超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置及其使用方法
【專利摘要】超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置及其使用方法，它涉及超聲振動輔助拋光裝置及其使用方法。本發(fā)明要解決機械拋光方法的效率低、加工表面質(zhì)量不均勻及微結(jié)構尖銳處易破壞的問題。本發(fā)明裝置由精密磨床工作臺、測力儀、超聲振動工作臺、超硬材料仿形加工工具、光學顯微鏡和精密磨床主軸構成。使用方法：一、磨削；二、拋光；三、依次加工所有的微槽即完成。本發(fā)明確保了磨削后的微結(jié)構形狀精度及微結(jié)構表面尖銳部分不被破壞，有效的提高了超硬材料的拋光效率，并且可以高效的得到高質(zhì)量的微結(jié)構表面。本發(fā)明用于超硬微結(jié)構表面精密拋光。
【專利說明】超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置及其使用方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及超聲振動輔助拋光裝置及其使用方法，具體涉及一種線性微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置及其使用方法，適用于陶瓷類超硬線性微結(jié)構表面的高效高精度拋光加工。
【背景技術】
[0002]微結(jié)構表面是指具有規(guī)律周期陣列及高深寬比幾何形狀，并能夠?qū)崿F(xiàn)光學、機械、物理、生物等特定功能的微小結(jié)構性表面。具有微結(jié)構表面的光學元件均具有體積小、低功耗、攜帶方便及集成性好等優(yōu)點，目前已經(jīng)成為制造微小光電及通訊產(chǎn)品的關鍵元器件。
[0003]通常適用于微結(jié)構光學元件大批量生產(chǎn)的方法為復制技術，而用于復制技術的具有微結(jié)構光學功能表面的超硬模具的精密加工的最終加工工序一超精密拋光技術尤為重要，超硬模具微結(jié)構功能表面拋光的好壞直接影響著最終產(chǎn)品能否達到其要實現(xiàn)的特殊功能。然而由于這些材料的高硬度導致其本身的難加工性和模具表面復雜的微結(jié)構特性，往往使得在對超硬模具材料微結(jié)構表面進行傳統(tǒng)拋光時最終很難得到理想的表面，從而影響了微結(jié)構光學功能元件的低成本，大批量的生產(chǎn)及應用。
[0004]目前，針對這類超硬微結(jié)構表面的拋光方法有射流拋光技術、離子束拋光技術、激光拋光技術、化學機械拋等。射流拋光是一種可以實現(xiàn)原子級去除的加工技術，但液體射流界面存在不穩(wěn)定的問題直接導致拋光區(qū)的不穩(wěn)定性。采用離子束拋光技術，材料的去除量取決離子束在該點的噴射時間，故其加工效率低。激光拋光是一種非接觸式拋光技術，只適用于粗拋，很難得到納米級表面粗糙度的光滑表面?；瘜W機械拋光技術，加工穩(wěn)定性好，拋光精度高，拋光后表面粗糙度可達到納米量級，但其缺點為拋光效率低，在某種程度上影響了最終微結(jié)構光學功能元件的批量生產(chǎn)。
[0005]超聲振動輔助拋光是超聲振動、化學、機械多場復合的超精密拋光技術。與化學機械拋光相比，超聲振動輔助拋光技術不但可以提高拋光表面質(zhì)量及加工效率，還可以有效地去除磨削加工導致的工件亞表面損傷，降低拋光輪的磨損，適用于超硬材料的精密拋光。但是微結(jié)構表面不僅要求具有低的表面粗糙度，而且要求具有高的面形精度及形狀精度，尤其是結(jié)構表面尖銳處要求具有極小的圓弧半徑，而傳統(tǒng)平面的超聲振動輔助拋光中，因為其工藝方法不需要考慮待加工表面的結(jié)構性，因此加工微結(jié)構表面時尖銳處容易被破壞，從而破壞微結(jié)構表面的形狀精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了解決機械拋光方法的效率低、加工表面質(zhì)量不均勻及微結(jié)構尖銳處易破壞的問題，提供超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置及其使用方法。
