热成形超声加工工具及方法

专利名称：热成形超声加工工具及方法
技术领域：
本文描述的实施方式涉及加工领域，且更具体地说，涉及表面的微加工。
背景技术：
已经开发了许多非传统的加工工艺来提供制备复杂工件的可选方法。这些工艺通 常用于加工铸件、锻造部件、复合部件和陶瓷部件，并且用作工件上的精加工步骤，在工件 中，已经使用了更常规的技术进行了粗加工。一种这样的技术是放电加工(EDM)。EDM允许通过工具和工件表面之间的电火花 电弧放电的能量来从工件去除金属。在使用过程中，工具和工件都被浸入电介质流体中，例 如油中。快速电脉冲随后被传递给工具，从而在工具和工件之间进出火花或电弧。每一个 火花产生的热使工件上的少量金属熔化，从而将其从工件去除。当金属被如此去除时，通过 电介质流体的循环来冷却并冲掉金属。EDM通常能用于在工件中形成复杂且精细的形状。但是，EDM受到许多限制。首先， 工件必须是导电的，以便接通在工件和工具之间产生火花所需要的电路。因而，EDM不适合 用于由诸如大部分陶瓷或聚合物等的许多材料制成的工件。其次，使用EDM难以对工件表 面实现期望的最终精加工，且受到EDM的表面一般具有“橘皮”或“喷砂”的外观。例如，可 能希望具有粗至0.8 μ m均方根(RMS)的最终表面光洁度，或者具有约0.02 μ m RMS的较光 滑的镜面光洁度。EDM—般产生最好0.8μπι至3. 2μπι RMS之间的表面光洁度。因此，尽管 EDM对于提供较粗的光洁度是有用的，但是其通常不适合于提供高度抛光的工件。趋向于提供较光滑的光洁度的另一非传统加工工艺是超声抛光，也称为超声冲击 磨光。超声抛光通常涉及去除一薄层材料(例如，达50 μ m厚或更少)，以将工件精加工到 期望尺寸。抛光涉及一般地通过选择性地去除不想要的不太细的细节(例如，工件表面上 存在的长波幅波形特征的顶部)和不想要的细节或表面粗糙度(例如，工件表面上存在的 短波幅波形特征的顶部)，而同时保留想要的表面特征完好无损，从而去除工件表面上的波 痕。工件的抛光通过快速且有力的搅动悬浮在位于工件表面和工具的表面之间的浆 料中的细研磨颗粒来实现。为了搅动浆料中的研磨颗粒，在操作过程中，工具以一般在 15，OOOHz和40，OOOHz之间的频率下振动，但是可以根据特定应用的需要采用更高或更低 的频率。 能使用各种技术来实现工具的振动。一种方法是使用磁阻致动器，其中磁场循环 地施加于铁磁芯。磁场的应用引起称为磁阻的效应，从而磁芯长度响应于磁场强度的波动 而略微改变。实现振动的另一方法使用了压电式换能器，如本领域已知的，该压电式换能器 响应于所施加的电场而振荡。随后，换能器一般连接到喇叭状物或聚能器，而喇叭状物或聚 能器的工作端具有工具。喇叭状物相对于致动器或换能器的振荡增加工具振荡的振幅。喇 叭状物一般具有大致截头锥形状，且工具连接到较窄的工作端，而致动器或换能器固定在 较宽或较大的一端。
在操作过程中，磁阻致动器引起工具在大致平行于喇叭状物的纵轴线的方向上振 荡，该方向一般与工件的表面垂直。在任何单次循环中，工具通过平均位置P2(在此位置， 工具最快速地移动)从离工件表面最远的最上部位置Pl (在此位置，工具处于静止)移动 到离工件表面最近的最下部位置P3 (在此位置，工具再次处于静止)。随着循环继续，工具 通过平均位置P2移回到最上部位置P1，等等。在某些实施方式中，且根据具体的超声抛光 设备的构造，工具从Pl到P3的振荡幅度在13 μ m和62 μ m之间，但是根据具体应用的需要 可以采用更高或更低的幅度。工具的表面、工件和研磨浆料之间的相互作用取决于循环过程中浆料中的研磨颗粒之间的尺寸关系以及工件和工具的表面之间的距离。当研磨颗粒的尺寸制定成使得它们 大到足以在平均位置P2处被工具接触时，磨料趋向于在工具以其最高的速度移动时受到 冲击。因而，较大量的动量一般被传递到研磨颗粒。但是，在研磨颗粒尺寸较小时，它们将 在工具较靠近工件表面(在P2和P3之间)且因而以较低速度移动时受到冲击。所以，较 小的研磨颗粒将一般从工具接收较少量的动量。类似地，当研磨颗粒尺寸较大时，它们往往 在工具达到其最高速度(在Pl和P2之间)之前被工具冲击。因此，对于任何特定的工具 和工件组合，基于工件和工具之间的间隙，一般存在起作用的研磨颗粒尺寸(或粒度尺寸) 的有效范围。在操作过程中，当工具冲击任何粒状研磨颗粒时，该颗粒将被工具的作用推向工 件。这在工件和工具表面上引起冲击应力。这些冲击应力偶尔地引起一个或多个研磨颗粒 变得断裂，这往往会降低颗粒的尺寸，这也是希望将新的研磨颗粒引入浆料内以确保维持 期望的磨料尺寸来保证维持抛光速率的一个原因。引入新浆料也有助于从工具和工件之间 的间隙冲走工件碎屑。因而，振动工具有效地起到了锤的作用，以周期地击打研磨颗粒并切下小部分工 件。材料通过三个主要模式被从工件去除(a)使研磨颗粒冲击工件表面的冲击或空穴作 用，(b)由通常平行于工件表面来回流动(由浆料的运动引起)的研磨颗粒引起的机械作 用，以及(C)由颗粒在工件表面上的振动或由研磨颗粒的堆积引起的机械作用，研磨颗粒 通过桥接工件和工具之间的间隙来破碎工件表面。超声抛光优于EDM的主要益处之一是超声抛光是非热的、非化学的和非电的。因 此，超声抛光除了去除材料以外，既不需要也不会引起所抛光工件的冶金、化学或物理特性 中的任何变化。所以，超声抛光能用于成形许多不同类型的材料，包括硬的材料和不导电的 材料，例如陶瓷和玻璃，这些材料一般不能使用EDM来形成。超声抛光还能在不需要电介质流体的情况下进行，而EDM是要求电介质流体的。 在许多情形下，所需要的只是研磨颗粒在水、油或乳胶中的简单的浆料混合物。超声抛光还能对精加工的工件产生更光滑的表面特性。在正确选择了磨料、振荡 频率、振荡幅度、工具以及工具和工件之间的间距的情形下，超声抛光能产生具有镜面光洁 度的表面(小于0. 25 μ mRMS)。然而，超声抛光也面临许多挑战。抛光一般比许多其它材料去除技术，例如EDM更 慢。因此，为了获得期望的最终表面，可能花费更长的时间。而且，超声抛光中所使用的工 具一般由通常比工件软的材料制成。这能引起比从工件去除材料的速率更高的工具磨损速 率，这使得难以维持精确的工具形状以便确保工件得到期望的轮廓。结果，通常需要在单个工件抛光之后更换工具，或者甚至在同一个工件的抛光过程中使用多个工具。已经磨损的 工具一般被简单地丢弃，这可能是昂贵的且浪费的。因此，需要一种制备具有光滑的抛光表面的工件的改进的方法和设备。

发明内容
根据一个实施方式，提供了一种微加工具有复杂表面轮廓的工件的表面的方法， 该复杂表面轮廓包括期望的轮廓特征和待去除的较细的不期望的轮廓特征，该方法包括 使用工件本身或工件的复制件将可成形的抛光工具成形为具有至少所述期望的轮廓特征， 以及使用所述可成形的抛光工具微加工所述表面，以去除所述较细的不期望的轮廓特征， 而同时保留所述期望的轮廓特征。在某些实施方式中，通过当可成形的抛光工具处于可成形状态时将可成形的抛光 工具压靠在工件自身或工件的复制件上，来将可成形的抛光工具成形为具有至少所述期望 的轮廓特征，且当可成形的抛光工具处于固体状态时，使用可成形的抛光工具来进行微加工。在某些实施方式中，可成形的抛光工具包括在第一温度处于可成 形状态而在第二 温度处于固体状态的可热成形材料，第二温度低于第一温度，且通过在第一温度时将可成 形的抛光工具压靠在工件自身或工件的复制件上并随后将可成形的抛光工具冷却到第二 温度，来将可成形的抛光工具成形。在某些实施方式中，该方法还包括在将可成形的抛光工具冷却到第二温度的过 程中，使可成形的抛光工具靠着工件自身或工件的复制件振荡，以改变可成形的抛光工具 的轮廓。结果，能在工具和工件之间产生较大的间隙，以容纳大颗粒和/或较大幅度的轨道 运动。此外，这趋向于在工件上的任何表面特征上产生间隙，否则会在冷却到第二温度的过 程中引起可成形的抛光工具的机械干涉或夹紧。在某些实施方式中，该方法还包括确定可成形的抛光工具处于磨损状态，以及通 过将可成形的抛光工具加热到第一温度来重新形成可成形的抛光工具，在第一温度时将可 成形的抛光工具压靠在工件本身或工件的复制件上，并且随后将可成形的抛光工具冷却到
