芬顿辅助复合杆微超声球体制备半球凹模阵列方法

摘要

本发明公开了芬顿辅助复合杆微超声球体制备半球凹模阵列方法，包括变幅杆、微型超声发生器和工具头，变幅杆上端连接微型超声发生器，变幅杆下端连接可更换的工具头；在工具头底部设有多层镀层或镀一层涂层，若涂层材料是金刚石，先采用金刚石砂轮对工具底部涂层进行磨削，将涂层表面磨成平面，再采用化学机械抛光的方法对涂层表面抛光，之后在工具头底部涂层厚度范围内加工微半球凹模阵列，凹模深度小于涂层厚度，半球凹模直径大于等于用于超声发射的球体直径。本发明大幅提升半球凹模阵列的加工效率，保证凹模圆周半径的一致性和不同凹模之间几何形状的一致性，对加工完成的凹模可采用柔性体化学试剂抛光，实现纳米级表面粗糙度。

权利要求

1.芬顿辅助复合杆微超声球体制备半球凹模阵列方法，其特征在于，包括变幅杆、微型超声发生器和工具头，变幅杆上端连接微型超声发生器，变幅杆下端连接可更换的工具头；

在工具头底部设有镀有一层0.05mm-3mm的超硬耐磨的涂层，涂层材料是金刚石，先采用金刚石砂轮对工具底部涂层进行磨削，将涂层表面磨成平面，再采用化学机械抛光的方法对涂层表面抛光，降低涂层表面粗糙度，之后在工具头底部涂层厚度范围内加工微半球凹模阵列，阵列为m*n、m*1或n*n规格，其中，m、n均为大于等于2的自然数，凹模深度小于涂层厚度，半球凹模直径大于等于用于超声发射的球体直径；

工具涂层、半球凹模、球体、导向板和工件间设有研抛液，研抛液中加入羟基自由基浓度为0.1-0.2mol/L的芬顿试剂。

2.如权利要求1所述的芬顿辅助复合杆微超声球体制备半球凹模阵列方法，其特征在于，工具头的下方布置导向板，导向板上有s*t(s>=m, t>=n)孔阵列，孔径大于等于球体直径。

3.如权利要求2所述的芬顿辅助复合杆微超声球体制备半球凹模阵列方法，其特征在于，依据待加工微半球凹模阵列深度选择发射球体直径，球径范围为0.1mm-5mm，每个球体被导向板限制X向和Y向运动，Z方向运动被工具头和工件所限制，球体可以自由转动。

4.如权利要求1所述的芬顿辅助复合杆微超声球体制备半球凹模阵列方法，其特征在于，研抛液所含磨粒的平均粒径范围为几十纳米至几微米，磨粒制备过程如下：用硝酸铈配成溶液，与氧化铝磨粒共同引入球磨机进行超细化处理，干燥后再高温焙烧的方法，制备出以氧化铝为内核，以含有三价铈的氧化铈为外壳的氧化铝-氧化铈核/壳复合磨粒。

5.如权利要求1所述的芬顿辅助复合杆微超声球体制备半球凹模阵列方法，其特征在于，在非加工区域的工件上覆盖耐氧化保护膜。

说明书

芬顿辅助复合杆微超声球体制备半球凹模阵列方法

技术领域

[0001] 本发明涉及超精密加工领域，尤其涉及芬顿辅助复合杆微超声球体制备半球凹模阵列方法。

背景技术

[0002] 半球谐振陀螺是哥式振动陀螺仪中的一种，其具有高精度、长寿命等诸多优点，被广泛运用于国防、航空航天等高精尖领域。然而，宏观尺度的半球谐振陀螺体积大、质量大、能耗高且高度依赖于超精密加工技术，制造成本高，这些因素很大程度上限制了其应用，于是美国率先提出研制基于MEMS技术的微半球陀螺仪。

[0003] 相比普通机械陀螺和宏观尺度的半球谐振陀螺，微半球MEMS陀螺体积小、质量轻、能耗低，但其精度目前达不到惯导级和更高的战术级，尚不能用于对精度要求很高的场合中，例如为失去GPS信号的洲际导弹提供辅助导航。

