本发明专利技术公开了一种利用三棱锥微探针轨迹运动加工微结构的装置及方法。所述装置由支座、z向粗动定位台、三维压电位移台、三棱锥微探针、光学显微镜、二维调平台和二维工作台构成，其中：二维工作台固定在支座上，二维调平台固定在二维工作台，三棱锥微探针位于二维调平台上方并与三维压电位移台刚性连接，三维压电位移台与z向粗动定位台连接，光学显微镜固定在支座上，用于观测三棱锥微探针与金属样品间的距离。本发明专利技术通过采用几何非对称的三棱锥探针进行圆周公转轨迹运动，可以使得在每一次的旋转切削中刀具的前角不断变化，控制确定的进给方向进行加工，能够在金属样品表面加工得到毛刺较小的微结构。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微纳米结构加工领域，涉及一种基于AFM探针相同刻划方向机械加工复杂纳米结构的装置及方法。
技术介绍
微小型化技术很大程度上推动了微纳米领域的研宄，而且广泛应用于很多工业领域，如信息技术、医疗、生物化学以及汽车等等。为满足微小零部件和微小结构所需的尺寸要求，相应的微纳米加工技术发展迅速。目前，微纳米加工技术主要包括:微切削加工技术、微电火花加工技术以及刻蚀加工技术。其中微切削加工技术因其具有加工系统灵活性高，加工材料范围广等优点而被学者们广泛研宄。在微切削加工技术中微铣削加工最为适合加工三维微结构，但随着加工结构的尺寸逐渐减小，微铣削只能通过减小刀具的尺寸来满足要求。目前，有学者通过砂轮磨削可加工出直径50微米左右的微铣刀，采用聚焦离子束能够加工最小20微米直径的微铣刀。由于铣削是刀具的回转加工，因此刀具的直径减小使得为达到足够的切削线速度，主轴的转速就需要非常高，这对主轴的动态特性要求非常高，增加了实验设备的成本。而且微铣刀直径尺寸的减小降低了刀具的强度，使得在加工过程中刀具破损的概率增加。原子力显微镜(AFM)是依靠针尖与样品间的作用力来进行工作的，在力小的时候用来检测，而在力大的时候可以用来加工。由于AFM的探针很小(针尖圆弧半径大约几十纳米)，施加的力也很小，故可以加工出更小的结构。通过控制微悬臂的弯曲程度来控制针尖-样品间的加工力，可以在工件表面加工得到准三维结构。但由于其依靠力控制加工的特点，使得加工结构的深度不可确定；而且受探针微悬臂弯曲程度的限制，可施加的作用力变化范围也不是很大。目前，采用机械去除的方法加工微结构的技术手段中，能加工出微结构的尺寸在几微米到一百微米，尚且没有一种较为成熟的加工技术。减小微铣削的加工尺寸，或者增大基于原子力显微镜加工的加工尺寸都会引入新的技术难题，并且增加了实验设备的成本。因此，一种新的加工方法亟需提出来填补这一加工空缺。此外，在利用微铣削加工具有延展性良好的金属样件时，往往会在加工结构的边缘产生毛刺，这直接影响工件的加工精度以及表面质量，而去毛刺过程不但复杂又会降低加工效率。因此，对于减少毛刺在加工过程中的产生的研宄是十分有意义的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种，实现在金属样品表面上加工出尺寸变化在十微米到一百微米范围内的微结构，并且微结构的边缘有较少的毛刺生成。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案:一种利用三棱锥微探针轨迹运动加工微结构的装置，包括支座、z向粗动定位台、三维压电位移台、三棱锥微探针、光学显微镜、二维调平台、二维工作台，其中:二维工作台固定在支座上，二维调平台固定在二维工作台，三棱锥微探针位于二维调平台上方并与三维压电位移台刚性连接，三维压电位移台与Z向粗动定位台连接，光学显微镜固定在支座上，用于观测三棱锥微探针与金属样品间的距离。一种利用上述装置加工微结构的方法，包括如下步骤: 步骤一、三维压电位移台带动三棱锥探针旋转运动: 选取三维压电位移台作为加工的驱动元件，将三棱锥探针通过转接件刚性连接在三维压电位移台上，组成刀具运动模块。通过对三维压电位移台的水平轴(X轴和I轴)施加两路异相的正弦激励信号，使得每个水平轴做往复地简谐运动，而两个轴的合运动使得三维压电位移台在水平面内做圆周公转，从而带动三棱锥探针运动。通过对三维压电位移台的竖直轴(Z轴)施加阶跃信号，能够使得三维压电位移台在竖直方向上来回伸缩，这不但可以带动三棱锥探针逼近金属样品表面，还可以改变加工的微结构的加工深度。三棱锥探针的圆周半径为5-10 μ m，旋转的频率10-20HZ。