一种微结构表面三维椭圆振动超精密抛光方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及超精密加工技术领域，特别是涉及一种微结构表面三维椭圆振动超精 密抛光方法。
【背景技术】
[0002] 在航空航天、国防科技和微电子等领域中，微结构表面的功能元件已成为不可或 缺的关键元件，具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景。微结构表面是具有特定功能 的微小表面拓扑几何形状，可由此转化元件的光学、机械和物理等性质以表现出特定功能 的结构性表面，其特征尺寸一般在微米级。这类元件通常采用复制加工技术制造，要求模具 材料具有高硬度、耐高温、耐磨损等性能。因此，模具表面的加工质量对微结构产品的性能 起着至关重要的作用。在某些应用领域，需使用更高加工质量的光学元件，这就要求进一步 提高微结构模具表面的制造技术水平，作为最终加工工序的金刚石切削和精密磨削已经不 能满足实际需要，必须对微结构表面进行最后的超精密抛光。
[0003] 现在多采用机械抛光、化学机械抛光、超声振动机械抛光、磨粒射流抛光和激光抛 光等多种制造方法对微结构光学功能元件模具进行抛光，但机械抛光、化学机械抛光、磨粒 射流抛光和激光抛光等抛光方法不适于应用在硬脆难加工材料微结构表面的抛光。超声振 动机械抛光过程中，抛光工具以一定频率振动能够有效提高加工效率和改善表面质量，但 目前微结构表面振动辅助抛光还存在不足:现有振动模式的研究都是一维振动或二维振 动，其中二维振动是工具在已加工表面切平面(平行型）或其正交法平面(正交型）内做圆形 或椭圆轨迹运动。正交型二维椭圆振动兼有横向一维振动和纵向一维振动的作用，具有较 好的强化磨粒对加工表面的作用，能实现加工表面工具抛光轨迹沿一个方向局部复杂化； 平行型能实现加工表面工具抛光轨迹沿两个方向局部复杂化，这对获得均匀性材料去除效 果很好，然而目前还尚未出现同时兼顾具有这两种作用的振动抛光方式。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是解决提供一种三维椭圆振动超精密抛光方法，改变硬、脆、难加工 材料的表面抛光技术，显著提高加工表面质量。
[0005] 本发明还有一个目的是抛光工具可根据被加工表面的曲率变化调整椭圆运动轨 迹平面与坐标平面的夹角，提高微结构表面的均匀度和抛光精度。
[0006] 为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种微结构表面三维椭圆振 动超精密抛光方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤一:抛光过程中，抛光工具与微结构表面间以一定的相对速度和一定的抛光 压力对微结构表面作用，抛光工具的运动轨迹为：
[0008] XE = acos0cos(23rft+Φ )+acos9
[0009] YE = bsin(23rft+Φ )
[0010] ZE = asin0cos(23rft+Φ )+asin9
[0011] 其中，a为椭圆长轴半径;b为椭圆短轴半径；Θ为椭圆所在平面与〇E-XEYE平面形成 的夹角;f为振动频率;t为时间；供为离心角；
[0012] 步骤二:根据被加工表面曲率变化，不断调整α值使抛光工具轴线与抛光点切平面 的夹角为设定角度Θ:
[0013] a = arctan(f/ (Xw))+9
[0014] 其中，f (Xw)是抛光轨迹接触点运动轨迹方向的斜率；
[0015] 步骤三:根据被加工表面的曲率变化，根据公式计算调整椭圆的离心角识
[0016]
[0017] 其中，识为椭圆的相位角;K为被加工表面的曲率；
[0018] 步骤四：根据抛光轨迹是被加工曲面上的某一空间曲线，抛光工具的整个运动轨 迹为：
[0019] Xw=acos9cos(23rft+Φ )+acos9+f(t)
[0020] Yw=bsin(2JTft+Φ )+g(t)
[0021] Zw=asin0cos(23rft+Φ )+asin9+h(t)
[0022] 其中，f (t)，g(t)，h(t)为抛光轨迹曲线参数方程，t为参数。
[0023] 优选的是，所述振动频率f在500~5000Hz之间。
[0024] 优选的是，所述夹角Θ等于〇°时，其在切平面内做椭圆轨迹运动：
[0025] 当Θ = 0°时，抛光工具在〇E-XEYE平面内做两维椭圆振动
[0026] XE = acos(2jrft+Φ )+a
[0027] YE = bsin(23rft+Φ )〇
[0028] 优选的是，所述夹角θ等于90°时，其在法平面内做椭圆轨迹运动：
[0029] 当θ = 90°时，抛光工具在Οε-ΥεΖε平面内做两维椭圆振动
[0030] YE = bsin(23rft+Φ )
[0031] ZE = acos(2jrft+Φ )+a〇
[0032] 优选的是，所述步骤4中抛光轨迹曲线参数方程表示为：
[0033] Xi = vt
[0034] Υι = 〇
[0035] Ζι = 0
[0036] 其中，ν为抛光速度，t为时间；
[0037]根据如下公式计算抛光速度V，
[0038]
[0039]其中，m为抛光工具与被加工表面的垂直距离，A为速度影响因子。
