嵌入式球模复合磨粒研抛硅微凹模阵列方法与流程

本发明涉及超精密加工领域，尤其涉及嵌入式球模复合磨粒研抛硅微凹模阵列方法。

背景技术：

半球谐振陀螺是一种新型的惯性传感器，具有精度高、稳定性强、可靠性高以及寿命长的特点，并且具有很好的抗冲击振动的能力以及很好的温度性能，已经在航空，兵器等领域开始有运用。但是这种陀螺仪的球壳加工精度低，主要原因在于其母体——半球凹模阵列的加工精度差。该凹模材料硬度大，尺寸小，加工较为困难。现有对该凹模的加工方法，如微细削加工、微细超声分层加工、微细电火花加工等方式。

目前，加工该微半球凹模的工件材料主要为硅片或者碳化硅材料。就目前所报道的加工方式尚未发现可以满足对碳工件微半球凹模的加工精度与加工效率的要求。主要原因在于：(1)微细削加工微半球凹模时，在材料脆性去除的过程中会出现微半球底部或者顶部崩裂、表面及亚表面损伤的情况，无法满足加工精度的要求。加工效率以及成品率都无法得到保证。(2)微细超声分层加工，因为细微工具会出现磨损，并且该磨损无法预计与控制，因此难以规划分层进给路径，导致微半球形状精度差，加工效率低。(3)微细电火花加工微半球凹模阵列，放点空间小，因此需要加工设备的精度很高，而形状精度极

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了嵌入式球模复合磨粒研抛硅微凹模阵列方法。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

嵌入式球模复合磨粒研抛硅微凹模阵列方法，包括如下步骤：

s1、制作研抛模，所述研抛模包括工具连杆、激光测距传感器和球体，工具连杆包括上端变幅杆与下端工具头，所述变幅杆的上端与细微超声振动装置相连接，工具头下端端面加工有阵列孔，单个凹模的直径等于球体直径，球体的直径范围为100微米至几毫米；

s2、球体的一半嵌入孔内，每个孔径与球体之间有一层均匀的防水粘结剂，通过防水粘结剂将嵌入在孔径中的球体固定在工具头的凹模中；

s3、在研抛模与工件表面之间充满研抛液，研抛液中的磨粒为复合磨粒，研抛模在工件上表面的上方0至几毫米的距离内做高频微细超声振动，同时研抛模在z轴的方向向下做进给运动，超声振动激发裸露在工具头外部的半个球体与磨粒一起持续冲击工件表面，形成与球体尺寸相吻合的微半球凹坑。

进一步的，s3中，为提高工件上凹模尺寸的精度，在工具头的上端装有实时监控的激光测距传感器，激光测距传感器位于工具头上端面的凸台上，以控制研抛模与工件表面的距离，使得当凹模深度达到所需尺寸时停止振动。

进一步的，工具头上端面的四周设有凸台，每个凸台安装一个激光测距传感器。采用多个传感器，在定位了研抛模与工件距离的同时，也保证了研抛模端面与工件表面之间可以始终保持相对平行。安装在工具头的上端面，避免传感器因与研抛液和磨粒接触而损坏。

进一步的，研抛液包括5％光亮剂、5％磨粒、5％稳定剂与分散剂，85％水，复合磨粒为氧化铝复合磨粒。

进一步的，氧化铝复合磨粒通过表面化学包覆改性法，将硅烷偶联剂作为中间过渡层，外层选择丙烯酰胺将所述氧化铝复合磨粒包裹住，通过让外表面发生聚合反应形成水溶性分子聚丙烯酰胺。从而提高分子的亲水性。

进一步的，所述球体为硬质塑性球体。硬质塑性球体为合金钢、特种钢等。

进一步的，本方法实现装置还包括床身、减震装置、并联机构、微细超声振动装置、微细超声波发生、研抛模、工件放置台、x方向工作台、y方向工作台。减震装置可以极大程度地削弱外界的振动对研抛的影响，并联机构对研抛模z轴方向进行调整。所述并联机构上方为y方向工作台，研抛模的下方为x方向工作台，工件放置台位于x工作台上，可通过导轨实现对工件放置台在水平面内的移动。

进一步的，通过石蜡将工件固定在工件放置台上，石蜡可以可以确保工件在加工过程中不发生移动。加工完成后，可将工件放置台取下并微微加热融化石蜡，从而取出工件。

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，本发明通过微超声研抛模的振动，激发球体与研抛液中纳米级磨粒对硅工件表面的高频冲击，以实现对材料的去除。极大地提高微半球凹模阵列的加工效率，并通过传感器辅助的方式，保证了凹模的形状一致性。本发明方法效率高、可控性强，半球凹模形状一致性高、形状精度高、表面质量好、表面粗糙度低。

