CN203636513U - 超声波振动辅助研磨/抛光的超精密加工系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种超声波振动辅助研磨/抛光的超精密加工系统，属于精密、超精密加工领域。xyz三轴运动工作台用来调整超声波振动发生器与工件夹持单元间的相对位置；超声波振动发生器将确定频率的交流电信号转换成相应频率的振动微位移；传感器检测单元用于监控加工过程；摇臂机构用来保证工件夹持单元在研磨/抛光加工过程中始终处于确定位置。本实用新型可用于硬脆材料的超精密平坦化加工，具有结构紧凑、操作简单、效率高、适用性强等优点。本实用新型能够通过改善研磨/抛光条件（降低研磨/抛光力、减少切削热、消除或抑制振动等）显著地提高工件的加工精度和表面质量，降低试件加工表面损伤，改进精密与超精密研磨/抛光加工工艺。
Description
技术领域
本实用新型涉及精密、超精密加工领域，特别涉及一种超声波振动辅助研磨/抛光的超精密加工系统，用于光学零件、微电子芯片和半导体器件等硬脆材料或产品的超精密平坦化加工。
背景技术
超声波振动制造（Ultrasonic vibrating Manufacturing），该新工艺的加工原理是，当超声波束与机械零部件相接触时，超声波便将加工表面的微观凹凸不平一一“熨平”，并使材料表面发生变形塑化，从而能够明显地增强材料表面层的强度。该加工工艺适用于大部分有色金属合金、硬脆材料。不管加工的外形如何，其加工效果均不错，且金属表面的粗糙度大多可由6微米降低到0.1微米。无切削超声波精加工装置能够安装在常用的切削机床上，因此，该工艺的应用打破了在许多情况下必需使用磨床的常规，从而减少了操作中的难度和能源消耗。
当前超精密加工精度从微米到至纳米，在汽车、家电、IT业、电子信息领域和军用、民用工业有广泛的应用。超精密加工技术的发展也促进了机械、模具、电子、光学、半导体及金属加工工业的发展。随着科学技术的发展，人们对产品性能的需求和要求更加苛刻，不但从质量方面，还要从效率等方面考虑，然而传统的研磨/抛光技术已经无法满足现代加工工艺的需求。因此，为适应特殊材料的超高精度、低表面粗糙度、无损伤、高效率的加工，世界各国纷纷开始对超声波振动辅助研磨/抛光技术进行科学研究与加工应用。由于超声波振动辅助研磨/抛光技术具有加工效率高、加工精度好、发热少、加工范围广等优点，且特别适用于陶瓷、玻璃、半导体等硬脆性材料的加工。鉴于超声波振动辅助加工的优点，为了进一步提高研磨/抛光的加工效率、加工精度、降低加工成本，设计一种结构紧凑、装夹简单、加工精度及效率高、操作简单的超声波振动辅助研磨/抛光的超精密加工系统是必要的。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种超声波振动辅助研磨/抛光的超精密加工系统，解决了现有技术存在的上述问题。本实用新型具有结构紧凑、操作简单、效率高、适用性强等优点；同时保证工件加工表面的平面度、显著地提高工件的加工表面质量、降低试件加工表面损伤、改善精密与超精密加工工艺。
本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：
超声波振动辅助研磨/抛光的超精密加工系统，包括xyz三轴运动工作台、超声波振动发生器、传感器检测单元、工件夹持单元以及摇臂7，所述xyz三轴运动工作台调节超声波振动发生器相对于工件夹持单元的位置；超声波振动发生器将确定频率的交流电信号转换成相应频率的振动微位移，从而能够根据超声频率的交流电信号产生超声波频率的振动；摇臂7保证修正环12在加工过程中始终处于确定位置并通过旋转改善工件加工环境；传感器检测单元检测并控制加工过程。
