实现材料均匀去除的小工具设计制备方法及研抛装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于超精密加工技术领域，具体涉及一种实现材料均匀去除的小工具设计制备方法及研抛装置，包括：根据Preston方程，在已知抛光工具与工件之间的接触应力和相对速度分布时，计算驻留时间T之内接触区域每一点的材料去除量；确定初始普通小工具和工件的材料属性和结构特征；根据材料质量配比为30％～90％的普通小工具在工件表面下压0.1～2mm的准静态应力仿真结果，获得工具和工件接触区域的环向应力分布特征；计算不同半径接触区域的角度分布；根据小工具的截面曲线数据，制作相应模具，通过模具制作小工具。本发明专利技术用于加工的材料均匀去除小工具通过结构设计，配合相应的下压量和转速便能够保证定点研磨过程中大于一定半径的接触区域各点材料去除量尽可能的一致。径的接触区域各点材料去除量尽可能的一致。径的接触区域各点材料去除量尽可能的一致。

【技术实现步骤摘要】
实现材料均匀去除的小工具设计制备方法及研抛装置


[0001]本专利技术涉及超精密加工
，更具体地说，涉及一种实现材料均匀去除的小工具设计制备方法及装置。

技术介绍

[0002]随着高新科技的迅猛发展，以蓝宝石、单晶硅、光学玻璃等为代表的硬脆材料在航空航天、光电子及微电子等领域中的应用日益广泛。硬脆材料除了强度、硬度比较高之外，隔热性和化学稳定性较于其他材料更好，同时还具有较好的耐热性和耐腐蚀性，因此被广泛应用于各领域。硬脆材料的面型精度和表面质量对器件的质量、寿命具有关键性的影响作用。目前，针对此类硬脆性材料的加工方法主要有化学机械抛光、应力盘、CCOS、磁变流、离子束、射流等，在取得相关技术突破的同时，存在材料去除不均、质量可控性不佳等问题，无法保证在工件面形精度不劣化的基础上进一步地抑制中高频误差。
[0003]计算机控制的光学表面处理(CCOS)经过多年的发展，研究者们将研究方向主要集中在基于简易抛光工具(盘式小工具、球形小磨头等)的加工工艺，如轨迹规划、驻留时间求解上。也有不少学者针对小工具的特性，如工具姿态、材料、三维结构等进行研究设计。如授权公告号CN111070080B的中国专利技术专利一种子孔径中心供液光学元件表面系列加工工艺公开了一种中心供液盘式小工具，通过更换不同的磨抛垫和抛光垫，实现光学表面低频、中频及高频误差的逐次递归的抑制过程。又如公开号为WO2020018018A1的国外专利技术专利一种抛光工具公开了一种可收缩加强筋的盘型主动柔性小工具，通过改变加强筋的位置来改变小工具的刚度，验证了工具的柔性对材料去除的影响。
[0004]目前国内外尚无就小工具本身的设计来实现材料去除的均匀性，为此，基于 Preston方程，设计一种特殊截面形状的小工具实现材料的定点均匀去除，由一种小工具研抛装置带动进行高速旋转和轨迹规划，应用在硬脆材料工件上以实现大面积材料的快速均匀去除。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现有加工技术存在的材料去除不均与表面质量不稳定，提出了一种实现材料均匀去除的小工具设计制备方法及研抛装置，具有材料去除深度均匀可控，加工效果好等优点。
[0006]本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：一种实现材料均匀去除的小工具设计制备方法，具体包括如下步骤：
[0007]步骤一：根据Preston方程，在已知小工具与工件之间的接触应力和相对速度分布时，计算驻留时间T之内接触区域每一点的材料去除量；
[0008]步骤二：确定初始普通小工具和工件的材料属性和结构特征；
[0009]步骤三：根据材料质量配比为30％～90％的普通小工具在工件表面下压0.1～2mm 的准静态应力仿真结果，获得工具和工件接触区域的环向应力分布特征；
[0010]步骤四：计算不同半径接触区域的角度分布；
[0011]步骤五：根据小工具的截面曲线数据，制作相应模具，通过模具制作小工具。
[0012]进一步地，步骤一具体包括：
[0013]材料去除量ΔZ(x,y)的计算公式为：
[0014][0015]对(1)式变量代换：
[0016][0017]其中，θ为小工具转过的总角度，为小工具某一时刻转过的角度，ω为小工具旋转角速度，速度V只与半径r和角速度ω有关，即V＝rω，化简(2)式：
[0018][0019]假设环向等效应力为即则(3)式进一步化简为：
[0020][0021]在确定工况下，Preston系数K为定值，则：
[0022][0023]其中，常数θ即为小工具截面不同半径接触区域的角度分布。
[0024]进一步地，步骤二包括：
[0025]采用硅胶为基体，1000目碳化硅磨粒为增强相的复合材料作为小工具的主体材料，碳化硅磨粒与硅胶的质量比和复合材料的弹性模量成正相关，采用带流道设计的中心供液盘型小工具作为普通小工具的结构特征。
[0026]进一步地，步骤二中，将小工具的供液中心孔半径设置为xmm，小工具的外径设置为βmm，将半径αmm以外的环形区域设置为均匀去除的设计范围，流道的设计将小工具对称分割为四块，其中流道的宽度为1mm，普通小工具的整体厚度为 6～10mm，流道的深度为3mm，采用K9玻璃作为加工工件的材料。
[0027]进一步地，步骤三具体包括：
