CN110355620A - 陶瓷材质上芬顿辅助的旋转超声高效抛光法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了陶瓷材质上芬顿辅助的旋转超声高效抛光法，通过在碳化硅材料上涂覆芬顿液，使得碳化硅在羟基自由基的作用下转化成更易去除的二氧化硅，再利用旋转超声工加工方法，高频振动的工具头冲击磨粒，通过高能磨粒对衬底材料的机械冲击、剪切、抛磨、锤击、加工液的空化现象和高速旋转的超硬陶瓷球体带动磨粒对衬底材料的多级研抛作用去除二氧化硅，暴露出底下的碳化硅，得到微半球凹模阵列本发明能够较快的在硬脆材质碳化硅工件上加工出优质几何性质的微半球凹模阵列。

Description

陶瓷材质上芬顿辅助的旋转超声高效抛光法

技术领域

本发明涉及超精密加工领域，尤其涉及陶瓷材质上芬顿辅助的旋转超声高效抛光法。

背景技术

半球谐振陀螺(Hemispherical Resonator Gyro,简称HRG)是基于基于哥氏振动原理，具有惯导级性能的高精度新型固体振动陀螺，他通过上半球的径向振动驻波进动机理感应旋转角度。与一般陀螺仪相比具有结构简单、可靠性高、精度高、寿命长，能在恶劣工作环境中稳定工作，具有良好的抗冲击性能，即使断电，也能在掉电情况下稳定运行一段时间。在空间航空航天领域具有广阔应用前景。

目前，有能力批量制造高精度到质量的HRG的国家主要是美国、法国和俄罗斯，因为半球谐振陀螺的品质因数对振子的几何物理精度上具有很高要求，目前的HRG谐振子制造方法都是首先获得一个高回转精度和高表面质量的半球凹模，然后利用各种沉积方法在凹模表面沉积出一个半球空腔，再经过一系列工步，最终实现谐振子的装配。目前技术的难点在于获得高回转精度和高表面质量的半球凹模，国际上现有的在硬脆材料上加工半球凹模的传统加工方法主要有：微电火花加工，高能束加工，传统超声加工等。

微电火花加工通过两极间高强度火花放电的电蚀现象来蚀除材料的方法。高能束加工，利用产生的高温使非金属硬脆材料表面融化气化并伴随爆炸来达到去除材料的目的。传统的超声加工又称悬浮磨粒超声冲击加工，利用超声的高能冲击磨粒对材料进行机械去除。他们在加工半球凹模时都要致命的缺点，微电火花加工效率低，又难以获得较好的形状精度；激光加工还会使材料热应力集中，产生裂纹和热变形，影响加工形状精度和表面质量。在一般的传统超声加工中工具头磨损严重，加工效率低且加工硬脆材料时加工表面常会出现“崩豁”现象，严重影响加工表面质量。

发明内容

本发明的目的是针对现有不足，提供陶瓷材质上芬顿辅助的旋转超声高效抛光法，利用芬顿效应和旋转超声法批量制备微半球凹模阵列。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

陶瓷材质上芬顿辅助的旋转超声高效抛光法，

S1、配置芬顿液将其和研磨液混合成研抛液，将研抛液均匀滴加在工件表面拟加工位置；

S2、超硬陶瓷球体被限制在铝合金导向基板上固定于旋转工具头前端，芬顿液将碳化硅工件氧化成二氧化硅，旋转超声工具头在纵向高频震动的同时在水平面上高速旋转，通过激发芬顿液中的磨粒，依靠磨粒对衬底材料的机械冲击、剪切、抛磨、加工液的空化现象去除材料；同时利用旋转运动保证形状精度。

S3、通过控制加工参数实现多级研磨。提高加工质量。

进一步的，通过芬顿液将碳化硅脆化。方便超声加工和提高加工质量。减少工具头磨损。

进一步的，预装超硬陶瓷球体，在导向基板和超硬陶瓷球体间添加粘结剂，再使用Z向进给使得超硬陶瓷球体向下运动进而获得同一水平面上的超硬陶瓷球体。减少不同工具头加工半球凹模的误差。

进一步的，在未加工碳化硅表面区域涂覆高聚合物薄膜。实现对未加工碳化硅表面区域的保护。

进一步的，所述多级研磨包括三级，第一级研磨为粗加工，控制超声频率为20kHz-50kHz，振幅为10μm-50μm，旋转速度为800r/min-1200r/min，高频高振幅振动的超硬陶瓷球体激发激发磨粒将大块材料去除，得到半球凹模；

第二级研磨为精加工，控制超声频率为6kHz-20khz,振幅为0.3μm-3μm，旋转速度为800r/min-1200r/min，超硬陶瓷球体激发的磨粒由之前的脆性破坏转变成塑性加工，得到表面粗糙度为20nm<Sa<40nm的半球凹模；

