一种玻璃的加工方法及加工系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种玻璃加工方法及加工系统，其方法是，将玻璃工件浸于化学溶液中，并使玻璃工件带正电，同时使工具电极带负电并做旋转运动和超声振动，工具电极作用于玻璃工件上，化学溶液成为正负电极间的放电通道，放电瞬间的热力效应和超声振动产生的液压冲击波及电化学阳极溶解作用共同作用于工具电极作用处，形成加工面。其系统包括直流电源、与直流电源负极相连的工具电极、与工具电极连接的超声振动器、带动超声振动器上下运动的调节支座、与直流电源正极相连并使玻璃工件带正电的附加电极和容纳玻璃工件的化学溶液槽。本发明的优点是：可实现了较高精度和效率的玻璃微孔槽加工，同时实施方法成本低，实施系统结构简单，易于安装、检修。
【专利说明】一种玻璃的加工方法及加工系统
[0001]
【技术领域】
[0002]本发明涉及玻璃加工，尤其涉及一种利用电火花放电、电化学腐蚀以及超声振动共同作用于玻璃，而实施的一种玻璃的加工方法及加工系统。
【背景技术】
[0003]随着微机电系统的发展和应用，玻璃的加工成为微传感器制备过程中的重要技术之一 O
[0004]目前，在玻璃上加工微孔、微槽的方法主要有化学腐蚀、机械研磨等方法。化学腐蚀一般需要配合掩膜光刻工艺，加工过程中难以控制加工精度，容易破坏玻璃表面的平整度，加工的微孔、微槽的锥度明显。机械研磨方法是在玻璃上覆盖金刚砂，利用高速旋转的钻头对玻璃进行研磨完成钻孔，这种方法耗时长、重复精度低，容易造成玻璃的破损。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种玻璃微孔、微槽的加工方法及加工系统，以解决现有玻璃加工中存在的精度和效率不高及易破损的问题。
[0006]为了实现上述发明目的，本发明的方法是:将待加工玻璃工件按加工面朝上浸于对玻璃有电化学腐蚀作用的化学溶液中，并使玻璃工件带正电，同时使工具电极带正电并作旋转运动和超声振动，所述工具电极作用于所述玻璃工件的加工面上，所述化学溶液成为放电通道，工具电极作用处的玻璃材料在放电瞬间的热力效应和超声振动产生的液压冲击波以及电化学阳极溶解的共同作用下被去除，形成设定的加工面。
[0007]为了更好地进行电化学反应，化学溶液优选浓度范围30-40%的碱性钠盐溶液。
[0008]由于一般玻璃不导电，为了在玻璃工件和工具电极之间施加一个电场来实施放电加工，一个优选的方法是在玻璃工件的背面设置与直流电源正极连接的附加电极15，并且该附加电极15采用厚度为0.5-lmm的金属钼片，以保证良好的导电性能。而工具电极则采用具有耐高温性能的碳化钨材料。
[0009]为了较好地控制放电时的温度及去除材料从玻璃本体上去除的速度，正负电极间的直流电源电压为60-120V ;工具电极的转速控制在10-100r/s，振幅控制在15-25 μ m，超声频率控制在10_20kHz。
[0010]为了实现上述发明目的，一种玻璃加工系统:包括工具电极(13)、附加电极(25)、超声振动器(4)、调节支座(3)、直流电源(15)、化学溶液槽(16)和可平面移动的工作台(20)，所述超声振动器(4)设置在所述调节支座(3)上，所述工具电极(13)连接在超声振动器(4)上并与所述直流电源(15)的负极相连，所述附加电极(25)设于玻璃加工件一侧并和玻璃加工件共同置于于所述化学溶液槽(16)中，所述化学溶液槽(16)置于所述工作台
(20)上。[0011 ] 一个优选的超声振动器(4)包括电机(45 )、基座(46 )和超声振动单元，所述电机(45)固定在调节支座(3)上，所述基座(46) —端与所述电机(45)的转轴连接，一端设有容纳内腔(461)，所述超声振动单元部分位于该容纳内腔(461)中并与基座(46)连接。
[0012]进一步的，超声振动单元包括与基座(46)连接的连接座(41)，和通过螺钉(47)由下而上依次连接在连接座(41)上端的下端块(40)、压电陶瓷片(49)、导电片(44)和上端块(48)，及通过螺纹连接固定在连接座(41)下端的变幅杆(42)，所述工具电极(13)连接在所述变幅杆(42)的下端。
[0013]一个优选的工具电极调节支座(3 )包括固定支架(31)、丝杆(32 )、螺母支架(33 )、支撑板(34)和电机(35 )，所述丝杆(32 )可转动地支承于固定支架(31)并与所述电机(35 )转轴连接，螺母支架(33)旋接于丝杆(32)并与所述支撑板(34)连接。
