一種微結(jié)構(gòu)表面三維橢圓振動超精密拋光方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及超精密加工技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種微結(jié)構(gòu)表面三維橢圓振動超精 密拋光方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在航空航天、國防科技和微電子等領(lǐng)域中，微結(jié)構(gòu)表面的功能元件已成為不可或 缺的關(guān)鍵元件，具有極其重要的應(yīng)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。微結(jié)構(gòu)表面是具有特定功能 的微小表面拓撲幾何形狀，可由此轉(zhuǎn)化元件的光學、機械和物理等性質(zhì)以表現(xiàn)出特定功能 的結(jié)構(gòu)性表面，其特征尺寸一般在微米級。這類元件通常采用復制加工技術(shù)制造，要求模具 材料具有高硬度、耐高溫、耐磨損等性能。因此，模具表面的加工質(zhì)量對微結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的性能 起著至關(guān)重要的作用。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，需使用更高加工質(zhì)量的光學元件，這就要求進一步 提高微結(jié)構(gòu)模具表面的制造技術(shù)水平，作為最終加工工序的金剛石切削和精密磨削已經(jīng)不 能滿足實際需要，必須對微結(jié)構(gòu)表面進行最后的超精密拋光。
[0003] 現(xiàn)在多采用機械拋光、化學機械拋光、超聲振動機械拋光、磨粒射流拋光和激光拋 光等多種制造方法對微結(jié)構(gòu)光學功能元件模具進行拋光，但機械拋光、化學機械拋光、磨粒 射流拋光和激光拋光等拋光方法不適于應(yīng)用在硬脆難加工材料微結(jié)構(gòu)表面的拋光。超聲振 動機械拋光過程中，拋光工具以一定頻率振動能夠有效提高加工效率和改善表面質(zhì)量，但 目前微結(jié)構(gòu)表面振動輔助拋光還存在不足:現(xiàn)有振動模式的研究都是一維振動或二維振 動，其中二維振動是工具在已加工表面切平面(平行型）或其正交法平面(正交型）內(nèi)做圓形 或橢圓軌跡運動。正交型二維橢圓振動兼有橫向一維振動和縱向一維振動的作用，具有較 好的強化磨粒對加工表面的作用，能實現(xiàn)加工表面工具拋光軌跡沿一個方向局部復雜化； 平行型能實現(xiàn)加工表面工具拋光軌跡沿兩個方向局部復雜化，這對獲得均勻性材料去除效 果很好，然而目前還尚未出現(xiàn)同時兼顧具有這兩種作用的振動拋光方式。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是解決提供一種三維橢圓振動超精密拋光方法，改變硬、脆、難加工 材料的表面拋光技術(shù)，顯著提高加工表面質(zhì)量。
[0005] 本發(fā)明還有一個目的是拋光工具可根據(jù)被加工表面的曲率變化調(diào)整橢圓運動軌 跡平面與坐標平面的夾角，提高微結(jié)構(gòu)表面的均勻度和拋光精度。
[0006] 為了實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點，提供了一種微結(jié)構(gòu)表面三維橢圓振 動超精密拋光方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟一:拋光過程中，拋光工具與微結(jié)構(gòu)表面間以一定的相對速度和一定的拋光 壓力對微結(jié)構(gòu)表面作用，拋光工具的運動軌跡為：
[0008] XE = acos0cos(23rft+Φ )+acos9
[0009] YE = bsin(23rft+Φ )
[0010] ZE = asin0cos(23rft+Φ )+asin9
[0011] 其中，a為橢圓長軸半徑;b為橢圓短軸半徑；Θ為橢圓所在平面與〇E-XEYE平面形成 的夾角;f為振動頻率;t為時間；供為離心角；
