CN111215970B - 一种微结构模具超声空化辅助超声磁力抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种双超声辅助磁力抛光微结构模具的装置和方法，通过单独设置产生超声空化效应的超声振动装置，能够保证抛光区域产生充分的超声空化现象，增大抛光压力，同时，由于微结构模具完全浸没在抛光液中，抛光液中的纳米SiO2颗粒对模具材料也有一定抛光作用，利于模具材料的去除，提高抛光表面质量。此外，不同于现有技术中机床超声主轴垂直于待抛光工件的表面，本发明中的机床超声主轴平行于微结构模具的待抛光表面设置，通过环形永磁体的圆周面进行抛光加工，整个抛光加工区域的切向线速度从中心到边缘是一致的，因此增大了抛光加工速度，提高了加工效率。
Description
技术领域
一种双超声辅助磁力抛光微结构模具的装置和方法，属于精密制造领域，具体涉及一种微结构模具精密抛光工艺方法及实现装置。
背景技术
微结构光学元件广泛地的应用在国防军事、机械电子、光学及光电子领域，如手机、电脑等电子设备液晶显示屏幕中的微透镜阵列背光组模，它能够使显示屏幕获得明亮而又均匀的显示效果；机械电子领域中的光纤连接器、微传感器，生物医学领域中的无影灯，军事卫星成像系统内的大口径波带片、导弹内的制导系统等都有微结构光学元件的应用。目前人们对微结构光学元件的需求迅速增加，为了实现微结构光学元件的大批量、低成本生产，较为成熟的方案是首先利用精密磨削加工技术生产出具有微结构表面的模具，再利用玻璃模压工艺进行微结构光学元件批量生产。
在进行微结构光学元件的模压加工时，微结构模具的加工质量直接影响着最终的产品性能和生产成本。采用精密磨削加工技术制造出的微结构模具通常表面质量较差，易出现微凹坑、微裂纹等缺陷，严重影响微结构元件的加工质量，因此，对磨削加工出的微结构模具还要进行抛光。
现有技术中常采用超声波磁流变复合抛光的方法对硬脆材料(玻璃、陶瓷、晶体、宝石等)的表面进行研磨加工，如CN205342683U、CN1613605A等，在超声波发生装置的下部设置磁性研磨头，磁流变液通过循环输送装置输送到工件表面，加工时，超声研磨装置产生高频振动，使得磨粒在超声振动和压力下不停冲击工件表面，同时抛光液使超声振动产生空化现象，强化了抛光研磨的作用。然而，由于模压光学元件所使用的微结构模具多为硬质合金，其材料性质与前述硬脆材料完全不同，采用传统的超声波磁流变复合抛光方法对微结构模具进行研磨抛光，并不能达到理想的抛光效果，无法满足微结构模具表面的高质量加工需要。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种特别适用于微结构模具表面抛光加工的双超声辅助磁力抛光方法和实现装置，可实现微结构模具的高效率、高质量抛光加工。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种双超声辅助磁力抛光微结构模具的装置，其特征在于，主要包括以下结构：
水槽，所述水槽中装有抛光液，所述微结构模具固定在所述水槽的底部平台上，并完全浸没在所述抛光液中，所述抛光液由纳米SiO2、分散剂、水等组成，其中，SiO2粒径为50～100nm，SiO2磨粒含量为2％～10％；
机床超声主轴，所述机床超声主轴平行于所述微结构模具的待抛光表面设置；
环形永磁体，所述环形永磁体通过铝盘安装在所述机床超声主轴上，其周围吸附有磁性磨粒，形成类似砂轮的柔性磁力刷结构，所述磁性磨粒主要由铁粉和氧化铝颗粒组成；
所述环形永磁体在机床超声主轴的带动下做旋转运动并沿预定方向进给，同时，所述机床超声主轴产生沿轴向的超声振动，带动所述磁性磨粒不断冲击所述微结构模具表面，起到抛光作用；
超声振动装置，所述超声振动装置由电源、超声波发生器和超声振动子组成；
所述超声振动子安置在所述环形永磁体的侧面，且呈一定的倾斜角度，所述倾斜角度可以调节，所述超声振动子的工具头端部与所述微结构模具表面保持一定距离，避免影响所述环形永磁体的运动，并保证抛光区域产生充分的超声空化现象。
同时，本发明提供了一种根据上述双超声辅助磁力抛光微结构模具的装置进行抛光的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
(1)将所述环形永磁体通过所述铝盘与所述机床超声主轴的端部连接在一起，所述环形永磁体的周围吸附有磁性磨粒；
(2)将要进行抛光的所述微结构模具放置在装有所述抛光液的所述水槽的底部平台上，使所述微结构模具和所述超声振动子的工具头完全浸没在所述抛光液中；
(3)调整所述超声振动子的位置和姿态，保证其端部位于所述环形永磁体前进方向的侧面，并与所述微结构模具表面保持一定的距离，以使所述微结构模具的表面抛光加工区域产生充分的超声空化现象；
(4)开启所述超声波发生器，使所述超声振动子产生超声振动，振动方向沿着所述超声振动子轴向；
(5)调整所述机床超声主轴的位置，使得所述环形永磁体处于抛光起点位置，并保证所述环形永磁体底部的磁性磨粒与所述微结构模具表面紧密贴合；选择一定的机床超声主轴转速、进给速度、超声振动频率与振幅，完成所述微结构模具一定区域的抛光加工；
(6)重复步骤(3)～(5)，完成所述微结构模具表面的抛光加工。
