并与第二导电件电连接。本发明利用电流变效应增强抛光液粘度，强化磨削剪切面流体动压力场强度，抑制磨削表面损伤，进一步，利用电流变效应形成的柔性抛光头进行原位柔性抛光，可以解决微结构磨削后抛光难的问题，获得高表面质量的微结构表面，成本低、装置简单。
Description
技术领域
本发明属于精密和超精密加工技术领域，具体涉及一种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。
背景技术
微结构表面是存在规律性拓扑阵列结构的表面。脆性材料微结构元件能实现生物、电子、光学等特定功能，被广泛运用于航空航天、生物医疗等领域。常见的脆性材料微结构有孔、沟槽、狭缝、金字塔等阵列，主要加工技术手段包括磨削、抛光、激光加工、化学刻蚀等。脆性材料微结构磨削表面的损伤会导致元器件性能降低，存在后续抛光难度大、效率低等问题。
超精密磨削的材料去除方式由脆性向塑性转变，在塑性域加工可以得到阵列V槽、微阵列透镜模具及微小刀具等微结构表面。磨削后的微结构表面虽然能够达到被加工工件的尺寸大小、形状精度等要求，却因为磨削机理和微结构尺寸的影响，使表面的完整性受到破坏，加工残余应力导致微结构表面形成损伤层，尤其在微结构的交汇处容易引起表面损伤、结构破碎等缺陷。因此，除了进一步探究低损伤的磨削加工降低微结构表面的损伤之外，需要进一步抛光来改善微结构交汇处完整性及去除损伤层提高表面完整性。
抛光是目前最主要的终加工手段，其目的主要有两个，一是修正面形使工件满足面形精度要求，二是去除前道工序在工件表面留下的损伤层，进一步改善工件表面质量。经过不断地深入探索，应用较为广泛的复杂表面抛光技术有气囊抛光、磁流变抛光、磨料水射流抛光、力流变抛光等。气囊抛光使用的抛光工具为特制的柔性气囊，结合数控技术进行抛光，能够很好的控制工件表面精度和质量。气囊抛光对工件表面加工是以小区域的柔性接触方式进行的，对加工设备有较高的精度控制要求。磁流变抛光利用磁流变液的磁流变效应形成的“柔性抛光头”对工件表面进行非接触式加工。力流变抛光技术通过非牛顿流体的流变效应，在一定剪切力作用下包裹磨料形成“粒子簇”，形成“柔性固着磨具”实现材料的高质量去除。上述抛光方法适合复杂曲面的抛光，用于微结构表面抛光存在抛光工具小型化难题以及流场可控性差等问题。
已公开中国发明专利(CN201110020419.X)，专利名称：用于微结构表面精密加工的超声振动辅助磨削装置，通过调整旋转台和倾斜台保证磨削方向与振动方向平行，使得超声振动的方向可随意调节，避免了加工超硬材料微结构表面时振动轨迹会与表面结构发生干涉。该方法通过超声振动减少微结构尖锐处的破碎现象，提高微结构面形精度，不涉及抛光工艺。实际应用中，微结构磨削后抛光时需要二次装夹，对刀工序复杂，且难以避免对刀误差。
已公开中国发明专利(CN201910226628.6)，专利名称：微沟槽结构表面的精密磨削加工方法，基于砂轮外圆规则微结构沟槽阵列表面的磨削加工形成机理，结合砂轮修整和磨削运动学，建立微沟槽的磨削轨迹和尺寸模型。该方法建立了微沟槽结构表面与砂轮修整、磨削工艺条件之间的关系，可有效提高微沟槽结构表面的精密磨削的加工精度及质量。但该方法不涉及对磨削表面损伤的抑制策略，不涉及硬脆材料微结构抛光工艺。
已公开中国发明专利(CN202010785647.5)，专利名称：电火花磨削加工表面微沟槽的方法及其装置。该方法属于非接触式加工，利用驱动机构驱动第一磨粒对微沟槽表面去除重铸层，同时旋转圆盘带动第二磨粒对表面微沟槽侧壁和底部进行微磨削。该方法解决了重铸层对微结构的表面质量和使用寿命的影响。但是电火花加工要求被加工工件必须为可导电材料，制约了加工材料的范围。
目前，未见有基于电流变效应的微结构磨-抛加工相关专利。电流变抛光液在电场下发生电流变效应，即固相粒子被极化形成链状结构，表观粘度增大、凝固，表现出剪切屈服应力。根据砂轮与工件的间隙不同，可以分为低损伤磨削工艺和原位柔性抛光工艺，磨削时砂轮微微压入工件，电流变效应使流体粘度剧增强化流体压力，实现微结构表面的低损伤加工；抛光时工件和砂轮非接触，利用抛光液对游离磨料的把持作用，改善磨削后留下的损伤层，对底部材料去除，实现微结构工件表面的原位抛光。