[0014]本发明主要以电火花放电产生的热力作用去除玻璃材料，通过控制工具电极所对应电极的电压及转速，能较精确的控制材料去除量，并通过电化学阳极溶解和超声振动产生的液压冲击波作用加速去除材料从玻璃本体上去除，发挥电火花加工、电化学加工和超声加工各自的特长，来实现了较高精度和效率的玻璃微孔、微槽的加工，同时实施本发明方法的系统结构简单，易于安装、检修，且成本低。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明的玻璃加工系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0016]如图1, 一个实施本发明方法的具体的玻璃加工系统,具有一个工具电极13,该工具电极13连接在超声振动器4上，并与直流电源15的负电极进行电连接。该工具电极13将作为在玻璃上加工微孔或微槽的工具，并由与之连接的超声振动器4而设置在一个调节支座3上，以便通过调节支座3在对玻璃的微孔或微槽加工时，可随调节支座3做深度方向的进给运动。化学溶液槽16中置有具有电化学腐蚀作用的溶液，被加工的玻璃加工件24按加工面向上方向由夹具23固定在化学溶液槽16内并浸泡在化学溶液中，与直流电源15正电极相连的附加电极25置于玻璃工件24背面一侧，使玻璃工件24带正电，化学溶液槽16置于可做平面运动的工作台20上。
[0017]本发明系统工作时，附加电极25与工具电极13之间的放电过程，使化学溶液成为放电通道，通过放电的瞬间电火花所产生的热力效应去除玻璃材料，同时玻璃表面的电化学阳极溶解作用也加速材料去除，为进一步将溶解材料从玻璃本体是清除下来，采用了超声振动器4，将工具电极13与超声振动器4连接，使工具电极随超声振动器4的超声振动而振动，而超声振动的工具电极13会对玻璃工件产生液压冲击波，加快玻璃熔化物的去除和化学溶液放电通道的更新，使得电火花放电与电化学阳极溶解作用周而复始，持续稳定进行，从而在玻璃工件上加工出与工具电极13作用端形状一致的微孔或微槽。
[0018]超声振动器4主要由电机45、基座46和超声振动单元组成，电机45的转轴与基座46的上端与连接，带动基座46转动；基座46的下端设有容纳内腔461，容纳内腔461为一盲孔，超声振动单元部分容纳于该容纳内腔461内并连接在基座46的下端。在容纳内腔461的上端设有一个径向设置用于引导导线的进线孔462。
[0019]超声振动单元主要由连接座41、上端块48、下端块40、压电陶瓷片49和导电片44组成。连接座41为一圆柱形的轴件，在其中部设有径向凸起于圆柱面的轴肩411，该轴肩用于与基座46连接。
[0020]连接座41的上下端面上分别设有螺纹孔412、413，下端块40置于连接座41的上端面上，在下端块41上侧依次放置压电陶瓷片49和导电片44，并在导电片44上侧放置另一压电陶瓷片49，使导电片44被夹持在两压电陶瓷片49之间，在上侧的压电陶瓷片49上连接上端块48，上述的上端块48、下端块40和压电陶瓷片49及导电片44的中心都设有用于安装的孔，螺钉47穿接上述各零件上的容纳内腔旋接于上述的螺纹孔412中，使置于连接座41上端面的各零件连接在连接座41上并容纳在基座下端的容纳内腔461中。与超声电源43连接的导线由进线孔462引入容纳内腔461内并与导电片44连接，使导电片44接收到超声电源的高频交变电压信号，并通过压电陶瓷片的电致伸缩效应产生振幅为
0.2-0.3 μ m的高频振动，再通过上粗下细的变幅杆将振幅放大至15-25 μ m并传递给工具电极，工具电极13的高频振动将使化学溶液产生液压冲击波，以加快将熔融材料从玻璃本体上去除。
[0021]连接座41下端面通过其上设置的螺纹孔413连接变幅杆42，该变幅杆42的上端为与螺纹孔412相适配的螺纹连接部421，下端为变幅部422，变幅部422为向下逐步收窄的大致圆锥体，以通过逐渐减小的径向截面，使振动能量密度增加，变幅部422的下端面设有用于与工具电极13连接的孔，工具电极13插接在该孔中，并通过一个紧定螺钉423使之连接在变幅杆42上。工具电极13通过变幅杆42与直流电源15的负极连接。
[0022]具有上述超声振动单元的超声振动器4随调节支座3做上下移动，该调节支座3有一个固定支架31，丝杆32可转动地支承于固定支架31上，步进电机35固定在固定支架31上，该电机的转轴与丝杆32上端连接，螺母支架33上设有与丝杆32上螺纹相对应的螺孔，螺母支架33通过螺孔旋接在丝杆32上，支撑板34与螺母支架33连接，整个超声振动器4通过电机4固定于支撑板34上而使其连接在调节支座3上。在步进电机35转动时，丝杆32随之转动，螺母支架33做沿丝杆32轴线的上下移动，并带动支撑板34和固定于支撑板上的超声振动器4及连接在超声振动器4上的工具电极13上下运动，以满足工具电极13在加工微孔或微槽时，做深度方向的进给。
