CN110370101B - 芬顿辅助力控微半球凹模阵列复合加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了芬顿辅助力控微半球凹模阵列复合加工方法，将碳化硅片工件置于微铣削机床下进行预加工，在碳化硅片上生成粗加工的凹球冠阵列，凹球冠直径为最终加工成品的直径，球冠深小于成品所需深度；将变幅杆作为研抛工具的主体，变幅杆下端则通过双头螺柱与可更换的工具头连接，工具头在工作时通过共振传递微型超声发生器的振动，工具头底部加工阵列凹球坑，球坑直径小于等于球体直径。本发明采用微铣削法对碳化硅片工件进行粗加工，再使用超精密研抛装置对半成品碳化硅片工件进行精加工，并结合芬顿液对碳化硅工件化学软化作用、微超声产生的空化作用和工具头对工件的物理锤击，形成高形状精度、低表面粗糙度、高表面质量微半球凹模。
Description
技术领域
本发明涉及超精密加工领域，尤其涉及芬顿辅助力控微半球凹模阵列复合加工方法。
背景技术
微棱镜光学器件自20世纪80年代末期发展起来后，由于其具有反射性好、亮度高、耐久性好、材料成本较低等优点，在光学界得到了广泛的应用。比如微棱镜反光膜由于比传统的棱镜型反光材料亮度更高、反射角度更广、工作更稳定，目前已经被广泛用于需要高亮度的道路交通安全领域，美国加州的高速公路上交通标志的边框和图标全部运用了钻石级微棱镜反光膜来提升夜间的可识别度。目前，只有美国的Avery Dennison,3M和日本电石工业株式会社等企业有能力制造微棱镜母模，但由于加工技术高、机床结构复杂，导致加工成本较高，不能满足微棱镜光学器件目前大批量、低成本且高精度的生产需求。目前已知对于加工微细凹半球结构的微棱镜母模较为成熟的方法主要是光刻技术，但光刻技术所需设备价格不菲，且只基于2D加工，很难加工出表面质量高的三维结构微棱镜母模。一些新兴的基于三维结构加工的研抛方法如微铣削、精密飞切等技术仍难以摆脱机床结构复杂、加工成本高或受制于硬脆原材料特性难以加工等缺陷。微细电火花加工、电解加工等方法则因加工精度较差，易产生工件表面崩裂等不良现象而难以满足高精度高表面质量的加工要求，且仍然效率低、成本高。因而目前尚未见报道出成熟、可靠、低成本且高效率的微细凹半球结构微棱镜母模加工方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种体积小、监测方便的一体化的种浮标式水质监测装置及系统。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
芬顿辅助力控微半球凹模阵列复合加工方法，包括以下步骤：首先，将碳化硅片工件置于微铣削机床下进行预加工，在碳化硅片上生成m*n粗加工的凹球冠阵列，凹球冠直径为最终加工成品的直径，球冠深小于成品所需深度，其中，m、n为自然数；然后，将变幅杆作为研抛工具的主体，变幅杆下端则通过双头螺柱与可更换的工具头连接，工具头在工作时通过共振传递微型超声发生器的振动，工具头底部加工出m*n阵列凹球坑，球坑直径小于等于球体直径，其中，m、n为自然数。球体与工具头底部阵列凹球坑内均匀涂抹防水粘接剂，安置球体于阵列球坑内部，使用压板垂直下压球体，使球体上端全部位于同一高度，在工具头和工件旁加装微米级激光视觉定位装置以检测和调控工具头和工件的相对位置。避免两者在加工过程中发生位置偏移。
进一步的，工具头球体与工件间充满研抛液，研抛液所含磨粒的平均粒径范围为几十纳米至几微米，磨粒为金刚石磨粒，研抛液溶剂为去离子水、煤油。研抛液内加稳定剂和分散剂防止磨料沉淀和聚团。
进一步的，研抛液中加入羟基自由基浓度0.1-0.2mol/L的芬顿试剂配制成溶液，芬顿溶液中的亚铁离子在过氧化氢的催化下与溶液中的氢氧根离子发生反应生成氧化性极强羟基自由基与三价铁离子，将工件表层的碳化硅氧化为二氧化硅。
进一步的，非加工区域的碳化硅片上覆盖耐氧化保护膜。
进一步的，耐氧化保护膜为PTFE塑料膜。
进一步的，工具头在工件上方0-5毫米内做高频率超声振动，并在Z轴向靠近工件的方向做低速进给。加工时由于工具头的向下进给运动与高频振动同时进行，球体会冲击研抛液，使其中的磨粒高速冲击凹模衬底，实现材料去除，最终完成对微半球凹模阵列的精加工。
采用本发明技术方案，本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明采用加工技术成熟、效率高，但加工精度较低的微铣削法对碳化硅片工件进行粗加工，生成需要的微半球凹模阵列的大致形状，再使用超精密研抛装置对半成品碳化硅片工件进行精加工，通过工具头精密球体的微超声振动，激发研抛液中的磨粒高速冲击凹模衬底，并结合芬顿液对碳化硅工件化学软化作用、微超声产生的空化作用和工具头对工件的物理锤击，形成高形状精度、低表面粗糙度、高表面质量微半球凹模。与此同时，采用传感器结合反馈力控系统，保证加工过程的稳定、高效、安全。
