CN115401530B - 一种微阵列模具控形柔性抛光方法 - Google Patents

一种微阵列模具控形柔性抛光方法 Download PDF

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Abstract

一种微阵列模具控形柔性抛光方法，为控形柔性抛光。方案一：工件下方安装磁铁，使配制的磁性磨料在磁场力作用下与工件表面贴合并产生接触压力；工件上方安装磁性抛光工具，通过在工具上吸附球形磁铁使其磁化，具备吸附磁性磨料的能力；抛光工具自身旋转，在磁力和离心力的作用下，工具尖端的磁性磨料形成球状抛光头。方案二：采用剪切增稠液，将球头铣刀安装在工件上方，通过球头铣刀的高速旋转，带动剪切增稠液旋转并产生相对的剪切运动，在剪切增稠效应的作用下进行抛光。上述两种方案可以适应微阵列模具特征点的曲率，达到保持微阵列模具面形的目的，可以抛光磁性和非磁性材料，适用范围广。本发明可实现对微阵列模具的高效抛光，克服微阵列模具抛光过程中面形精度和表面质量较低的问题，保持微阵列模原有的面形精度并获得较高的表面质量。

Description

一种微阵列模具控形柔性抛光方法
技术领域
本发明属于精密/超精密加工领域，涉及一种针对微阵列模具的控形柔性抛光加工方法。
背景技术
微纳结构器件由于具有小型化、集成化、轻量化等优势而被广泛应用于微系统中，在微光学、光学工程、摩擦学、表面工程、生物及生物医药工程等领域发挥着巨大的作用。精密玻璃成形技术是制造微纳结构器件的最有效方法，其前提是有高精度的微阵列模具与其相匹配。
然而，由于微阵列模具具有尺寸极小(单个特征尺寸为0.1-1000μm)表面质量极高的特点，这在很大程度上增加了其加工和制造难度。传统的机械加工方法，如单点金刚石车削，虽可以获得纳米级表面粗糙度，但是在加工过程中会在模具表面留下刀纹、划痕等缺陷，影响微纳结构器件的复制精度，因而仍需要后续的抛光处理。
抛光主要是指利用机械、化学或电化学的作用使工件表面粗糙度降低，以获得光亮、平整表面的一种修饰加工方法，其主要目的是去除前道工序所产生的表面缺陷，降低面形误差。其中，平面工件的抛光往往采用固结磨料抛光垫或者游离磨料进行，抛光垫和工件面形可以很好的吻合，得到较好的抛光效果。球面和自由曲面工件的抛光往往采用小工具头，通过制作与工件曲率相同的磨头来进行抛光。受制于微阵列模具单个特征的尺寸限制，传统的方法无法对其进行抛光。
中国发明专利(CN 103495917 B)，专利名称：一种用于光学非球面加工的磁悬抛光装置。该专利提供了一种用于光学非球面加工的磁悬液抛光装置，该装置由磁悬液抛光头机构和三轴运动机构两部分组成，加工过程无需抛光液循环。但该装置仅限于对较大平面进行抛光，结构功能单一，无法抛光具有一定曲率的工件表面，且难以保证较高的面型精度。
中国发明专利(CN 100431790 C)，专利名称：光学玻璃和硅单晶非球面光学元件的加工方法。该专利提供了一种光学元件的加工技术，该技术采用蝶形磨盘对工件进行磨削，通过磨盘与工件表面贴合，同时做相对运动，使工件表面的微小凸起被磨削，从而逐渐形成光滑的表面。但是这种加工工艺中，抛光磨盘灵活性差，难以与抛光表面变化的曲率半径相适应。
中国发明专利(CN 105500181 B)，专利名称：抛光处理装置、基板处理装置及抛光处理方法。该专利提供了一种抛光处理装置，该装置主要有研磨单元、修整台、喷嘴、抛光头等组成，抛光时可抑制基板的损伤并且进行研磨。但该装置结构较为固定，不方便移动抛光位置，且在加工过程没有对抛光液进行合理的回收，容易对环境造成污染。
发明内容
针对传统抛光方法难以对微阵列模具进行加工的问题，本发明提出了一种新的微阵列模具控形柔性抛光方法，该方法能够保持微阵列模具原有的面形精度并获得较高的表面质量。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种微阵列模具控形柔性抛光方法，包括以下步骤：
第一步：对微阵列模具3进行初始检测
