一种微细结构非接触式抛光装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种微细结构非接触式抛光装置及方法，属于精密/超精密加工领域。所述抛光装置包括抛光液工作槽、旋转平台、夹具、低频率振动发生装置、抛光头、超声波刀柄、抛光液。夹具与旋转平台连接，且二者之间留有间隙用于放置低频率振动发生装置，低频率振动发生装置将沿Y轴方向微小振动传给工件；工件通过夹具定位夹紧并完全浸在抛光液中；抛光头固定在超声波刀柄。抛光头的具体结构与工件待加工表面的微细结构进行匹配设计，抛光过程中，抛光头的结构与工件相互之间的工作间隙保持5

【技术实现步骤摘要】
一种微细结构非接触式抛光装置及方法


[0001]本专利技术属于精密/超精密加工领域，涉及一种微细结构抛光装置及抛光方法，尤其涉及一种微细结构非接触式抛光装置及抛光方法。

技术介绍

[0002]随着对工业产品功能集成化、小型化需求的不断增加,许多零部件的尺寸正日趋微小化,从而带动了微细加工技术的不断发展。相对于传统表面，微细结构表面因其独有的特性和功能，在国防、光学以及微流体等领域获得了日益广泛的应用。作为当前世界上一项极为重要的前沿技术，太赫兹微结构功能器件中涉及到了大量周期性折叠、矩形、正弦、螺旋等微细结构；在光学方面，棱镜结构、微透镜阵列、菲涅尔透镜结构等微细结构在很多光学系统中发挥着很多重要的功能；在生物学、化学、材料学等经常需要对流体进行操作的科学实验中，微细结构经常被应用于构建微通道系统来实现各种复杂的微流体操纵功能。微细结构在满足国家重大需求和经济主战场中发挥着十分重要的作用，对于推动国家重大战略产业与尖端科技的发展具有重要意义。传统的微细加工技术主要是采用电加工或化学加工方法，但这两种方法对于所能加工的工件材料及几何形状有着较大局限性。目前主流的微细结构加工方法为微机电系统(MEMS)制造工艺和聚焦离子束(FIB)工艺，虽然两者都可以制造出高面形精度和表面质量的表面，但是其制造成本高，工序复杂，制造周期长，无法实现对需求的快速响应。综合考虑各种因素，对于几十到几百微米的微细结构，精密机械加工技术如切削、磨削等被认为是一种更加合理而有效的方式。
[0003]专利CN201810602891.6公开了一种非回转光学阵列的粗精集成递进磨削方法，但在加工工件时，金刚石砂轮与工件表面直接接触，这种加工方式会导致严重的表面和亚表面损伤。同时金刚石磨具易于磨损，这大大降低了加工表面的形状精度和最终的加工效率。专利CN202022251569.9公开了一种微沟槽射流抛光装置，但该方法无法很好地保证待加工表面的面形精度；专利CN 201410400983.8公开了一种超声控制的剪切增稠抛光方法及其装置，但该方法要求加工时工件需要随着夹具一起移动，这大大减少了可加工工件类型，无法加工较大的微细结构工件。因此，对于各种微细构件的高效加工而言，迫切需要一种效果好、适用性强的新抛光装置及方法。