[0012] 步驟二:根據(jù)被加工表面曲率變化，不斷調(diào)整α值使拋光工具軸線與拋光點切平面 的夾角為設(shè)定角度Θ:
[0013] a = arctan(f/ (Xw))+9
[0014] 其中，f (Xw)是拋光軌跡接觸點運動軌跡方向的斜率；
[0015] 步驟三:根據(jù)被加工表面的曲率變化，根據(jù)公式計算調(diào)整橢圓的離心角識
[0016]
[0017] 其中，識為橢圓的相位角;K為被加工表面的曲率；
[0018] 步驟四：根據(jù)拋光軌跡是被加工曲面上的某一空間曲線，拋光工具的整個運動軌 跡為：
[0019] Xw=acos9cos(23rft+Φ )+acos9+f(t)
[0020] Yw=bsin(2JTft+Φ )+g(t)
[0021] Zw=asin0cos(23rft+Φ )+asin9+h(t)
[0022] 其中，f (t)，g(t)，h(t)為拋光軌跡曲線參數(shù)方程，t為參數(shù)。
[0023] 優(yōu)選的是，所述振動頻率f在500~5000Hz之間。
[0024] 優(yōu)選的是，所述夾角Θ等于〇°時，其在切平面內(nèi)做橢圓軌跡運動：
[0025] 當Θ = 0°時，拋光工具在〇E-XEYE平面內(nèi)做兩維橢圓振動
[0026] XE = acos(2jrft+Φ )+a
[0027] YE = bsin(23rft+Φ )〇
[0028] 優(yōu)選的是，所述夾角θ等于90°時，其在法平面內(nèi)做橢圓軌跡運動：
[0029] 當θ = 90°時，拋光工具在Οε-ΥεΖε平面內(nèi)做兩維橢圓振動
[0030] YE = bsin(23rft+Φ )
[0031] ZE = acos(2jrft+Φ )+a〇
[0032] 優(yōu)選的是，所述步驟4中拋光軌跡曲線參數(shù)方程表示為：
[0033] Xi = vt
[0034] Υι = 〇
[0035] Ζι = 0
[0036] 其中，ν為拋光速度，t為時間；
[0037]根據(jù)如下公式計算拋光速度V，
[0038]
[0039]其中，m為拋光工具與被加工表面的垂直距離，A為速度影響因子。
[0040]本發(fā)明至少包括以下有益效果：1、三維坐標空間內(nèi)，拋光工具相對于被加工表面 作一定頻率的振動且振動軌跡為橢圓，當夾角Θ等于〇或90度時，其在平面內(nèi)按照橢圓軌跡 運動，切平面的橢圓軌跡能實現(xiàn)加工表面工具拋光軌跡沿兩個方向局部復雜化;而法平面 的橢圓加工軌跡能實現(xiàn)加工表面工具拋光軌跡沿兩個方向局部復雜化，這對獲得均勻性材 料去除效果很好;三維橢圓振動能同時具有兩種二維橢圓振動的優(yōu)點；2、三維橢圓運動拋 光方法改變硬、脆、難加工材料的表面拋光技術(shù)，顯著提高加工表面質(zhì)量。
[0041]本發(fā)明的其它優(yōu)點、目標和特征將部分通過下面的說明體現(xiàn)，部分還將通過對本 發(fā)明的研究和實踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。
【附圖說明】
[0042]圖1是本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)表面三維橢圓振動拋光裝置。
[0043]圖2是本發(fā)明的拋光工具與工件拋光過程中三維坐標系示意圖。
[0044] 圖3是本發(fā)明的拋光工具三維橢圓振動軌跡及平面投影示意圖。
[0045] 圖4是本發(fā)明的微結(jié)構(gòu)表面拋光過程示意圖。
[0046] 圖5是本發(fā)明的在Oe-XeYeZe坐標系下Μ點處橢圓軌跡。
[0047]圖6是本發(fā)明的不同夾角Θ時在Οε-ΥεΖε平面運動軌跡投影示意圖。
[0048] 圖7是本發(fā)明的在Ow-XwYwZw坐標系下Μ點處橢圓軌跡。
【具體實施方式】
[0049] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文 字能夠據(jù)以實施。
[0050] 應(yīng)當理解，本文所使用的諸如"具有"、"包含"以及"包括"術(shù)語并不配出一個或多 個其它元件或其組合的存在或添加。
