[发明专利]嵌入式球模复合磨粒研抛硅微凹模阵列方法

说明书

本发明公开了嵌入式球模复合磨粒研抛硅微凹模阵列方法，制作研抛模，所述研抛模包括工具连杆、激光测距传感器和球体，工具头下端端面加工有阵列孔，单个凹模的直径等于球体直径；球体的一半嵌入孔内，每个孔径与球体之间有一层均匀的防水粘结剂；在研抛模与工件表面之间充满研抛液，研抛液中的磨粒为复合磨粒，研抛模在工件上表面做高频微细超声振动，超声振动激发裸露在工具头外部的半个球体与磨粒一起持续冲击工件表面，形成与球体尺寸相吻合的微半球凹坑。本发明通过微超声研抛模的振动，激发球体与研抛液中纳米级磨粒对硅工件表面的高频冲击，以实现对材料的去除。极大地提高微半球凹模阵列的加工效率，保证了凹模的形状一致性。

技术领域

本发明涉及超精密加工领域，尤其涉及嵌入式球模复合磨粒研抛硅微凹模阵列方法。

背景技术

半球谐振陀螺是一种新型的惯性传感器，具有精度高、稳定性强、可靠性高以及寿命长的特点，并且具有很好的抗冲击振动的能力以及很好的温度性能，已经在航空，兵器等领域开始有运用。但是这种陀螺仪的球壳加工精度低，主要原因在于其母体——半球凹模阵列的加工精度差。该凹模材料硬度大，尺寸小，加工较为困难。现有对该凹模的加工方法，如微细削加工、微细超声分层加工、微细电火花加工等方式。

目前，加工该微半球凹模的工件材料主要为硅片或者碳化硅材料。 就目前所报道的加工方式尚未发现可以满足对碳工件微半球凹模的 加工精度与加工效率的要求。主要原因在于：(1)微细削加工微半球 凹模时，在材料脆性去除的过程中会出现微半球底部或者顶部崩裂、 表面及亚表面损伤的情况，无法满足加工精度的要求。加工效率以及 成品率都无法得到保证。(2)微细超声分层加工，因为细微工具会出 现磨损，并且该磨损无法预计与控制，因此难以规划分层进给路径， 导致微半球形状精度差，加工效率低。(3)微细电火花加工微半球凹 模阵列，放点空间小，因此需要加工设备的精度很高，而形状精度极

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供了嵌入式球模复合磨粒研抛硅微凹模阵列方法。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

嵌入式球模复合磨粒研抛硅微凹模阵列方法，包括如下步骤：

S1、制作研抛模，所述研抛模包括工具连杆、激光测距传感器和球体，工具连杆包括上端变幅杆与下端工具头，所述变幅杆的上端与细微超声振动装置相连接，工具头下端端面加工有阵列孔，单个凹模的直径等于球体直径，球体的直径范围为100微米至几毫米；

S2、球体的一半嵌入孔内，每个孔径与球体之间有一层均匀的防水粘结剂，通过防水粘结剂将嵌入在孔径中的球体固定在工具头的凹模中；

S3、在研抛模与工件表面之间充满研抛液，研抛液中的磨粒为复合磨粒，研抛模在工件上表面的上方0至几毫米的距离内做高频微细超声振动，同时研抛模在z轴的方向向下做进给运动，超声振动激发裸露在工具头外部的半个球体与磨粒一起持续冲击工件表面，形成与球体尺寸相吻合的微半球凹坑。

进一步的，S3中，为提高工件上凹模尺寸的精度，在工具头的上端装有实时监控的激光测距传感器，激光测距传感器位于工具头上端面的凸台上，以控制研抛模与工件表面的距离，使得当凹模深度达到所需尺寸时停止振动。

进一步的，工具头上端面的四周设有凸台，每个凸台安装一个激光测距传感器。采用多个传感器，在定位了研抛模与工件距离的同时，也保证了研抛模端面与工件表面之间可以始终保持相对平行。安装在工具头的上端面，避免传感器因与研抛液和磨粒接触而损坏。

进一步的，研抛液包括5％光亮剂、5％磨粒、5％稳定剂与分散剂，85％水，复合磨粒为氧化铝复合磨粒。

进一步的，氧化铝复合磨粒通过表面化学包覆改性法，将硅烷偶联剂作为中间过渡层，外层选择丙烯酰胺将所述氧化铝复合磨粒包裹住，通过让外表面发生聚合反应形成水溶性分子聚丙烯酰胺。从而提高分子的亲水性。