所述的xyz三轴运动工作台包括共同安装于抛光台9上的Z方向工作台1、X方向工作台3及 Y方向工作台4，所述x方向工作台3通过安川交流伺服电机调节超声波振动发生器在工件夹持单元的横向位置，y方向工作台4通过安川交流伺服电机调节超声波振动发生器在工件夹持系统的纵向位置，电机具有自锁并自带编码器，能够实现对转速的检测，形成半闭环控制；所述z方向工作台1由直线电机提供粗位移，并通过微调手柄2调节超声波振动发生器在工件夹持系统上的高度位置，便于超声波振动装置安装于工件夹持系统，z方向工作台1具有自锁功能，保证在发生超声波振动时不产生z轴方向的振动。
所述的超声波振动发生器包括前臂17、后臂19及压电陶瓷25，所述压电陶瓷25安装于前臂17与后臂19之间，所述前臂17与后臂19通过螺栓Ⅱ18连接，压电陶瓷25将超声波频率的电振荡信号转换成超声频机械振动，将确定频率的交流电信号转换成相应频率的振动微位移，从而能够根据超声频率的交流电信号产生超声波频率的振动。所述压电陶瓷25产生的超声频机械振动不需要放大，可将振动直接传递给夹具，使被加工工件产生超声振动，以实现超声振动辅助研磨/抛光。
所述的前臂17通过紧固螺钉Ⅱ16与压块22相连，将超声波振动发生器产生的超声波振动传递给工件夹具；后臂19与法兰21螺纹连接，法兰21与z方向工作台1通过紧固螺钉Ⅲ20固定。
所述的传感器检测单元由力传感器23与精密电容位移传感器27组成，所述位移传感器27固定于连接板Ⅱ28上，连接板28通过内六角螺钉Ⅳ29固定于连接块30上，连接块30通过内六角螺钉Ⅲ26与z轴位移手动调节装置6相连，连接板Ⅰ10通过内六角螺钉Ⅰ8固定于摇臂7上；手动调节杆给定精密电容位移传感器27的初始位置，在研磨/抛光开始后，通过精密电容位移传感器27观测和统计试件被去除的厚度；力传感器23处在压块22和基板24之间，实时观测试件在加工过程中所受载荷的大小。
所述的工件夹持单元由套筒15、压块22、基板24组成，所述套筒15与基板24通过内六角螺钉Ⅱ13固定，套筒15与压块22通过紧固螺钉Ⅰ14连接组成工件夹具，并且加工过程中的压力主要有压块22提供，除了有超声波振动的微位移，整个工件夹持单元在加工过程中保持不动。
所述的摇臂7会在研磨盘11转动时保持修正环12只产生z轴旋转，而不随研磨盘11的转动而转动，摇臂7通过螺栓Ⅰ5固定于抛光台9上，修正环12只与摇臂7接触，起到对工件周围的加工条件（磨料、压力等）、研磨盘平面度11进行修正并能够均匀分配研磨液/抛光液。
本实用新型的有益效果在于：与现有的硬脆材料平面研磨/抛光加工相比，本实用新型具有结构紧凑、装夹简单、加工效率高、操作简单等特点；同时超声波振动能够极大地改善了精密与超精密加工工艺，保证工件加工表面的平面度、提高工件的加工效率和表面质量，具有投资少、见效快、效益高、节省成本等优点，有广阔的应用前景和较强的实用性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
图1是本实用新型的装配体轴测示意图（抛光盘四分之一剖）；
图2是本实用新型的工件夹持单元的半剖视图；
图3是本实用新型的超声波振动发生器剖视图；
图4是本实用新型的精密电容位移传感器安装示意图。
图中：