[0051 ]圖1為拋光工具示意圖，拋光工具由振動生成裝置1、工件2、工作臺3和拋光頭4組 成，其中，振動生成裝置1和拋光頭4固定連接;工作時將待加工工件2固定在工作臺3上，防 止工件2在加工過程中發(fā)生滑動，開啟開關(guān)使振動生成裝置1產(chǎn)生振動，振動生成裝置1帶動 拋光頭4對工件2進行拋光。
[0052]圖2和圖3示出了微結(jié)構(gòu)表面三維橢圓振動超精密拋光軌跡，如圖2所示，假設(shè)任意 時刻拋光頭4與工件2表面的接觸點為Μ，接觸點Μ所在的工件所在切平面設(shè)為Οε-ΧεΥε平面， 與此平面相垂直且指向拋光工具方向的為Oe-Ζε軸。所述微結(jié)構(gòu)表面，是指表面精度達亞微 米級，表面粗糙度達納米級，具有特定功能的微小表面拓撲形狀。
[0053]步驟一:拋光過程中，拋光頭4與工件2之間有一定的相對速度，拋光工具以一定的 拋光壓力對加工表面作用的同時，拋光頭相對加工表面還要做橢圓軌跡振動，圖3示出了橢 圓運動軌跡，其運動軌跡方程為：
[0054] XE = acos0cos(23rft+Φ )+acos9
[0055] YE = bsin(23rft+Φ )
[0056] ZE = asin9cos(23Tft+Φ )+asin9
[0057] 其中，a為橢圓長軸半徑，單位為mm;b為橢圓短軸半徑，單位為mm; θ為橢圓所在平 面與Οε-ΧεΥε平面形成的夾角，單位為度;f為振動頻率，單位為Hz; t為時間，單位為s; 0為橢 圓上任意一點的離心角，〇 <爐< 2冗，單位為度。
[0058]步驟二:拋光過程中，被加工表面曲率是變化的，需要不斷調(diào)整拋光工具軸線與對 應(yīng)位置切平面的夾角，才能保證Θ值。對于回轉(zhuǎn)對稱的微結(jié)構(gòu)表面，設(shè)Ow-XwYwZw表示工件坐 標系，〇w-Zw為工件的回轉(zhuǎn)軸，以朝向拋光工具的方向為正向，0w-Xw軸與0w-Yw軸所張成的坐 標平面是工件的Z向基準面。拋光工具相對于工件坐標系的拋光軌跡為曲線Zw=f(Xw)，其切 線方程為&=^ (Xw)，當橢圓所在平面與Oe-XeYe平面形成的夾角為Θ，則拋光工具軸線與工 件坐標系Ow-XwYw平面的夾角為α，關(guān)系如下
[0059] a = arctan(f/ (Xw))+9
[0060] 因此，拋光過程中需要根據(jù)被加工表面曲率變化，調(diào)整α值才能保證拋光工具軸線 與該位置切平面的夾角為Θ。
[0061 ]步驟三:根據(jù)被加工表面的曲率變化，調(diào)整橢圓的離心角貨 [0062]
[0063] 其中，供為橢圓的相位角;Κ為被加工表面的曲率；
[0064] 步驟四：根據(jù)工件坐標系中被加工表面與工件接觸點Μ的坐標為(XWE，YWE，ZWE)，拋 光工具的運動軌跡為
[0065] Xw=acos9cos(2jrft+Φ )+acos9+X·
[0066] Yw=bsin(2JTft+Φ )+Ywe
[0067] Zw=asin0cos(23rft+Φ )+asin0+ZwE
[0068] 當拋光軌跡是被加工曲面上的某一空間曲線時，采用參數(shù)方程可以表示為
[0069] Xi = f (t)
[0070] Yi = g(t)
[0071] Zi = h(t)
[0072] 其中，t為參數(shù)，拋光工具在Ow-XwYwZw坐標系內(nèi)整個運動軌跡為：
[0073] Xw=XE+Xi = acos9cos(23Tft+ Φ )+acos9+f(t)
[0074] Yw=YE+Yi = bsin(23rft+Φ )+g(t)
[0075] Zw=ZE+Zi = asin9cos(23Tft+ Φ )+asin9+h(t)
[0076] 〈實例 1>
[0077] 對碳化鎢材質(zhì)微結(jié)構(gòu)模具表面進行拋光，拋光頭4與碳化鎢材質(zhì)回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu) 模具表面的接觸點為M，接觸點Μ所在切平面設(shè)為Oe-XeYe平面，與此平面相垂直且指向拋光 工具方向的為Oe-Ζε軸。
[0078] 步驟一:被加工微結(jié)構(gòu)表面的曲面方程為
[0079] Xw2+Yw2+ (Zw-1)2 = 1，（ Zw> 0)，M(XWE，YWE，ZWE)是拋光工具與曲面接觸點，此點