[0004] 而导致微半球MEMS陀螺制造精度不够高的原因在于现有的传统加工方法加工出的器件质量和材料分布不均匀，达不到所需的精度等级。

[0005] 因此，国内外学者开始研究在硅材料上加工微半环凹模，这是新型3D结构微半球MEMS陀螺的关键部件，对于提升MEMS陀螺的精度能起到显著作用。

[0006] 但目前为止，尚未有一种加工方法和装置能满足碳化硅硬脆微半环凹模加工精度和加工效率的要求，主要的难点在于碳化硅片原材料的硬度大、脆性高，加工的成本高，精度控制难度大，且对加工装置具有较大的磨损作用。

[0007] 除此之外，微细EDM 加工、微铣削加工、微细超声分层加工等加工方式虽然是新型3D结构加工方式，但仍摆脱不了加工效率低、成品率低、成本高或受制于碳化硅材料的化学特性而难以实现加工。

[0008] 综上，目前没有可行的加工高质量的MEMS陀螺微半环凹模的方法和装置，至今尚未见报道研制出惯性级别精度的MEMS半球谐振陀螺。

发明内容

[0009] 本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了芬顿辅助复合杆微超声球体制备半球凹模阵列方法。

[0010] 为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：芬顿辅助复合杆微超声球体制备半球凹模阵列方法，其特征在于，包括变幅杆、微型超声发生器和工具头，变幅杆上端连接微型超声发生器，变幅杆下端连接可更换的工具头；在工具头底部设有镀有一层0.05mm-3mm的超硬耐磨的涂层，涂层材料是金刚石，先采用金刚石砂轮对工具底部涂层进行磨削，将涂层表面磨成平面，再采用化学机械抛光的方法对涂层表面抛光，降低涂层表面粗糙度，之后在工具头底部涂层厚度范围内加工微半球凹模阵列，阵列为m*n、m*1或n*n规格，其中，m、n均为大于等于2的自然数，凹模深度小于涂层厚度，半球凹模直径大于等于用于超声发射的球体直径；工具涂层、半球凹模、球体、导向板和工件间设有研抛液，研抛液中加入羟基自由基浓0.1-0.2mol/L的芬顿试剂。

[0011] 研抛液为去离子水、煤油等可形成稳定溶液的流体，研抛液内加稳定剂和分散剂防止磨料沉淀和聚团。

[0012] 芬顿溶液中的亚铁离子在过氧化氢的催化作用下与溶液中的氢氧根离子发生反应生成羟基自由基与三价铁离子，使碳化硅工件表层的碳化硅转化为硬度低于碳化硅的二氧化硅。

[0013] 进一步的，工具头的下方布置导向板，导向板上有s*t(s>=m, t>=n)孔阵列，孔径大于等于球体直径。导向板的材料要求具有良好的耐磨性和抗氧化性，例如PTFE塑料（包括但不仅限于PTFE塑料）。

[0014] 进一步的，依据待加工微半球凹模阵列深度选择发射球体直径，球径范围为0.1mm-5mm，每个球体被导向板限制X向和Y向运动，Z方向运动被工具头和工件所限制，球体可以自由转动。

[0015] 球体要求硬度、耐磨性极大，材料可为合金钢、碳化钨、氮化硅陶瓷等。

[0016] 进一步的，研抛液所含磨粒的平均粒径范围为几十纳米至几微米。

[0017] 磨粒选用抛光性能优良、对工件微观表面损伤度小的复合磨粒。

[0018] 磨粒制备过程如下：用硝酸铈配成溶液，与氧化铝磨粒共同引入球磨机进行超细化处理，干燥后再高温焙烧的方法，制备出以氧化铝为内核，以含有三价铈的氧化铈为外壳的氧化铝-氧化铈核/壳复合磨粒。

[0019] 进一步的，在非加工区域的碳化硅片上覆盖耐氧化保护膜。可选PTFE塑料薄膜，包括但不仅限于PTFE塑料。

[0020] 工具头底部的涂层、导向板和球体均采用抗氧化性和耐磨性好的材料，如涂层可选金刚石涂层，导向板可选PTFE塑料、球体可选合金钢、碳化钨、氮化硅陶瓷等。

[0021] 采用本发明技术方案，本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明通过工具头的微超声振动，击打导向板中的球体，激发工具头和微凹模衬底工件(碳化硅片)之间的研抛液中的复合磨粒，高速冲击凹模衬底。