[0007]本發(fā)明的超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置由精密磨床工作臺、測力儀、超聲振動工作臺、超硬材料仿形加工工具、光學顯微鏡和精密磨床主軸構成，測力儀位于精密磨床工作臺左側(cè)上表面上，光學顯微鏡位于精密磨床工作臺右側(cè)的上表面上，超聲振動工作臺位于測力儀的傳感器上且與其固定連接，從而采集加工區(qū)域垂直拋光力的變化，超硬材料工件固定在超聲振動工作臺的工具頭前端的端部上，所述工具頭隨精密磨床工作臺左右方向移動，超硬材料仿形加工工具安裝在精密磨床主軸上，且與其下方的超硬材料工件接觸，超硬材料仿形加工工具為金剛石仿形砂輪或仿形拋光輪，光學顯微鏡的鏡頭朝向超硬材料仿形加工工具與超硬材料工件的接觸位置。
[0008]本發(fā)明的超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置的使用方法，通過以下步驟實現(xiàn)的:
[0009]一、將金剛石仿形砂輪安裝在精密磨床主軸上，將超硬材料工件固定到超聲振動臺的工具頭前端端部，施加一維超聲振動，所述一維振動方向與工具頭進給方向相同，控制金剛石仿形砂輪的轉(zhuǎn)速為2000rpm?4000rpm,控制精密磨床工作臺進給速度為0.2mm/min?2mm/min,完成對超硬材料工件的精密磨削；
[0010]二、將金剛石仿形砂輪取下，將仿形拋光輪安裝到機床主軸上，通過光學顯微鏡觀察及測力儀監(jiān)控精密調(diào)整仿形拋光輪與超硬材料工件微結(jié)構表面的相對位置和接觸力度，使仿形拋光輪處于第一待拋光微結(jié)構表面正上方，通過超聲發(fā)生器向振動工作臺施加一維超聲振動，帶動振動工作臺上的超硬材料工件進行一維超聲振動，同時超硬材料工件和超聲振動工作臺隨精密磨床工作臺沿X軸方向進給，調(diào)節(jié)振動頻率為25kHz?35kHz，振動振幅為I μ m?5 μ m,仿形拋光輪轉(zhuǎn)速為50rpm?300rpm,超硬材料工件進給速度為Imm/min?100mm/min,選取拋光液進行拋光；X軸方向為超硬材料工件進給方向，Z軸方向為精密磨床主軸方向；
[0011]三、每間隔I?3分鐘向拋光區(qū)域內(nèi)滴入拋光液,完成第一微槽拋光后,仿形拋光輪沿Z軸方向移動到相鄰的第二待拋光微槽處，依次加工所有的微槽即完成。
[0012]本發(fā)明中為避免重復安裝工件帶來的安裝誤差，采用原位加工方法，將仿形拋光輪取代金剛石仿形砂輪并安裝在磨削機床上。
[0013]本發(fā)明中為精確控制仿形拋光輪相對于微結(jié)構表面的位置，采用測力儀對仿形拋光輪的位置進行微動調(diào)節(jié)，當仿形拋光輪與微結(jié)構表面接觸時，測力儀可以采集到兩者接觸區(qū)域內(nèi)的軸向(Z軸方向)、切向、垂直三個方向的接觸力，若軸向力不為零，則證明仿形拋光輪沒有處于微結(jié)構表面正上方，此時可以沿Z軸方向微動調(diào)節(jié)仿形拋光輪，利用測力儀再次采集接觸區(qū)域內(nèi)的軸向力，反復調(diào)節(jié)及采集直至所采集到的軸向力約為零時表明仿形拋光輪的位置已經(jīng)精確調(diào)節(jié)好，其正處于微結(jié)構表面的正上方。
[0014]本發(fā)明的有益效果:
[0015]1、本發(fā)明實現(xiàn)超硬材料線性微結(jié)構表面的高效率，高精度，確定性加工；
[0016]2、本發(fā)明的超聲振動輔助拋光方法通過光學顯微鏡的觀測及測力儀的精密控制使得仿形拋光與微結(jié)構精確對中，從而確保了磨削后的微結(jié)構形狀精度及微結(jié)構表面尖銳部分不被破壞；同時超聲振動的引入使得拋光區(qū)域摩擦力減小，納米級的磨粒分布均勻，提高了超硬材料拋光中的三體磨損，微結(jié)構表面的粗糙度(Ra ( 0.07 μ m)及面形精度(PV < I μ m)得到明顯的改善，超聲振動的空化作用有效的提高了超硬材料的拋光效率，與普通機械拋光方法相比提高2?3倍，本發(fā)明超聲振動輔助拋光方法與現(xiàn)有的拋光方法相比可以高效的得到高質(zhì)量的微結(jié)構表面?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明超聲振動輔助拋光裝置的結(jié)構示意圖；
[0018]圖2是圖1的俯視圖；
[0019]圖3是圖1的左視圖。
【具體實施方式】
[0020]本發(fā)明技術方案不局限于以下所列舉【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】間的任意組合。