附图说明
图1是本发明阵列式超精密工具头的结构原理图。
图2是本发明微半球凹模阵列复合加工装置的整体结构图和工作原理图。
图3是本发明微半球凹模阵列复合加工装置的结构总图。
图4是本发明力控微半球凹模阵列复合加工系统的总原理图。
具体实施方式
结合附图对本发明具体方案具体实施例作进一步的阐述。
参照图1-4，一种芬顿辅助力控微半球凹模阵列复合加工方法，包括以下步骤：
将原始碳化硅片工件置于微铣削机床上先进行预加工，利用直径约为10微米的精密铣刀在碳化硅片上铣削出4*4粗加工的凹球冠阵列，球冠直径950um，球冠深350um，凹模阵列的表面精度和质量不作要求。所形成的微半球凹模预加工半成品带有少量毛刺，表面粗糙度较高，但基本的形状已经形成，完成了复合加工的第一步，为第二步用以下超声加工方法精密加工打好了基础。
然后，将变幅杆作为研抛工具的主体，变幅杆11下端则通过双头螺柱与可更换的工具头12连接，工具头12在工作时通过共振传递微型超声发生器的振动，工具头底部加工出m*n阵列凹球坑，球坑直径小于等于球体直径，其中，m、n为自然数。所述研抛装置如图1包括变幅杆11、工具头12、阵列凹球坑13、阵列球体14，变幅杆11主体由硬度极大的钛合金材料制成，其上端与微型超声发生器驱动装置相连接，下端与工具头12相连接。变幅杆11连接双电机驱动，可根据具体需要进行宏观传动和微观传动。在工具头12底部加工出表面一致性好的2*2阵列凹半球球坑，凹半球直径等于下述球体直径，为1mm。
所述阵列球体14采用传统的塑性球体，材料为超硬的氮化硅陶瓷，直径为1mm。布置2*2个球体，在球体和阵列凹球坑13之间充满粘接剂，将每个球体的一半置于凹球坑中。
工具头球体与工件间充满研抛液，研抛液溶剂选用去离子水，研抛液内加稳定剂和分散剂防止磨料沉淀和聚团。磨粒选用硬度极大的金刚石磨粒，其平均粒度约为5um。将0.15mol/L的过氧化氢溶液与0.05mol/L的硫酸亚铁溶液按体积比1：3混合，维持溶液pH为3～4，充分反应2小时，配制出芬顿溶液并将其掺入研抛液中。将碳化硅片工件非加工区域覆盖PTFE塑料保护膜20以防无需加工区域被芬顿液氧化腐蚀。
如图2，工具头在工件上方0-5mm距离内做高频率超声振动，频率达到35kHz，振幅为1-2um，显著提高空化作用对材料去除的促进效果。工具头在Z轴向靠近工件的方向做缓慢的进给运动，每次进给量为1um。工具头在Z轴向靠近工件的方向做缓慢的进给运动，每次进给量为1um。在工具头12和工件旁加装微米级激光视觉定位装置30检测并调控工具头与工件的相对位置以防加工时发生位置偏移。加工时由于工具头的向下进给运动与高频振动同时进行，球体会冲击研抛液，使其中的金刚石磨粒高速冲击凹模衬底并伴随微超声产生的空化作用与工具头物理锤击，最终实现微半球凹模阵列的精加工。
在工具头底部和工件之间放置微米级激光距离传感器21，选定传感器竖直向下方向的工件上的点为参考基准点。工件底部放置具有极快响应速度和高测量精度、适用于精密超声加工，称量范围为1100g、感量0.001g的高精密力传感器22，距离传感器和力传感器均连接PID反馈控制系统23，在加工过程中实时监测工具头与工件间的作用力与距离并反馈给力控系统，力控系统进而调节工具头的加工位置和进给速度以保持加工力始终在合理范围内。同时，在设定加工量完成时可以控制自动停止加工，在工具头与工件接触时(距离传感器测得工具头与工件基准参考点间距离小于1um)也能防止工具头进一步向下进给造成工具头和工件的损坏。
本实例中，工件为厚度2mm的碳化硅片，在此工件上通过材料去除的方法加工形成阵列微半球凹模，期望加工出的凹模直径为1mm，球冠高为400um。由于凹模形状为半球壳，故要求其有极好的球度，凹模边缘位于工件顶部且与工件顶部过渡平滑，阵列中的凹模形状和尺寸一致。
为了实现这种阵列微半球凹模，原理为：先利用微铣削机床的精密铣刀铣出微半球凹模阵列的大致形状，再通过超精密工具头的微超声振动，使工具头底部的球体激发工具头和微凹模衬底工件(碳化硅片)之间的研抛液中的金刚石磨粒，高速冲击凹模衬底。结合工具头对工件的锤击作用、研抛液中的复合磨粒对工件的冲击和物理化学作用等，实现工件材料的去除，大幅提升微半球凹模阵列的加工效率，保证凹模圆周半径的一致性和不同凹模之间几何形状的一致性。
为解决加工过程中球体和工具头底部的磨损问题，所采用的技术方案包括：
第一种方案：球体采用传统的塑性球体，球体材料可选硬度很大的合金钢、碳化钨、氮化硅陶瓷等，使用硬度很大的材料可有效减少球体的磨损。