[0022] 自由发射球体对工件的锤击作用、研抛液中的复合磨粒对工件的冲击、微超声产生的空化作用和化学作用的共同作用下，实现工件材料的去除，大幅提升半球凹模阵列的加工效率，保证凹模圆周半径的一致性和不同凹模之间几何形状的一致性，对加工完成的凹模可采用柔性体化学试剂抛光，实现纳米级表面粗糙度。

[0023] 本发明方法凹模形状精度、低表面粗糙度、高形状一致性、高表面质量。

附图说明

[0024] 图1是本发明工具头的结构原理图。

[0025] 图2是本发明导向板装置的结构图。

[0026] 图3是本发明超硬杆半球凹模阵列超声发射加工装置的整体结构图和工作原理图。

[0027] 图4是本发明超硬杆半球凹模阵列超声发射加工装置的结构总图。

具体实施方式

[0028] 结合附图对本发明具体方案具体实施例作进一步的阐述。

[0029] 如图1、2、3所示，芬顿辅助复合杆微超声球体制备半球凹模阵列方法，包括变幅杆11、工具头12、阵列凹球坑13，变幅杆11主体由钛合金材料制成，其上端与微型超声发生器相连接，下端与工具头12相连接。

[0030] 变幅杆11由双电机驱动，可根据具体需要进行宏观传动和微观传动。

[0031] 在工具头12底部采用CVD工艺沉积多层镀层或类似的方法镀厚度为2mm的金刚石涂层。

[0032] 工具头12底部镀层内加工出表面一致性好的2*2阵列凹半球球坑，凹半球直径等于下述球体直径，为1mm，以减少自由球体反冲时对工具头12底部的冲击和磨损。

[0033] 工具头12的下方布置厚度为1/4球径，即0.25mm的导向板20，导向板20材料为PTFE塑料。

[0034] 如图2，导向板20上有8*8个孔，孔径均略大于球体直径，为1.2mm。

[0035] 布置2*2阵列球体14，每个球体被导向板20限制在X向和Y向的运动方向，但在Z向可以自由运动，同时可以自由转动。

[0036] 所述球体采用传统的塑性球体，材料为超硬的氮化硅陶瓷，直径为1mm。

[0037] 在工具头12底部设有多层镀层或镀一层0.05mm-3mm的涂层，所述涂层材料可以是金刚石、碳化钨等金属或非金属材料，特质为超硬、耐磨。若涂层材料是金刚石，先采用金刚石砂轮对工具底部涂层进行磨削，将涂层表面磨成平面，再采用化学机械抛光的方法对涂层表面抛光，降低涂层表面粗糙度，之后在工具头12底部涂层厚度范围内加工微半球凹模阵列，凹模深度小于涂层厚度，阵列为m*n、m*1或n*n规格，其中，m、n均为自然数，半球凹模直径大于等于用于超声发射的球体直径。

[0038] 工具头12涂层半球凹模、球体、导向板20、工件间充满研抛液，研抛液溶剂选用去离子水，研抛液内加稳定剂和分散剂防止磨料沉淀和聚团。

[0039] 将硝酸铈配成0.5mol/L的溶液，与氧化铝磨粒共同引入球磨机进行超细化处理，干燥后置于高温炉中通氮气以950摄氏度左右的温度焙烧2小时，制备出以三氧化二铝为内核、以含有三价铈的氧化铈为外壳的氧化铝-氧化铈核/壳复合磨粒，其粒度约为2um。配制0.15mol/L的过氧化氢溶液与0.05mol/L的硫酸亚铁溶液，维持溶液pH为3～4，将过氧化氢溶液与硫酸亚铁溶液按体积比1：3混合，充分反应2小时，得到芬顿溶液并将其掺入研抛液中。

[0040] 将碳化硅片工件非加工区域覆盖PTFE塑料保护膜21以防无需加工区域被芬顿液氧化腐蚀。

[0041] 工具头12在工件上方0-5000um距离内做高频率超声振动，频率达到或超过16kHz，振幅为1-2um，并在Z轴向靠近工件的方向做缓慢的进给运动，每次进给量为1um。

