超声振动及电化学辅助的液膜剪切高效抛光装置和方法

本发明涉及超精密抛光加工，尤其涉及超声振动及电化学辅助的液膜剪切高效抛光装置和方法。

背景技术：

1、随着技术发展，许多硬脆材料(如陶瓷基类材料、硬质合金材料、金属氮化物材料、半导体材料等)由于其稳定的化学性质或是特殊的物理性能，在各类精密机械制造领域被广泛应用。例如：陶瓷基类材料广泛应用于医疗器械、电子元件和磨削刀具制造领域；硬质合金类材料广泛应用于金属切削、采矿、建筑等机械制造领域；金属氮化物、半导体材料广泛应用于医疗、航空航天和能源领域。在这些领域中，材料表面及亚表面质量直接影响到器件的性能和可靠性，而硬脆材料典型的难加工特性使得一些传统抛光方法难以满足高精度抛光的要求。因此，探究发明一种面向硬脆材料实现其高效平坦化抛光的新方法就显得至关重要。

2、相对于传统接触式机械抛光会引入亚表面加工损伤和导致加工变质层形成等缺点，非接触式抛光在抛光时工件与抛光盘之间不发生直接接触，仅通过抛光液的剪切作用对工件表面材料进行加工去除，因此能获得更为平坦的表面形貌和更优的表面质量。但是现有技术中的非接触式抛光方法还存在材料去除率较低的问题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中存在的上述问题，本技术提供了一种超声振动及电化学辅助的液膜剪切高效抛光装置，可以实现硬脆材料的超精密、高效、平坦化、低损伤加工。本技术的抛光装置将超声振动、电化学阳极氧化、液膜剪切抛光三项技术进行结合，对工件进行抛光，可以提高抛光过程中实际切削作用的磨料数量，同时在工件表面生成更易去除的氧化层，进而提高工件的材料去除效率和加工均匀性。对应的，本技术还提供了一种超声振动及电化学辅助的液膜剪切高效抛光方法。

2、对于抛光装置而言，本技术的技术方案为：

3、超声振动及电化学辅助的液膜剪切高效抛光装置，包括抛光槽，用于盛放抛光液；所述抛光槽的槽底设有抛光盘；所述抛光盘设于抛光盘驱动主轴上；所述抛光槽的内部，位于抛光盘的下方，设有超声波发生器；所述抛光槽的上方设有工件夹持驱动机构，所述工件夹持驱动机构能够夹持工件并驱动工件作旋转运动；所述工件夹持驱动机构与调节机构相连接，可以在调节机构的驱动下上下移动；所述抛光槽与脉冲电源的负极相连，所述工件夹持驱动机构与脉冲电源的正极相连，在抛光时结合抛光槽内的抛光液可以构成闭合回路；所述抛光盘驱动主轴和工件夹持驱动机构分别与第一电机和第二电机相连接。

4、与现有技术相比，本技术的超声振动及电化学辅助的液膜剪切高效抛光装置抛光效率高、抛光质量好；其包括用于盛装抛光液的抛光槽，且抛光槽内设有抛光盘，从而可以在抛光过程中，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液膜，形成液膜剪切效应，实现对工件的平坦化、低损伤加工，提高工件表面加工质量，而且抛光槽不转动，还可以确保抛光过程中抛光液不会受到离心力的影响；抛光槽内还安装有超声波发生器，可以在抛光时，引入超声振动来辅助抛光，利用超声空化作用激发抛光液中磨料的运动活性，提高抛光过程中实际切削作用的磨料数量，使磨料对于工件的摩擦作用更加均匀且强烈，提高工件的材料去除效率；此外，该抛光装置中还设有脉冲电源，其正负极分别与工件夹持驱动机构和抛光槽相连接，在抛光时结合抛光槽内的抛光液可以构成闭合回路，根据电化学阳极氧化特性，能够在工件表面生成更易去除的氧化层，再利用磨料去除氧化层，使得材料去除更加容易，进一步提高了工件的材料去除效率，且抛光后的工件表面较为平坦。

5、作为优化，前述的超声振动及电化学辅助的液膜剪切高效抛光装置中，还包括抛光液循环装置；所述抛光液循环装置包括储液箱和流量泵；所述抛光槽、储液箱和流量泵通过输液管道连接成闭环线路；所述输液管道上设有流量计。从而，可以实现抛光液的循环使用，减少了成本，经济环保。