本发明利用电流变效应的链状结构，将磨料颗粒夹杂在粒子链中，对微结构表面实现电流变辅助原位磨-抛加工，旨在降低磨削表面损伤；同时，不需二次装夹及额外的对刀步骤，原位抛光去除磨削后留下的损伤层。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提供一种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技术方案。
一种基于电流变效应的微结构原位磨抛加工装置，包括加工机构和用以驱动加工机构移动和旋转的驱动机构，所述加工机构包括金属结合剂砂轮、第一导电件、第二导电件和抛光电极，所述金属结合剂砂轮的底部具有打磨头，所述第一导电件、第二导电件相对设置于金属结合剂砂轮上，所述第一导电件与金属结合剂砂轮电连接，第二导电件与金属结合剂砂轮绝缘，所述抛光电极设置于金属结合剂砂轮下端并与第二导电件电连接，抛光电极与金属结合剂砂轮之间绝缘。
进一步地，所述抛光电极为环形结构，所述打磨头的外径小于抛光电极的内径，所述打磨头位于该环形结构的中央。
进一步地，所述打磨头底部位置低于抛光电极的底部位置。
进一步地，所述第一导电件和第二导电件为套设于金属结合剂砂轮上的环形结构，两者上下相对设置。
进一步地，所述金属结合剂砂轮的下端套设绝缘支架，所述第二导电件和抛光电极设置于绝缘支架上。
进一步地，所述抛光电极通过引线与第二导电件电连接。
进一步地，所述第一导电件和第二导电件分别与电源的正负极电连接。
进一步地，所述电源与调压控制器电连接。
本发明还提供一种基于电流变效应的微结构原位磨抛加工方法，采用如上所述加工装置实现，包括如下步骤：
S1配制具有电流变效应的电流变抛光液代替传统磨削液；
S2装夹工件，安装加工装置，完成磨削对刀；
S3向磨-抛加工区域输送电流变抛光液，或将工件浸没于电流变抛光液中；
S4金属结合剂砂轮通过第一导电件与电源连通，抛光电极通过第二导电件与高压直流电源连通，开启电源，在电极-砂轮之间产生均匀稳定的电场；
S5启动驱动机构，调节电源电压，利用电流变效应进行微结构表面低损伤磨削；
S6调整金属结合剂砂轮和工件的间隙，以及直流电源电压，进行微结构表面原位柔性抛光。
进一步地，所述S6中，抛光时不需二次装夹及额外的对刀步骤，调整工件与砂轮的间隙为0～5mm，利用电流变效应形成的柔性抛光头进行原位柔性抛光。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明利用电流变效应的链状结构，将磨料颗粒夹杂在粒子链中，对微结构表面实现电流变辅助原位磨-抛加工，旨在降低磨削表面损伤；
2)本发明将磨削与抛光相结合，先是通过金属结合剂砂轮的打磨头与电流变效应的结合实现电流变磨削，然后利用环形电极与电流变效应的结合实现电流变抛光，加工效果更佳；
3)不需二次装夹及额外的对刀步骤，原位抛光去除磨削后留下的损伤层。
附图说明
图1是实施例1使用状态结构示意图；
图2是实施例1结构示意图；
图3无电场状态下图1中A处的局部放大图；
图4加电场状态下图1中A处的局部放大图；
图5为实施例2流程图；
图6是实施例4加工V形槽阵列表面微结构示意图；
图7是实施例5加工二维槽阵列表面微结构示意图。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1
请参阅图1-4，一种基于电流变效应的微结构原位磨抛加工装置，包括加工机构和用以驱动加工机构移动和旋转的驱动机构4，加工机构4包括金属结合剂砂轮8、第一导电件9、第二导电件10和抛光电极13，金属结合剂砂轮8的底部具有打磨头800，第一导电件9、第二导电件10相对设置于金属结合剂砂轮8上，第一导电件9与金属结合剂砂轮8电连接，第二导电件10与金属结合剂砂轮8绝缘，抛光电极13设置于金属结合剂砂轮8下端并与第二导电件10电连接，抛光电极13与金属结合剂砂轮8之间绝缘。
其中驱动机构4为公知技术，包括滑台等常规的升降横移结构以及用来带动金属结合剂砂轮8旋转的电机。
继续参阅图2，抛光电极13为环形片状结构，打磨头800的外径小于抛光电极13的内径，打磨头800位于该环形结构的中央，并且打磨头800底部位置低于抛光电极13的底部位置。