对需要加工的微阵列模具3(工件)的初始状况进行检测，包括微阵列模具3上特征点12的尺寸、初始表面粗糙度及初始表面形貌，微阵列模具3的初始面形等。其中，特征点12的尺寸为微米级。
第二步：抛光液配制
加工工具使用尖端抛光工具1时，需要配制磁性磨料。具体的，将一定粒径的金刚石磨料7及铁粉6按照4:1的质量比进行混合得到磁性磨料，并添加偶联剂，通过偶联剂将金刚石磨料7粘结在铁粉6表面。所述的偶联剂的添加量为每5g磁性磨料添加1ml偶联剂；偶联剂种类为硅烷偶联剂。所述的金刚石磨料7的粒径范围在3-5μm之间。
可选地，针对磁性材料模具，可选用剪切增稠抛光方法。将加工工具更换为球头铣刀8，此时需要配制用于产生剪切增稠效应的剪切增稠液11。具体的，剪切增稠液包括磨粒10、剪切增稠相以及去离子水等。所述剪切增稠相为多羟基聚合物9，其质量分数为45～52wt％；所述磨粒10选用氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铈、氧化锆中的一种或多种组合，粒径1～10μm，比例10～15wt％；其余为去离子水。使用超声将磨粒10、剪切增稠相、去离子水以一定比例混合均匀。
第三步：工具安装
将磁性磨料置于微阵列模具3上表面。将微阵列模具3安装在三轴移动平台上；将尖端抛光工具1通过夹头21安装在电机16上，使其可以进行旋转。所述尖端抛光工具1的底部加工端为尖端，且尖端抛光工具1本身可以导磁，通过在尖端抛光工具1顶部吸附球形磁铁22使其磁化，并具备吸附磁性磨料的能力；将磁铁5安装于微阵列模具3下方，使得磁性磨料在磁场力的作用下与工件表面贴合并产生一定的接触压力；将电机16安装在三轴移动平台的Z轴20上，使其可以沿微阵列模具3轴向进行移动。
可选地，将剪切增稠液11置于微阵列模具3上表面。将微阵列模具3安装在三轴移动平台上；将球头铣刀8通过夹头21安装在电机16上，使其可以进行旋转。所述球头铣刀8的底部加工端为球形，且加工端的直径小于微阵列特征点12的直径，通过电机16带动球头铣刀8高速旋转，进而带动剪切增稠液11旋转并与特征点12之间产生相对的剪切运动，当剪切速率到达一定值的时候产生剪切增稠效应，此时剪切增稠液中的磨粒10在多羟基聚合物9的包裹下完成对特征点12的抛光。将电机16安装在三轴移动平台的Z轴20上，使其可以沿微阵列模具3轴向进行移动。
第四步：设置抛光参数
所需设置的抛光参数主要包括微阵列模具3和尖端抛光工具1之间的间隙、微阵列模具3的运动轨迹13，电机16的转速等，上述参数根据实际情况确认，其中，通过三轴平台Z轴20调节微阵列模具3和尖端抛光工具1之间的抛光间隙，使尖端抛光工具1始终沿着抛光路径2运动，保证抛光过程中不会损坏其面形精度；通过三轴平台使微阵列模具3可以按照运动轨迹13进行XY二维平面运动。
尖端抛光工具1自身旋转，在磁力和离心力的作用下，工具1尖端的磁性磨料7形成球状抛光头，且该抛光头具有柔性，能够适应微阵列模具3特征点12的曲率，达到保持微阵列模具3面形的目的。通过工件下方磁铁5对磁性磨料产生的磁场力以及尖端抛光工具1转动后与微阵列模具3之间产生的相对运动实现材料去除，去除微阵列模具3表面的划痕、刀纹等缺陷，获得高质量表面。通过控制尖端抛光工具1沿运动轨迹13运动，实现对微阵列模具3所有特征点12的抛光。
第五步：模具质量检测
对抛光后的微阵列模具3进行检测，包括微阵列模具3特征点12的尺寸、抛光后表面粗糙度及抛光后表面形貌，微阵列模具3抛光后的面形等，判断是否符合加工要求，若符合，则进行下一道工序，否则返回第四步，再进行抛光，再检测，直至符合加工要求。
第六步：完成。
进一步的，本发明中的金刚石磨料7可以根据微阵列模具3材料选择氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铈、氧化锆中的一种或多种组合。
进一步的，本发明可以在抛光过程中增加化学作用引入化学场进行复合。
本发明的有益效果为：
(1)本发明针对微阵列模具3难抛光的特性提出了一种新的控形柔性抛光方法；
(2)采用尖端抛光工具1或球头铣刀8，摆脱了微阵列模具3特征点12尺寸极小的限制，在保持原有面形精度的同时可以获得高质量表面；
