[發明專利]微米級功能結構的振動鐵磁流體超精密拋光裝置及方法

在審

• 申請號: 202110428045.9
• 申請日: 2021-04-21
• 公開（公告）號: CN113172487A
• 公開（公告）日: 2021-07-27
• 發明（設計）人: 肖峻峰;許劍鋒;杜夢丹;汪學方;張建國;張雨雨;吳佳理;耿士雄
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B24B1/04
• 分類號: B24B1/04;B24B29/02
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 許美紅

本發明公開了一種微米級功能結構的振動鐵磁流體超精密拋光方法，包括以下步驟：在待拋光工件的微結構中注入拋光液，拋光液包括鐵磁流體、非磁性磨粒和水；通過磁場聚焦機構將外加磁場聚焦在工件的特定拋光部位，并控制外加磁場或工件的振動及運動軌跡，拋光液中鐵磁流體在磁場的作用下限制非磁性磨粒自由移動，使非磁性磨粒始終垂直于微結構形貌振動打磨并沿微結構形貌走向運動打磨。本發明通過將磁場聚焦于待拋光微結構特定部位，用以控制磨粒在小范圍特定區域拋光，根據加工工況，控制形成不同大小、形狀的聚焦磁場，等同于“柔性拋光磨頭”大小、形狀可控。

技術領域

本發明屬于磁場輔助超精密光整加工技術領域，尤其是涉及一種永磁鐵振動、磁場聚焦拋光微米級功能結構的裝置及方法。

背景技術

超精密微結構元件廣泛應用于軍事、航空航天、機械電子及光學等領域，微結構是指表面具有可實現特定功能的微小拓撲幾何形狀，該特殊形狀使元件的光學、物理和機械等性質發生改變表現出特定的功能，尺寸通常在微米級。微結構元件通常有大面陣螺線微溝槽(光學陀螺中)、矩形微溝槽陣列、V型溝槽陣列及微透鏡陣列等微米級結構，尤其針對曲面微結構，需在不破壞微結構特征的同時提高其表面質量以保證微結構功能的實現(如提高光學性能)。微結構元件的加工精度及表面質量直接影響著裝備的性能指標。隨著航空航天工業的發展，我國對高精度、高可靠性的微型產品需求越來越緊迫。

現多采用磨粒射流拋光、離子束刻蝕、化學機械拋光和激光拋光的方法對微結構元件進行拋光。但上述方法具有一定局限性，難以拋光尺寸只有幾微米且有曲率變化的脆硬材料微結構。鐵磁流體中磁性顆粒粒徑僅為10nm，與nm級拋光磨粒配置成的磁性拋光液適用于微米級結構的拋光。鐵磁流體是一種超順磁性材料，常用于密封、潤滑、靶向治療、驅油等，在外加磁場下可立即被磁化、定向排列，鐵磁流體的流向固定在磁場強度高的一方，垂直磁場作用下，會自發形成穩定的波峰。排列的磁性顆粒在振動的釹鐵硼的豎直磁場作用下帶動磨粒與微結構表面產生快速的相對運動，起到去除表面缺陷的作用，且不會對工件表面產生損傷，能夠保持微結構的形貌特征。

目前，有多種結合振動的拋光方案，如CN111716232A公開一種微細結構的拋光方法及裝置，利用化學腐蝕和非牛頓流體拋光液的剪切增稠效應結合可調節振動傾角的調節裝置拋光保證面形精度、提高表面質量，不足之處在于不適用于存在曲率變化、尺寸較小的微結構，且利用剪切增稠效應的拋光液粒徑過大，無法對微米級結構特定區域拋光。再如CN111215970A公開的一種微結構模具超聲空化輔助磁力拋光方法，將微結構模具浸入拋光液中，使用超聲振動帶動磁性磨粒沖擊微結構表面，無法控制磁性顆粒的振動方向，無法實現微米級結構特定部位、指定方向的拋光，存在拋光工件表面毛刺的同時同等去除微結構特征的問題。如微光學陀螺中的大面陣螺線、光學元件中的V型槽等微結構采用現有的磁力拋光方法無法良好保持原有的、實現功能所需的微特征。

發明內容

針對上述技術方案難以解決的問題，本發明提供一種適用于功能性微米級結構特定部位拋光的磁場聚焦鐵磁流體超精密拋光方法及裝置，可在不破壞微結構特征的前提下實現存在曲率變化的微米級功能結構的超精密光整加工。

本發明所采用的技術方案是：

提供一種微米級功能結構的振動鐵磁流體超精密拋光方法，包括以下步驟：

在待拋光工件的微結構中注入拋光液，拋光液包括鐵磁流體、非磁性磨粒和水；

通過磁場聚焦機構將外加磁場聚焦在工件的特定拋光部位，并控制外加磁場或待拋光工件的振動及運動軌跡，拋光液中鐵磁流體在磁場的作用下限制非磁性磨粒自由移動，使非磁性磨粒始終垂直于微結構形貌振動打磨并沿微結構形貌走向運動打磨。

接上述技術方案，非磁性磨粒為納米級氧化鈰拋光粉，氧化鈰拋光粉粒徑為50-70nm,鐵磁流體的磁性顆粒的粒徑為8-12nm。

接上述技術方案，非磁性磨粒垂直于微結構形貌的振動頻率為20-60Hz左右，振幅為微結構尺寸的1.5-5倍。