[0040]本发明至少包括以下有益效果：1、三维坐标空间内，抛光工具相对于被加工表面 作一定频率的振动且振动轨迹为椭圆，当夹角Θ等于〇或90度时，其在平面内按照椭圆轨迹 运动，切平面的椭圆轨迹能实现加工表面工具抛光轨迹沿两个方向局部复杂化;而法平面 的椭圆加工轨迹能实现加工表面工具抛光轨迹沿两个方向局部复杂化，这对获得均匀性材 料去除效果很好;三维椭圆振动能同时具有两种二维椭圆振动的优点；2、三维椭圆运动抛 光方法改变硬、脆、难加工材料的表面抛光技术，显著提高加工表面质量。
[0041]本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本 发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
【附图说明】
[0042]图1是本发明的微结构表面三维椭圆振动抛光装置。
[0043]图2是本发明的抛光工具与工件抛光过程中三维坐标系示意图。
[0044] 图3是本发明的抛光工具三维椭圆振动轨迹及平面投影示意图。
[0045] 图4是本发明的微结构表面抛光过程示意图。
[0046] 图5是本发明的在Oe-XeYeZe坐标系下Μ点处椭圆轨迹。
[0047]图6是本发明的不同夹角Θ时在Οε-ΥεΖε平面运动轨迹投影示意图。
[0048] 图7是本发明的在Ow-XwYwZw坐标系下Μ点处椭圆轨迹。
【具体实施方式】
[0049] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文 字能够据以实施。
[0050] 应当理解，本文所使用的诸如"具有"、"包含"以及"包括"术语并不配出一个或多 个其它元件或其组合的存在或添加。
[0051 ]图1为抛光工具示意图，抛光工具由振动生成装置1、工件2、工作台3和抛光头4组 成，其中，振动生成装置1和抛光头4固定连接;工作时将待加工工件2固定在工作台3上，防 止工件2在加工过程中发生滑动，开启开关使振动生成装置1产生振动，振动生成装置1带动 抛光头4对工件2进行抛光。
[0052]图2和图3示出了微结构表面三维椭圆振动超精密抛光轨迹，如图2所示，假设任意 时刻抛光头4与工件2表面的接触点为Μ，接触点Μ所在的工件所在切平面设为Οε-ΧεΥε平面， 与此平面相垂直且指向抛光工具方向的为Oe-Ζε轴。所述微结构表面，是指表面精度达亚微 米级，表面粗糙度达纳米级，具有特定功能的微小表面拓扑形状。
[0053]步骤一:抛光过程中，抛光头4与工件2之间有一定的相对速度，抛光工具以一定的 抛光压力对加工表面作用的同时，抛光头相对加工表面还要做椭圆轨迹振动，图3示出了椭 圆运动轨迹，其运动轨迹方程为：
[0054] XE = acos0cos(23rft+Φ )+acos9
[0055] YE = bsin(23rft+Φ )
[0056] ZE = asin9cos(23Tft+Φ )+asin9
[0057] 其中，a为椭圆长轴半径，单位为mm;b为椭圆短轴半径，单位为mm; θ为椭圆所在平 面与Οε-ΧεΥε平面形成的夹角，单位为度;f为振动频率，单位为Hz; t为时间，单位为s; 0为椭 圆上任意一点的离心角，〇 <炉< 2冗，单位为度。
[0058]步骤二:抛光过程中，被加工表面曲率是变化的，需要不断调整抛光工具轴线与对 应位置切平面的夹角，才能保证Θ值。对于回转对称的微结构表面，设Ow-XwYwZw表示工件坐 标系，〇w-Zw为工件的回转轴，以朝向抛光工具的方向为正向，0w-Xw轴与0w-Yw轴所张成的坐 标平面是工件的Z向基准面。抛光工具相对于工件坐标系的抛光轨迹为曲线Zw=f(Xw)，其切 线方程为&=^ (Xw)，当椭圆所在平面与Oe-XeYe平面形成的夹角为Θ，则抛光工具轴线与工 件坐标系Ow-XwYw平面的夹角为α，关系如下
[0059] a = arctan(f/ (Xw))+9
[0060] 因此，抛光过程中需要根据被加工表面曲率变化，调整α值才能保证抛光工具轴线 与该位置切平面的夹角为Θ。
[0061 ]步骤三:根据被加工表面的曲率变化，调整椭圆的离心角货 [0062]
[0063] 其中，供为椭圆的相位角;Κ为被加工表面的曲率；
[0064] 步骤四：根据工件坐标系中被加工表面与工件接触点Μ的坐标为(XWE，YWE，ZWE)，抛 光工具的运动轨迹为
[0065] Xw=acos9cos(2jrft+Φ )+acos9+X·
[0066] Yw=bsin(2JTft+Φ )+Ywe
[0067] Zw=asin0cos(23rft+Φ )+asin0+ZwE
[0068] 当抛光轨迹是被加工曲面上的某一空间曲线时，采用参数方程可以表示为
[0069] Xi = f (t)
[0070] Yi = g(t)
[0071] Zi = h(t)
[0072] 其中，t为参数，抛光工具在Ow-XwYwZw坐标系内整个运动轨迹为：
[0073] Xw=XE+Xi = acos9cos(23Tft+ Φ )+acos9+f(t)
[0074] Yw=YE+Yi = bsin(23rft+Φ )+g(t)
[0075] Zw=ZE+Zi = asin9cos(23Tft+ Φ )+asin9+h(t)
[0076] 〈实例 1>
[0077] 对碳化钨材质微结构模具表面进行抛光，抛光头4与碳化钨材质回转对称微结构 模具表面的接触点为M，接触点Μ所在切平面设为Oe-XeYe平面，与此平面相垂直且指向抛光 工具方向的为Oe-Ζε轴。
[0078] 步骤一:被加工微结构表面的曲面方程为
[0079] Xw2+Yw2+ (Zw-1)2 = 1，（ Zw> 0)，M(XWE，YWE，ZWE)是抛光工具与曲面接触点，此点