CN104741979A - 基于介电泳效应的超声波研磨微小凹模加工设备 - Google Patents

Abstract

一种基于介电泳效应的超声波研磨微小凹模加工设备，包括用于存放研磨液的容器，容器的内腔底面为工作台，工作台上固定基片，基片的上方依次布置定位板和振动板；基片上安装第一电极板，定位板上安装第二电极板，定位板的两侧开有下安装孔，振动板的两侧开有上安装孔，销钉下端固定在基片上，定位板的中部开有供研磨球安装的定位孔，定位孔内安装研磨球，研磨球的上端与振动板的底面接触，振动板的顶面与振动杆的下端接触，振动杆的上端与换能器的输出端连接，换能器与超声波发生器连接。本发明利用介电泳力增加磨粒和研磨液在加工区驻留时间和磨粒数量，能够兼顾加工精度和加工效率、加工一致性较好、简化加工装置的控制模式。

Description

基于介电泳效应的超声波研磨微小凹模加工设备

技术领域

本发明涉及凹模加工设备领域，尤其是一种高精度凹模加工设备。

背景技术

凹模的作用大部分是作为成型用的，凹模是按照所需产品的形状加工出来的，用于落下产品的外形，或者冲下产品中间的废料，在精密设备和精密加工中具有十分重要的地位，凹模的精度影响着由凹模所产生的一些零件的性能。

凹模的加工方法对凹模的精度有着重要的影响，目前国内外已有一些相应的方法加工凹模，常用的加工凹模的方法有车床加工(磨削)，热处理加工，电解加工，电火花加工，一定形状的钻头钻等，车床加工方法效率低，成本高，加工精度低，通过这种方法加工的凹模的尺寸是相对比较大的。热处理加工法是对工件在经过热处理后，进行冲压，这种加工方法单一，效率低，精度还要在以后的再加工阶段进行保证，这种方法也是常用于大工件的凹模。电解加工加工效率高，加工后的表面质量好，适用范围广，不足之处就是电解加工影响因素多，技术难度高，电解加工设备投资较高等。而对于电火花加工凹模则是效率较低(相对机械加工来讲)，可以实现小工件的凹模制作，电火花加工的工件最好是导电材料，而且最好是不含杂质的导电材料，加工过程中，有因为用使用控制不良，引起火灾的安全隐患；加工过程造成被加工工件的内应力增加而变形，加工尺寸精度不高。

对于以上的加工方法一般是适用于加工大工件，通过电解加工与用一定微小体积的钻头钻也是可以进行微小凹模的加工，但这两种方法在加工微小凹模时都有一定的限制，比如，在用电解加工时有可能会由于电解液的原因会使工件有一定成度的腐蚀，这会大大的降低加工工件精度，而在用钻头钻时会对钻头的性能要求极为严格，比如钻头的耐磨性，耐高温，耐腐蚀性等，并且在用钻头钻微小型凹模时，对加工装置所处的环境比如：温度等有一定的要求。

综上所述，因此，对于高精度凹模的加工，急需一种能实现较高的加工精度和加工效率以及批次性好的高精度凹模加工设备。

发明内容

为了克服已有凹模加工方式在加工微小凹模时无法兼顾精度和加工效率低、加工一致性差、加工装置和控制复杂的不足，本发明提供一种能够兼顾加工精度和加工效率、加工一致性较好、简化加工装置的控制模式的基于介电泳效应的超声波研磨微小凹模加工设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于介电泳效应的超声波研磨微小凹模加工设备，所述加工设备包括用于存放研磨液的容器，所述容器的内腔底面为工作台，所述工作台上固定基片，所述基片的上方依次布置定位板和振动板，所述的基片上安装第一电极板，所述第一电极板与交流电源的第一引出端连接，所述定位板上安装第二电极板，所述第二电极板与所述交流电源的第二引出端连接，所述的交流电源的电流输入端与用于控制所述的交流电源的电压与频率的调频调压控制器连接；所述振动板位于所述定位板的上方，所述定位板的两侧开有下安装孔，所述振动板的两侧开有上安装孔，所述销钉下端固定在所述基片上，所述销钉的中部设有自上而下布置的上凸包和下凸包，所述销钉穿过所述上安装孔和下安装孔，所述上凸包与所述上安装孔点接触式连接，所述下凸包和所述下安装孔点接触式连接，所述定位板的中部开有供研磨球安装的定位孔，所述定位孔内安装研磨球，所述研磨球的上端与所述振动板的底面接触，所述研磨球与所述基片之间为供待加工的工件放置的加工工位，所述振动板的顶面与振动杆的下端接触，所述振动杆的上端与所述换能器的输出端连接，所述换能器与所述超声波发生器连接。