1. Z方向工作台；2. Z方向工作台手动调节杆；3. X方向工作台；4. Y方向工作台；5. 螺栓Ⅰ；6. z轴位移手动调节装置；7. 摇臂；8. 内六角螺钉Ⅰ；9. 抛光台；10. 连接板Ⅰ；11. 研磨盘；12. 修整环；13. 内六角螺钉Ⅱ；14. 紧固螺钉Ⅰ；15. 套筒；16. 紧固螺钉Ⅱ；17. 前臂；18. 螺栓Ⅱ；19. 后臂；20. 紧固螺钉Ⅲ；21. 法兰；22. 压块；23. 力传感器；24. 基板；25. 压电陶瓷；26. 内六角螺钉Ⅲ；27. 精密电容位移传感器；28. 连接板Ⅱ；29.内六角螺钉Ⅳ；30.连接块。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图4所示，本实用新型所涉及的一种超声波振动辅助研磨/抛光的超精密加工系统，是根据BNi62型超精密研磨/抛光机设计的。现实中可以根据不同的研磨盘/抛光垫直径尺寸来对不同工件加持单元的尺寸可以进行相应的调整，但是必须保证修整环直径大于与研磨盘/抛光垫接触长度，从而保证修整环能够对整个研磨盘进行修整，保证研磨盘的平面度；此外还要保证压块能够与超声波振动发生器相连，超声波振动发生器中前后臂连接装置必须由较长的螺栓连接，保证在产生振动同时能够使前后臂相互接触，同时利用微调手柄将超声波振动发生器整体保持水平，以避免在振动过程中产生倾斜的振动。
参见图1至图4所示，本实用新型的超声波振动辅助研磨/抛光的超精密加工系统，包括xyz三轴运动工作台、超声波振动发生器、传感器检测单元、工件夹持单元以及摇臂7，所述xyz三轴运动工作台调节超声波振动发生器相对于工件夹持单元的位置；超声波振动发生器将确定频率的交流电信号转换成相应频率的振动微位移，从而能够根据超声频率的交流电信号产生超声波频率的振动；摇臂7保证修正环12在加工过程中始终处于确定位置并通过旋转改善工件加工环境；传感器检测单元检测并控制加工过程。
所述的xyz三轴运动工作台包括共同安装于抛光台9上的Z方向工作台1、X方向工作台3及 Y方向工作台4，所述x方向工作台3通过安川交流伺服电机调节超声波振动发生器在工件夹持单元的横向位置，y方向工作台4通过安川交流伺服电机调节超声波振动发生器在工件夹持系统的纵向位置，电机具有自锁并自带编码器，能够实现对转速的检测，形成半闭环控制；所述z方向工作台1由直线电机提供粗位移，并通过微调手柄2调节超声波振动发生器在工件夹持系统上的高度位置，便于超声波振动装置安装于工件夹持系统，z方向工作台1具有自锁功能，保证在发生超声波振动时不产生z轴方向的振动。
所述的超声波振动发生器包括前臂17、后臂19及压电陶瓷25，所述压电陶瓷25安装于前臂17与后臂19之间，所述前臂17与后臂19通过螺栓Ⅱ18连接，压电陶瓷25将超声波频率的电振荡信号转换成超声频机械振动，将确定频率的交流电信号转换成相应频率的振动微位移，从而能够根据超声频率的交流电信号产生超声波频率的振动。所述压电陶瓷25产生的超声频机械振动不需要放大，可将振动直接传递给夹具，使被加工工件产生超声振动，以实现超声振动辅助研磨/抛光。
所述的前臂17通过紧固螺钉Ⅱ16与压块22相连，将超声波振动发生器产生的超声波振动传递给工件夹具；后臂19与法兰21螺纹连接，法兰21与z方向工作台1通过紧固螺钉Ⅲ20固定。
所述的传感器检测单元由力传感器23与精密电容位移传感器27组成，所述位移传感器27固定于连接板Ⅱ28上，连接板28通过内六角螺钉Ⅳ29固定于连接块30上，连接块30通过内六角螺钉Ⅲ26与z轴位移手动调节装置6相连，连接板Ⅰ10通过内六角螺钉Ⅰ8固定于摇臂7上；手动调节杆给定精密电容位移传感器27的初始位置，在研磨/抛光开始后，通过精密电容位移传感器27观测和统计试件被去除的厚度；力传感器23处在压块22和基板24之间，实时观测试件在加工过程中所受载荷的大小。
所述的工件夹持单元由套筒15、压块22、基板24组成，所述套筒15与基板24通过内六角螺钉Ⅱ13固定，套筒15与压块22通过紧固螺钉Ⅰ14连接组成工件夹具，并且加工过程中的压力主要有压块22提供，除了有超声波振动的微位移，整个工件夹持单元在加工过程中保持不动。