与现有技术相比，本发明通过单独设置产生超声空化效应的超声振动装置，能够保证抛光区域产生充分的超声空化现象，增大抛光压力，同时，由于微结构模具完全浸没在抛光液中，抛光液中的纳米SiO2颗粒对模具材料也有一定抛光作用，利于模具材料的去除，提高抛光表面质量。此外，不同于现有技术中机床超声主轴垂直于待抛光工件的表面，本发明中的机床超声主轴平行于微结构模具的待抛光表面设置，通过环形永磁体的圆周面进行抛光加工，整个抛光加工区域的切向线速度从中心到边缘是一致的，因此增大了抛光加工速度，提高了加工效率。
附图说明
图1为本发明的双超声辅助磁力抛光实验装置图，图2为图1中虚线处的放大图。图中，1为水槽，2为微结构模具，3为抛光液，4为支撑架，5为单独设置的产生超声空化效应的超声振动子，6为转动副，7为环形永磁体，8为机床超声主轴，9为磁性磨粒，10为连接环形永磁体和机床超声主轴的铝盘，11为空化气泡。
具体实施方式
下面结合附图1-2并举实施例，对本发明进行详细描述。
(1)将环形永磁体7通过铝盘10与机床超声主轴8的端部连接在一起，环形永磁体7直径为50-100mm，其周围吸附有磁性磨粒9。
(2)将要进行抛光的微结构模具2固定在装有抛光液3的水槽1底部平台上，并保证抛光液3的水位超过微结构模具2表面10～20mm。模具材料为碳化钨硬质合金。抛光液3由纳米SiO2、分散剂、水等组成，SiO2粒径为50～100nm，SiO2磨粒含量为2％～10％。
(3)调整超声振动子5的位置和姿态，保证其端部位于环形永磁体7前进方向的侧面，超声振动子轴线与环形永磁体轴线夹角在30°～60°之间，并与微结构模具表面保持10～20mm距离，以使所述微结构模具2的表面抛光加工区域产生充分的超声空化现象。
(4)开启超声波发生器，使超声振动子5产生超声振动，振动频率为20～50kHz，振幅8～10μm，振动方向沿着超声振动子轴向。
(5)调整机床超声主轴8的位置，使得环形永磁体7处于抛光起点位置，并保证环形永磁体7底部的磁性磨粒9与微结构模具2表面紧密贴合；选择机床超声主轴转速800～2000r/min，进给速度为5～10mm/min，机床超声主轴的超声振动频率为18～20kHz，振幅为2～5μm，完成微结构模具一定区域的抛光加工。
(6)重复步骤(3)～(5)，完成微结构模具表面的抛光加工。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种微结构模具的双超声辅助磁力复合抛光方法，其特征在于，双超声辅助磁力复合抛光微结构模具的装置主要包括以下结构：
水槽，所述水槽中装有抛光液，所述微结构模具固定在所述水槽的底部平台上，并完全浸没在所述抛光液中，所述抛光液由纳米SiO2、分散剂、水组成，其中，SiO2粒径为50～100nm，SiO2磨粒含量为2％～10％；
机床超声主轴，所述机床超声主轴平行于所述微结构模具的待抛光表面设置；
环形永磁体，所述环形永磁体通过铝盘安装在所述机床超声主轴上，其周围吸附有磁性磨粒，形成类似砂轮的柔性磁力刷结构，所述磁性磨粒主要由铁粉和氧化铝颗粒组成；
所述环形永磁体在机床超声主轴的带动下做旋转运动并沿预定方向进给，同时，所述机床超声主轴产生沿轴向的超声振动，带动所述磁性磨粒不断冲击所述微结构模具表面，起到抛光作用；
超声振动装置，所述超声振动装置由电源、超声波发生器和超声振动子组成；
所述超声振动子安置在所述环形永磁体的侧面，且呈一定的倾斜角度，所述倾斜角度可以调节，所述超声振动子的工具头端部与所述微结构模具表面保持一定距离，避免影响所述环形永磁体的运动，并保证抛光区域产生充分的超声空化现象；
所述抛光方法主要包括以下步骤：
(1)将所述环形永磁体通过所述铝盘与所述机床超声主轴的端部连接在一起，所述环形永磁体的周围吸附有磁性磨粒；
(2)将要进行抛光的所述微结构模具放置在装有所述抛光液的所述水槽的底部平台上，使所述微结构模具和所述超声振动子的工具头完全浸没在所述抛光液中；
(3)调整所述超声振动子的位置和姿态，保证其端部位于所述环形永磁体前进方向的侧面，并与所述微结构模具表面保持一定的距离，以使所述微结构模具的表面抛光加工区域产生充分的超声空化现象；
(4)开启所述超声波发生器，使所述超声振动子产生超声振动，振动方向沿着所述超声振动子轴向；
(5)调整所述机床超声主轴的位置，使得所述环形永磁体处于抛光起点位置，并保证所述环形永磁体底部的磁性磨粒与所述微结构模具表面紧密贴合；选择一定的机床超声主轴转速、进给速度、超声振动频率与振幅，完成所述微结构模具一定区域的抛光加工；
(6)重复步骤(3)～(5)，完成所述微结构模具表面的抛光加工。
2.一种根据权利要求1所述的抛光方法，其特征在于，所述微结构模具的材质为硬质合金。
3.一种根据权利要求2所述的抛光方法，其特征在于，所述微结构模具的材质为碳化钨硬质合金。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的抛光方法，其特征在于，超声振动子轴线与环形永磁体轴线夹角在30°～60°之间，并与微结构模具表面保持10～20mm距离。
5.一种根据权利要求1-3任一项所述的抛光方法，其特征在于，超声振动子的振动频率为20～50kHz，振幅8～10μm。
6.一种根据权利要求1-3任一项所述的抛光方法，其特征在于，机床超声主轴转速为800～2000r/min，进给速度为5～10mm/min，机床超声主轴的超声振动频率为18～20kHz，振幅为2～5μm。
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