技术实现思路

[0004]为解决现有技术存在的上述问题，本专利技术提出了一种简单高效、适用性强的微细结构非接触式抛光装置及抛光方法，其中微细结构可表现为V型槽阵列工件、矩形槽阵列工件、菲涅尔工件、TV凹透镜工件、光电传感器工件、矩形弯曲微结构工件等。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种微细结构非接触式抛光装置，所述的抛光装置包括抛光液工作槽1、旋转平台2、夹具3、低频率振动发生装置4、工件5、抛光头6、超声波刀柄7、抛光液8。
[0007]所述夹具3与旋转平台2之间通过螺栓连接，且夹具3与旋转平台2之间留有间隙，
用于放置低频率振动发生装置4，低频率振动发生装置4固定于夹具3底部，可以将沿Y轴方向(图1垂直于纸面方向)的微小振动传给工件；所述工件5至于夹具3上表面通过夹具3定位夹紧并完全浸在抛光液8中；所述抛光头6固定在超声波刀柄7上；所述超声波刀柄7将超声波通过抛光头6传至抛光液8中。
[0008]所述的抛光头6的具体结构与工件5待加工表面的微细结构进行匹配设计，抛光过程中，抛光头6的结构与工件5之间的工作间隙保持5
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15mm不变。所述抛光液8可在超声、振动、磁场等多物理场的复合作用或单一物理场作用下产生剪切增稠效应，所述工作间隙处的抛光液8中的磨料粒子9、胶态粒子10在剪切增稠的作用下聚合在一起并粘附在所述工件5与所述抛光头的表面，随着所述工件5与所述抛光头6之间的相对运动，所述工件5的待加工表面上的毛刺、倒角等被所述磨粒9去除形成碎屑11。根据加工条件以及所选物理场作用，所述磨料粒子9可为磁性磨粒或非磁性磨粒。
[0009]具体的：针对每种类型的所述工件5，都对应有特定的所述抛光头6和加工方式。
[0010]如果所述工件5为含有直槽微细结构的V型槽阵列工件、矩形槽阵列工件、光电传感器工件等，可以使用的所述抛光头6有单齿抛光头、多齿的抛光头。所述旋转平台3处于关闭状态，所述超声波刀柄7的超声发生开关根据加工需要处于关闭或打开状态，处于打开状态时的超声频率为20
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40kHz，振动幅值为0.5
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1mm；所述低频率振动发生装置4的振动发生开关根据加工需要处于关闭或打开状态，处于打开状态时的频率为30
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50Hz；所述抛光头6只随所述超声波刀柄7做平移运动。
[0011]如果所述工件5为含有规则曲面微细结构的菲涅尔工件、TV透镜工件等，可以使用的所述抛光头6有扇形体抛光头、圆柱形体抛光头，所述旋转平台3根据所选抛光头以及加工需求做旋转运动或静止不动，旋转时的旋转平台转速为6
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600rpm；所述低频率振动发生装置4的振动发生开关处于关闭状态；所述工件5根据所选抛光头以及加工需求做旋转运动或静止不动；所述抛光头6根据加工需求做旋转运动或静止不动，旋转时的转速为3
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1000rpm；所述超声波刀柄7的超声发生开关处于打开状态，处于打开状态时的超声频率为20
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40kHz，振动幅值为0.5
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1mm。
[0012]如果所述工件5为含弯曲沟槽微细结构的微流控器件等，可以使用的所述抛光头6有圆柱体抛光头，所述旋转平台3与所述低频率振动发生装置4的振动发生开关均处于关闭状态，所述超声波刀柄7的超声发生开关处于打开状态，处于打开状态时的超声频率为20
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40kHz，振动幅值为0.5
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1mm，所述抛光头6在所述超声波刀柄7的驱动下做旋转运动的同时沿着预定轨迹做水平方向移动的超声辅助抛光，其中所述抛光头6的自转速度为10
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500rpm。
[0013]一种微细结构非接触式抛光方法，具体包括以下步骤：
[0014]第一步，将所述工件5通过夹具3定位夹紧，将具有剪切增稠效应的抛光液8放入到抛光池抛光液工作槽1中使其将所述工件5完全浸没；
[0015]第二步，根据所述工件5的类型选定所述抛光头6、合适的加工方式及加工参数；
[0016]第三步，将所述抛光头6安装在所述超声波刀柄7上；
[0017]第四步，控制装置以确定所述抛光头6与所述工件5之间的工作间隙；
[0018]第五步，设定所述抛光头6的加工轨迹，根据所选加工方式使所述低频率振动发生装置4的振动发生开关和所述超声波刀柄7的超声发生开关处于相应状态；
[0019]第六步，启动机床，所述抛光头6在所述超声波刀柄7的驱动下按照预定的加工轨迹运动；抛光过程中，所述工件5与所述抛光头6之间的工作间隙中的抛光液产生剪切增稠效应，随着所述工件5与所述抛光头6之间的相对运动，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微细结构非接触式抛光装置，其特征在于，所述的抛光装置包括抛光液工作槽(1)、旋转平台(2)、夹具(3)、低频率振动发生装置(4)、工件(5)、抛光头(6)、超声波刀柄(7)、抛光液(8)；所述夹具(3)与旋转平台(2)之间固接，且夹具(3)与旋转平台(2)之间留有用于放置低频率振动发生装置(4)的间隙，低频率振动发生装置(4)固定于夹具(3)底部，用于将微小振动传给工件；所述工件(5)通过夹具(3)定位夹紧并完全浸在抛光液(8)中；所述抛光头(6)固定在超声波刀柄(7)上；所述超声波刀柄(7)将超声波通过抛光头(6)传至抛光液(8)中；针对不同类型的工件(5)，设计特定结构的抛光头(6)和加工方式，即所述的抛光头(6)的结构与工件(5)待加工表面的微细结构进行匹配设计，抛光过程中，抛光头(6)的结构与工件(5)相互之间的工作间隙保持5
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15mm不变；所述抛光液(8)可在超声振动的复合作用或单一的超声作用或单一的振动作用下产生剪切增稠效应。2.一种基于权利要求1所述的抛光装置实现的微细结构非接触式抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，将所述工件(5)通过夹具(3)定位夹紧，将具有剪切增稠效应的抛光液(8)放入到抛光池抛光液工作槽(1)中使其将所述工件(5)完全浸没；第二步，根据所述工件(5)的类型选定所述抛光头(6)、合适的加工方式及加工参数；第三步，将所述抛光头(6)安装在所述超声波刀柄(7)上；第四步，控制装置以确定所述抛光头(6)与所述工件(5)之间的工作间隙；第五步，设定所述抛光头(6)的加工轨迹，根据所选加工方式使所述低频率振动发生装置(4)的振动发生开关和所述超声波刀柄(7)的超声发生开关处于相应状态；第六步，最后，启动机床，抛光头(6)在所述超声波刀柄(7)的驱动下按照预定的加工轨迹运动；抛光过程中，工件(5)与所述抛光头(6)之间的工作间隙中的抛光液产生剪切增稠效应，工作间隙处的抛光液(8)中的磨料粒子(9)、胶态粒子(10)在剪切增稠的作用下聚合在一起并粘附在所述工件(5)与所述抛光头(6)的表面，随着所述工件(5)与所述抛光头(6)之间的相对运动，工件(5)的待加工表面上的毛刺、倒角被磨粒(9)去除形成碎屑(11)。3.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭江，张鹏飞，石豪豪，
申请(专利权)人：大连理工大学宁波研究院，
类型：发明
国别省市：