[0042] 在工具头12和工件旁加装微米级激光视觉定位传感器40检测并调控工具头12与工件的相对位置以防加工时发生位置偏移。

[0043] 加工时由于工具头12的向下进给运动与高频振动同时进行，球体会受作用冲击研抛液，使其中的复合磨粒高速冲击凹模衬底并伴随微超声产生的空化作用与工具头12物理锤击，最终实现半球凹模阵列的加工。

[0044] 由于导向板20每个孔径略大于球径，所以球体可以一直自由移动和转动，磨损均匀。

[0045] 与此同时工具头12底部由于设有阵列凹球坑13，也可以降低球体反冲时对其底部的冲击和磨损作用。

[0046] 除此之外，发射式球体也能够加剧与衬底工件的作用，使材料去除效果更为显著，加工效率更高。

[0047] 工具头12的下方布置导向板20，导向板20上有s*t(s>=m, t>=n)孔阵列，孔径大于等于球体直径。

[0048] 导向板20的材料要求具有良好的耐磨性和抗氧化性，例如PTFE塑料（包括但不仅限于PTFE塑料）。

[0049] 依据待加工微半球凹模阵列深度选择发射球体直径，球径范围为0.1mm-5mm，每个球体被导向板20限制X向和Y向运动，Z方向运动被工具头12和工件所限制，球体可以自由转动。

[0050] 球体要求硬度、耐磨性极大，材料可为合金钢、碳化钨、氮化硅陶瓷等。

[0051] 工具涂层、半球凹模、球体、导向板20和工件间设有研抛液。研抛液为去离子水、煤油等可形成稳定溶液的流体，研抛液内加稳定剂和分散剂防止磨料沉淀和聚团。

[0052] 研抛液所含磨粒的平均粒径范围为几十纳米至几微米。

[0053] 磨粒选用抛光性能优良、对工件微观表面损伤度小的复合磨粒。

[0054] 磨粒制备过程如下：用硝酸铈配成溶液，与氧化铝磨粒共同引入球磨机进行超细化处理，干燥后再高温焙烧的方法，制备出以氧化铝为内核，以含有三价铈的氧化铈为外壳的氧化铝-氧化铈核/壳复合磨粒。

[0055] 抛液中加入羟基自由基浓度约为0.1-0.2mol/L的芬顿试剂，芬顿溶液中的亚铁离子在过氧化氢的催化作用下与溶液中的氢氧根离子发生反应生成羟基自由基与三价铁离子，使碳化硅工件表层的碳化硅转化为硬度低于碳化硅的二氧化硅。

[0056] 在非加工区域的碳化硅片上覆盖耐氧化保护膜。

[0057] 可选PTFE塑料薄膜，包括但不仅限于PTFE塑料。

[0058] 工具头12底部的涂层、导向板20和球体均采用抗氧化性和耐磨性好的材料，如涂层可选金刚石涂层，导向板20可选PTFE塑料、球体可选合金钢、碳化钨、氮化硅陶瓷等。

[0059] 本实例中，工件为厚度2mm的碳化硅片，在此工件上通过材料去除的方法加工形成阵列半球凹模，期望加工出的凹模直径为1mm，球冠高为400um。

[0060] 由于凹模形状为半球壳，故要求其有极好的球度，凹模边缘位于工件顶部且与工件顶部过渡平滑，阵列中的凹模形状和尺寸一致。

[0061] 为了实现这种阵列半球凹模，原理为：通过超精密工具头12的微超声振动，轰击导向板20中的球体，激发工具头12和微凹模衬底工件(碳化硅片)之间的研抛液中的复合磨粒，高速冲击凹模衬底。自由发射球体对工件的锤击作用、研抛液中的复合磨粒对工件的冲击、微超声产生的空化作用和化学作用的共同作用下，实现工件材料的去除，大幅提升微半环凹模的加工效率，保证凹模圆周半径的一致性和不同凹模之间几何形状的一致性。

[0062] 本发明装置装配方法如下：将导向板20上每个孔的圆心对准工具头12底部对应阵列孔的圆心，通过微米级激光定位传感器检测并调控工具头12与导向板20相对位置使其在加工时不发生相对移动，安置球体于工具头12下的阵列球坑中和导向板20间使其能自由顺畅在Z方向移动并同时能自由转动。