第三级为表面加工环节，停止旋转声工具头的纵向振动，旋转控制装置控制旋转速度为1200r/min-2000r/min，得到的表面粗糙度Sa<20nm的半球凹模。

旋转超声工具头，利用旋转磨削的优势，保证加工的几何精度和减少材料豁崩现象。

使用调制的研抛液，通过混合一定浓度的芬顿液和磨粒，配置适宜配比的研抛液进行旋转超声加工。通过控制旋转速率、超声频率和振幅实现多级研磨，脆性材料塑性加工的目的。

进一步的，芬顿液中的羟基自由基可将工件材料SIC和溶液中的游离氧反应，将工件表面的一层转化成二氧化硅，方便后续加工去除材料。

进一步的，为防止芬顿液将半球凹模外的碳化硅氧化造成碳化硅脆化，在碳化硅表面涂覆一层聚乙烯薄膜。但不限于聚乙烯材料，可以为任意不被芬顿液氧化的金属、非金属涂层，目的是隔绝研抛液和碳化硅工件。

进一步的，所述超硬陶瓷球体为陶瓷超硬耐磨超硬陶瓷球体，但不限于陶瓷材质，可以为任意不被芬顿液氧化脆化的耐磨材质，也可为普通金属非金属球体涂覆沉积耐磨材料的超硬陶瓷球体。

进一步的，S2中因为芬顿液只与碳化硅表面一层反应，超声去除和芬顿氧化同时进行，二氧化硅在超声频率的极小时间段上表现为逐层出现，逐层去除，在对二氧化硅去除的过程中因为衬底材料为更不易去除的碳化硅，所以在加工过程中能实现更好表面质量的加工面。不会产生较大范围的豁崩现象和划痕。

进一步的，S3中所述的多级研磨中，到达加工位置的超声工具头以一定速率旋转，同时变幅杆7-6带动工具头，工具头前端的超硬陶瓷球体边旋转边做超声震动，激发磨粒冲击衬底材料，伴随超声空化、磨粒剪切、锤击，实现微半球凹模的材料去除。所述旋转超声工具头能在超声震动的同时径向高速旋转，两个方向共同作用，可及时排除碎屑，避免碎屑划伤已加工表面，提高加工效率和加工精度。同时，因为超声加工中的回转运动的存在，能够保证微半球凹模能有较好的圆度。并且旋转运动也能带动磨粒对半球凹模表面进行精细研磨，提高半球凹模的表面质量。

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，本发明通过利用芬顿反应中产生的羟基自由基(OH·自由基)将SIC氧化生成二氧化硅(SiO2)，因为二氧化硅的莫氏硬度为7，碳化硅的莫氏硬度一般认为在9 以上，所以二氧化硅比碳化硅在物理性质上更易被去除和加工，且生成的二氧化硅在碳化硅衬底上结合度小，更容易被磨粒去除。

本发明是一种采用旋转工具头的基于芬顿效应的微超声制备微半球凹模阵列方法，通过普通超声加工的基础上加装径向高速旋转的装置，利用芬顿效应高速加工，多级研磨，克服传统微细加工的缺点，高效率批量制备更高表面质量，更高形状精度的半球凹模阵列。

附图说明

图1是本发明提供的一种研抛模平台结构图。

图2是本发明提供的一种旋转超声工具头组结构图。

图3是本发明提供的一种超声工具头结构图。

图4是本发明提供的一种芬顿辅助的旋转超声加工原理图。

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。

如图1、2、3所示，一种在陶瓷材质上芬顿辅助的旋转超声高效抛光装置，包括研抛模平台，所述研抛模平台包括Z向进给滑台1、大理石机架2、x向进给滑台3、研抛模底座4、控制中心5、Z向精密二级平台6、旋转超声工具头组7、水平工作台8、工业用摄像头9、y向进给滑台10、旋转控制装置11、超声波发生装置12。

其中大理石机架2被水平架设在研抛模底座4上，z向进给滑台1固定于大理石机架2顶端，能够实现快速Z向进给,定位加工位置。通过螺钉连接将 Z向精密进给二级平台6固定于Z向进给滑台1上。Z向精密进给二级平台6 能实现精度为1微米的Z向进给，保证研抛模的加工精度。旋转超声工具头组7中的工具头夹具7-1通过螺钉与Z向精密二级平台6刚性连接。旋转超声工具头7-3通过连接装置7-4上的螺纹与工具头夹具7-1连接。