第二温度。在某些实施方式中，该方法还包括在可成形的抛光工具和工件之间提供研磨浆 料，其中可成形的抛光工具的使用引起研磨浆料微加工工件的复杂表面轮廓。在某些实施方式中，在微加工所述表面的过程中对可成形的抛光工具施加辅助运 动，以去除所述较细的不期望的轮廓特征，而同时保留所述期望的轮廓特征，所述辅助运动 被施加用以实现研磨浆料的运动。在某些实施方式中，提供了一种由具有复杂表面轮廓的工件制造部件的方法，该 复杂表面轮廓包括期望的轮廓特征和待微加工的较细的不期望的轮廓特征，所述方法包 括使用工件本身或工件的复制件将可成形的抛光工具成形为具有至少所述期望的轮廓特 征，使用可成形的抛光工具微加工所述较细的不期望的轮廓特征，同时保留所述期望的轮 廓特征，以及使用工件形成部件。在某些实施方式中，工件包括模具，且该方法还包括使用模具来模制部件。根据某些实施方式，提供了一种微加工具有复杂表面轮廓的工件的微加工设备，该复杂表面轮廓包括期望的轮廓特征和待微加工的较细的不期望的轮廓特征，所述设备包 括可成形的抛光工具，其被构造成微加工所述较细的不期望的轮廓特征，而同时保留所述 期望的轮廓特征，其中使用工件本身或工件的复制件来将可成形的抛光工具成形为具有至 少所述期望的轮廓特征。根据某些实施方式，提供了一种用于与微加工设备一起使用的可成形的抛光工具，所述微加工设备用于微加工具有复杂表面轮廓的工件，该复杂表面轮廓包括期望的轮 廓特征和待微加工的较细的不期望的轮廓特征，其中可成形的抛光工具被构造成微加工所 述较细的不期望的轮廓特征，同时保留所述期望的轮廓特征，并且通过使用工件本身或工 件的复制件来将可成形的抛光工具成形为具有至少所述期望的轮廓特征。从以下结合附图的描述中，此处所描述的实施方式的其他方面和优点将是明显。


为了更好地理解此处描述的实施方式以及为了更清楚地示出它们是如何实现的， 现仅通过举例来参考附图，附图显示了至少一个示范性实施方式，且在附图中图1是根据一个实施方式的微加工设备的截面透视图；图2是图1的微加工设备的特写视图；图3是用于图1的微加工设备的喇叭状物的透视图；图4A是用于固定到图3的喇叭状物上的工具保持器和可成形的抛光工具的透视 图；图4B是图4A的工具保持器和可成形的抛光工具的侧视图；图4C是根据一个实施方式具有整体锥形螺纹部分的喇叭状物的侧视图；图5是形成用于图1的微加工设备的可成形的抛光工具的方法的示意图；图6A是使用第二工艺形成可成形的抛光工具以调节可成形的抛光工具的形状的 方法的示意图；图6B是使用图6A所描述的第二工艺所形成的可成形的抛光工具的截面图；图7是重新形成可成形的抛光工具的方法的示意图；图8A是使用超声微加工工艺精加工的表面的轮廓图；图8B是不使用超声微加工工艺精加工的表面的轮廓图；图9是使用采用图1的微加工设备制造的工件所形成的部件的透视图；图IOA是根据一个实施方式的工具保持器和可成形的抛光工具的透视图；图IOB是图IOA的工具保持器和可成形的抛光工具的侧视图；图IlA是根据一个实施方式的工具保持器的透视图；图IlB是图IlA的工具保持器的侧视图；图IlC是图IlA的工具保持器的端视图；图12A-12C显示了由于可成形的抛光工具的辅助运动而在浆料中产生的波的示 意图；图13A是根据另一个实施方式的工具保持器和可成形的抛光工具的透视图；图13B是图13A的工具保持器和可成形的抛光工具的侧视图；图14A是根据一个实施方式的工具保持器的透视图14B是图14A的工具保持器的侧视图；图14C是图14A的工具保持器的端视图；图15是根据一个实施方式的用于提供可成形的抛光工具的辅助运动的方法的示意图；以及图16是组合微加工与放电加工的方法的示意图。
具体实施例方式应理解，为了简化且清楚地示出，在认为适当的情况下，各图中的参考数字可被重 复以表示相应的或类似的元件或步骤。另外，陈述了众多具体细节以便提供对此处描述的 示范性实施方式的全面理解。但是，本领域技术人员应理解，此处描述的实施方式可在没有 这些具体细节的情况下被实施。在其它情形下，没有详细描述众所周知的方法、程序和部 件，以便不混淆此处描述的实施方式。而且，本描述在任何情况下不应被认为限制了此处描 述的实施方式的范围，而是仅被认为描述了此处描述的各种实施方式的执行方式。根据某些实施方式，提供了一种用于成形在工件的微加工中使用的可成形的抛光 工具的方法。应理解，对于本说明书和权利要求书来说，术语“微加工”包括超声抛光和其 它形式的超声加工，包括去除材料的均勻薄层至期望的尺寸(例如加工精面或精加工)以 及抛光不期望的表面粗糙度。更具体地，微加工包括抛光表面的表面粗糙度，例如抛光C3 的表面光洁度至Bl的表面光洁度。微加工还包括涉及以逐层方式去除材料的加工，例如在 保持期望的轮廓特征的同时加工甚至0-50 μ m的材料层厚。在某些实施方式中，可成形的抛光工具包括由具有可成形状态和固体状态的材料 制成的至少一部分或一层，其中材料在可成形状态可被成形，材料在固体状态是硬的且抵 抗变形。可成形材料能包括具有可延展或韧性状态的材料，例如可热成形材料(例如聚合 物)，这种材料能通过在加热时施加力而成形，以及具有液体状态或其它状态的材料，其中 这种材料能使用模子来浇铸和定型或铸造。可成形的抛光工具的材料首先设置在可成形状 态，随后使用模子来模制或成形可成形的抛光工具。在某些实施方式中，这可包括将处于可 延展或韧性状态的可成形的抛光工具压靠在模子上。在其它实施方式中，这可包括提供处 于液体形式的材料，然后在模子中铸造可成形的抛光工具。在某些实施方式中，该模子能构成通过使用可成形的抛光工具微加工而加工成的 实际工件。在其它实施方式中，该模子能为通过使用可成形的抛光工具微加工而加工成的 工件的全部或一部分的复制件或模型。例如，可成形的抛光工具可设置为待微加工的特定 工件的仅一部分，且可能需要使用许多不同形状的可成形的抛光工具来实现整个工件的微加工。随后，使可成形的抛光工具从可成形状态转变到固体状态。这可通过使用各种技 术来完成，这取决于可成形的抛光工具中所使用材料的类型。例如，如果材料为聚合物或其 他可热成形材料，则可成形的抛光工具能被加热来实现可成形状态，并被冷却以实现固体 状态。可选地，如果可成形的抛光工具的材料是某种类型的热固性塑料，则可成形的抛光工 具可能需要被加热以实现材料的固化。在可成形的抛光工具的材料以液体形式被铸造的情 况下，从可成形状态到固体状态的转变可能通过冷却或通过化学反应而发生。可选地，能使 用某些热固性塑料，其中热固性塑料能被重复地熔化而不会降低性能，且能更类似于热塑性聚合物一样重复成形。在某些实施方式中，能使用基于环氧树脂的材料来制造可成形的抛光工具。环氧 树脂能与填充物混合，并随后在作为液体的可成形状态时浇铸到模子(例如，工件或复制 件)中。然后，环氧树脂能固化而不需要加热或冷却，从而转变成固体状态。可选地，能将树 脂和填充物中的一个设置在模子中，随后将另一个添加到模子以实现到固体状态的转变。
一旦可成形的抛光工具达到固体状态，其随后能用于加工工件表面，例如通过微 加工工件表面。在某些实施方式中，这能通过在可成形的抛光工具面和工件表面之间添加 研磨浆料来完成。在其它实施方式中，能将研磨颗粒包含在可成形的抛光工具内，该可成形 的抛光工具能直接地应用于工件表面而不需要间隙中的研磨浆料。之后，能通过压电式换 能器或其它合适的技术来使可成形的抛光工具振荡，以微加工工件表面。这样，可成形的抛光工具能用于通过去除较细的不期望的轮廓特征来微加工具有 高度复杂表面轮廓的工件，以实现期望的表面光洁度。一般地，复杂表面轮廓包括至少具有 一个或多个原始几何固体形状的组合的表面。例如，复杂表面轮廓可包括具有V槽的柱体 或具有圆形边缘的一个或多个矩形棱柱。复杂表面轮廓还能包括没有特别参考基本几何形 状而设计并界定的表面，例如预期与实际物体表面相对应的轮廓，该实际物体例如为用于 假肢的造型部件的人手指或肢体。另外，工件能为任何类型的期望复杂部件，例如整形假肢、涡轮叶片或不必具有模 具腔的形状的任何3D部件几何形状。例如，整形假肢的限定区域可能需要抛光以提供良好 的支承表面。可成形的抛光工具可用于微加工诸如整形假肢等部件的局部区域以提供特定 的支承表面。微加工能在不改变任何周围表面的情况下进行，以便仅在特别需要的地方提 供期望的表面光洁度。根据某些实施方式，以所述方式使用可成形的抛光工具允许微加工工件的复杂表 面轮廓来去除较细水平的不期望的轮廓特征，同时保留期望水平的轮廓细节。例如，这能 包括去除超过轮廓特征的不期望的薄的均勻材料层，例如由EDM加工留下的白层或热影响 区，以及不期望的轮廓特征，例如由常规加工工艺留下的工具痕或由EDM工艺留下的凹坑 或隆起。但是，能保留期望的轮廓特征，例如期望的模具几何形状(包括复杂表面轮廓的任 何曲线、切口、浮凸特征或其它元素)。因而，能实现期望的表面光洁度。根据某些实施方式，当可成形的抛光工具被磨损时，能通过使可成形的抛光工具 恢复到可成形状态并随后重复相同的或类似的成形工艺以修改或重新形成可成形的抛光 工具来重新修整可成形的抛光工具。在某些实施方式中，当处于固体状态时，可成形的抛光工具的尺寸一般略微小于 用于模制可成形的抛光工具的模子的尺寸，这是由于可成形的抛光工具在从可成形状态转 变到固体状态时的收缩造成的。在某些实施方式中，如果希望可成形的抛光工具具有不同 的尺寸特性，能执行辅助工艺，由此，在形成可成形的抛光工具之后，可成形的抛光工具能 被恢复到可成形状态、插入模子中并随后在施加3D轨道运动的同时恢复到固体状态。这 样，可成形的抛光工具能被制成具有甚至更小的尺寸或提供有在凹入表面特征上的正间隙 宽度，以防止机械干涉或在冷却到固体状态的过程中夹紧。当然，应理解，例如当可成形的 抛光工具材料是某种类型的热固性塑料时，或者当不能在可延展或韧性状态提供可成形的 抛光工具的材料时，这种辅助工艺可能是不可用的。