[0021]【具體實施方式】一:本實施方式超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置由精密磨床工作臺1、測力儀2、超聲振動工作臺3、超硬材料仿形加工工具5、光學顯微鏡6和精密磨床主軸7構成，測力儀2位于精密磨床工作臺I左側(cè)上表面上，光學顯微鏡6位于精密磨床工作臺I右側(cè)的上表面上，超聲振動工作臺3位于測力儀2的傳感器上且與其固定連接，從而采集加工區(qū)域垂直拋光力的變化，超硬材料工件4固定在超聲振動工作臺3的工具頭3-1前端的端部上，所述工具頭3-1隨精密磨床工作臺I左右方向移動，超硬材料仿形加工工具5安裝在精密磨床主軸7上，且與其下方的超硬材料工件4接觸，超硬材料仿形加工工具5為金剛石仿形砂輪5-1或仿形拋光輪5-2，光學顯微鏡6的鏡頭朝向超硬材料仿形加工工具5與超硬材料工件4的接觸位置。
[0022]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:所述的超硬材料工件為碳化鶴、碳化娃或氮化娃。其它與【具體實施方式】一相同。
[0023]【具體實施方式】三:本實施方式的超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置的使用方法，通過以下步驟實現(xiàn)的:
[0024]一、將金剛石仿形砂輪5-1安裝在精密磨床主軸7上，將超硬材料工件4固定到超聲振動臺3的工具頭3-1前端端部,施加一維超聲振動,所述一維振動方向與工具頭3-1進給方向相同，控制金剛石仿形砂輪5-1的轉(zhuǎn)速為2000rpm?4000rpm,控制精密磨床工作臺I進給速度為0.2mm/min?2mm/min,完成對超硬材料工件4的精密磨削；
[0025]二、將金剛石仿形砂輪5-1取下，將仿形拋光輪5-2安裝到機床主軸7上，通過光學顯微鏡6觀察及測力儀2監(jiān)控精密調(diào)整仿形拋光輪5-2與超硬材料工件4微結(jié)構表面的相對位置和接觸力度，使仿形拋光輪5-2處于第一待拋光微結(jié)構表面正上方,通過超聲發(fā)生器向振動工作臺3施加一維超聲振動，帶動振動工作臺3上的超硬材料工件4進行一維超聲振動，同時超硬材料工件4和超聲振動工作臺3隨精密磨床工作臺I沿X軸方向進給，調(diào)節(jié)振動頻率為25kHz?35kHz，振動振幅為I μ m?5 μ m，仿形拋光輪5_2轉(zhuǎn)速為50rpm?300rpm,超硬材料工件4進給速度為lmm/min?100mm/min,選取拋光液進行拋光；X軸方向為超硬材料工件4進給方向，Z軸方向為精密磨床主軸7方向；
[0026]三、每間隔I?3分鐘向拋光區(qū)域內(nèi)滴入拋光液,完成第一微槽拋光后,仿形拋光輪5-2沿Z軸方向移動到相鄰的第二待拋光微槽處，依次加工所有的微槽即完成。
[0027]本實施方式的有益效果:
[0028]1、本實施方式實現(xiàn)超硬材料線性微結(jié)構表面的高效率，高精度，確定性加工；
[0029]2、本實施方式的超聲振動輔助拋光方法通過光學顯微鏡的觀測及測力儀的精密控制使得仿形拋光與微結(jié)構精確對中，從而確保了磨削后的微結(jié)構形狀精度及微結(jié)構表面尖銳部分不被破壞；同時超聲振動的引入使得拋光區(qū)域摩擦力減小，納米級的磨粒分布均勻，提高了超硬材料拋光中的三體磨損，微結(jié)構表面的粗糙度(Ra ( 0.07 μ m)及面形精度(PV < I μ m)得到明顯的改善，超聲振動的空化作用有效的提高了超硬材料的拋光效率，與普通機械拋光方法相比提高2?3倍，本實施方式超聲振動輔助拋光方法與現(xiàn)有的拋光方法相比可以高效的得到高質(zhì)量的微結(jié)構表面。
[0030]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】三不同的是:所述的超硬材料工件為碳化鶴、碳化娃或氮化娃。其它與【具體實施方式】三相同。
[0031]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】三或四不同的是:步驟一中所述的控制金剛石仿形砂輪5-1的轉(zhuǎn)速為2000rpm。其它與【具體實施方式】三或四相同。
[0032]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】三至五之一不同的是:步驟二中所述的調(diào)節(jié)振動頻率為35kHz。其它與【具體實施方式】三至五之一相同。
[0033]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】三至六之一不同的是:步驟二中所述的振動振幅為2.5μηι。其它與【具體實施方式】三至六之一相同。