所述旋转超声工具头组7中的换能器7-2与可调超声发生装置12连接，可调超声发生装置12通过信号线发射高频电流脉冲到换能器7-2，将高频电流转换成高频振动脉冲，振动脉冲带动整个旋转超声工具头7-3高频振动。旋转装置7-5能够带动变幅杆7-6、导向基板7-7、超硬陶瓷球体7-8做旋转运动，其转速由转速控制器11控制。旋转装置7-5的旋转运动与换能器7-2实现的高频振动组合在一起实现边旋转变振动。

本发明包括以下步骤，

S1、配置一定浓度的芬顿液将其和研磨液混合成专用研抛液，将研抛液均匀滴加在工件表面拟加工位置。

S2、超硬陶瓷球体被限制在铝合金导向基板上固定于旋转工具头前端。芬顿液将碳化硅工件氧化成二氧化硅，旋转超声工具头在纵向高频震动的同时在水平面上高速旋转，通过激发芬顿液中的磨粒13-1，依靠磨粒13-1对工件表面13-2上与芬顿液反应生成的二氧化硅层13-3的机械冲击、剪切、抛磨、加工液的空化现象去除材料，同时利用旋转运动保证形状精度。

S3、通过控制加工参数实现多级研磨，提高加工质量。

所述超声工具头组7被固定在Z向紧密二级平台上，Z向紧密二级平台又被固定于Z向工作滑台上，换能器7-2与可调超声波发生装置12相连，可调超声发生装置12发射一定的电流频率传递到换能器7-2,其将高频电能转换成高频震动，传递到变幅杆7-6上，变幅杆7-6带动前端的超硬陶瓷球体7-8高频振动。同时旋转装置7-5带动变幅杆7-6以一定速率转动，使得超硬陶瓷球体7-8边旋转边在纵向做高频超声振动。

工业摄像头捕捉工具头组7前端超硬陶瓷球体7-8的位置，将其传递到控制中心5，控制中心5控制Z向工作滑台向下进给，使超硬陶瓷球体7-8到达加工位置。此时控制中心5控制被固定于二级精密工作平台6上的超声旋转工具头7-3以微小进给向下进给。首先超硬陶瓷球体7-8边旋转边振动撞击滴加在碳化硅工件13-2上的磨粒13-1。被激发的磨粒13-1和高频震动的超硬陶瓷球体7-8将涂敷在碳化硅13-1上的聚乙烯薄膜破碎，芬顿液与工件表面13-2 接触，将其表面一层氧化成二氧化硅，通过超硬陶瓷球体7-8激发磨粒13-1 对二氧化硅层13-3的机械冲击、剪切、抛磨、加工液的空化现象和高速旋转的超硬陶瓷球体7-8带动磨粒13-1对衬底材料13-3研抛作用去除二氧化硅，同时因为衬底材料13-3为比二氧化硅更为难以去除且耐磨的碳化硅，所以在破碎二氧化硅的同时能保护半球凹模形状不被破坏，保证加工质量。将二氧化硅去后，芬顿液又将暴露出来的碳化硅氧化，具体表现形式为逐层氧化逐层去除。破碎衬底材料13-3加工出大致半球形状。

通过超声加工的多级研磨，通过控制中心5控制超声发生12的功率控制工具头旋转转速和工具头的振幅，实现前一阶段为加工速率较快的脆性破坏转变为后一阶段的材料的粗加工，得到一个具有一定形状精度但表面质量不佳的半球凹模。后一阶段实现对半球凹模的精加工，利用脆性材料塑性加工的原理能在微量去除量的条件下，显著降低在加工过程中对(工件)硬脆材料的表面破坏，减少其裂纹数量和规模，由此得到更好的表面粗糙度。当工业摄像机9 捕捉到超硬陶瓷球体7-8到达加工结束位置的时候，控制中心5控制其停止进给的同时关闭工具头7-3的超声震荡，依靠旋转运动带动磨粒13-1对衬底材料13-3进行柔性材料去除进一步减小半球凹模表面的表面粗糙度，最后控制中心控制精密二级平台上升，完成半球凹模阵列的加工。

所述铝合金的导向基板7-7上打有光滑通孔，尺寸略大于超硬陶瓷球体7-8，能够将超硬陶瓷球体7-8嵌入其中，导向基板7-7和超硬陶瓷球体7-8间充满粘结剂，超硬陶瓷球体7-8被固定于工具头7-3前端。固定超硬陶瓷球体7-8 的时候先将旋转工具头7-3固定然后将其嵌入涂满粘接剂的导向基板7-7内，接着通过调整Z向工作平台1向下进给，直到所有超硬陶瓷球体7-8接触大理石水平工作台8，等到粘结剂凝固后得到水平度完全高度一致的工具头组件。

所述研抛液12-4是混有芬顿试剂和一定磨粒13-1的混合加工液为 0.02wt.％FeSO4、5wt.％H2O2在pH3条件下配置的芬顿试剂和微纳级别的磨粒13-1混合而成。

