一种利用匹配层复合压电振子高频超声抛光装置及方法

摘要

一种利用匹配层复合压电振子高频超声抛光装置及方法，涉及一种超声波复合抛光的装置及方法，装置由超声振动附加系统和传统化学机械抛光系统两部分组成；超声附加系统包括压电陶瓷、匹配层Ⅰ、被抛光件，以及相应的电输入设备；该方法由压电振子产生的高频超声须透过含被抛光件在内的双层匹配层作用到抛光界面，粘贴在压电陶瓷上的匹配层Ⅰ的材料与厚度根据被抛光件的材料与厚度变化进行调整选择；高频超声声波频率在数百千赫兹到数兆赫兹的高频超声域；压电陶瓷薄片用大功率辐射型，且工作在自身的厚度谐振振动模式。本发明可实现对不同材料、不同区域的超声波辅助化学机械精抛光或粗抛光的过程。

权利要求

1.一种利用匹配层复合压电振子高频超声抛光方法，其特征在于，所述方法为匹配层结构的高频超声抛光方法，包括由压电振子产生的高频超声须透过含被抛光件在内的双层匹配层作用到抛光界面，粘贴在压电陶瓷片上的匹配层Ⅰ的材料与厚度根据被抛光件的材料与厚度变化进行调整选择；高频超声声波频率在数百千赫兹到数兆赫兹的高频超声域；

压电陶瓷片用大功率辐射型，且工作在自身的厚度谐振振动模式；根据不同的超声作用强度要求，调整匹配层Ⅰ材料与厚度，使其工作在最高声透射效率或较低声透射情况；粘接胶层选用声阻抗参数接近匹配层Ⅰ的环氧树脂胶层，胶层应薄而均匀，应达到可忽略其对声透射影响的效果。

说明书

一种利用匹配层复合压电振子高频超声抛光装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种超声波复合抛光的装置及方法，特别是涉及一种数百千赫兹到数兆赫兹的匹配层结构换能器的高频超声复合抛光装置及方法。

背景技术

[0002] 传统的超声波辅助加工技术利用数十千赫兹的超声频振动产生的振动冲击、磨料冲击以及空化作用来进行去除材料加工。将超声振动运用到机械抛光或化学机械抛光过程对降低被抛光件的表面粗糙度、提高抛光效率有明显的促进作用。目前，抛光加工中的材料去除单位已经在纳米甚至亚纳米级，在这种加工尺度下，数十千赫兹的低频超声抛光由于受振子结构与振动模态的限制，很难实现超声振动的高效利用以及工件的全局平坦化。

[0003] 超声加工工具在振幅一定的情况下，频率越高，超声作用能量越大，传统超声振动抛光工具，依赖于振动弹性体的整体模态分析与设计，受振子结构限制，在振幅一定的情况下，频率不易提高，一般限制在数十千赫兹到上百千赫兹的低超声频段，因此超声作用的能量有限。数百千赫兹到数兆赫兹的高频超声声波波长短，同振幅下声强是低频超声的数十倍甚至上百倍。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种利用匹配层复合压电振子高频超声抛光装置及方法，该方法利用工作在厚度伸缩振动模式共振状态的压电元件作为高频超声源，在压电元件辐射端粘贴声学匹配材料，将高频的超声波高效的传递到抛光界面，实现工件平面的全局抛光，从而获得被抛光件极高的表面质量以及极低的表面损伤。

[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

[0006] 一种利用匹配层复合压电振子高频超声抛光装置，所述装置由超声振动附加系统和传统化学机械抛光系统两部分组成；超声附加系统包括压电陶瓷、匹配层Ⅰ、被抛光件，以及相应的电输入设备；化学机械抛光系统搭建于传统化学机械抛光机上，抛光部分概括为，抛光机上的抛光工作台、抛光液的输入设备及抛光液、粘贴到抛光工作台上的抛光垫，以及超声附加系统，还有满足超声附加系统与抛光系统相对运动的附加设备电刷滑环，砝码。