[0034]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】三至七之一不同的是:步驟二中所述的仿形拋光輪5-2轉(zhuǎn)速為50rpm。其它與【具體實施方式】三至七之一相同。
[0035]【具體實施方式】九:本實施方式與【具體實施方式】三至八之一不同的是:步驟二中所述的超硬材料工件4進給速度為lmm/min。其它與【具體實施方式】三至八之一相同。
[0036]【具體實施方式】十:本實施方式與【具體實施方式】三至九之一不同的是:步驟二中所述的拋光液為粒度為50nm的質(zhì)量分數(shù)為30%的金剛石和粒度為IOOnm的質(zhì)量分數(shù)為15%的氧化鈰按體積比為1:1進行混合的拋光液。其它與【具體實施方式】三至九之一相同。
[0037]通過以下實施例驗證本發(fā)明的有益效果:
[0038]實施例一:
[0039]本實施例超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置的使用方法，按以下步驟進行:
[0040]一、將金剛石仿形砂輪5-1安裝在平面精密磨削機床的主軸7上，將超聲振動工作臺3安裝到精密磨床工作臺I上，將待磨削的碳化硅4固定在振動工作臺3上端面振幅最大處，當加工平行線性微結(jié)構表面時(如圓弧槽陣列和V形槽陣列表面)，首先調(diào)節(jié)一維超聲振動臺3，將一維超聲振動臺3的振動方向調(diào)整為與精密磨床工作臺I進給方向平行，應用緩進給高效深度磨削方法磨削微結(jié)構表面，控制金剛石仿形砂輪5-1轉(zhuǎn)速為2000rpm，控制工作臺I進給速度為0.2mm/min,從而完成所有溝槽的磨削加工；
[0041]二、將金剛石仿形砂輪5-1取下，將仿形拋光輪5-2安裝到機床主軸7上，當拋光平行線性微結(jié)構表面時，通過光學顯微鏡6觀察及測力儀2監(jiān)控精密調(diào)整仿形拋光輪5-2與微結(jié)構表面的相對位置，使仿形拋光輪5-2處于第一待拋光微結(jié)構表面正上方，通過超聲發(fā)生器向振動工作臺3施加一維超聲振動即可帶動振動工作臺3上的碳化娃工件4進行一維超聲振動，同時碳化硅工件4和超聲振動工作臺3隨精密磨床工作臺I沿X軸方向進給，控制超聲振動發(fā)生器的振動頻率為35kHz，振動振幅為2.5 μ m，拋光輪5_2轉(zhuǎn)速為50rpm,碳化娃工件4進給速度為lmm/min,選取拋光液進行拋光；X軸方向為超硬材料工件4進給方向，Z軸方向為精密磨床主軸7方向；[0042]三、每間隔2分鐘向拋光區(qū)域內(nèi)滴入拋光液，完成第一微槽拋光后，仿形拋光輪5-2沿Z軸方向移動到相鄰的第二待拋光微槽處，依次加工所有的微槽即完成。
[0043]當拋光輪轉(zhuǎn)速為50rpm時，其加工效果最好，加工后的表面質(zhì)量最高；當工件進給速度為lmm/min時,其加工效果最好,加工后的表面質(zhì)量最高；當振幅為2.5μηι時,其振動效果最好，加工后的表面質(zhì)量最聞。
[0044]本實施例步驟二中所選取的拋光液為粒度為50nm的質(zhì)量分數(shù)為30%的金剛石和粒度為IOOnm的質(zhì)量分數(shù)為15%的氧化鋪按體積比為1:1進行混合的拋光液，由于工件材料的硬度非常高，金剛石磨粒可以有效將其機械去除，但拋光后工件表面存在金剛石微耕犁作用產(chǎn)生的微溝槽，從而影響微結(jié)構表面質(zhì)量，氧化鈰拋光液雖然較軟，但其可以與超硬材料發(fā)生化學反應，在微結(jié)構表面生成較軟的氧化膜，有效的將微溝槽去除從而提高微結(jié)構表面質(zhì)量。相比單一拋光液，采用氧化鈰和金剛石混合拋光液可以有效的提高拋光效率及微結(jié)構表面質(zhì)量。
【權利要求】
1.超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置，其特征在于所述的超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置由精密磨床工作臺(I)、測力儀(2)、超聲振動工作臺(3)、超硬材料仿形加工工具(5)、光學顯微鏡(6)和精密磨床主軸(7)構成，測力儀(2)位于精密磨床工作臺(I)左側(cè)上表面上，光學顯微鏡(6)位于精密磨床工作臺(I)右側(cè)的上表面上，超聲振動工作臺(3)位于測力儀(2)的傳感器上且與其固定連接，從而采集加工區(qū)域垂直拋光力的變化，超硬材料工件(4)固定在超聲振動工作臺(3)的工具頭(3-1)前端的端部上，所述工具頭(3-1)隨精密磨床工作臺(I)左右方向移動，超硬材料仿形加工工具(5 )安裝在精密磨床主軸(7)上，且與其下方的超硬材料工件(4)接觸，超硬材料仿形加工工具(5)為金剛石仿形砂輪(5-1)或仿形拋光輪(5-2 )，光學顯微鏡(6 )的鏡頭朝向超硬材料仿形加工工具(5)與超硬材料工件(4)的接觸位置。