在某些实施方式中，可成形的抛光工具能被模制到热塑性材料或弹性材料的薄膜 上，该薄膜在模制可成形的抛光工具之前施加到工件表面上(例如通过热成形、液压成形、 喷射或刷到表面上)。一旦薄膜(其一般具有大致均勻的厚度)覆盖工件表面的整个表面 或一部分，则可成形的抛光工具能被模制在该膜上。在可成形的抛光工具固化之后，能从工件去除可成形的抛光工具和膜(此刻两者形成单一复合部件)。之后，能去除该膜(例如通过机械去除膜或者在溶液中溶解膜)，以 提供具有期望的轮廓表面尺寸的可成形的抛光工具。例如，在形成包括填充有10%的氧化铝的UHMWPE聚合物基体的可成形的抛光工 具之前，水溶性热塑性材料薄膜，例如基于纤维素的水溶性聚合物，或者配有氢氧根(-0H) 的其它水溶性热塑性材料，能被热成形到模具整个腔的表面上。一旦水溶性膜和UHMWPE的 可成形的抛光工具被模制、固化并从工件去除，随后可成形的抛光工具能被浸入沸水中以 便溶解膜，从而留下具有较小的总尺寸的可成形的抛光工具，该总尺寸一般与减去膜厚度 的原始工件尺寸成比例。在另一示例中，可成形的抛光工具能被模制到拉伸到工件上的薄的、柔性硅酮膜 上。随着模具压力的增加，膜呈得工件的形状，且制造了与减去拉伸膜厚度的工件尺寸成比 例的小于一般尺寸的可成形的抛光工具。一旦被形成，能通过简单地将膜拉下可成形的抛 光工具来从可成形的抛光工具去除该膜。在某些实施方式中，在已经形成了可成形的抛光工具之后，能将其浸入或以其它 方式暴露于溶剂达预定的时间量，以便从可成形的抛光工具表面溶解掉指定量的材料，从 而赋予工具较小的总体轮廓。例如，由90%的ABS和10%的氧化铝制成的可成形的抛光工 具能被浸入甲醇或丙酮中几秒钟，并随后用水冲洗，以停止溶解过程。结果，可成形的抛光 工具的尺寸能与可成形的抛光工具暴露到溶剂中的时间成比例地被均勻减小。在某些实施方式中，例如可成形的抛光工具具有一般为固体的芯，当可成形的抛 光工具从可成形状态转变到固体状态时，能在可成形的抛光工具最初形成的过程中施加3D 振荡运动。该方法允许以期望的尺寸形成各种材料的可成形的抛光工具，包括由热固性塑 性材料制成的可成形的抛光工具。本领域技术人员应理解，尽管在整个本说明书中使用了术语“超声”，但是可以具 体地考虑到，能对此处所描述的实施方式使用各种其它频率。具体地，也能使用落入人耳听 觉范围内的频率的振荡(例如，声波振荡)或者更低频率的振荡，包括纯P型波(压力波， 也称为L型波或纵波)以及S型波(剪切波，也称为T型波或横波)或者两种类型的组合。 类似地，根据期望应用的需要，还能使用比一般以超声为特征的频率高得多的频率(例如 约高达 40，OOOHz)。现转向图1，提供了根据一个实施方式的微加工设备10。该微加工设备10能用于 通过微加工来加工工件表面，以便通过留下期望的轮廓特征而同时去除较细的不期望的轮 廓特征来提供给工件表面期望的表面光洁度。微加工一般首先需要利用本领域已知的电力转换器(未示出)来将线电压(例如 60Hz的120V或220V)转化成高频电能(例如，20，OOOHz)。该高频电能随后被提供到超声 换能器12，该超声换能器12连接到支撑框架14并由该支撑框架14支撑，使得超声换能器 12能相对于支撑框架14移动。如下面更详细描述的，超声换能器12被构造成能响应于电能的施加而在特定方向产生振荡运动。超声换能器12连接到放大器，放大器也称为喇叭状物16，换能器12在喇叭状物 16的上部40与之连接。喇叭状物16还具有工作端44，该工作端44连接到工具保持器18 或者直接连接到可成形的抛光工具20。如图1所示，可成形的抛光工具20能固定到工具保 持器18的远端21。在某些实施方式中，超声换能器12包括具有铁磁芯的磁阻致动器，铁磁芯响应于利用电能产生的磁场的不同施加而改变长度，以便产生期望的振荡运动。在其它实施方式 中，如下面更详细描述的，超声换能器12包括一个或多个压电元件，该一个或多个压电元 件响应于电能的施加而振荡。在使用过程中，可成形的抛光工具20响应于由施加的电能引起的超声换能器12 的振荡而振荡。在某些实施方式中，换能器12和可成形的抛光工具20的振荡主要平行于 图1所示的加工设备10的纵轴线A。一般而言，超声换能器12在接近换能器12、喇叭状物 16、工具保持器18和可成形的抛光工具20的共振频率的频率下被驱动，这趋于在超声换能 器12将高频电能转换成可使用的机械能时，在超声换能器12中提供期望的振幅响应。超声换能器12产生的机械能随后被喇叭状物16放大并传递，以驱动可成形的抛 光工具20。如图3最佳示出的，在某些实施方式中，喇叭状物16具有大致截头锥形状，且喇 叭状物16的纵向一般与微加工设备10的纵轴线A —致。喇叭状物16在其连接到超声换能器12的上部40处的直径一般较宽或较大，而在 其连接到可成形的抛光工具20的工作端44处的直径较小。这种尺寸的变化趋向于放大超 声换能器12的振荡的振幅，从而在操作过程中提供可成形的抛光工具20的较大运动。应理解，喇叭状物16能具有各种不同的构造，且并不需要是截头锥形状。例如，喇 叭状物16能具有大致台阶、锥形、悬链曲面、傅里叶或指数曲线形状，或具有直的形状。一 般希望，喇叭状物16的工作端44的直径比喇叭状物的上部40的直径(或横截面)小，以 便有利于相对于超声换能器12放大可成形的抛光工具20的运动。在某些实施方式中，喇叭状物16的喇叭状物长度HL被选择成接近λ/2，其中λ 为喇叭状物材料内的超声波的波长，以便在喇叭状物的工作端44处提供增加的超声波振 幅。相比之下，如果喇叭状物长度HL被选择成使得喇叭状物的工作端44位于大致等于λ /4 或3 λ /4的节点处，那么在喇叭状物16的工作端44处将几乎没有运动。能使用各种连接机构将喇叭状物16固定到超声换能器12。例如，能利用焊接、软 焊、铜焊或一些其它永久性或半永久性工艺来将喇叭状物16的上部40永久性地固定到超 声换能器12。可选地，如图1所示，能使用第一联接器17将喇叭状物16可移除地固定到 超声换能器12。在某些实施方式中，第一联接器17包括螺纹杆，该螺纹杆能为分离部件或 为喇叭状物16和超声换能器12中的一个的整体部分。例如，第一联接器17可包括从超 声换能器12突出的外螺纹部分，该外螺纹部分与位于喇叭状物16内的相应的内螺纹部分 17a(如图3所示)啮合。现转到图2，更详细地示出了加工设备10的下部。示出了工具保持器18连接到喇 叭状物16。能使用各种合适的技术，包括永久性地通过铜焊、焊接或软焊或通过将工具保持 器18形成为喇叭状物16的整体部分来将工具保持器18连接到喇叭状物16。可选地，如 图2最佳所示，能例如通过使用第二联接器19来将工具保持器18可去除地固定到喇叭状物16，第二联接器19能为带螺纹的连接器。例如，如图4A和图4B所示，工作保持器18能固定到具有螺纹部分19a和非螺纹部分19b的第二联接器19。当连接到喇叭状物16时，第 二联接器19的螺纹部分19a能与喇叭状物16的工作端44的内侧上的相应的螺纹部分啮 合来将工具保持器18固定就位。可成形的抛光工具20能在工具保持器18的远端21处机械地固定到保持器18。 该固定能以各种方式实现，包括永久性方法，其中可成形的抛光工具20实际上为工具保持 器20的整体部件且形成在工具保持器18上，或者其中可成形的抛光工具20为喇叭状物16 的一部分。可选地，能通过其它合适的技术，例如通过将可成形的抛光工具20焊接、铜焊或 软焊到保持器18，或者利用粘合剂来固定可成形的抛光工具20。