[0063] 导向板20与工件也利用微米级激光定位传感器，使二者加工时不会发生相对移动。

[0064] 工具头12在工件上方0-5000微米内做高频率超声振动，并在Z轴向靠近工件的方向做低速进给。

[0065] 加工时由于工具头12的向下进给运动与高频振动同时进行，球体会受作用冲击研抛液，使其中的复合磨粒高速冲击凹模衬底。

[0066] 自由发射球体对工件的锤击作用、研抛液中的复合磨粒对工件的冲击、微超声产生的空化作用和化学作用的共同作用下，实现工件材料的去除，并最终实现半球凹模阵列的加工。

[0067] 所述研抛装置如图1包括变幅杆11、工具头12、阵列凹球坑13，变幅杆11主体由钛合金材料制成，其上端与微型超声发生器相连接，下端与工具头12相连接，变幅杆11由双电机驱动，可根据具体需要进行宏观传动和微观传动。

[0068] 在工具头12底部采用CVD工艺沉积多层镀层或类似的方法镀厚度为2mm的金刚石涂层。

[0069] 工具头12底部镀层内加工出表面一致性好的2*2阵列凹半球球坑，凹半球直径等于下述球体直径，为1mm，以减少自由球体反冲时对工具头12底部的冲击和磨损。

[0070] 工具头12的下方布置厚度为1/4球径，即0.25mm的导向板20，导向板20材料为PTFE塑料。

[0071] 如图2，导向板20上有8*8个孔，孔径均略大于球体直径，约为1.2mm。

[0072] 布置2*2阵列球体14，每个球体被导向板20限制在X向和Y向的运动方向，但在Z向可以自由运动，同时可以自由转动。

[0073] 所述球体采用传统的塑性球体，材料为超硬氮化硅陶瓷，直径为1mm。

[0074] 如图3，工具头12在工件上方0-5000um距离内做高频率超声振动，频率达到或超过16kHz，振幅为1-2um，并在Z轴向靠近工件的方向做缓慢的进给运动，每次进给量为1um。

[0075] 在工具头12和工件旁加装微米级激光视觉定位传感器40检测并调控工具头12与工件的相对位置以防加工时发生位置偏移。

[0076] 加工时由于工具头12的向下进给运动与高频振动同时进行，球体会受作用冲击研抛液，使其中的复合磨粒高速冲击凹模衬底并伴随微超声产生的空化作用与工具头12物理锤击，最终实现半球凹模阵列的加工。

[0077] 为解决加工过程中球体和工具头12底部的磨损问题，所采用的技术方案包括：第一种方案，采用CVD工艺沉积多层镀层或类似的方法镀厚度为2mm的金刚石涂层。

[0078] 工具头12底部镀层内加工出表面一致性好的2*2阵列凹半球球坑，可有效增加工具头12的硬度与耐磨能力,减少被频繁冲击的底部工作面的磨损同时提高加工的可靠性和精度一致性；第二种方案：球体采用传统的塑性球体，球体材料可选硬度很大的合金钢、碳化钨、氮化硅陶瓷等，使用硬度很大的材料可有效减少球体的磨损；第三种方案：研抛液中加入羟基自由基浓度约为0.15mol/L的芬顿试剂，芬顿溶液中的亚铁离子在过氧化氢的催化作用下与溶液中的氢氧根离子发生反应能生成氧化性极强的羟基自由基与三价铁离子，从而缓慢氧化工件碳化硅生成的含有二氧化硅的表层。

[0079] 众所周知二氧化硅的硬度明显小于碳化硅，更易受磨粒作用而被去除，这样就减少了对球体和工具头12底部的磨损；第四种方案：工具头12的下方布置厚度为球体直径1/4左右的导向板20，导向板20上有8*8个孔，孔径略大于球体直径，约为1.2mm，所以球体可以一直自由移动和转动，磨损均匀。与此同时工具头12底部由于设有阵列凹球坑13，也可以降低球体反冲时对其底部的冲击和磨损作用。

[0080] 注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。

[0081] 因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。