6、作为优化，前述的超声振动及电化学辅助的液膜剪切高效抛光装置中，所述抛光盘的表面设有一组阶梯结构，所述阶梯结构的顶部具有沿水平方向分布的剪切刃，且各阶梯结构的剪切刃处于同一平面。抛光盘表面阶梯结构的设计，使得抛光液流过时可以产生剪切强化效应，强化了磨料对待加工工件表面材料的水平剪切去除效果，减少了法向不均匀去除。

7、作为优化，前述的超声振动及电化学辅助的液膜剪切高效抛光装置中，所述超声波发生器与控制器电性连接，由控制器控制超声波的振动频率与振幅。由此，可以根据待加工工件的材料、抛光液中采用的磨料，来调节超声波发射的频率和振幅，对工件附近的液膜剪切效应进行有效控制，保证抛光效果。

8、作为优化，前述的超声振动及电化学辅助的液膜剪切高效抛光装置中，所述调节机构为直线滑台模组；所述工件夹持驱动机构设于直线滑台模组的滑台上。此时，结构简单、易于装配，且可靠性高。

9、作为优化，前述的超声振动及电化学辅助的液膜剪切高效抛光装置中，所述工件夹持驱动机构包括吸板、工件驱动主轴和轴套；所述轴套固定于直线滑台模组的滑台上；所述工件驱动主轴下端与吸板相连接，上端与第二电机的输出轴相连接；轴套套设于工件驱动主轴的外部，且下端具有与吸板相适配的槽口，所述吸板位于该槽口内；所述吸板和轴套之间设有动密封圈；所述轴套、工件驱动主轴、吸板之间形成真空腔，所述真空腔通过管路与真空泵相连通；所述吸板上沿周向均匀设有一组通孔；所述脉冲电源的正极与吸板电性连接。此时，装配方便、易于实施。

10、对于抛光方法而言，本技术的技术方案为：

11、超声振动及电化学辅助的液膜剪切高效抛光方法，该抛光方法使用前述本技术的超声振动及电化学辅助的液膜剪切高效抛光装置对待加工工件进行抛光；包括以下步骤：

12、步骤一、将待加工工件固定在工件夹持驱动机构上，并通过调节机构调整工件夹持驱动机构的位置，使待加工工件与抛光盘之间存在一定的间隙；

13、步骤二、向抛光槽中加入电化学抛光液，且抛光液液面高于抛光盘上表面，并浸没待加工工件；

14、步骤三、启动第一电机和第二电机，带动抛光盘和工件转动，抛光盘和工件转动方向相反，对工件进行抛光；同时，启动超声波发生器和脉冲电源，使抛光过程中抛光槽内的抛光液发生振动，且抛光槽、抛光液、工件夹持驱动机构和脉冲电源构成闭合回路；

15、步骤四、达到设定抛光时间后，关闭第一电机、二电机、超声波发生器和脉冲电源；然后取下工件进行清洗。

16、与现有技术相比，本技术的超声振动及电化学辅助的液膜剪切高效抛光方法通过在抛光槽内盛放带有电化学抛光液，然后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液膜，形成液膜剪切效应，同时结合超声振动和电化学阳极氧化作用来辅助抛光，可以实现硬脆材料的超精密、高效、平坦化、低损伤加工，抛光效率高，抛光后的工件表面质量好。

17、作为优化，前述的超声振动及电化学辅助的液膜剪切高效抛光方法中，所述工件与抛光盘之间的间隙为1～5mm。由此，可以确保工件与抛光盘之间形成一定厚度的液膜，避免两者的直接接触，造成工件表面磨损。

18、作为优化，前述的超声振动及电化学辅助的液膜剪切高效抛光方法中，所述电化学抛光液包括基液、电解质、表面活性剂和磨料；所述基液包括多羟基聚合物和去离子水；所述磨料可以为氧化铈、氧化铝、氧化硅的一种或多种混合，浓度为5～10wt％。

19、具体的，所述电解质为硝酸钾(硝酸钾对硅类材质的腐蚀性较小，可以实现在工件表面生成较为平坦的氧化层)，所述表面活性剂为十二烷基苯磺酸盐(可以增强抛光液与工件表面之间的润湿性，提高抛光液的均匀性和稳定性)，所述磨料为氧化铝，浓度为8wt.％。

20、作为优化，前述的超声振动及电化学辅助的液膜剪切高效抛光方法中，所述抛光盘的转速可以为60～150r/min，工件的转速可以为20～50r/min。抛光盘和工件按照各自的转速旋转，两者之间产生相对运动，在扩散抛光液的同时，可以提高工件表面的受力均匀性。