在其它实施方式中，能以 可移除的方式，例如通过将可成形的抛光工具20螺纹连接到保持器18上来将可成形的抛 光工具20机械地固定到保持器18。在某些实施方式中，如图4C所示，喇叭状物16可设置有位于喇叭状物16的工作 端44处的锥形的螺纹部分44a。该锥形螺纹部分44a能有助于将机械能从喇叭状物16有 效地传递到可成形的抛光工具20。锥形螺纹部分44a可具有由θ表示的各种不同的角度 (从与纵轴线A平行的线测量)。例如，在某些实施方式中，θ能为约45度，而在其它实施 方式中，θ能为约30度或约60度。在形成可成形的抛光工具20的过程中，可成形的抛光 工具20能被固化到该锥形螺纹部分44a上，这会降低热收缩对可成形的抛光工具20和喇 叭状物16之间的结合强度的影响。而且，锥形螺纹部分44a趋于以发散的方式使来自换能 器12的超声能量传递通过可成形的抛光工具20。这能有助于防止可成形的抛光工具20和 喇叭状物16或保持器18的聚合物-金属界面过早变差。在某些实施方式中，锥形螺纹部 分44a的螺纹能具有尖三角形或圆形边缘轮廓。此外，当可成形的抛光工具20被模制在喇叭状物16的表面上时，喇叭状物16的 表面能首先例如通过喷砂处理、化学蚀刻或以其它方式而被织构化，以提高可成形的抛光 工具20和喇叭状物16之间的界面结合强度以及通过可成形的抛光工具20和喇叭状物16 之间的界面的能量传递效率。如图2最佳示出的，在使用过程中，可成形的抛光工具20与工件22接合。工件22 位于工作板24上并固定到工作板24。在某些实施方式中，能通过联接器23将工件固定到 工作板24，联接器23能包括相配合的螺纹部分。在其它实施方式中，工件22能通过电磁体 或其他合适的固定结构而固定到工作板24。根据某些实施方式，工件22能为模具或将要使用加工设备10微加工的其它类似 形状的物体。在某些实施方式中(如图9最佳示出的)，工件22能在顶表面中具有大致凹 形开口 88，该大致凹形开口 88适合于接收可成形的抛光工具20上的突出轮廓。在其它实 施方式中，工件22能具有适合于与相应的凹形可成形的抛光工具20匹配的大致凸形形状。 在某些实施方式中，工件22能具有一个或多个凹部和凸部的组合。在某些实施方式中，微加工设备10的下部一般还包括研磨室28，研磨室28包围工 件22，以便提供在工件22的微加工过程中所使用的研磨浆料S。在使用过程中，可成形的 抛光工具20和工件22 —般设置在由研磨室28的内壁所限定的腔38内。在某些实施方式中，工件22的不期望进行微加工的部分由保护板26保护，以免受 到浆料S和可成形的抛光工具20的作用，保护板26的顶部具有用于接收可成形的抛光工具20的开口，且尺寸制定成与腔38的外周匹配。保护板26防止可成形的抛光工具20和 浆料S微加工或以其它方式破坏工件22的不期望进行微加工的那些部分。研磨室28包括浆料入口 32，浆料入口 32用于接收干净浆料S并用于将干净浆料 S提供到腔38内，在腔38内，浆料能在微加工的过程中被使用。研磨室28还包括浆料出口34，浆料出口 34用于在浆料已经被在微加工过程中产生的颗粒污染之后从腔38去除浆料 S0在使用过程中，研磨浆料S操作以允许研磨颗粒通向腔38，促进从腔38去除磨损 产物，并如上所述提供具有正确尺寸的新研磨颗粒。浆料S还可有助于在微加工过程中冷 却可成形的抛光工具20和工件22。浆料S中的磨料也提供可成形的抛光工具20和工件 22之间的声链路以实现工件22的微加工。研磨室28还包括密封环36，密封环36 —般为0型圈密封件，其由硅树脂、BUNA-N、 viton(氟化橡胶)、其它类型的弹性体材料或更软的金属制成。密封环36位于研磨室28 的内壁和保护板26之间，且有助于防止在使用的过程中浆料S从腔38泄露，同时使超声能 的吸收最小化。现转向可成形的抛光工具20自身，在某些实施方式中，可成形的抛光工具20能由 单一材料的部件的一个或多个部分或层制成，所述材料例如为可热成形材料(其可包括热 塑性聚合物、某些热固性塑料和某些金属)以及其它热固性塑料材料、金属或陶瓷。在其它 实施方式中，可成形的抛光工具20能由包括基体材料和增强材料的复合材料制成。增强材 料的使用往往会使可成形的抛光工具20更加抵抗由谐振引起的机械应力并促进由喇叭状 物16产生的声波的有效传播。基体材料能为任何合适的材料，例如热塑性塑料或热固性塑 料类型的聚合物、金属或陶瓷。可成形的抛光工具20还可由导电复合材料形成，导电复合材料可包括具有石墨 粉或铜粉以作为填充物的聚合物复合材料。具有导电复合材料的可成形的抛光工具20允 许可成形的抛光工具20被使用来进行EDM工艺以及超声微加工工艺。例如，如下面参考图 16所描述的，交替地或甚至同时使用相同的可成形的抛光工具20，能在相同的设备10内组 合EDM工艺与超声微加工工艺，以便利用由每一个工艺所提供的益处。在某些实施方式中，增强材料为可成形的抛光工具20提供较硬的表面。在另一实 施方式中，增强材料为可成形的抛光工具20提供改进的导热性。在一个示范性实施方式 中，一起使用按体积计90 %的聚苯乙烯热塑性塑料基体与按体积计10 %的氧化铝陶瓷，氧 化铝陶瓷作为增强材料并作为促进剂以更有效地传递超声能量。在其它实施方式中，可在 较软的硅弹性体材料中使用碳化硅增强和研磨材料。在某些实施方式中，能使用特性与热塑性塑料类似的某些热固性聚合物。例如，小 分子量的PBT低聚物是热塑性塑料形式的聚酯，其要求化学反应以便聚合(类似热固性塑 料)，但是能更类似于热塑性材料，即在转变成规则聚酯热固性塑料之前在达到某一温度 时熔化。在某些实施方式中，能使用低熔点金属合金来形成可成形的抛光工具20。例如，更 类似聚合物，诸如熔点低至48摄氏度的Cerrolow-117铋合金(44. 7% Bi,22. 6% Pb,8. 3% Sn,5. 3% Cd、19. 1% In)的低熔点合金可被用作可成形的抛光工具20。在某些实施方式中，可成形的抛光工具20能包括由一个或多个热塑性聚合物制成的一部分或层，该聚合物例如为聚乙烯(LDPE、HDPE、UHMWPE)、聚丙烯、尼龙、PEEK和其它聚合物。在某些实施方式中，能将诸如20%的固体填充物的添加剂(例如，氧化铝粉或颗 粒、铝粉或颗粒、木粉、炭黑粉、硅粉、或黑或绿的碳化硅研磨粉或颗粒)添加到聚合物中以 便控制聚合物的硬度、导热性和材料中的声速之中的一个或多个性能。在某些实施方式中， 能添加3-7mm长的纤维和晶须(例如玻璃纤维、碳和甚至木材)来控制可成形的抛光工具 20的强度。在某些实施方式中，期望匹配喇叭状物16和可成形的抛光工具20之间的声速，因 为这往往会促进声能或机械能的有效传递。因此，在由热塑性材料制成的可成形的抛光工 具20中提供添加剂能用于根据需要“调整”可成形的抛光工具20的频率响应。能使用多种不同的技术来形成可成形的抛光工具20。在某些实施方式中，可成形 的抛光工具20具有由能从可成形状态转变成固体状态的可模制材料制成的至少一部分或 层，其中在可成形状态，可成形的抛光工具20是韧性的且能通过施加足够的压力来模制或 成形，在固体状态，可成形的抛光工具20是固体且抵抗模制或成形。根据可模制材料的性质，能以不同的方式实现从可成形状态到固体状态的转变。 例如，如果可模制材料是可热成形材料，例如热塑性材料，那么能通过将该材料加热到高于 聚合物的玻璃转变温度的足够的第一温度来使该材料进入可成形状态。随后，能通过将该 材料冷却到低于聚合物的玻璃转变温度的第二温度来使该材料固化。在其它实施方式中， 使用了可热成形的低熔点金属合金来形成可成形的抛光工具20，从可成形状态到固体状态 的转变将在可成形的抛光工具20的熔点或固-液相点附近发生，而不是在聚合物的玻璃转 变温度发生。因而，该材料将在高于熔点时被设置为可成形状态，并随后被冷却到低于熔点 的固体状态。在其它实施方式中，所使用的材料是热固性塑料，该材料能通过化学反应的操作， 例如通过交联聚合而固化。为了实现固化，可能需要加热热固性塑料来触发交联并获得固 体状态。在其它实施方式中，该材料可包括树脂和填充物，树脂和填充物在混合时固化以从 可成形状态改变到固体状态。图5总体上示出了成形可成形的抛光工具20的一种方法100。在102，提供具有 处于可成形状态的一部分的可成形的抛光工具20。如上面总体描述的，这可包括将可成形 的抛光工具20加热到某一温度，或者提供处于某化学状态的混合物。在104，随后使用模子成形可成形的抛光工具20。根据某些实施方式，能通过在可 成形的抛光工具20处于可成形状态且是可延展的或韧性时将可成形的抛光工具20压靠在 模子上来成形可成形的抛光工具20。