进一步，所述定位板的中部开有至少两个定位孔。

进一步，所述的基片上安装第一电极板，所述第一电极板与交流电源的第一引出端连接，所述的定位板上安装第二电极板，所述第二电极板与所述交流电源的第二引出端连接；所述的交流电源的电流输入端与用于控制所述的交流电源的电压与频率的调频调压控制器连接。

进一步，所述第一电极板与所述第二电极板绝缘安装在基片和定位板上；

再进一步，所述换能器位于冷却外壳内，所述冷却外壳设有冷却进口和冷却出口，所述冷却进口与冷却水箱的出口通过连通管连通，所述连通管上安装水泵，所述冷却出口与所述冷却水箱的进口连通。

更进一步，所述上凸包和下凸包为球形凸包。

所述振动板与所述振动杆接触处为向下凹的球形，所述振动杆的下端为半球形。

加工过程中，由压球振动板下定位板是通过圆柱销相连，并且两者与圆柱销接触处是点接触的，这样可以防止两者与发生卡住的现象，整个发生装置是在一个容器内，并且该容器中的液体是可以流动的，这样可以使得钢球在研磨工件时，可以借助于液体力的作用有一向上的力而保持继续处于研磨工件的状态，这样就可以连续研磨工件，最终可以使研磨的凹模达到所要求的深度与精度。

本发明的技术构思为：世界上的中性物质都具有等量的正电、负电，并且散布在物体内部各处，若是在这物质之外有正电极或负电极靠近(电场存在时)，依着同性相斥、异性相吸的原理，负电极靠近的时侯，物体内的正电会偏向被负电极靠近的表面，使得该物体在电场中也会有异性相吸、同性相斥的现象。传统电泳是指带电微粒在均匀电场中受到电场作用力。介电泳是指中性微粒在非均匀电场中极化，发生极化后的微粒因电场强度分布不同，使两端所受的电场力大小不同，因而朝向所受电场强度大的电极方向移动，所受电场作用力称为介电泳作用力。中性微粒在交流电场中会被极化而运动。整个介电泳系统因为交流电，电场方向会不断地改变，极化中的微粒也会因此不断改变自己内部电子的排列，电子在微粒中移动速度影响微粒的移动方向。在交流电场中，电极的极性不断地正负交替，微粒其内部的电子能快速地随着电极的极性而移动，因此，微粒仍朝着电场强度较高的方向移动。本发明利用这一思路对目前的研磨/抛光设备进行改装，从而获得更高效率、更低成本、避免浪费的设备。

本发明的有益效果有：1.有效减缓磨粒和研磨液受流速影响流出加工区，增加磨粒在加工区域内驻留时间和磨粒数、作用效果，提升加工效率、加工精度；2.可以在定位板上加工出不同数量的孔来放置钢球，以满足在工件上研磨出不同数目的凹模；3.钢球的接触力是一致的，这样可以使得工件上所研磨出的凹模形状保持一致；4.压球振动板与定位板通过特殊的圆柱销进行定位，这样可以避免压球振动板与定位板上下振动时产生卡住的现象；5.工件在研磨时，是浸在研磨液中，且研磨液是流动的，这样提高了工件的研磨效率。