2.根據(jù)權利要求1所述的超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置，其特征在于所述的超硬材料工件為碳化鎢、碳化硅或氮化硅。
3.使用權利要求1所述的超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置的方法，其特征在于所述的使用方法包括如下步驟: 一、將金剛石仿形砂輪(5-1)安裝在精密磨床主軸(7)上，將超硬材料工件(4)固定到超聲振動臺(3)的工具頭(3-1)前端端部,施加一維超聲振動,所述一維振動方向與工具頭(3-1)進給方向相同，控制金剛石仿形砂輪(5-1)的轉(zhuǎn)速為2000rpm~4000rpm,控制精密磨床工作臺(I)進給速度為0.2mm/min~2mm/min,完成對超硬材料工件(4)的精密磨削； 二、將金剛石仿形砂輪(5-1)取下，將仿形拋光輪(5-2)安裝到機床主軸(7 )上，通過光學顯微鏡(6)觀察及測力儀(2)監(jiān)控精密調(diào)整仿形拋光輪(5-2)與超硬材料工件(4)微結(jié)構表面的相對位置和接觸力度，使仿形拋光輪(5-2)處于第一待拋光微結(jié)構表面正上方，通過超聲發(fā)生器向振動工作臺(3)施加一維超聲振動,帶動振動工作臺(3)上的超硬材料工件(4)進行一維超聲振動，`同時超硬材料工件(4)和超聲振動工作臺(3 )隨精密磨床工作臺(I)沿X軸方向進給，調(diào)節(jié)振動頻率為25kHz~35kHz，振動振幅為I μ m~5 μ m，仿形拋光輪(5-2)轉(zhuǎn)速為50rpm~300rpm,超硬材料工件(4)進給速度為lmm/min~100mm/min,選取拋光液進行拋光；X軸方向為超硬材料工件(4)進給方向，Z軸方向為精密磨床主軸(7)方向； 三、每間隔I~3分鐘向拋光區(qū)域內(nèi)滴入拋光液，完成第一微槽拋光后，仿形拋光輪(5-2)沿Z軸方向移動到相鄰的第二待拋光微槽處，依次加工所有的微槽即完成。
4.根據(jù)權利要求3所述的超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置的使用方法，其特征在于所述的超硬材料工件為碳化鎢、碳化硅或氮化硅。
5.根據(jù)權利要求3所述的超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置的使用方法，其特征在于步驟一中所述的控制金剛石仿形砂輪(5-1)的轉(zhuǎn)速為2000rpm。
6.根據(jù)權利要求3所述的超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置的使用方法，其特征在于步驟二中所述的調(diào)節(jié)振動頻率為35kHz。
7.根據(jù)權利要求3所述的超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置的使用方法，其特征在于步驟二中所述的振動振幅為2.5 μ m。
8.根據(jù)權利要求3所述的超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置的使用方法，其特征在于步驟二中所述的仿形拋光輪(5-2)轉(zhuǎn)速為50rpm。
9.根據(jù)權利要求3所述的超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置的使用方法，其特征在于步驟二中所述的超硬材料工件(4)進給速度為lmm/min。
10.根據(jù)權利要求3所述的超硬材料微結(jié)構表面的超聲振動輔助拋光裝置的使用方法，其特征在于步驟二中所述的拋光液為粒度為50nm的質(zhì)量分數(shù)為30%的金剛石和粒度為IOOnm的質(zhì)量分數(shù)為15%的氧化鋪按體積比`為1:1進行混合的拋光液。
【文檔編號】B24B1/04GK103817563SQ201410100339
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年3月18日 優(yōu)先權日:2014年3月18日
【發(fā)明者】孫智源, 趙清亮, 郭兵, 鄒程, 劉曉亮 申請人:哈爾濱工業(yè)大學