继续参阅图1和图2，第一导电件9和第二导电件10为套设于金属结合剂砂轮8上的环形结构，两者上下相对设置，第一导电件9和第二导电件10分别与电源5的正负极电连接，以使第一导电件9成为正极导电环，第二导电件10成为负极导电环，电源5与调压控制器6电连接，电源5优选为直流高压电源。
其中，第一导电件9和第二导电件10也可以设计成其他形状。
进一步参阅图2，金属结合剂砂轮8的下端套设绝缘支架12，绝缘支架12通过顶丝11固定于金属结合剂砂轮8上，第二导电件10套设于绝缘支架12上，抛光电极13粘接于绝缘支架12底部，第二导电件10和抛光电极13通过绝缘支架12实现与金属结合剂砂轮8之间的绝缘，并且抛光电极13通过引线14与第二导电件10电连接，引线14优选为薄铜片引线。
本实施例的工作原理：在电场下抛光液3发生电流变效应，分散相颗粒14和磨粒颗粒15被极化沿着电场线16成链状结构，增加流体粘性形成柔性抛光头。磨抛加工前，将工件2固定在储液槽1底部，然后将工件2浸没于电流变抛光液3中，且液面高于加工过程中环形电极13的位置，通过调节驱动机构4移动金属结合剂砂轮8到合适位置进行磨抛加工。根据金属结合剂砂轮8与工件2的间隙7不同，可以分为“低损伤磨削”工艺和“原位柔性抛光”工艺。磨削时调整加工间隙7使金属结合剂砂轮8微微压入工件2，电流变效应使得流体粘度剧增强化流体压力，实现微结构表面的低损伤加工；抛光时工件2和金属结合剂砂轮8留有一定的抛光间隙7，利用抛光液3对游离磨料15的把持作用，改善磨削后留下的损伤层，实现微结构表面的原位柔性抛光，实现基于电流变效应的微结构原位磨-抛加工，得到高质量表面。
本实施例可根据不同形状的砂轮及不同需求的磨削深度加工出不同尺寸的微结构表面，并控制不同的间隙可实现多种应用要求。
本实施例利用电流变效应增强抛光液粘度，强化磨削剪切面流体动压力场强度，抑制磨削表面损伤，进一步，利用电流变效应形成的柔性抛光头进行原位柔性抛光，可以解决微结构磨削后抛光难的问题，获得高表面质量的微结构表面，成本低、装置简单。
本实施例的优点在于：
1)综合电流变效应、流体动压效应抑制磨削表面损伤；
2)不需二次装夹及额外的对刀步骤，实现微结构磨削之后原位柔性抛光；
3)加工装置结构紧凑，与电源及电流变抛光液构成辅助加工系统。
实施例2
请参阅图5，一种基于电流变效应的微结构原位磨抛加工方法，采用如上加工装置实现，包括如下步骤：
S1配制具有电流变效应的电流变抛光液代替传统磨削液；
S2装夹工件，安装加工装置，完成磨削对刀；
S3向磨-抛加工区域输送电流变抛光液，或将工件浸没于电流变抛光液中；
S4金属结合剂砂轮通过第一导电件与电源连通，抛光电极通过第二导电件与高压直流电源连通，开启电源，在电极-砂轮之间产生均匀稳定的电场；
S5启动驱动机构，调节电源电压，利用电流变效应进行微结构表面低损伤磨削；
S6调整金属结合剂砂轮和工件的间隙，以及直流电源电压，进行微结构表面原位柔性抛光。
其中，电流变抛光液是由具有电流变效应的基液混入磨料及添加剂制备而成，具有电流变效应的基液能在外电场作用下发生电流变效应，由高介电常数的分散相颗粒分散在绝缘的基础液中制备成。此为公知技术，不作赘述。
其中，磨料种类包括金刚石、立方氮化硼、碳化硅、氧化铝、氧化硅、氧化锆、氧化铈，以及复合磨料中的一种或多种，粒径范围为0.5～10μm，占抛光液质量分数的5％～50％。
其中，添加剂包括分散剂、表面活性剂、PH调节剂、化学活性剂中的一种或几种，质量分数占比小于5％。
其中，电极-砂轮之间产生均匀稳定的电场，引起填充的电流变抛光液发生电流变效应，粘度极大增加，强化磨削剪切面流体动压力场强度，在磨削过程中抑制表面损伤。
其中，抛光时不需二次装夹及额外的对刀步骤，调整工件与砂轮的间隙为0～5mm，利用电流变效应形成的柔性抛光头进行原位柔性抛光。
实施例3
加工尺寸为：宽度2mm，深度40μm的石英玻璃微沟槽低损伤磨削时，其加工步骤如下：
1)配制具有电流变效应的电流变抛光液代替传统磨削液，抛光液各成分比例如下：CeO2磨料颗粒15wt.％、分散相颗粒(PHHP)30wt.％、二甲基硅油55wt.％。首先在硅油中加入磨料，搅拌均匀后再加入分散相颗粒，进一步充分搅拌配制得到具有电流变效应的电流变抛光液。抛光液在电场下发生电流变效应，分散相颗粒和磨粒颗粒发生极化，产生感应电荷形成偶极子，带有偶极矩的粒子产生定向运动，所以粒子在静电力下定向排列，粒子从无序随机的状态变化到有序化、成链、成束或形成某种结构，对外表现出粘度增大、凝固等流变现象，强化磨削剪切面流体动压力场强度，在磨削过程中抑制表面损伤。
