[发明专利]空化辅助在高温高压下的微半球凹模阵列研抛方法

说明书

本发明公开了空化辅助在高温高压下的微半球凹模阵列研抛方法，通过工具头的微超声振动，击打导向板中的球体，激发工具头和微凹模衬底工件之间的研抛液中的复合磨粒，高速冲击凹模衬底。同时结合超声空化气泡调控技术，促进空化作用向有利于材料去除的方向发展，结合自由发射球体对工件的锤击作用、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，同时减少了对加工工具的磨损。

技术领域

本发明涉及超精密加工领域，尤其涉及空化辅助在高温高压下的微半球凹模阵列研抛方法。

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，提供了一种空化辅助在高温高压下的微半球凹模阵列研抛方法，其微半球凹模具有很好的表面质量与形状精度。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种空化辅助在高温高压下的微半球凹模阵列研抛方法，利用一种主体由硬度极大材料，如钛合金材料，制成的变幅杆，其上端连接微型超声发生器，下端连接可更换的工具头，变幅杆由双电机驱动，可根据具体需要进行宏观传动和微观传动。可更换工具头与变幅杆由双头螺柱连接，工作时可通过共振传递微型超声发生器的振动，工作寿命达到后可方便地更换。

包括变幅杆，变幅杆上端连接微型超声发生器，变幅杆下端连接可更换的工具头，工具头底部涂层材料为通过CVD工艺沉积多层镀层的涂层，涂层厚度根据下述用于超声发射的球体直径选定，涂层厚度为0.05-3mm，涂层材料为金刚石或碳化钨，若涂层材料是金刚石，需先采用金刚石砂轮对工具底部涂层进行磨削，将涂层表面磨成平面，再采用化学机械抛光的方法对涂层表面抛光，降低涂层表面粗糙度，之后在工具头底部涂层厚度范围内加工出半球凹模阵列，凹模深度小于涂层厚度(阵列m*n、m*1、n*n规格皆可)，工具半球凹模直径大于等于用于超声发射球体的直径。

进一步的，工具头的下方设置导向板，导向板为聚醚醚酮PEEK塑料。导向板可选用耐磨性好的塑料材质，如聚醚醚酮PEEK塑料。导向板上有s*t(s＝m,t＝n)孔阵列，孔径大于等于球体直径。

进一步的，依据待加工微半球凹模阵列深度选择发射球体直径，球体直径范围0.1mm-5mm，球体材料为合金钢、碳化钨或氮化硅陶瓷。一般球径范围0.1mm-5mm，球体材料可为合金钢、碳化钨、氮化硅陶瓷等硬度、耐磨性极大的金属或非金属材料。每个球体被工具头下方的导向板限制在X向和Y向运动，Z方向运动被工具头和工件所限制，球体可以自由转动。