在某些实施方式中，模子是待抛光的工件22。在其它 实施方式中，模子是工件22的期望形状的全部或一部分的模型或复制件。因为可成形的抛 光工具20处于可成形状态且是可延展的，所以当施加了足够的压力时，可成形的抛光工具 20将获得与可成形的抛光工具20所压靠的模子互补的形状或轮廓。在其它实施方式中，能 在104使用模子由液体材料铸造可成形的抛光工具20。在106，将可成形的抛光工具20从可成形状态转变到固体状态。在某些实施方式 中，这可包括在可成形的抛光工具20靠着模子保持就位时，在低于玻璃转变温度下冷却可 成形的抛光工具20或实现化学反应(例如热固性塑料的交联)。在某些实施方式中，可成 形的抛光工具20的材料甚至在可成形状态下是足够粘性的，一旦实现了期望的互补轮廓，能在转变到固体状态的转变发生之前从模子移除可成形的抛光工具20。在108，可成形的抛光工具20实现固体状态，且使用可成形的抛光工具20微加工 工件22。根据某些实施方式，可成形的抛光工具20的尺寸收缩发生在从可成形状态到固 体状态的转变过程中。这种收缩在可成形的抛光工具20的轮廓几何形状和形成可成形的 抛光工具20所使用的模子之间产生微小差异。该微小差异在操作的过程中起到可成形的 抛光工具20和工件22之间的空隙或间隙的作用。在微加工过程中，该空隙能填充研磨浆 料S，以实现工件22的微加工。在某些实施方式中，对于特定应用，由可成形的抛光工具20的尺寸收缩产生的间 隙或空隙的尺寸可能是不足够大的。在此情形中，能通过使用辅助工艺重新成形可成形的 抛光工具20来增加间隙或空隙的尺寸。例如当间隙的尺寸小于在特定微加工工艺中使用 的研磨颗粒的尺寸时或者当工件22具有需要这样的辅助工艺来抑制可成形的抛光工具20 在工件22上的机械干涉、抓取或被夹紧到工件22上的凹入表面特征时，这可能是必要的。作为图5所示方法100的一种变化形式，参考图6A总体上描述 了执行辅助工艺的 方法140。该方法140如方法100 —样按如下方式进行在102，提供处于可成形状态的可 成形的抛光工具20，在104靠着模子成形可成形的抛光工具20，以及在106将可成形的抛 光工具20转变到固体状态。在142，确定可成形的抛光工具20是否已经收缩到足以获得期望的尺寸来提供用 于微加工工件22的足够的间隙或空隙的程度。如果可成形的抛光工具20具有期望的尺寸， 那么方法140能继续到108，在108中，进行工件22的微加工。但是，如果可成形的抛光工具20没有收缩足够的量，则方法140继续到144，在 144，使可成形的抛光工具20的一部分返回到可成形状态。例如，如图6B所示，可成形的抛光工具20能由具有聚苯乙烯基体和作为增强材料 的氧化铝的复合热塑性塑料形成。一旦在106成形了复合的可成形的抛光工具20，其将具 有总的标示为20a的第一表面轮廓。该第一表面轮廓20a—般在第一表面轮廓20a和工件 22之间提供由可成形的抛光工具20的热收缩引起的第一间隙宽度G1。如果在142确定了 第一间隙宽度Gl不足够大，则在144使可成形的抛光工具20能暴露于辐射热，以便软化外 部或外层来改变可成形的抛光工具20的第一表面轮廓20a。可选地，能将可成形的抛光工 具20压靠在工件22或模子上，工件22或模子已经被预加热到接近该聚合物的特定玻璃转 变温度的温度。在步骤146，可成形的抛光工具20再次呈可成形状态，此刻能重新成形可成形的 抛光工具20的第一表面轮廓20a以具有总的标示为20b的较小的第二表面轮廓。在某些实 施方式中，一旦已经通过将可成形的抛光工具20插入模子(例如，工件22自身或者工件的 复制件)加热可成形的抛光工具20的外层以获得足够的延展性，就能进行该成形。例如， 当可成形的抛光工具20转变到固体状态(例如允许冷却)时，能将已知的预定振幅的3D 运动(例如轨道或其它振荡运动)强加到可成形的抛光工具20。这引起可成形的抛光工 具20的表面和工件22或模子之间的干涉，从而增加可成形的抛光工具20表面上的压力， 并形成具有略微较小尺寸的第二表面轮廓20b，其与所强加的3D运动的振幅成比例。如图 6B所示，略微较小的第二表面轮廓20b在可成形的抛光工具20和工件22之间提供第二间隙宽度G2，G2 —般大于Gl。当然，应理解，为了使用根据方法140的辅助工艺，可成形的抛光工具20必须由能从固体状态返回到可成形状态的材料制成。因此，由能通过施加热来软化的一种或多种可 热成形材料(例如热塑性聚合物)制成的可成形的抛光工具20能用于该方法140。但是， 由其他材料，例如某种热固性聚合物制成的可成形的抛光工具20可能不能够容易地返回 到可成形状态，因此可能不适合用于方法140。然而，在可选实施方法中，可以包括通过在可成形的抛光工具20的开始成形过程 中施加3D运动的方法140的辅助工艺。这能够允许在开始成形阶段对可成形的抛光工具 20的收缩进行较大的控制，并允许使用辅助工艺，其中可成形的抛光工具20由另外的材 料，包括热固性聚合物材料制成。根据某些实施方式，能使用多步骤工艺来形成可成形的抛光工具20。在这种实施 方式中，能由细粉末形式的基本材料初始模制可成形的抛光工具20，该材料被干滚混合，并 随后压缩模制成较粗形式的粉末混合物，一般在小于2500psi的低压下进行。在这种实施 方式中，然后，使较粗形式的可成形的抛光工具20进行方法100和140中的一种或两种，以 便实现可成形的抛光工具20的期望的最终轮廓。一旦使用上述方法中的一种或多种成形了可成形的抛光工具20，能开始工件22 的微加工。当成形可成形的抛光工具20所使用的模子为工件22时，这可能需要在成形完 成时从腔38去除可成形的抛光工具20，并随后将保护板26插在工件22上。可选地，在某 些实施方式中，可在形成可成形的抛光工具20的过程中提供保护板26。之后将研磨溶液或 浆料S添加或注入到腔38内和/或工件22上，并开始微加工。然后，将可成形的抛光工具 20向下插回到腔38内预定的深度。在某些实施方式中，通过调节支撑框架14相对于工件 24的高度来控制该深度，这能通过调节支撑框架14和工作板24中的一个或两个来完成。 该调节能提供可成形的抛光工具20的面和工件22的表面之间的期望的间隙宽度，从而允 许浆料S大致均勻地分散在可成形的抛光工具20和工件22之间的间隙中。然后，在期望的频率(一般在20，000和40，OOOHz之间)和期望的振荡振幅下致 动超声换能器12，以引起可成形的抛光工具20相对于工件22的机械运动，该机械运动一般 垂直于工件22的表面并沿纵轴线A，从而实现工件22的微加工。在某些实施方式中，在微加工过程中，能通过浆料入口 32泵送浆料S来将新的研 磨浆料S添加到腔38。之后，能将浆料S通入到保护板26和可成形的抛光工具20的表面 之间的腔内，在这里，浆料随后越过可成形的抛光工具20的顶边缘以渗透到可成形的抛光 工具20和工件22之间的间隙中。在某些实施方式中，一旦已经执行了期望量的微加工，就从腔38去除可成形的抛 光工具20，并且改变浆料S中磨料的磨料尺寸(或等级)和/或类型。一般地，随着微加工 过程的继续，较细等级的研磨颗粒代替较早的较粗(较大)等级的颗粒，这可以通过间隙尺 寸的相应的调节来实现。能通使用各种方法，包括使用导向腔38内的空气、水或油-水乳 胶的射流或超声流化床技术冲洗掉颗粒来去除浆料中较粗的颗粒。然后，能使用较细等级 的浆料继续微加工。在某些实施方式中，如参考图7所描述的，能使用方法120在微加工的中断处重新 成形或重新形成可成形的抛光工具20。例如，这能在确定了可成形的抛光工具20被充分磨损以至不再提供所需要的足够精确的轮廓时而完成，以实现工件22的期望的微加工。根据方法120，在122，使用可成形的抛光工具20抛光工件。在某些阶段，例如在 浆料S变化的过程中，在已经完成了一个或多个工件之后，或者另外地在微加工过程中的 某些点处，在124确定关于可成形的抛光工具20是否被充分磨损，使得其应当重新形成或 修正。如果不需要修正，则方法120返回到122，且能继续微加工。但是，如果需要修正可成形的抛光工具20，则方法120继续到126，在这里，使可成 形的抛光工具20的一部分返回到可成形状态。例如，这能通过将可成形的抛光工具20的 一部分加热到聚合物的玻璃转变温度之 上来完成。在128，随后在可成形的抛光工具20处于可成形状态时，使用模子重新形成可成 形的抛光工具20的一部分。在某些实施方式中，例如在可成形的抛光工具20由可热成形 材料(例如热塑性聚合物)制成的情况下，这通过将可成形的抛光工具20压靠在在模子上 以将可成形的抛光工具20重新成形到期望的形状来完成。