2)将石英玻璃工件2采用两液混合硬化胶固定在储液槽1底部，金属结合剂砂轮8安装在驱动机构4上进行磨削对刀，完成对刀后添加电流变抛光液3完全浸没工件2，且液面高于加工过程中环形电极13的位置。
3)电源5通过正、负极导电环分别连接金属结合剂砂轮8和环形电极13，利用调压控制器6选择合适的电压。
4)设置相关磨削参数，启动驱动机构4，利用金属结合剂砂轮8在电流变效应下对工件2进行磨削加工，从而实现脆性材料微结构表面的低损伤磨削。
实施例4
本实施例与实施例4不同的是：金属结合剂砂轮8为锥形结构，粒径可选10～300μm。其它步骤及参数与实施例3相同。加工出的表面微结构为V形槽阵列，其深度为100μm，V沟槽角度为60°，如图6所示。
实施例5
本实施例与具体实施例3、实施例4不同的是：加工出的一维表面微结构阵列之后，变更加工进给方向，能够加工出二维表面微结构阵列，如图7所示，其长宽高尺寸为100μm×100μm×40μm。其它步骤及参数与实施例1相同。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于电流变效应的微结构原位磨抛加工装置，包括加工机构和用以驱动加工机构移动和旋转的驱动机构，其特征在于，所述加工机构包括金属结合剂砂轮、第一导电件、第二导电件和抛光电极，所述金属结合剂砂轮的底部具有打磨头，所述第一导电件、第二导电件相对设置于金属结合剂砂轮上，所述第一导电件与金属结合剂砂轮电连接，第二导电件与金属结合剂砂轮绝缘，所述抛光电极设置于金属结合剂砂轮下端并与第二导电件电连接，抛光电极与金属结合剂砂轮之间绝缘。
2.根据权利要求1所述的一种基于电流变效应的微结构原位磨抛加工装置，其特征在于，所述抛光电极为环形结构，所述打磨头的外径小于抛光电极的内径，所述打磨头位于该环形结构的中央。
3.根据权利要求1所述的一种基于电流变效应的微结构原位磨抛加工装置，其特征在于，所述打磨头底部位置低于抛光电极的底部位置。
4.根据权利要求1-3中任一所述的一种基于电流变效应的微结构原位磨抛加工装置，其特征在于，所述第一导电件和第二导电件为套设于金属结合剂砂轮上的环形结构，两者上下相对设置。
5.根据权利要求1-3中任一所述的一种基于电流变效应的微结构原位磨抛加工装置，其特征在于，所述金属结合剂砂轮的下端套设绝缘支架，所述第二导电件和抛光电极设置于绝缘支架上。
6.根据权利要求6所述的一种基于电流变效应的微结构原位磨抛加工装置，其特征在于，所述抛光电极通过引线与第二导电件电连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于电流变效应的微结构原位磨抛加工装置，其特征在于，所述第一导电件和第二导电件分别与电源的正负极电连接。
8.根据权利要求7所述的一种基于电流变效应的微结构原位磨抛加工装置，其特征在于，所述电源与调压控制器电连接。
9.一种基于电流变效应的微结构原位磨抛加工方法，其特征在于，采用如权利要求1-8中任一所述加工装置实现，包括如下步骤：
S1配制具有电流变效应的电流变抛光液代替传统磨削液；
S2装夹工件，安装加工装置，完成磨削对刀；
S3向磨-抛加工区域输送电流变抛光液，或将工件浸没于电流变抛光液中；
S4金属结合剂砂轮通过第一导电件与电源连通，抛光电极通过第二导电件与高压直流电源连通，开启电源，在电极-砂轮之间产生均匀稳定的电场；
S5启动驱动机构，调节电源电压，利用电流变效应进行微结构表面低损伤磨削；
S6调整金属结合剂砂轮和工件的间隙，以及直流电源电压，进行微结构表面原位柔性抛光。
10.根据权利要求1所述的一种基于电流变效应的微结构原位磨抛加工方法，其特征在于，所述S6中，抛光时不需二次装夹及额外的对刀步骤，调整工件与砂轮的间隙为0～5mm，利用电流变效应形成的柔性抛光头进行原位柔性抛光。
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