[0028]根据材料质量配比为30％～90％的普通小工具在工件表面下压0.1～2mm的准静态应力仿真结果，获得工具和工件接触区域四分之一的环向应力分布特征，对半径αmm以外区域的环向应力曲线进行积分计算，除以弧长得到不同半径的等效接触应力等效接触应力乘以半径r得到乘积沿半径的分布特征，对离散点进行曲线拟合，得到曲线方程；确定常数C的值为：
[0029][0030]进一步地，步骤四具体包括：
[0031]根据公式(5)(6)计算不同半径接触区域的角度分布；将小工具对称分割为四块，每一块对应两条边界曲线，边界曲线在极坐标系下的曲线方程为：
[0032][0033]通过数值计算和坐标转换，x＝rcosθ,y＝rsinθ，边界曲线在笛卡尔坐标系下的数据点坐标为：
[0034][0035]利用数值计算工具得到边界曲线的数据点，导入建模软件生成新型结构小工具的模型，再次进行仿真求解，根据小工具的均匀性评价指标判断其是否满足均匀去除设计要求；若满足均匀去除效果，则进入步骤四；若不满足均匀去除效果，则修改小工具的材料属性和边界条件，重复前述步骤二到步骤四的工作；或者补偿离散点数值，重新进行曲线拟合，重复步骤三到步骤四的工作。
[0036]进一步地，步骤五包括：
[0037]根据小工具的截面曲线数据，进行模具的建模，采用3D打印或金属线切割的方式制作相应模具，采用室温硫化硅胶为基体，1000目碳化硅磨粒为增强相的复合材料作为小工具的主体材料，在室温下静置3小时后进行小工具脱模处理，同时对小工具进行修整。
[0038]本专利技术还提供一种研抛装置，包括多自由度机械臂和设置于多自由度机械臂上的
执行机构，所述执行机构包括小工具，所述小工具采用如上所述设计制备方法制成。
[0039]进一步地，所述执行机构还包括伺服电机、中空主轴和高速旋转接头，所述伺服电机与中空主轴传动配合，带动中空主轴转动，所述小工具设置于中空主轴下端，所述高速旋转接头空套配合于中空主轴上端，高速旋转接头、中空主轴及小工具形成供磨液流通的中空通道，使磨液从高速旋转接头进入，从小工具下端流出，对工件进行抛光。
[0040]进一步地，还包括工件夹具平台，包括水槽、压力传感器和Z轴微动平台，所述水槽通过装夹组件装夹工件，所述压力传感器检测执行机构对工件施加的压力，所述Z轴微动平台实现工件的微动。
[0041]本专利技术的技术构思为：根据Preston方程及其推导式，材料去除综合系数K在工件的加工要求以及研抛小工具力学性能等条件确定的情况下为一定量，因此材料去除量取决于工件接触面所受的正应力P、相对线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实现材料均匀去除的小工具设计制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：步骤一：根据Preston方程，在已知小工具与工件之间的接触应力和相对速度分布时，计算驻留时间T之内接触区域每一点的材料去除量；步骤二：确定初始普通小工具和工件的材料属性和结构特征；步骤三：根据材料质量配比为30％～90％的普通小工具在工件表面下压0.1～2mm的准静态应力仿真结果，获得工具和工件接触区域的环向应力分布特征；步骤四：计算不同半径接触区域的角度分布；步骤五：根据小工具的截面曲线数据，制作相应模具，通过模具制作小工具。2.根据权利要求1所述的一种实现材料均匀去除的小工具设计制备方法，其特征在于，步骤一具体包括：材料去除量ΔZ(x,y)的计算公式为：对(1)式变量代换：其中，θ为小工具转过的总角度，为小工具某一时刻转过的角度，ω为小工具旋转角速度，速度V只与半径r和角速度ω有关，即V＝rω，化简(2)式：假设环向等效应力为即则(3)式进一步化简为：在确定工况下，Preston系数K为定值，则：其中，常数θ即为小工具截面不同半径接触区域的角度分布。3.根据权利要求2所述的一种实现材料均匀去除的小工具设计制备方法，其特征在于，步骤二包括：采用硅胶为基体，600～2000目碳化硅磨粒为增强相的复合材料作为小工具的主体材料，碳化硅磨粒与硅胶的质量比和复合材料的弹性模量成正相关，采用带流道设计的中心供液盘型小工具作为普通小工具的结构特征。4.根据权利要求3所述的一种实现材料均匀去除的小工具设计制备方法，其特征在于，步骤二中，将小工具的供液中心孔半径设置为xmm，小工具的外径设置为βmm，将半径αmm以外的环形区域设置为均匀去除的设计范围，流道的设计将小工具对称分割为四块，其中流道的宽度为amm，普通小工具的整体厚度为bmm，流道的深度为cmm。5.根据权利要求3所述的一种实现材料均匀去除的小工具设计制备方法，其特征在于，步骤三具体包括：
根据材料质量配比为30％～90％的普通小工具在工件表面下压0.1～2mm的准静态应力仿真结果，获得工具和工件接触区域四分之一的环向应力分布特征，对半径αmm以外区域的环向应力曲线进行积分计算，除以弧长得到不同半径的等效接触应力等效接触应力乘以半径r得到乘积沿半径的分布特征，对离散点进行曲线拟合，得到曲线方程；确定常数C的值为：6.根据权利要求5所述的一种实现材...

【专利技术属性】
技术研发人员：金明生，诸铁宇，金明磊，李燕，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：