微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光方法，包括以下步骤：在待抛光工件的微结构中注入抛光液，抛光液包括铁磁流体、非磁性磨粒和水；通过磁场聚焦机构将外加磁场聚焦在工件的特定抛光部位，并控制外加磁场或工件的振动及运动轨迹，抛光液中铁磁流体在磁场的作用下限制非磁性磨粒自由移动，使非磁性磨粒始终垂直于微结构形貌振动打磨并沿微结构形貌走向运动打磨。本发明专利技术通过将磁场聚焦于待抛光微结构特定部位，用以控制磨粒在小范围特定区域抛光，根据加工工况，控制形成不同大小、形状的聚焦磁场，等同于“柔性抛光磨头”大小、形状可控。

【技术实现步骤摘要】
微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光装置及方法
本专利技术属于磁场辅助超精密光整加工
，尤其是涉及一种永磁铁振动、磁场聚焦抛光微米级功能结构的装置及方法。
技术介绍
超精密微结构元件广泛应用于军事、航空航天、机械电子及光学等领域，微结构是指表面具有可实现特定功能的微小拓扑几何形状，该特殊形状使元件的光学、物理和机械等性质发生改变表现出特定的功能，尺寸通常在微米级。微结构元件通常有大面阵螺线微沟槽(光学陀螺中)、矩形微沟槽阵列、V型沟槽阵列及微透镜阵列等微米级结构，尤其针对曲面微结构，需在不破坏微结构特征的同时提高其表面质量以保证微结构功能的实现(如提高光学性能)。微结构元件的加工精度及表面质量直接影响着装备的性能指标。随着航空航天工业的发展，我国对高精度、高可靠性的微型产品需求越来越紧迫。现多采用磨粒射流抛光、离子束刻蚀、化学机械抛光和激光抛光的方法对微结构元件进行抛光。但上述方法具有一定局限性，难以抛光尺寸只有几微米且有曲率变化的脆硬材料微结构。铁磁流体中磁性颗粒粒径仅为10nm，与nm级抛光磨粒配置成的磁性抛光液适用于微米级结构的抛光。铁磁流体是一种超顺磁性材料，常用于密封、润滑、靶向治疗、驱油等，在外加磁场下可立即被磁化、定向排列，铁磁流体的流向固定在磁场强度高的一方，垂直磁场作用下，会自发形成稳定的波峰。排列的磁性颗粒在振动的钕铁硼的竖直磁场作用下带动磨粒与微结构表面产生快速的相对运动，起到去除表面缺陷的作用，且不会对工件表面产生损伤，能够保持微结构的形貌特征。目前，有多种结合振动的抛光方案，如CN111716232A公开一种微细结构的抛光方法及装置，利用化学腐蚀和非牛顿流体抛光液的剪切增稠效应结合可调节振动倾角的调节装置抛光保证面形精度、提高表面质量，不足之处在于不适用于存在曲率变化、尺寸较小的微结构，且利用剪切增稠效应的抛光液粒径过大，无法对微米级结构特定区域抛光。再如CN111215970A公开的一种微结构模具超声空化辅助磁力抛光方法，将微结构模具浸入抛光液中，使用超声振动带动磁性磨粒冲击微结构表面，无法控制磁性颗粒的振动方向，无法实现微米级结构特定部位、指定方向的抛光，存在抛光工件表面毛刺的同时同等去除微结构特征的问题。如微光学陀螺中的大面阵螺线、光学元件中的V型槽等微结构采用现有的磁力抛光方法无法良好保持原有的、实现功能所需的微特征。
技术实现思路
针对上述技术方案难以解决的问题，本专利技术提供一种适用于功能性微米级结构特定部位抛光的磁场聚焦铁磁流体超精密抛光方法及装置，可在不破坏微结构特征的前提下实现存在曲率变化的微米级功能结构的超精密光整加工。本专利技术所采用的技术方案是：提供一种微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光方法，包括以下步骤：在待抛光工件的微结构中注入抛光液，抛光液包括铁磁流体、非磁性磨粒和水；通过磁场聚焦机构将外加磁场聚焦在工件的特定抛光部位，并控制外加磁场或待抛光工件的振动及运动轨迹，抛光液中铁磁流体在磁场的作用下限制非磁性磨粒自由移动，使非磁性磨粒始终垂直于微结构形貌振动打磨并沿微结构形貌走向运动打磨。接上述技术方案，非磁性磨粒为纳米级氧化铈抛光粉，氧化铈抛光粉粒径为50-70nm,铁磁流体的磁性颗粒的粒径为8-12nm。接上述技术方案，非磁性磨粒垂直于微结构形貌的振动频率为20-60Hz左右，振幅为微结构尺寸的1.5-5倍。接上述技术方案，非磁性磨粒沿微结构形貌走向的运动速度为0.8-2mm/s。接上述技术方案，无外部磁场时，抛光液在毛细力作用下充满待抛光工件微结构的槽内。接上述技术方案，经磁场聚焦后待抛光工件微结构的特定部位的磁场强度值为1800奥斯特以上。本专利技术还提供了一种微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光方法的抛光装置，该抛光装置包括钕铁硼振动机构、工件旋转机构和磁场聚焦机构；所述工件旋转机构安装于超精密机床的B轴上，B轴上安装有机床B轴台面、转接板、高度微调台及立柱，待抛光工件放置在该立柱上，待抛光工件的微结构中注入抛光液，抛光液包括铁磁流体、非磁性磨粒和水；所述工件旋转机构带动待抛光工件按照一定的轨迹运动；所述磁场聚焦机构安装于超精密机床的主轴上，且设置在待抛光工件正下方，该磁场聚焦机构包括导磁螺杆，该导磁螺杆的顶部设有导磁块；所述钕铁硼振动机构安装于超精密机床的主轴上，并设置于待抛光工件的正上方；所述钕铁硼振动机构包括条形钕铁硼，该条形钕铁硼设置在待抛光工件正上方，条形钕铁硼沿主轴方向的中心面与导磁螺杆的中心面重合，在导磁螺杆的作用下，条形钕铁硼的磁场聚焦于特定待抛光部位，且条形钕铁硼以一定的频率和幅度振动；抛光液中的铁磁流体在条形钕铁硼的磁场作用下形成长链状结构限制非磁性磨粒自由移动，使非磁性磨粒始终垂直于微结构形貌振动打磨并沿微结构形貌走向运动打磨。接上述技术方案，所述磁场聚焦机构还包括底座、带有槽的铝型材和T型螺母，铝型材通过底座固定于超精密机床的主轴上，T型螺母安装于铝型材的槽内，导磁螺杆旋于T型螺母内。接上述技术方案，钕铁硼振动机构还包括上爪、静导轨、动导轨、柔性铰链放大机构和柱形促动器，上爪固定在超精密机床的主轴上，静导轨固定在上爪的端面上，柔性铰链放大机构安装在上爪底面槽内，柱形促动器安装于柔性铰链放大机构槽内，柔性铰链放大机构的输出端连接动导轨，条形钕铁硼固定在动导轨上，柔性铰链放大机构通过动导轨将柱形促动器的振动传递给条形钕铁硼。接上述技术方案，动导轨的摩擦面上粘有聚四氟乙烯导轨软带。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术通过将磁场聚焦于待抛光微结构特定部位，用以控制磨粒在小范围特定区域抛光，根据加工工况，控制形成不同大小、形状的聚焦磁场，等同于“柔性抛光磨头”大小、形状可控。本专利技术可带动待抛光工件旋转、在水平方向移动，结合振动的聚焦磁场控制磨粒相对于待抛光微结构做旋转运动，使非磁性磨粒沿与微结构形貌垂直的方向做高频率、低幅值的振动，等同于“柔性抛光磨头”运动轨迹可控，使得微结构表面的加工缺陷得以去除，获得微结构轮廓特征保持良好的光洁表面，实现其他方法无法加工的微结构的超精密光整加工。此外，本专利技术采用的水基铁磁流体，无磁场时具有良好的流动性，在外磁场作用下磁性颗粒在磁通线上排列，磁压作用于磨粒上的悬浮力带动磨粒随外磁场振动而运动，达到去除材料的目的，铁磁流体粒径小，可实现微米级功能结构的抛光。本专利技术的抛光装置可安装在精密机床或数控平台上，适用于加工不同形貌、尺寸的微结构，装置轻便、操作简单。进一步地，本专利技术的抛光装置由柱形促动器配合柔性铰链放大机构提供频率、幅值可实时调节的振动源，可用于抛光不同尺寸或尺寸、曲率变化较大的微结构元件。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例提供的一种针对微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光装置的结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的钕铁硼振动机构结构示意图；图3是本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：/n在待抛光工件的微结构中注入抛光液，抛光液包括铁磁流体、非磁性磨粒和水；/n通过磁场聚焦机构将外加磁场聚焦在工件的特定抛光部位，并控制外加磁场或待抛光工件的振动及运动轨迹，抛光液中铁磁流体在磁场的作用下限制非磁性磨粒自由移动，使非磁性磨粒始终垂直于微结构形貌振动打磨并沿微结构形貌走向运动打磨。/n