与上面描述的方法100 —样，模 子可以为工件22本身或者工件的复制件。而且，与方法140 —样，能可选地在128形成以 实现期望的可成形的抛光工具20的尺寸的过程中对可成形的抛光工具20提供有3D运动。在130，随后将可成形的抛光工具20返回到固体状态。在某些实施方式中，不管可 成形的抛光工具20是否包括热塑性聚合物，这一般通过将可成形的抛光工具20冷却到低 于聚合物的玻璃转变温度的温度来完成。可成形的抛光工具20将返回到期望的表面轮廓， 且能在122继续工件的微加工。以此方式重新加工可成形的抛光工具20允许可成形的抛光工具20的轮廓保持尽 可能接近工件22的期望的轮廓，以提供可预测的且均勻的表面光洁度。而且，在工件22在 微加工的过程中改变的情况下，这种重新加工能允许调节可成形的抛光工具20以便在微 加工的过程中改变工件22的表面。此外，在某些实施方式中，研磨浆料S中的颗粒可能粘 到可成形的抛光工具20的表面，且当研磨颗粒尺寸被改变用于较细等级时可能难以去除。 重新加工可成形的抛光工具20可允许较容易地去除颗粒，或者可选地，可通过重新加工可 成形的抛光工具20而允许任何这样的颗粒结合到可成形的抛光工具20的基体内。在某些实施方式中，一旦工件22的表面的不期望的波痕已经被去除，则这种波痕 不应在可成形的抛光工具20上显现，这是因为应仅使用期望的表面特征来形成可成形的 抛光工具20的表面以便进行更均勻的微加工。以这种方式使可成形的抛光工具20的微加工能继续，直到实现了期望的表面光 洁度。在某些实施方式中，通过以此方式抛光或微加工，可以实现范围为0. 05至0.01 μ mRa 的表面光洁度，这是镜面表面光洁度。例如，如图8Α和图8Β所示，使用超声微加工设备10能比使用其它方法提供更光 滑的表面光洁度。图8Α中的轮廓96显示了通过超声微加工工艺提供的示例性轮廓，其具 有以低的Ry (最大的波峰对波谷的值)和Ra(算术平均值)为特征的相对平滑的波峰和波 谷。在轮廓96中，已经去除了一些不期望的表面特征，同时保留了期望的表面特征。相比之 下，图8Β中的轮廓98显示了不使用超声微加工时加工的表面，其具有更大的Ry和Ra值。因为能根据需要调节磨料等级的类型、可成形的抛光工具20的硬度以及压电作 用，所以该工艺不只限于抛光工艺，且加工(包括重要的材料去除的速率)能以磨料等级、 可成形的抛光工具20的材料、振动频率和振幅以及可成形的抛光工具-工件间隙宽度的正确组合来实现。根据一个实施方式，标准研磨溶液(例如基于油或基于水的溶液、氧化铝、碳化 硅、金刚石和其它)能用于可成形的抛光工具20和工件22，其中可成形的抛光工具20和工 件22之间的间隙处于磨料粒度大小的1-10倍的范围。在某些实施方式中，可通过添加长 链聚合物溶液，例如poliox来增加研磨溶液的粘性以促进材料去除速率。在某些实施方式中，能通过在抛光过程中将可成形的抛光工具20放置成与工件 22直接接触来进一步促进从工件22去除材料。可成形的抛光工具20直接作用在工件22 上的锤打或摩擦作用能促进增加的材料去除，这可能是有益的，例如，以便去除EDM白层和 热影响区。通过改变研磨浆料中的颗粒的尺寸，以及使用精细控制的间隙尺寸，能在工件22 中获得相当尖的边角和边缘，特别是在与使用较大的间隙的情况下的其它自动过程相比时 尤其如此。这允许在具有期望的表面特征的工件22中形成相当复杂的形状。
如上面简要地论述的，且如图9最佳示出的，在某些实施方式中，工件22可包括大 致凹形开口 88，该凹形开口 88通过可成形的抛光工具20的作用而被抛光。在某些实施方 式中，该工件22是精加工产品。但是，在其它实施方式中，精加工工件22构成模具或其它工 具，该模具或其它工具能随后用于模制或以其它方式形成期望的部件。例如，如图9所示， 工件22可由金属制成并用在模制工艺中以产生相应的部件94。在某些实施方式中，部件94能由任何合适的材料，例如能够被模制的热塑性塑料 或热固性塑料制成。如所示，部件94具有光滑的下部90a和光滑的上部92a，它们分别与浅 的工件表面90b和深的工件表面92b相对应。在可选实施方式中，工件22能由陶瓷材料制 成且用于铸造工艺中来产生由金属制成的部件94。应理解，在形成部件94时，多个工件22能设置成使得能一次形成多个部件94。而 且，多个不同形成的工件22的组合能用于所期望的部件94的多步骤模制。在某些实施方式中，根据待微加工的工件22的尺寸，能使用多个不同的可成形的 抛光工具20来微加工工件22的不同区域。例如，在工件22特别大时，能提供多个不同的 可成形的抛光工具20，每一个都具有用于在连续重叠或非重叠步骤序列中微加工工件22 的不同部分的不同表面轮廓。这允许可成形的抛光工具20的尺寸维持可控制的尺寸以及 适应特定加工设备10的限制，同时仍微加工大的工件22。根据某些实施方式，尽管微加工中的主要运动一般与加工设备10的纵轴线A平 行，但是也能在工件22的微加工的过程中使用一个或多个辅助运动来实现期望的表面特 征。例如，除了沿纵轴线A运动之外，或作为沿纵轴线A运动的替代性选择，还能应用横向 或圆形运动，这引起可成形的抛光工具20沿3D路径(轨道或其它)运动。在某些实施方式中，能通过调节喇叭状物16的几何形状，使其起到超声振动放大 器的作用，如参考图3最佳描述的，来实现这样的横向运动。如图3所示，在一个实施方式 中，喇叭状物16的上部40 —般具有柱状形状，且喇叭状物16具有从上部40到工作端44 变窄的锥形部分42。在某些实施方式中，锥形部分42能具有不对称的结构，以便在可成形 的抛光工具20处产生变化的横向运动。具体地，在一个实施方式中，锥形部42能包括一个 或多个凹槽或凹坑，如位于距工作端44第一距离Dl的第一凹坑46和位于距工作端44第 二距离D2的第二凹坑48。该第一凹坑46和第二凹坑48还能位于围绕锥形部分42的不同的角度位置处。例如，第一凹坑46和第二凹坑48能在角度上偏移约90度，如图3所示。在超声换能器12的操作过程中，第一凹坑46和第二凹坑48在喇叭状物16的工 作端44中产生不同的横向运动，这引起可成形的抛光工具20沿复杂的3D路径振荡。根据某些实施方式，改变凹坑46、48沿喇叭状物16的锥形部分42的位置将改变工作端44的横向共振频率，可成形的抛光工具20固定在工作端44上。一般地，凹坑46、48 以及喇叭状物16的工作端44之间的较大距离往往会导致工作端44的较低的横向共振频 率和较高的惯性。这种较低的横向共振频率一般通过工作端44的较低的横向位移来实现。在某些实施方式中，可成形的抛光工具20的横向位移能通过将超声换能器12安 装在接头(例如球接头)上而得到进一步促进，该接头将允许换能器12在竖直平面中竖直 倾斜例如0至90度之间，且在水平平面中围绕纵轴线A旋转0至360度。这种构造将提供 一种方式来引起贯穿工件22和可成形的抛光工具20之间的间隙的均勻横向运动，该运动 独立于间隙的几何形状。可成形的抛光工具20的辅助运动还能包括在间隙宽度的限制内的较小的复杂3D 轨道运动，以促进磨料流体在间隙内的流动。能使用各种技术，例如通过使用标准的电动机 致动器，例如可用于常规CNC机床上的电动机致动器，或者通过低频率(0-2000HZ)压电式 致动器，如下面参考图10A-11C和图13A-14C更详细描述的，来实现可成形的抛光工具20 的复杂轨道运动。在某些实施方式中，使用位于可成形的抛光工具20自身附近的以其自然频率(一 般在20，000至40，OOOHz)振荡的一个或多个超声压电式致动器能产生可成形的抛光工具 20的辅助运动。该辅助运动一般能沿单个轴线(例如沿与图4A所示的X、Y或Z轴中的一 个平行的轨道)或沿具有沿两个或更多个轴的分量的更复杂轨道。在其它实施方式中，能 实现可成形的抛光工具20的单调的横向运动(沿图4Α所示的Χ、Υ或Z轴中的两个界定的 平面)，以执行工件22的期望的微加工。现转到图10A-14C，根据某些实施方式，研磨浆料S在腔38内的流动能通过可成形 的抛光工具20在各种3D方向中的运动来控制，该运动由安装在保持器18上的一个或多个 压电式致动器的布置引起，其类似于嵌入模制的可成形的抛光工具20内的3相超声电动机 作用。这样，能在可成形的抛光工具20的竖直运动的过程中产生辅助运动。在一个实施方式中，如图10A-11C所示，保持器18能设置有为大致三角形形状的 第二联接器52。于是，能安装多个压电式转换器，三角形联接器52的每一个面上安装一个， 并且其被构造成类似三相超声电动机一样操作。