本发明专利技术公开了一种基于非牛顿流体液膜剪切机理的抛光装置，包括工件夹持驱动装置、抛光盘夹持驱动装置、抛光液池及抛光液循环系统，所述抛光液池内设有抛光液，所述抛光液循环系统与抛光液池相连；所述工件夹持驱动装置底部设置待加工工件，所述抛光盘夹持驱动装置顶部设置表面结构化抛光盘，所述待加工工件位于所述表面结构化抛光盘上方，所述待加工工件及表面结构化抛光盘均位于抛光液池的液面下方，且所述待加工工件与所述的表面结构化抛光盘之间存在加工间隙。本发明专利技术装置成本低，易于实现，且抛光装置整体结构简单；可实现对多晶硬脆材料的高效高质量抛光，具有极大的经济效益和社会效益。益和社会效益。益和社会效益。
【技术实现步骤摘要】
一种基于非牛顿流体液膜剪切机理的抛光装置
[0001]本专利技术涉及超精密抛光
，具体涉及一种基于非牛顿流体液膜剪切机理的抛光装置，适用于多晶硬脆材料高效高质量低损伤加工。
技术介绍
[0002]超精密加工技术是高科技领域中产品加工的基础技术，在国防科学技术现代化和国民经济建设中发挥着至关重要的作用。作为现代高科技的基础技术和重要组成部分，它推动着半导体技术、光电技术、材料科学等多门技术的发展进步。从某种意义上来说，超精密加工技术担负着支持最新科学技术进步的重要使命，也是衡量一个国家制造技术水平的重要标志。按照接触形式可将超精密抛光分为接触式抛光和非接触式抛光。
[0003]接触式抛光是指抛光过程中抛光盘和工件直接发生接触，依靠抛光磨粒的机械磨削作用和抛光盘的摩擦作用去除材料的抛光方法，属于传统抛光范畴。接触式抛光可获得的最佳表面粗糙度约为抛光粒子直径的1/15，损伤层深度约为抛光粒子直径0.5~1.0倍，位错密度范围为5
×
109~4
×
10
10 cm
‑2，与抛光面平行的局部应变值为0.1%。然而，接触式抛光过程中，抛光盘与工件表面发生直接接触，容易划伤加工表面，导致加工变质层和亚表损伤层的形成，不可避免地会带入位错、空位、微裂纹等缺陷，影响材料的使用性能和寿命。
[0004]随着科学技术的日益发展，很多领域对超光滑表面的加工提出了更高的要求，有些领域甚至要求表面粗糙度达到纳米量级。这些苛刻的要求使传统的抛光方法受到了制约，新的超精密加工方法也就应运而生，如弹性发射加工、浮法抛光、动压浮离抛光、离子束抛光等。这些新型的加工方法都达到了传统抛光所不能达到的效果。但是考虑到加工效率、加工成本、加工设备等因素的影响，上述加工方法在实际应用推广中仍旧受到不同程度的限制。
[0005]此外，多晶硬脆材料由尺寸、形貌、取向不同的晶粒组成，存在各向异性的问题，暴露在抛光液中的晶粒表面“有软有硬”且在晶界处侵蚀得更快（晶界优先去除），给材料加工带来巨大挑战。
技术实现思路
[0006]针对目前的非接触抛光装置的成本高、对多晶硬脆材料抛光质量控制差的问题，本专利技术提出了一种基于非牛顿流体液膜剪切机理的抛光装置，其特点是适用范围广、加工效率与加工精度高、装置结构与控制简单、加工变质层与损伤少以及高效环保。
[0007]本专利技术的技术方案如下：一种基于非牛顿流体液膜剪切机理的抛光装置，包括工件夹持驱动装置、抛光盘夹持驱动装置、抛光液池及抛光液循环系统，所述抛光液池内设有抛光液，所述抛光液循环系统与抛光液池相连；所述工件夹持驱动装置底部设置待加工工件，所述抛光盘夹持驱动装置顶部设置表面结构化抛光盘，所述待加工工件位于所述表面结构化抛光盘上方，所述待加工工件及表面结构化抛光盘均位于抛光液池的液面下方，且所述待加工工件与所述的
表面结构化抛光盘之间存在加工间隙。
[0008]进一步的，所述抛光液循环系统包括抛光液循环管路、循环泵及抛光液过滤装置，所述循环泵及抛光液过滤装置分别设置在抛光液循环管路上，所述抛光液循环管路两端分别与抛光液池的上部入口、底部出口连通；抛光液过滤装置用于过滤掉抛光过程中产生的大颗粒磨屑和添加或取出非牛顿流体抛光液，保证抛光液的一致性。
[0009]进一步的，所述表面结构化抛光盘表面是由平行区域、凹槽区域交替组成。
[0010]进一步的，所述表面结构化抛光盘的凹槽区域有四种不同结构，分别为楔形槽、L形槽、上抛物线形槽、下抛物线形槽，且从表面结构化抛光盘内圆端到外圆端凹槽部分和平面分割宽度比为0.3~0.7。
[0011]进一步的，所述待加工工件与表面结构化抛光盘之间保持1~5 mm间隙，以确保加工工件与抛光盘之间可形成液膜；液膜的存在避免了工件与抛光盘之间直接接触磨损，同时起到均匀承载（法向压力均匀分布）的效果。
[0012]进一步的，所述抛光液采用具有剪切流变效应的非牛顿流体中添加磨粒或微粉制备非牛顿流体抛光液；其中，抛光液质量百分比包括2~15 wt.%的活性剂、10~50 wt.%的磨料和50~90 wt.%的基液，磨料的粒径范围为0.05~50 μm；组成抛光液的非牛顿流体具有剪切流变特性，即在剪切力大于某一临界值时，表观粘度迅速增大，甚至由液相转变为固相；当剪切力撤除后，又可迅速从固相转变为液相，该变化过程是可逆的。