(3)采用磁场辅助和剪切增稠两种抛光方法，即可抛光非磁性材料，也可抛光磁性材料，摆脱了模具材料的限制；
(4)可以进行多场耦合，进一步提高抛光质量和效率。
附图说明
图1为微阵列模具控形柔性抛光方法流程图；
图2为微阵列模具磁场辅助控形柔性抛光原理图；
图3为微阵列模具剪切增稠控形柔性抛光原理图；
图4为微阵列模具示意图；
图5为抛光路径示意图；
图6为实施例1拋光示意图；
图中：1尖端抛光工具；2抛光路径；3微阵列模具；4磁感线；5磁铁；6铁粉；7金刚石磨料；8球头铣刀；9多羟基聚合物；10磨粒；11剪切增稠液；12特征点；13运动轨迹；14大理石龙门架；15电机座；16电机；17X轴；18Y轴；19大理石平台；20Z轴；21夹头；22球形磁铁。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明的原理及技术方案进行清楚、完整的描述。所描述实施例仅为本发明的部分实施例，而非全部实施例。基于以下实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例都属于本发明保护的范围。
实施例1：
参照图1、图2、图4、图5及图6，采用图6所示装置对微阵列模具3进行磁场辅助控形柔性抛光。此微阵列模具3为光学玻璃精密成形模具，其上有8×9排布的球面特征点12，单个特征点12直径为800μm，深度为120μm。
基于微阵列模具磁场辅助控形柔性抛光方法，包括以下步骤：
第一步，模具初始检测。
通过ZYGO白光干涉仪，MITAKA表面轮廓仪，超景深显微镜等仪器对微阵列模具3的初始状况进行检测，检测内容包括微阵列模具特征点12的尺寸、初始表面粗糙度及初始表面形貌，微阵列模具3的初始面形。
第二步，配制磁性抛光磨料。
将粒径为3-5μm的金刚石磨料7及铁粉6按照4:1的质量比进行混合，并添加偶联剂，通过偶联剂将金刚石磨料7粘结在铁粉6表面，避免磨料7在旋转过程中被甩出，同时作用在铁粉6上的磁场力可以将磨料7压在微阵列模具3表面，产生抛光压力。所述的偶联剂的添加量为每5g磁性磨料添加1ml偶联剂；偶联剂种类为硅烷偶联剂。
第三步，工具安装。
将磁性抛光磨料置于微阵列模具3上表面。
将微阵列模具3和尖端抛光工具1进行安装，安装要求为将所述微阵列模具3安装于三轴平台X轴17上，二者之间通过双面胶进行粘接，通过控制三轴平台X轴17、Y轴18可以使微阵列模具3按照运动轨迹13进行移动。所述三轴平台主体由大理石龙门架14和大理石平台19构成，其中Y轴18安装于大理石平台19上，X轴17安装在Y轴18上，Z轴20固定在大理石龙门架14上。将所述电机座15通过螺栓安装在三轴平台Z轴20上，电机16通过电机座15进行夹持。尖端抛光工具1通过夹头21安装在电机16上，通过电机16带动尖端抛光工具1进行旋转。通过Z轴20带动抛光工具1沿微阵列模具3轴向运动，使得尖端抛光工具1可以沿抛光路径2运动，以便更好适应微阵列模具3的面形。
第四步，设置抛光参数。
所需设置的抛光参数主要包括微阵列模具3和尖端抛光工具1之间的间隙、微阵列模具3的运动轨迹13，电机16的转速等。通过三轴平台Z轴20调节微阵列模具3和尖端抛光工具1之间的抛光间隙，使得尖端抛光工具1始终沿着抛光路径2运动，更好适应微阵列模具3的面形，以保证抛光过程中不会损坏其面形精度。通过三轴平台X轴17、Y轴18使微阵列模具3按照运动轨迹13进行栅格运动，使得微阵列模具3上的所有特征点12都能够被加工到。
具体的：所述的微阵列模具3和抛光工具1之间的间隙在50-100μm之间；微阵列模具3在形成运动轨迹13时，在X方向和Y方向的运动速度均为2mm/s；抛光工具1的转速为300rpm。
第五步，开始抛光。
第六步，模具质量检测。
使用ZYGO白光干涉仪，MITAKA表面轮廓仪，超景深显微镜等仪器对抛光后的微阵列模具3进行检测，包括微阵列模具特征点12的尺寸、抛光后表面粗糙度及抛光后表面形貌，微阵列模具3抛光后的面形等，判断是否符合加工要求，若符合，则进行下一道工序，否则返回步骤五，再进行抛光，再检测，直至符合加工要求。