例如，如图11A-11C所示，四个压电式致动 器51、54、56、58能通过使时间同步而在XY、YZ和XZ平面及其组合中在腔38内产生磨料 流体流(在某些实施方式中，与工件22和/或可成形的抛光工具20的表面平行)，每一个 压电式转换器51、54、56、58关于其它压电式转换器51、54、56、58被致动。通过控制致动序 列，压电式转换器51、54、56、58能用于在整个可成形的抛光工具20的表面上产生旋转波。 通过调节压电式转换器51、54、56、58的同步，能在任何期望的平面中产生不同的波，迫使 研磨浆料S在这样的波上“冲浪”，结果根据期望的流动模式流入工件22和可成形的抛光工 具20之间的间隙内。例如，第一压电式转换器54、第二压电式转换器56、第三压电式转换器58能分别 固定到联接器52的第一侧53、第二侧55和第三侧57，而第四转换器51固定到联接器52的底部59。根据一个循环序列，第一压电式转换器54和第二压电式转换器56在第三压电 式转换器58处于静止时被致动，之后在第一转换器54处于静止时驱动第二转换器56和第 三转换器58，随后，在第二转换器56处于静止时驱动第一转换器和第三转换器58。该循环 序列趋于引起浆料S在由压电式转换器54、56、58规定的平面中旋转。第四转换器51也能 致动以给浆料S的波W提供竖直流动方位。
如图IOA和图IOB所示，压电式转换器51、54、56、58—般被包围在保持器18的一 个或多个的主体以及可成形的抛光工具20内，使得一旦可成形的抛光工具20被形成，它们 一般不被暴露出来。这保护压电式转换器51、54、56、58不被暴露于研磨浆料S，并防止它们 在加工设备10在使用时被破坏。以这种方式使用的压电式转换器51、54、56、58 —般为低 频率(0至2000Hz)的压电式致动器。但是，应理解，不同构造的压电式转换器，包括在非常 不同的频率下工作的转换器，能被使用来在腔38内实现浆料S的不同类型的运动。例如，如图12A-12C所示，在一个循环过程中，可成形的抛光工具20能从位于浆料 S上的位置向下移动到浆料S内，如图12A所示。在此阶段，浆料S相对不受干扰地位于工 件22的顶部。随着可成形的抛光工具20继续下降，如图12B所示，压电式转换器(例如压电式 转换器51、54、56、58)中的一个或多个的动作引起可成形的抛光工具20移动到一侧，远离 纵轴线A，这是因为可成形的抛光工具20接合了浆料S。可成形的抛光工具20的此横向运 动引起波W发展，该波在可成形的抛光工具20的前面行进。最后，随着可成形的抛光工具20反方向且开始远离工件22的表面行进(如图12C 所示)，该波W随后继续远离纵轴线A行进，趋向于携带其中所用的研磨颗粒和从工件22和 可成形的抛光工具20磨损掉的材料。根据某些实施方式，能使用各种其它构造的压电式致动器来在浆料S的表面中产 生不同的波形。例如，如图13A-14C所示，能将总的七个压电式转换器64、66、68、70、72、74 和76放置在联接器62的六个外表面63、65、66、67、69、71和73以及下表面75上。压电式 转换器64、66、68、70、72和74能成对设置以沿XY平面形成三相以及在XZ和YZ平面的组 合中形成其它相，形成0°、60°和120°竖直平面的组合。例如，第一对能由压电式致动器 64和70组成，第二对能由压电式致动器66和72组成，而第三对能由压电式致动器68和 74组成。在某些实施方式中，使用七个压电式致动器64、66、68、70、72、74和76能提供更对 称的运动，这会提高所产生的“泵吸”或波动作用的稳定性和效率。例如，每一对压电式致 动器能以与其成对的搭档直接相对地作用，使用相等但相反的力来实现可成形的抛光工具 20和浆料S的重要但可控制的运动，而不需要使用重的平衡重量来防止过度或潜在地破坏 建立的力。在某些实施方式中，成对的压电式致动器的使用能引起靠近中心线沿穿过每一对 压电式致动器的轴线产生可成形的抛光工具20的小的横向延长和收缩。该横向运动将在 由穿过每一对压电式致动器的轴线规定的间隙区域中局部地减小可成形的抛光工具20和 工件之间的间隙。通过使每一对压电式致动器的动作同步，能在三个压电式致动器对中的 每一对的平面中产生泵吸动作，从而实现浆料S的运动。例如，在某些实施方式中，能在根据方法200的序列中致动压电式致动器。
在202，第一对压电式致动器(例如压电式致动器64和70)膨胀，第二对压电式致 动器(例如压电式致动器66和72)能保持不动，没有动作，而第三对压电式致动器(例如 压电式致动器68和74)能收缩。在204，第一对压电式致动器没有动作，第二对压电式致动器膨胀，而第三对压电 式致动器收缩。在206，第一对压电式致动器收缩，第二对压电式致动器膨胀，而第三对压电式致 动器没有动作。在208，第一对压电式致动器收缩，第二对压电式致动器没有动作，而第三对压电 式致动器膨胀。在210，第一对压电式致动器没有动作，第二对压电式致动器收缩，而第三对压电 式致动器膨胀。在212，第一对压电式致动器膨胀，第二对压电式致动器收缩，而第三对压电式致 动器没有动作。在214，确定方法200是否将被重复。如果方法200将被重复，则方法200返回到 202。可选地，如果方法200不被重复，则方法200继续到216并结束。这样，能在浆料S中产生波W，且能通过每一对相应的致动器的膨胀和收缩以高度 精确性控制波W。在某些实施方式中，第四个压电式致动器76没有与另一压电式致动器匹配成对， 这是因为喇叭状物16、保持器18和可成形的抛光工具20自然地抵消第四个压电式致动器 76沿纵轴线A的运动。能根据需要结合两对其它的压电式致动器使用第四个压电式致动器 76来促进浆料S的竖直泵吸。在某些实施方式中，第七个压电式致动器能位于可成形的抛光工具的保持器18、 喇叭状物16或结构14上，而没有结合到可成形的抛光工具20内。根据某些实施方式，能通过将可成形的抛光工具20放置成与工件22直接接触，而 不使用浆料S来实现工件22的微加工。除了可成形的抛光工具20通过在可成形的抛光工 具20的面和工件22的表面之间直接接触来微加工工件22的表面之外，应用如上所述的类 似的微加工方法。在这种实施方式中，代替使用较硬的可成形的抛光工具20的是，能使用 较软的柔顺材料来用于进行直接接触微加工。例如，能使用软的硅弹性体聚合物或者填充 磨料粉末。接着，代替在抛光过程中保持可成形的抛光工具20和工件22之间的间隙的是， 将可成形的抛光工具20推向工件22的表面，使得能通过控制弹性可成形的抛光工具20中 所允许的变形量来精细地控制工件22的表面上的压力。基本的振荡运动能由施加到保持 器18的辅助复杂3D轨道运动来互补，以便更均勻地微加工工件22的复杂表面几何形状。根据上述抛光工艺的一个变化形式，可成形的抛光工具20中的弹性体化合物能 利用期望等级的研磨颗粒饱和。随后，能完成微加工而不需要在间隙中添加研磨溶液，而且 如果需要的话，仅有润滑剂，例如水、油、乳胶或根本没有润滑剂。现转到图16，描述了根据一个实施方式的组合超声微加工工艺与放电加工(EDM) 工艺的方法300。在某些情形下，当与导电的可成形的抛光工具20 —起使用时(例如，当可 成形的抛光工具由导电复合材料，例如具有石墨粉或作为填充物的铜粉的聚合物复合材料 形成时)，能在相同的加工设备10内将超声微加工工艺与EDM工艺组合以在交替或同步序列中从工件22去除材料。
一般而言，用于上面详述的超声微加工工艺的研磨浆料S能容易地用作电介质， 因为其主要组成一般为水或油，其是EDM中所用的基本的电介质流体。此外，一些EDM应用 需要在电介质流体中添加细颗粒，例如硅，以便更好地扩散火花放电并因此提高工件22上 的表面光洁度，类似于研磨浆料中的细研磨颗粒。例如，在超声微加工中，浆料能由范围从 5至200 μ m的等级的10%至50重量％的SiC粉末与相应的重量百分比的水或油制成。此 夕卜，可成形的抛光工具20能由70重量％的石墨粉与UHMWPE聚合物基体制成，其对于超声 和EDM工艺都是有用的。例如，执行微加工和EDM的组合的方法300能包括在302使用可成形的抛光工具 微加工工件以去除工件上的工具痕。这能包括使用具有150 μ m的研磨颗粒的基于油的浆 料来执行超声微加工。在304，能使用相同的可成形的抛光工具和相同的电介质浆料来执行EDM工艺以 便去除可能出现在工件表面上的任何波痕。在306，能清洁工件和可成形的抛光工具之间的间隙以去除在微加工工艺和EDM 工艺的过程中形成的任何颗粒，并且去除基于油的浆料。在308，能使用具有40重量％的60 μ m的SiC研磨颗粒的基于水的浆料来同时执 行EDM工艺与超声微加工，以去除工件上的其中一些热影响区。在310，再次清洁工件和可成形的抛光工具之间的间隙以去除可能形成的任何颗粒。在312，使用逐渐较细的研磨颗粒执行超声微加工工艺以实现工件的期望的表面 光洁度。例如，这能包括使用具有逐渐较细的SiC和金刚石颗粒，例如25重量％的12μπι 和15重量％的5 μ m的研磨颗粒的浆料来进行微加工。尽管上述描述包括许多示范性实施方式，但是此刻本领域普通技术人员将想到许 多修改、替换、改变和等价物。因此，应理解，所附权利要求预期覆盖所有这样的修改和改变。