[0023]工具电极13对玻璃加工件上不同位置的上的微孔、微槽的加工是通过移动工作台20来实现，工作台20设有相互垂直且处于不同高度的两个丝杆螺母传动机构(未画出)，使工作台20可以做平面上的移动，这样工具电极13可以相对工作台20进行移动调整，移动到需进行微孔或微槽的加工的位置处。
[0024]为了补充消耗的化学溶液，在化学溶液槽16与化学溶液箱21之间的进液管路19上设置液泵18，以在需要补充所述化学溶液时，由液泵18供给，并在化学溶液槽16与化学溶液箱21的回液管路上设置开关阀门26，以在不工作或检修时，将化学溶液槽16中的化学溶液排放到化学溶液箱21中。
[0025]此外，为了较好地控制过放电的瞬间电火花所产生的热力效应，正负电极间的直流电源电压优选为60-120V。为了更好的进行电化学反应，化学溶液优选浓度为30-40%的碱性钠盐溶液，并采用0.5-lmm的金属钼片作为附加电极，采用碳化钨材料制作工具电极13。同时优选的工具电极的转速为10-100r/s，振幅为15-25 μ m，超声频率为10_20kHz。
[0026]这样，本发明系统在玻璃工件上加工微孔或微槽时，通过工作台20的相对移动，使工具电极13对准玻璃工件所需加工的位置，然后通过调节座3上步进电机35的转动使工具电极13作微孔或微槽深度方向的进给运动，从而完成加工，在玻璃工件上形成与工具电极13作用端形状一致的微孔或微槽。
【权利要求】
1.一种玻璃的加工方法，其特征在于，将待加工玻璃工件按加工面朝上浸于对玻璃有电化学腐蚀作用的化学溶液中，并使玻璃工件带正电，同时使工具电极带负电并作旋转运动和超声振动，所述工具电极作用于所述玻璃工件的加工面上，所述化学溶液成为放电通道，工具电极作用处的玻璃材料在放电瞬间的热力效应和超声振动产生的液压冲击波以及电化学阳极溶解的共同作用下被去除，形成设定的加工面。
2.根据权利要求1所述的一种玻璃的加工方法，其特征在于，所述化学溶液优选浓度范围30-40%的碱性钠盐溶液。
3.根据权利要求1所述的一种玻璃的加工方法，其特征在于，所述玻璃工件的背面设有连接直流电源正极的附加电极，所述附加电极采用厚度为0.5-lmm的金属钼片。
4.根据权利要求1所述的一种玻璃的加工方法，其特征在于所述工具电极采用碳化钨材料制成。
5.根据权利要求1或4所述的一种玻璃的加工方法，其特征在于，所述工具电极的转速为10-100r/s，振幅为15-25 μ m，超声频率为10_20kHz。
6.根据权利要求1所述的一种玻璃的加工方法，其特征在于，正负电极间的直流电源电压为60-120V。
7.一种玻璃加工系统，其特征在于，包括工具电极(13)、附加电极(25)、超声振动器(4)、调节支座(3)、直流电源(15)、化学溶液槽(16)和可平面移动的工作台(20)，所述超声振动器(4)设置在所述调节支座(3)上，所述工具电极(13)连接在超声振动器(4)上并与所述直流电源(15)的负极相连，所述附加电极(25)设于玻璃加工件一侧并和玻璃加工件共同置于所述化学溶液槽(16)中，所述化学溶液槽(16)置于所述工作台(20)上。
8.根据权利要求1所述的一种玻璃加工系统，其特征在于，所述超声振动器(4)包括电机(45)、基座(46)和超声振动单元，所述电机(45)固定在调节支座(3)上，所述基座(46)一端与所述电机(45)的转轴连接，一端设有容纳内腔(461)，所述超声振动单元部分位于所述容纳内腔(461)中并与基座(46)连接。
9.根据权利要求1所述的一种玻璃加工系统，其特征在于，所述超声振动单元包括与基座(46)连接的连接座(41)，和通过螺钉(47)由下而上依次连接在连接座(41)上端的下端块(40)、压电陶瓷片(49)、导电片(44)和上端块(48)，及通过螺纹连接固定在连接座(41)下端的变幅杆(42)，所述工具电极(13)连接在所述变幅杆(42)的下端。
10.根据权利要求1所述的一种玻璃加工系统，其特征在于，所述工具电极调节支座(3)包括固定支架(31)、丝杆(32)、螺母支架(33)、支撑板(34)和电机(35)，所述丝杆(32)可转动地支承于固定支架(31)并与所述电机(35)转轴连接，螺母支架(33)旋接于丝杆(32)并与所述支撑板(34)连接。
【文档编号】B23H7/38GK104384637SQ201410516579
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】张华 , 钱双庆, 华亮 申请人:南通大学