步骤二、三棱锥探针与金属样品表面的接触: 采用z向粗动位移台带动刀具运动模块向金属样品表面粗逼近，通过光学显微镜观察三棱锥探针与金属样品间的距离，当三棱锥探针-金属样品间的距离达到三维压电位移台的数值伸缩范围内时，改用三维压电位移台的z轴伸长带动三棱锥探针微逼近金属样品表面，从而完成三棱锥探针与金属样品的接触。步骤三、三棱锥探针朝向与二维工作台进给方向的确定: 由于三棱锥探针的几何形状是非对称的，这就使得在其绕某一点旋转的过程中，沿不同的进给方向，运动的轨迹是不一样的，从而造成材料不同的去除方式，影响着加工的结果。因此，在加工前需要对三棱锥探针相对于二维工作台运动方向的朝向进行确定。用三棱锥探针对金属样品进行压印，在金属样品表面留下三角形的压痕，随后二维工作台移动一定的距离，用同样的方式在金属样品表面做压印。在光学显微镜下观察两个位置的压痕，确定三棱锥探针相对于二维工作台运动方向的朝向。步骤四、金属样品表面的调平: 由于是刚性加工，为保证加工的微结构深度一致，故需要消除金属样品表面的倾斜。通过记录三棱锥探针在不同位置与金属样品表面接触后三维压电位移台的伸缩量，检测金属样品表面的倾斜性。采用二维调平台沿水平二维方向调整金属样品表面，使得在不同位置三棱锥探针-金属样品接触时，三维压电位移台的伸缩量一致，从而保证了金属样品表面的水平。步骤五、配合二维工作台进给运动加工微结构: 待旋转地三棱锥探针与金属样品接触后，让三维压电位移台向下伸缩来达到预定的加工深度，此时控制二维工作台带动金属样品运动开始加工微结构。二维工作台沿一个方向运动时，加工出的是微通道结构，微通道的宽为探针的旋转半径。当三棱锥探针的朝向和旋转方向确定以后，由于三棱锥的非对称几何形状二维工作台沿X+，X-，y+，y-四个方向分别进给，可获得四种不同轮廓的微通道。二维工作台联合运动时，可加工出平面结构，同时，增加三棱锥探针z向的位移可加工得到带有深度变化的微结构。本专利技术具有如下优点: 1、能够加工出尺寸变化范围在几微米到上百微米内的微结构，采用位移控制加工故加工深度可控。2、通过采用几何非对称的三棱锥探针进行圆周公转轨迹运动，可以使得在每一次的旋转切削中刀具的前角不断变化，控制确定的进给方向进行加工，能够在金属样品表面加工得到毛刺较小的微结构。【附图说明】图1为本专利技术所述的基于微探针圆周轨迹运动进行机械加工的装置的结构示意图； 图2为本专利技术所述三棱锥针尖加工的圆周轨迹以及按四种不同方向进给的示意图； 图3为本专利技术加工三维微结构时工作台进给轨迹的示意图； 图中:l-z向粗动定位台、2-三维压电位移台、3-三棱锥微探针、4-光学显微镜、5-金属样品，6- 二维调平台、7- 二维工作台，8-三角形压痕的某一条边，9-三棱锥针尖最外轮廓覆盖的轨迹(即加工轨迹)，10-针尖尖端顶点的运动轨迹。【具体实施方式】下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。如图1所示，本专利技术提供的基于微探针轨迹运动的加工装置包括支座、z向粗动定位台1、三维压电位移台2、三棱锥微探针3、光学显微镜4、二维调平台6、二维工作台7，其中:二维工作台7由X向移动台和y向移动台垂直安装组成，X向移动台固定在支座上，二维调平台6固定在y向移动台上，三棱锥微探针3位于二维调平台6上方并与三维压电位移台2刚性连接，三维压电位移台2与z向粗动定位台I连接，光学显微镜4固定在支座上，用于观测三棱锥微探针3与金属本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种利用三棱锥微探针轨迹运动加工微结构的装置，其特征在于所述装置由支座、z向粗动定位台、三维压电位移台、三棱锥微探针、光学显微镜、二维调平台和二维工作台构成，其中：二维工作台固定在支座上，二维调平台固定在二维工作台，三棱锥微探针位于二维调平台上方并与三维压电位移台刚性连接，三维压电位移台与z向粗动定位台连接，光学显微镜固定在支座上，用于观测三棱锥微探针与金属样品间的距离。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：闫永达，薛勃，赵学森，胡振江，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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