附图说明

图1是基于介电泳效应的超声波研磨微小凹模加工设备的示意图。

图2是加工后的硅片的示意图。

图3是圆柱销的示意图。

图4是定位板示意图。

图5是压球振动板示意图。

图6a是中性微粒在电极中的初始状态(1’代表电极；2’代表中性微粒)。

图6b是中性微粒在非均匀电场中会发生极化的过程(1’代表电极；2’代表中性微粒；3’代表交流电源)。

图6c是极化后微粒内部电荷会随着电极极性变化向微粒表面移动后微粒会受非均匀电场的电场力(或称介电泳力)作用的运动图(1’代表电极；2’代表中性微粒；3’代表交流电源)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图5，一种基于介电泳效应的超声波研磨微小凹模加工设备，包括用于存放研磨液的容器12，所述容器12的内腔底面为工作台3，所述工作台3上固定基片9，所述基片9的上方依次布置定位板8和振动板6，所述的基片9上安装第一电极板14，所述第一电极板14与交流电源16的第一引出端连接，所述的定位板8上安装第二电极板15，所述第二电极板与所述交流电源16的第二引出端连接；所述的交流电源16的电流输入端与用于控制所述的交流电源的电压与频率的调频调压控制器17连接；所述振动板6位于所述定位板8的上方，所述定位板8的两侧开有下安装孔，所述振动板6的两侧开有上安装孔，销钉11下端固定在所述基片9上，所述销钉11的中部设有自上而下布置的上凸包和下凸包，所述销钉11穿过所述上安装孔和下安装孔，所述上凸包与所述上安装孔点接触式连接，所述下凸包和所述下安装孔点接触式连接，所述定位板8的中部开有供研磨球安装的定位孔，所述定位孔内安装研磨球7，所述研磨球7的上端与所述振动板6的底面接触，所述研磨球7与所述基片9之间为供待加工的工件13放置的加工工位，所述振动板6的顶面与振动杆5的下端接触，所述振动杆5的上端与所述换能器2的输出端连接，所述换能器2与所述超声波发生器1连接。

进一步，所述定位板8的中部开有至少两个定位孔。

进一步，所述第一电极板14与基片9绝缘安装；所述第二电极板15与定位板8绝缘安装。

再进一步，所述换能器2位于冷却外壳10内，所述冷却外壳10设有冷却进口和冷却出口，所述冷却进口与冷却水箱4的出口通过连通管连通，所述连通管上安装水泵，所述冷却出口与所述冷却水箱4的进口连通。

更进一步，所述上凸包和下凸包为球形凸包。

本实施例中，所述的交流电源16控制着所述的基片9和所述的定位板8间非均匀电场的电场强度，进而控制加工区域的介电泳力；所述的调频调压控制器17控制所述的交流电源16的电压与频率。

本实施例的工作原理：如图6所示，交流电源同时给第一电极板和第二电极板加上电压；随着输入电压值和频率变化，两电极板间将形成一个非均匀电场；初始为中性状态的研磨液及磨粒在非均匀电场内发生极化，使得研磨液液滴和磨粒表面产生感应电荷。受非均匀电场的介电泳力(电场力)作用，极化后的研磨液液滴及磨粒向工件和定位板移动，使得极化的研磨液液滴及磨粒具有吸咐在工件表面趋势。

本实施例的工作过程如下：如图1所示，基片9和定位板8分别装有电极14、15并与交流电源16相连，调频、调压控制器17控制输入交流电源16的电压和频率；在交流电源下，基片9上第一电极14与定位板8上第二电极15之间产生非均匀电场；进入加工区域中的研磨液液滴和磨粒在非均匀电场内会发生极化并在其表面产生感应电荷；

非均匀电场对进入加工区域中极化后的研磨液液滴和磨粒产生介电泳力(电场力)，介电泳力(电场力)使得研磨液液滴和磨粒沿电场方向移向定位板8和工件13表面，减缓研磨液受流速作用快速流出加工区，增加了进入加工区域参与工件材料去除的磨粒数量，提高工件加工效率。