所述碳化硅表面涂覆有聚合物涂层，目的是将芬顿液和碳化硅工件隔离，防止芬顿液氧化除加工区域的部分，所述聚合物涂层可以是任意不与芬顿液反应的金属非金属材料。

所述多级研磨分为三级：

第一级研磨为粗加工，控制超声频率为20kHz-50kHz，振幅为 10μm-50μm，旋转速度为800r/min-1200r/min，高频高振幅振动的超硬陶瓷球体7-8能够激发激发磨粒13-1实现大块材料去除，能够快速破碎工件表面材料，加工出具有一定形状精度的半球凹模。中低速的旋转运动能够保证在高进给速率去除材料的情况下通过回转运动及时排除碎屑并保证加工过程中加工表面不会出现大面积豁崩现象。

第二级研磨为精加工，控制超声频率为6kHz-20khz,振幅为0.3μm-3μm，旋转速度为800r/min-1200r/min，在这样频率振幅下超硬陶瓷球体7-8激发的磨粒13-1由之前的脆性破坏转变成塑性加工，利用脆性材料塑性加工的原理能在微量去除量(微进给)的条件下，显著降低在加工过程中对(工件)硬脆质材料的表面破坏，减少其裂纹数量和规模，由此得到更好的表面粗糙度的半球凹模(达到20nm<Sa<40nm)。

第三级为表面加工环节，控制中心5控制可调超声发生装置12停止旋转声工具头的纵向振动，旋转控制装置控制旋转速度为1200r/min-2000r/min，这时，Z向精密二级平台往下微量进给条件下(1μm/s-5μm/s)向下进给，高速旋转的超硬陶瓷球体7-8带动磨粒13-1对加工表面13-3实现超精密抛光，修复由超声加工造成的磨粒撞击凹坑，这一环节能够得到的表面粗糙度Sa<20nm 的半球凹模。

微电火花加工法与芬顿辅助下的旋转超声加工法半球凹模粗糙度对比如表 1所示，芬顿效应下的微超声加工半球凹模阵列平均粗糙度为17.6nm，为电火花加工为31.2，芬顿效应下的微超声加工法所加工的半球凹模表面质量远远优于微电火花加工法所加工的半球凹模。

表1

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。

Claims (6)

1.陶瓷材质上芬顿辅助的旋转超声高效抛光法，其特征在于：

S1、配置芬顿液将其和研磨液混合成研抛液，将研抛液均匀滴加在工件表面拟加工位置；

S2、超硬陶瓷球体被限制在铝合金导向基板上固定于旋转工具头前端，芬顿液将碳化硅工件氧化成二氧化硅，旋转超声工具头在纵向高频震动的同时在水平面上高速旋转，通过激发芬顿液中的磨粒，依靠磨粒对衬底材料的机械冲击、剪切、抛磨、加工液的空化现象去除材料；同时利用旋转运动保证形状精度。

S3、通过控制加工参数实现多级研磨。

2.如权利要求1所述的陶瓷材质上芬顿辅助的旋转超声高效抛光法，其特征在于：通过芬顿液将碳化硅脆化。

3.如权利要求1所述的陶瓷材质上芬顿辅助的旋转超声高效抛光法，其特征在于：预装超硬陶瓷球体，在导向基板和超硬陶瓷球体间添加粘结剂，再使用Z向进给使得超硬陶瓷球体向下运动进而获得同一水平面上的超硬陶瓷球体。

4.如权利要求1所述的陶瓷材质上芬顿辅助的旋转超声高效抛光法，其特征在于：在未加工碳化硅表面区域涂覆高聚合物薄膜。

5.如权利要求1所述的陶瓷材质上芬顿辅助的旋转超声高效抛光法，其特征在于：所述多级研磨包括三级，第一级研磨为粗加工，控制超声频率为20kHz-50kHz，振幅为10μm-50μm，旋转速度为800r/min-1200r/min，高频高振幅振动的超硬陶瓷球体激发激发磨粒将大块材料去除，得到半球凹模；

第二级研磨为精加工，控制超声频率为6kHz-20khz,振幅为0.3μm-3μm，旋转速度为800r/min-1200r/min，超硬陶瓷球体激发的磨粒由之前的脆性破坏转变成塑性加工，得到表面粗糙度为20nm<Sa<40nm的半球凹模；

第三级为表面加工环节，停止旋转声工具头的纵向振动，旋转控制装置控制旋转速度为1200r/min-2000r/min，得到的表面粗糙度Sa<20nm的半球凹模。

旋转超声工具头，利用旋转磨削的优势，保证加工的几何精度和减少材料豁崩现象。

6.如权利要求4所述的陶瓷材质上芬顿辅助的旋转超声高效抛光法，其特征在于：碳化硅表面涂覆一层聚乙烯薄膜。