[0007] 一种利用匹配层复合压电振子高频超声抛光方法，所述方法为匹配层结构的高频超声抛光方法，包括由压电振子产生的高频超声须透过含被抛光件在内的双层匹配层作用到抛光界面，粘贴在压电陶瓷上的匹配层Ⅰ的材料与厚度根据被抛光件的材料与厚度变化进行调整选择；高频超声声波频率在数百千赫兹到数兆赫兹的高频超声域；压电陶瓷薄片用大功率辐射型，且工作在自身的厚度谐振振动模式；根据不同的超声作用强度要求，调整匹配层材料与厚度，使其工作在最高声透射效率或较低声透射情况。

[0008] 所述的一种利用匹配层复合压电振子高频超声抛光方法，粘接胶层选用声阻抗参数接近匹配层的环氧树脂胶层，胶层应薄而均匀，应达到可忽略其对声透射影响的效果。

[0009] 本发明的优点与效果是：

[0010] 匹配层结构的超声换能器结构简单，匹配层将谐振态的压电陶瓷与被抛光件分隔开，并充当抛光工具头，实现了高频功率超声的简单、灵活附加。

[0011] 能够将超声作用辐照到被抛光件的全部区域，实现被抛光工件的全局平坦化。无论是主动式或被动式，定偏心或摇摆式的抛光件运动形式，都可将此超声作用轻松附加，不受抛光运动形式的限制。可简单的附加于传统的抛光设备上，无须对抛光设备做大的改动。

[0012] 高频超声毫米波的小振幅犁耕作用，可适用于工件的粗抛光以及精抛光过程，对于粗抛光以及精抛光下的材料去除率以及表面质量均有提高作用。

附图说明

[0013] 图1是本发明的高频超声匹配层抛光工具头示意图；

[0014] 图2是本发明高频超声抛光装置整体示意图。

具体实施方式

[0015] 下面结合附图所示实施方式，对本发明作进一步详述。

[0016] 图中标号为： 1、压电陶瓷；2、匹配层Ⅰ；3、匹配层Ⅱ（被抛光件）；4、电刷滑环；5、砝码； 6、抛光液；7、抛光垫；8、抛光工作台；

[0017] 电刷滑环4的轴孔通过间隙配合与砝码5连接在一起，滑环4引出导线通过砝码5的中通孔连接到压电陶瓷片1上，压电陶瓷片1利用环氧树脂胶粘贴于匹配层Ⅰ，匹配层Ⅱ被抛光件水吸附于匹配层Ⅰ上，抛光垫7粘贴于抛光工作台8上。

[0018] 传统的低频功率超声振子结构复杂，受振子尺寸以及振子和振动抛光工具共振模式的束缚限制，频率很难提高到数百千赫兹以上的高频超声域，本发明提出利用声学匹配设计来实现高频超声的附加，对抛光振子进行匹配层设计，达到声波的高效辐照，以达到辅助抛光的作用，匹配层压电振子的振子结构简单，采用厚度谐振的压电薄片加匹配透声板的复合换能器结构，频率可达数百千赫兹到数兆赫兹的高频域，由于利用了压电陶瓷的厚度振动模式，压电常数大，电声转换效率高，且匹配层透声板在将声波高效传递到抛光界面的同时，又充当着抛光工具头的作用，夹持被抛件进行抛光。本高频超声抛光振子能够简便的附加到传统化学机械抛光工艺中，由外围超声波发生设备输入高频电信号，通过电刷滑环4输入到正在旋转状态的抛光工具头上，激励压电陶瓷片1，利用压电陶瓷的逆压电效应产生的高频超声波，超声波透过匹配层材料Ⅰ的抛光头透声板，被抛光件3通过抛光头上的卡槽结构水吸附于抛光头上，使被抛光件同工具头保持运动一致，超声通过含被抛光件的双匹配层传递到抛光垫7与被抛光件3之间的抛光作用区域。高频扰动抛光作用区域的抛光液6使抛光颗粒分散、更新、搅拌来作用于抛光过程，在抛光工作台8与抛光工具头做相对运动的同时，输入抛光液6作为抛光液的连续补充，实现机械抛磨或化学机械抛磨作用过程。

[0019] 本发明在实施过程，先利用超声波发生器通入高频超声波电信号，再启动抛光工作台旋转，抛光工具头在主动或被动情况下做相对于抛光工作台的定偏心旋转。