第二种方案：研抛液中加入羟基自由基浓度0.1-0.2mol/L的芬顿试剂，芬顿溶液中的亚铁离子在过氧化氢的催化下与溶液中的氢氧根离子发生反应能生成氧化性极强的羟基自由基与三价铁离子，从而缓慢氧化工件碳化硅生成的含有二氧化硅的表层。众所周知二氧化硅的硬度明显小于碳化硅，更易受磨粒作用而被去除，这样就减少了对球体和工具头底部的磨损。
第三种方案：运用复合加工的方法，先由微铣削机床的精密铣刀加工出微半球凹模阵列的大致形状，完成绝大部分的材料去除，大幅减少精加工时需要的材料去除量，保护超声精加工研抛装置与球体免受过度磨损。
第四种方案：采用力控装置，限制工具头与待加工工件之间的作用力始终处于合理范围内，减少对工具头的磨损。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (4)
1.芬顿辅助力控微半球凹模阵列复合加工方法，其特征在于，包括以下步骤：首先，将碳化硅片工件置于微铣削机床下进行预加工，由微铣削机床的精密铣刀加工出微半球凹模阵列的初步形状，完成部分的材料去除，在碳化硅片工件上生成m*n粗加工的凹球冠阵列，凹球冠直径为最终加工成品的直径，球冠深小于成品所需深度，其中，m、n为自然数；然后，将变幅杆作为研抛工具的主体，变幅杆下端则通过双头螺柱与可更换的工具头连接，工具头在工作时通过共振传递微型超声发生器的振动，工具头底部加工出m*n阵列凹球坑，球坑直径小于等于球体直径，其中，m、n为自然数；球体采用塑性球体，球体材料为合金钢、碳化钨或氮化硅陶瓷；
球体与工具头底部阵列凹球坑内均匀涂抹防水粘接剂，安置球体于阵列球坑内部，使用压板垂直下压球体，使球体上端全部位于同一高度，在工具头和碳化硅片工件旁加装微米级激光视觉定位装置以检测和调控工具头和工件的相对位置；
工具头球体与碳化硅片制成的工件间充满研抛液，研抛液所含磨粒的平均粒径范围为几十纳米至几微米，磨粒为金刚石磨粒，研抛液溶剂为去离子水、煤油，研抛液内包含稳定剂和分散剂；研抛液中加入羟基自由基浓度0.1-0.2mol/L的芬顿试剂；
采用力控装置，限制工具头与碳化硅片工件之间的作用力始终处于范围内。
2.如权利要求1所述的芬顿辅助力控微半球凹模阵列复合加工方法，其特征在于，研抛液中加入羟基自由基浓度0.1-0.2mol/L的芬顿试剂配制成芬顿溶液，芬顿溶液中的亚铁离子在过氧化氢的催化下与溶液中的氢氧根离子发生反应生成氧化性极强羟基自由基与三价铁离子，将工件表层的碳化硅氧化为二氧化硅。
3.如权利要求1所述的芬顿辅助力控微半球凹模阵列复合加工方法，其特征在于，非加工区域的碳化硅片上覆盖耐氧化保护膜。
4.如权利要求3所述的芬顿辅助力控微半球凹模阵列复合加工方法，其特征在于，耐氧化保护膜为PTFE塑料膜。
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Citations (4)
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| JP2002283225A (ja) * | 2001-03-22 | 2002-10-03 | Olympus Optical Co Ltd | 凹球面の加工装置および加工方法 |
| CN105364641A (zh) * | 2015-11-19 | 2016-03-02 | 浙江工业大学 | 微半环凹模阵列式研抛方法及装置 |
| CN105364640A (zh) * | 2015-11-19 | 2016-03-02 | 浙江工业大学 | 一种微半环凹模阵列化学-机械分级复合制造方法 |
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Patent Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| JP2002283225A (ja) * | 2001-03-22 | 2002-10-03 | Olympus Optical Co Ltd | 凹球面の加工装置および加工方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 一种基于芬顿反应的单晶碳化硅化学机械抛光液研究;王磊;《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》;20151130(第11期);第33-37页 * |
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