【技术特征摘要】
1.一种微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：
在待抛光工件的微结构中注入抛光液，抛光液包括铁磁流体、非磁性磨粒和水；
通过磁场聚焦机构将外加磁场聚焦在工件的特定抛光部位，并控制外加磁场或待抛光工件的振动及运动轨迹，抛光液中铁磁流体在磁场的作用下限制非磁性磨粒自由移动，使非磁性磨粒始终垂直于微结构形貌振动打磨并沿微结构形貌走向运动打磨。


2.根据权利要求1所述的微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光方法，其特征在于，非磁性磨粒为纳米级氧化铈抛光粉，氧化铈抛光粉粒径为50-70nm,铁磁流体的磁性颗粒的粒径为8-12nm。


3.根据权利要求1所述的微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光方法，其特征在于，非磁性磨粒垂直于微结构形貌的振动频率为20-60Hz左右，振幅为微结构尺寸的1.5-5倍。


4.根据权利要求1所述的微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光方法，其特征在于，非磁性磨粒沿微结构形貌走向的运动速度为0.8-2mm/s。


5.根据权利要求1所述的微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光方法，其特征在于，无外部磁场时，抛光液在毛细力作用下充满待抛光工件微结构的槽内。


6.根据权利要求1所述的微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光方法，其特征在于，经磁场聚焦后待抛光工件微结构的特定部位的磁场强度值为1800奥斯特以上。


7.一种微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光方法的抛光装置，其特征在于，该抛光装置包括钕铁硼振动机构、工件旋转机构和磁场聚焦机构；
所述工件旋转机构安装于超精密机床的B轴上，B轴上安装有机床B轴台面、转接板、高度微调台及立柱，待抛光工件放置...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖峻峰，许剑锋，杜梦丹，汪学方，张建国，张雨雨，吴佳理，耿士雄，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42