权利要求
一种微加工具有复杂表面轮廓的工件的表面的方法，所述复杂表面轮廓包括期望的轮廓特征和待去除的较细的不期望的轮廓特征，所述方法包括使用所述工件本身或所述工件的复制件，将可成形的抛光工具成形为具有至少所述期望的轮廓特征；以及使用所述可成形的抛光工具微加工所述表面，以去除所述较细的不期望的轮廓特征，而同时保留所述期望的轮廓特征。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过在所述可成形的抛光工具处于可成形状态时将所述可成形的抛光工具压靠在所 述工件本身或所述工件的复制件上，来将所述可成形的抛光工具成形为具有至少所述期望 的轮廓特征；并且在所述可成形的抛光工具处于固体状态时，将所述可成形的抛光工具用于微加工。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述可成形的抛光工具包括在第一温度处于可成形状态且在第二温度处于固体状态 的可热成形材料，所述第二温度低于所述第一温度；并且通过在所述第一温度时将所述可成形的抛光工具压靠在所述工件本身或所述工件的 复制件上，并随后将所述可成形的抛光工具冷却到所述第二温度，来将所述可成形的抛光 工具成形。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括在将所述可成形的抛光工具冷却到所述第二温度的过程中，使所述可成形的抛光工具 靠着所述工件本身或所述工件的复制件振荡，以改变所述可成形的抛光工具的轮廓。
5.根据权利要求3或4所述的方法，还包括确定所述可成形的抛光工具处于磨损状态；以及通过将所述可成形的抛光工具加热到所述第一温度来重新形成所述可成形的抛光工具，在所述第一温度时将所述可成形的抛光工具压靠在所述工件本身或所述工件的复制 件上，并且随后将所述可成形的抛光工具冷却到所述第二温度。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，还包括在所述可成形的抛光工具和所述工件之间提供研磨浆料，其中所述可成形的抛光工具 的使用引起所述研磨浆料微加工所述工件的复杂表面轮廓。
7.根据权利要求6所述的方法，其中在微加工所述表面的过程中，对所述可成形的抛光工具施加辅助运动，以去除所述较 细的不期望的轮廓特征，而同时保留所述期望的轮廓特征，所述辅助运动被施加用以实现 所述研磨浆料的运动。
8.一种由具有复杂表面轮廓的工件制造部件的方法，所述复杂表面轮廓包括期望的轮 廓特征和待微加工的较细的不期望的轮廓特征，所述方法包括使用所述工件本身或所述工件的复制件，将可成形的抛光工具成形为具有至少所述期 望的轮廓特征；使用所述可成形的抛光工具微加工所述较细的不期望的轮廓特征，而同时保留所述期望的轮廓特征，以及使用所述工件形成所述部件。
9.根据权利要求8所述的方法，其中通过在所述可成形的抛光工具处于可成形状态时，将所述可成形的抛光工具压靠在所 述工件本身或所述工件的复制件上，来将所述可成形的抛光工具成形为具有至少所述期望 的轮廓特征；并且在所述可成形的抛光工具处于固体状态时，将所述可成形的抛光工具用于微加工。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述可成形的抛光工具包括在第一温度处于可成形状态且在第二温度处于固体状态 的可热成形材料，所述第二温度低于所述第一温度；并且通过在所述第一温度时将所述可成形的抛光工具压靠在所述工件本身或所述工件的 复制件上，并随后将所述可成形的抛光工具冷却到所述第二温度，来将所述可成形的抛光 工具成形。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括在将所述可成形的抛光工具冷却到所述第二温度的过程中，使所述可成形的抛光工具 靠着所述工件本身或所述工件的复制件振荡，以改变所述可成形的抛光工具的轮廓。
12.根据权利要求8所述的方法，还包括在所述可成形的抛光工具和所述工件之间提供研磨浆料，其中所述可成形的抛光工具 的使用引起所述研磨浆料微加工所述工件的复杂表面轮廓。
13.根据权利要求8-12中任一项所述的方法，其中所述工件包括模具，且所述方法还包括使用所述模具来模制所述部件。
14. 一种微加工具有复杂表面轮廓的工件的微加工设备，所述复杂表面轮廓包括期望 的轮廓特征和待微加工的较细的不期望的轮廓特征，所述设备包括可成形的抛光工具，其被构造成微加工所述较细的不期望的轮廓特征，而同时保留所 述期望的轮廓特征，其中使用所述工件本身或所述工件的复制件来将所述可成形的抛光工 具成形为具有至少所述期望的轮廓特征。
15.根据权利要求14所述的微加工设备，其中通过在所述可成形的抛光工具处于可成形状态时将所述可成形的抛光工具压靠在所 述工件本身或所述工件的复制件上，来将所述可成形的抛光工具成形为具有至少所述期望 的轮廓特征，并且在所述可成形的抛光工具处于固体状态时，将所述可成形的抛光工具用 于微加工。
16.根据权利要求14所述的微加工设备，其中所述可成形的抛光工具包括在第一温度处于可成形状态且在第二温度处于固体状态 的可热成形材料，所述第二温度低于所述第一温度；并且通过在所述第一温度时将所述可 成形的抛光工具压靠在所述工件本身或所述工件的复制件上，并随后将所述可成形的抛光 工具冷却到所述第二温度，来将所述可成形的抛光工具成形。
17.根据权利要求16所述的微加工设备，其中在将所述可成形的抛光工具冷却到所述第二温度的过程中，使所述可成形的抛光工具 靠着所述工件本身或所述工件的复制件振荡，以改变所述可成形的抛光工具的轮廓。
18.一种用于与微加工设备一起使用的可成形的抛光工具，所述微加工设备用于微加 工具有复杂表面轮廓的工件，所述复杂表面轮廓包括期望的轮廓特征和待微加工的较细的 不期望的轮廓特征，其中所述可成形的抛光工具被构造成微加工所述较细的不期望的轮廓特征，而同时保留所 述期望的轮廓特征；并且通过使用所述工件本身或所述工件的复制件来将所述可成形的抛 光工具成形为具有至少所述期望的轮廓特征。
19.根据权利要求18所述的可成形的抛光工具，其中通过在所述可成形的抛光工具处于可成形状态时将所述可成形的抛光工具压靠在所 述工件本身或所述工件的复制件上，来将所述可成形的抛光工具成形为具有至少所述期望 的轮廓特征，并且在所述可成形的抛光工具处于固体状态时，将所述可成形的抛光工具用于微加工。
20.根据权利要求19所述的可成形的抛光工具，其中所述可成形的抛光工具包括在第一温度处于可成形状态且在第二温度处于固体状态 的可热成形材料，所述第二温度低于所述第一温度；并且通过在所述第一温度时将所述可 成形的抛光工具压靠在所述工件本身或所述工件的复制件上，并随后将所述可成形的抛光 工具冷却到所述第二温度，来将所述可成形的抛光工具成形。
全文摘要
一种微加工具有复杂表面轮廓的工件的表面的设备和方法，该复杂表面轮廓包括期望的轮廓特征和待去除的较细的不期望的轮廓特征，所述方法包括使用工件本身或工件的复制件将可成形的抛光工具成形为具有至少所述期望的轮廓特征；以及使用所述可成形的抛光工具微加工所述表面，以去除所述较细的不期望的轮廓特征，而同时保留所述期望的轮廓特征。通过在所述可成形的抛光工具处于可成形状态时将所述可成形的抛光工具压靠在工件本身或工件的复制件上，将所述可成形的抛光工具成形为具有至少所述期望的轮廓特征，且在所述可成形的抛光工具处于固体状态时，所述可成形的抛光工具能用于微加工。
文档编号B24D13/00GK101801604SQ200880106089
公开日2010年8月11日 申请日期2008年7月11日 优先权日2007年7月13日
发明者朱莉·盖, 路易斯·布罗, 阿兰·库洛多 申请人:拉瓦尔大学