[0013]进一步的，所述工件夹持驱动装置包括工件驱动机构及连接设置在工件驱动机构下方的工件夹具，所述工件夹具与待加工工件固定连接。
[0014]进一步的，所述抛光盘夹持驱动装置包括抛光工具驱动机构及连接设置在抛光工具驱动机构上方的抛光工具夹具，所述抛光工具夹具与表面结构化抛光盘固定连接。
[0015]进一步的，所述抛光工具驱动机构的转速设定为30~100 r/min，所述的工件驱动机构的转速为5~100 r/min，所述的工件夹具与所述的抛光工具夹具反向旋转；通过抛光工具夹具和工件夹具之间的相对运动，扩散抛光液的同时可起到提高工件表面的受力均匀性的作用。
[0016]进一步的，所述工件夹具采用可规则旋转的圆形夹具，待加工工件非加工面安装在工件夹具上。
[0017]进一步的，所述表面结构化抛光盘底部设置倒角，便于与抛光工具夹具的衔接，使其保持过盈配合；所述表面结构化抛光盘设置三个螺纹孔用于与抛光工具夹具固定，使其运作时带动抛光盘稳定旋转。
[0018]进一步的，所述凹槽区域在抛光盘表面设有12~40个。
[0019]本专利技术在具有剪切流变效应的非牛顿流体中添加磨粒或微粉制备出抛光液，并添加活性剂成分。使用时，待加工工件位于抛光液池的液面下方浸没在抛光液中，加工面与抛光盘不接触，两者之间存在间隙（1~5 mm）；启动驱动，调整工件夹具与抛光工具夹具，使工件与抛光液之间做相对运动，利用抛光盘的旋转运动在其与工件之间产生具有高速剪切作用的非牛顿流体液膜，形成液膜剪切效应；同时在表面结构化抛光盘的界面约束作用下，强化流体的液膜剪切效应，使磨粒近似水平冲击工件表面粗糙峰，以此减少磨粒对多晶硬脆材料不同晶粒表面的法向不均匀去除，从而提高加工表面均匀性。
[0020]加工时，磨料液经下循环管路流入抛光液过滤装置；抛光液过滤装置将磨料液中
的大颗粒磨屑进行去除，并通过上循环管路将过滤后的抛光液重新输入到抛光液池中；此外，可通过抛光液循环系统合理补充所需要的抛光液。
[0021]本专利技术的有益效果如下：1）本专利技术所涉及的表面结构化抛光盘具有四种不同结构，可根据实际加工情况进行选择，还可根据不同加工需求对凹槽数量和分割宽度比（凹槽部分和平面部分宽度比值）进行调整；2）本专利技术采用了非牛顿流体抛光液循环系统，具备抛光液净化、回收、输运、性能调节等功能，可有效保证加工所需成分、流量等各项性能稳定的非牛顿流体抛光液，减少了成本，并且高效环保；3）本专利技术所使用的抛光液制备成本低，采用环境友好型材料，不存在抛光液污染问题；4）本专利技术装置成本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于非牛顿流体液膜剪切机理的抛光装置，其特征在于，包括工件夹持驱动装置、抛光盘夹持驱动装置、抛光液池及抛光液循环系统，所述抛光液池内设有抛光液，所述抛光液循环系统与抛光液池相连；所述工件夹持驱动装置底部设置待加工工件，所述抛光盘夹持驱动装置顶部设置表面结构化抛光盘，所述待加工工件位于所述表面结构化抛光盘上方，所述待加工工件及表面结构化抛光盘均位于抛光液池的液面下方，且所述待加工工件与所述的表面结构化抛光盘之间存在加工间隙。2.根据权利要求1所述的一种基于非牛顿流体液膜剪切机理的抛光装置，其特征在于，所述抛光液循环系统包括抛光液循环管路、循环泵及抛光液过滤装置，所述循环泵及抛光液过滤装置分别设置在抛光液循环管路上，所述抛光液循环管路两端分别与抛光液池的上部入口、底部出口连通。3.根据权利要求1所述的一种基于非牛顿流体液膜剪切机理的抛光装置，其特征在于，所述表面结构化抛光盘表面是由平行区域、凹槽区域交替组成。4.根据权利要求3所述的一种基于非牛顿流体液膜剪切机理的抛光装置，其特征在于，所述表面结构化抛光盘的凹槽区域有四种不同结构，分别为楔形槽、L形槽、上抛物线形槽、下抛物线形槽，且从表面结构化抛光盘内圆端到外圆端凹槽部分和平面分割宽度比为0.3~0.7。5.根据权利要求1所述的一种基于非牛顿流体液膜剪切机理的抛光装置，其特征在于，所述待加工工件与表面结构化抛光盘之间保持1~5 mm间隙，以确保加工工...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈泓谕，王林，吕冰海，袁巨龙，杭伟，王旭，彭枫，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：
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