本实施例的研磨球7采用直径为1mm的钢球，所述工件13被粘贴在基片9上；整个研磨工件的部分都浸在含有一定量研磨液的容器中，且研磨液是流动的，流进的速度与流出的速度相同。

微小凹模的研磨加工方法如下：所述研磨球7放在定位板8上的定位孔处，所述定位板8放在振动板6与工件13之间，所述工件13粘贴在基片9上，所述基片9位于工作台3上。所述超声波发生器1在使用前，首先必须开启水泵，以保证换能器外壳有冷却水流通，之后才能打开超声波发生器1，以免换能器2过热而烧坏。超声波发生器1在发出超声波后，通过换能器2将输入之超声波声频电振荡转换成机械振动，然后将超声振动传递给超声波振动杆5，使其产生上下振动，超声波振动杆5产生的振动传递给振动板6，通过振动板6将振动传递给位于定位板8上的研磨球7，使研磨球7产生的振动能够快速的撞击研磨液中的磨粒磨料，以使工件上产生所需的凹模。由于研磨液是在循环的装置中，并且研磨液所在的容器是从一端以一定的速度通入研磨液，而从另一端相同速度流出，这样就使得研磨球7可以在撞击磨粒磨料研磨工件后，通过研磨液的流体力作用钢球可以上升一定的高度继续下一次的撞击。

所述振动板6，与定位板8是通过销钉来进行点接触的，这样就可以保证振动板6与定位板8在上下振动时不产生卡住的现象。

所述振动板6与振动杆5接触处为向下凹的球形，所述振动杆5的下端为半球形。

加工过程中的超声波发生器1振动的频率可以根据需要通过调频器来调节。

Claims (6)

1.一种基于介电泳效应的超声波研磨微小凹模加工设备，其特征在于：所述加工设备包括用于存放研磨液的容器，所述容器的内腔底面为工作台，所述工作台上固定基片，所述基片的上方依次布置定位板和振动板，所述的基片上安装第一电极板，所述第一电极板与交流电源的第一引出端连接，所述定位板上安装第二电极板，所述第二电极板与所述交流电源的第二引出端连接，所述的交流电源的电流输入端与用于控制所述的交流电源的电压与频率的调频调压控制器连接；所述振动板位于所述定位板的上方，所述定位板的两侧开有下安装孔，所述振动板的两侧开有上安装孔，所述销钉下端固定在所述基片上，所述销钉的中部设有自上而下布置的上凸包和下凸包，销钉穿过所述上安装孔和下安装孔，所述上凸包与所述上安装孔点接触式连接，所述下凸包和所述下安装孔点接触式连接，所述定位板的中部开有供研磨球安装的定位孔，所述定位孔内安装研磨球，所述研磨球的上端与所述振动板的底面接触，所述研磨球与所述基片之间为供待加工的工件放置的加工工位，所述振动板的顶面与振动杆的下端接触，所述振动杆的上端与所述换能器的输出端连接，所述换能器与所述超声波发生器连接。

2.如权利要求1所述的基于介电泳效应的超声波研磨微小凹模加工设备，其特征在于：所述定位板的中部开有至少两个定位孔。

3.如权利要求1或2所述的基于介电泳效应超声波研磨微小凹模加工设备，其特征在于：所述换能器位于冷却外壳内，所述冷却外壳设有冷却进口和冷却出口，所述冷却进口与冷却水箱的出口通过连通管连通，所述连通管上安装水泵，所述冷却出口与所述冷却水箱的进口连通。

4.如权利要求1或2所述的基于介电泳效应的超声波研磨微小凹模加工设备，其特征在于：所述上凸包和下凸包为球形凸包。

5.如权利要求1或2所述的基于介电泳效应的超声波研磨微小凹模加工设备，其特征在于：所述振动板与所述振动杆接触处为向下凹的球形，所述振动杆的下端为半球形。

6.如权利要求1或2所述的基于介电泳效应的超声波研磨微小凹模加工设备，其特征在于：所述第一电极板与基片绝缘安装；所述第二电极板与定位板绝缘安装。