所述的摇臂7会在研磨盘11转动时保持修正环12只产生z轴旋转，而不随研磨盘11的转动而转动，摇臂7通过螺栓Ⅰ5固定于抛光台9上，修正环12只与摇臂7接触，起到对工件周围的加工条件（磨料、压力等）、研磨盘平面度11进行修正并能够均匀分配研磨液/抛光液。
以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种超声波振动辅助研磨/抛光的超精密加工系统，其特征在于：包括xyz三轴运动工作台、超声波振动发生器、传感器检测单元、工件夹持单元以及摇臂（7），所述xyz三轴运动工作台调节超声波振动发生器相对于工件夹持单元的位置；超声波振动发生器将确定频率的交流电信号转换成相应频率的振动微位移，从而能够根据超声频率的交流电信号产生超声波频率的振动；摇臂保证修正环在加工过程中始终处于确定位置并通过旋转改善工件加工环境；传感器检测单元检测并控制加工过程。
2.根据权利要求1所述的超声波振动辅助研磨/抛光的超精密加工系统，其特征在于：所述的xyz三轴运动工作台包括共同安装于抛光台（9）上的Z方向工作台（1）、X方向工作台（3）及 Y方向工作台（4），所述x方向工作台（3）通过安川交流伺服电机调节超声波振动发生器在工件夹持单元的横向位置，y方向工作台（4）通过安川交流伺服电机调节超声波振动发生器在工件夹持系统的纵向位置，电机具有自锁并自带编码器；所述z方向工作台（1）由直线电机提供粗位移，并通过微调手柄（2）调节超声波振动发生器在工件夹持系统上的高度位置，z方向工作台（1）具有自锁功能。
3.根据权利要求1所述的超声波振动辅助研磨/抛光的超精密加工系统，其特征在于：所述的超声波振动发生器包括前臂（17）、后臂（19）及压电陶瓷（25），所述压电陶瓷（25）安装于前臂（17）与后臂（19）之间，所述前臂（17）与后臂（19）通过螺栓Ⅱ（18）连接。
4.根据权利要求3所述的超声波振动辅助研磨/抛光的超精密加工系统，其特征在于：所述的前臂（17）通过紧固螺钉Ⅱ（16）与压块（22）相连，将超声波振动发生器产生的超声波振动传递给工件夹具；后臂（19）与法兰（21）螺纹连接，法兰（21）与z方向工作台（1）通过紧固螺钉Ⅲ（20）固定。
5.根据权利要求1所述的超声波振动辅助研磨/抛光的超精密加工系统，其特征在于：所述的传感器检测单元由力传感器（23）与精密电容位移传感器（27）组成，所述位移传感器（27）固定于连接板Ⅱ（28）上，连接板（28）通过内六角螺钉Ⅳ（29）固定于连接块（30）上，连接块（30）通过内六角螺钉Ⅲ（26）与z轴位移手动调节装置（6）相连，连接板Ⅰ（10）通过内六角螺钉Ⅰ（8）固定于摇臂（7）上；手动调节杆给定精密电容位移传感器（27）的初始位置，在研磨/抛光开始后，通过精密电容位移传感器（27）观测和统计试件被去除的厚度；力传感器（23）处在压块（22）和基板（24）之间，实时观测试件在加工过程中所受载荷的大小。
6.根据权利要求1所述的超声波振动辅助研磨/抛光的超精密加工系统，其特征在于：所述的工件夹持单元由套筒（15）、压块（22）、基板（24）组成，所述套筒（15）与基板（24）通过内六角螺钉Ⅱ（13）固定，套筒（15）与压块（22）通过紧固螺钉Ⅰ（14）连接组成工件夹具。
7.根据权利要求1所述的超声波振动辅助研磨/抛光的超精密加工系统，其特征在于：所述的摇臂（7）通过螺栓Ⅰ（5）固定于抛光台（9）上，修正环（12）只与摇臂（7）接触。
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