附图说明

图1是本发明嵌入式球模复合磨粒研抛硅微凹模阵列装置的结构示意图。

图2是本发明嵌入式球模复合磨粒研抛硅微凹模阵列装置的示意图。

图3是本发明带传感器研抛模的结构图。

图4是本发明研抛模球体嵌入示意图。

图5是本发明嵌入式球模制作方法示意图。

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～图5，一种嵌入式球模复合磨粒研抛硅微凹模阵列方法，所述研抛方法包括如下步骤：制作研抛模9：所述研抛模9包括工具连杆、激光测距传感器95、球体94。工具连杆包括上端的变幅杆91与下端的工具头92，变幅杆91的上端与细微超声振动装置10相连接，所述的工具头92的上端面四周分别引出有四个凸台，在每个凸台上分别安装有一个距离传感器95，用于控制研抛模9与硅工件13之间的距离。

激光测距传感器95精度为几微米，满足本产品研抛模9与工件距离的精度要求。工具头92上端面的四周设有凸台，每个凸台安装一个激光测距传感器95。多个激光测距传感器95同时检测，保证了工具头92端面与工件表面保持相对平行。当检测出工具头92端面与工件表面之间的距离小于球体94半径的十分之一时，反馈给超声发射装置，使其停止振动，从而结束加工。

所述球体94的直径为1毫米，材料为人造金刚石。在工具头92的下表面加工有数量为9×9微半球凹模阵列，单个凹模的尺寸与球体94相等。单个凹模的直径等于球体94直径，球体94的直径范围为100微米至几毫米。倒置研抛模9，在工具头92端面涂上一层均匀的防水粘结剂93，用精密压板17将球体94平稳的压入阵列凹模，保证球体94上端最高点位于同一平面。通过防水粘结剂93将9×9的81个球体94分别固定在工具头92端部的凹模阵列中，保证了球体94与工具连杆之间不会出现相对运动。

在研抛模9与工件表面之间充满研抛液，研抛液采用磨料、溶剂、添加剂按一定体积比：5％光亮剂、5％磨粒、5％稳定剂与分散剂，85％水配置。研抛液中的磨粒为复合磨粒，是一种具有特定结构、形貌以及特定的化学性质的粒子，是基于纳米粒子技术而设计的。

本实例采用氧化铝复合磨粒，通过表面化学包覆改性法，并选择硅烷偶联剂作为中间过渡层，外层选择丙烯酰胺，通过聚合反应形成水溶性分子聚丙烯酰胺，从而提高分子的亲水性。研抛模9在工件上方的微小距离内做高频微细超声振动，具体振动尺寸为：工具头92下沿(不包括球体94)与工件的上表面的之间距离始终保持在0至1毫米之间，通过上述激光测距传感器95进行控制。超声振动激发工具头92高频震动，使粘结在工具头92端部的球体94与研抛液中的复合磨粒不断冲击硅工件13。在磨粒冲击、超声空化、球体94冲击的作用下，硅工件13表面被加工出与球体94尺寸相吻合的微半球凹模阵列。

所述嵌入式球模复合磨粒研抛硅微凹模阵列装置，包括床身3、减震装置6、并联机构11、微细超声振动装置10、微细超声波发生器16、微超声研抛模9、工件放置台8、x方向工作台4、y方向进给机构12、进给电机1、连接电线2、机床遥控器5。

所述床身3材料选用的是大理石，大理石可以有效降低外界振动对机构的影响。所述减震装置6安装在床身3的四个脚7上，可以有效地消除外界振动对工件研抛的影响。y方向进给机构12安装在床身3，对研抛模9的y方向的位置进行调整。并联机构11安装在y方向进给机构12下方，对研抛模9的z方向的位置进行调整。所述微细超声振动装置10安装在并联机构11下方，并与微超声研抛模9相连接，将微细超声振动装置10的振动频率传递到微超声研抛模9上。所述研抛模9的下方为x方向工作台4，工件放置台8位于x工作台上，可通过导轨实现对工件放置台8在水平面内的移动，工件通过石蜡暂固定在工件放置台8中，可在加工结束后加热熔化石蜡的方式取出工件。

上述装置仅包括在床身3的所有装置，除此之外，该研抛系统装置还包括计算机控制系统14与配电系统15，所述减震装置6、并联机构11、微细超声振动装置10、微细超声波发生器16、x方向工作台4、y方向进给机构12、均与计算机控制系统相连接，同时可调微细超声波发生器16与配电系统相连。

本实施例在自制微超声嵌入式球体的研抛模9、通过并联机构11对z方向进给、激光测距传感器95辅助，并且采用复合磨粒的协同作用下，综合了流场以及磨粒场的分析，以实现对微小半球凹模阵列的高效率超精密研抛。

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。