第七步，完成抛光。
实施例2：
参照图1、图3、图4、图5及图6，采用图6所示装置使用球头铣刀8和剪切增稠液11对微阵列模具3进行控形柔性抛光。
步骤1与实施例1中类似。
第二步，配制剪切增稠液11。具体的，剪切增稠液括磨粒10、剪切增稠相以及去离子水等。所述剪切增稠相为多羟基聚合物9，其质量分数为45～52wt％；所述磨粒10选用氧化铝、碳化硅、金刚石、氧化铈、氧化锆中的一种或多种组合，粒径1～10μm，比例10～15wt％；其余为去离子水。使用超声将磨粒10、剪切增稠相、去离子水以一定比例混合均匀。
步骤3-7与实施例1中类似，只是将尖端抛光工具1更换为球头铣刀19，同时磁性磨料更换为剪切增稠液11。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种微阵列模具控形柔性抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：对微阵列模具(3)进行初始检测
对需要加工的微阵列模具(3)的初始状况进行检测，包括微阵列模具(3)上特征点(12)的尺寸、初始表面粗糙度及初始表面形貌，微阵列模具(3)的初始面形；其中，特征点(12)的尺寸为微米级；
第二步：配制磁性抛光磨料
加工工具使用尖端抛光工具(1)时，配制磁性磨料：将金刚石磨料(7)及铁粉(6)混合得到磁性磨料，并添加偶联剂，通过偶联剂将金刚石磨料(7)粘结在铁粉(6)表面，得到磁性抛光磨料；
第三步：安装工具
将磁性磨料置于微阵列模具(3)上表面；将微阵列模具(3)安装在三轴移动平台上；将尖端抛光工具(1)安装在电机(16)上，使其可以进行旋转；所述尖端抛光工具(1)的底部加工端为尖端，其本身可以导磁，并具备吸附磁性磨料的能力；将磁铁(5)安装于微阵列模具(3)下方，使得磁性磨料在磁场力的作用下与工件表面贴合并产生接触压力；将电机(16)安装在三轴移动平台的Z轴(20)上，使其可以沿微阵列模具(3)轴向进行移动；
第四步：设置抛光参数，开始抛光
所需设置的抛光参数主要包括微阵列模具(3)和尖端抛光工具(1)之间的间隙、微阵列模具(3)的运动轨迹(13)、电机(16)的转速，其中，通过三轴平台Z轴(20)调节微阵列模具(3)和尖端抛光工具(1)之间的抛光间隙，使尖端抛光工具(1)始终沿着抛光路径(2)运动；通过三轴平台使微阵列模具(3)按照运动轨迹(13)进行XY二维平面运动；
尖端抛光工具(1)自身旋转，在磁力和离心力的作用下，工具(1)尖端的磁性抛光磨料形成球状抛光头，且该抛光头具有柔性，达到保持微阵列模具(3)面形的目的；通过工件下方磁铁(5)对磁性磨料产生的磁场力以及尖端抛光工具(1)转动后与微阵列模具(3)之间产生的相对运动实现材料去除，获得高质量表面；通过控制尖端抛光工具(1)沿运动轨迹(13)运动，实现对微阵列模具(3)所有特征点(12)的抛光；
第五步：模具质量检测
对抛光后的微阵列模具(3)进行检测，判断是否符合加工要求，若符合，则进行下一道工序，否则返回第四步，再进行抛光，再检测，直至符合加工要求。
2.根据权利要求1所述的一种微阵列模具控形柔性抛光方法，其特征在于，所述的金刚石磨料(7)可以根据微阵列模具(3)材料更换为二氧化硅、氧化铝或其他磨料。
3.根据权利要求1所述的一种微阵列模具控形柔性抛光方法，其特征在于，还可以在抛光过程中增加化学作用引入化学场进行复合。
4.根据权利要求1所述的一种微阵列模具控形柔性抛光方法，其特征在于，第二步所述的金刚石磨料(7)与铁粉(6)的质量比为4:1。
5.根据权利要求1所述的一种微阵列模具控形柔性抛光方法，其特征在于，第二步所述的偶联剂的添加量为每5 g磁性磨料添加1 ml偶联剂；所述的偶联剂种类为硅烷偶联剂。
6.根据权利要求1所述的一种微阵列模具控形柔性抛光方法，其特征在于，第二步所述的金刚石磨料(7)的粒径范围在3-5 µm之间。
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