[发明专利]旋转超声加工结合磁力研磨加工微半球凹模阵列的方法

说明书

本发明公开了旋转超声加工结合磁力研磨加工微半球凹模阵列的方法。通过导电线圈绕组在工具头前端产生强旋转磁场，旋转装置带动超声工具头高速水平旋转。通过高导磁材料铁镍合金球体将磁场约束在工具头前端，磁性磨粒被强磁吸附在铁镍合金球体表面，工具头接收给定的频率和振幅带动被约束在前端的铁镍合金球体高速高频振动，激发磁性磨粒将其发射出去冲击衬底材料，其间通过磁性磨粒对衬底材料的机械冲击、剪切、抛磨、加工液的空化现象和高速旋转的铁镍合金球体带动磁性磨粒对衬底材料的多级研抛作用去除材料，获得理想几何性质的微半球凹模阵列。本发明能够快速批量制备高形状精度、高表面质量的半球体凹模。

技术领域

本发明涉及超精密加工领域，尤其涉及旋转超声加工结合磁力研磨加工 微半球凹模阵列的方法。

背景技术

半球谐振陀螺(Hemispherical Resonator Gyro,简称HRG),是利用半 球谐振子在高频振动时产生的哥氏效应制成的一种角运动检测装置。 因为不同于机械转子在高速转动时动量矩对空间位置产生的变化的 原理，HRG能够极大的减小陀螺体积，且具有较强的抗冲击能力。 具有精度高、体积小、可靠度高、寿命长、低功耗、启动时间短、断 电后能继续工作15Min的特性，在与MEMS(微机电系统)技术结合起 来，制备成的微半球谐振陀螺技术(μHRG)被广泛的运用在航天航 空，国防军工上，是导弹、航空器等飞行单位惯性测量单元和姿态稳 定控制的关键部件。

目前高精度高质量的HRG的主要被美国、法国和俄罗斯所垄断。因为半 球谐振陀螺的品质因数对振子的几何物理精度上具有很高要求，目前的HRG 谐振子制造方法都是首先获得一个高回转精度和高表面质量的半球凹模，然后 利用各种沉积方法在凹模表面沉积出一个半球空腔，再经过一系列工步，最终 实现谐振子的装配。目前技术的难点在于获得高回转精度和高表面质量的半球 凹模，国际上现有的在硬脆材料上加工半球凹模的传统加工方法主要有：微电 火花加工，高能束加工，超声加工等。

微电火花加工(Electro Discharge Meching,EDM),是利用两极间高强度火 花放电的电蚀现象来蚀除材料的方法。高能束加工，常用的如激光加工，利用 产生的高温使非金属硬脆材料表面融化气化并伴随爆炸来达到去除材料的目 的。传统的超声加工又称悬浮磨粒超声冲击加工，利用超声的高能冲击磨粒对 材料进行机械去除。他们在加工半球凹模时都要致命的缺点，微电火花加工效 率低，又难以获得较好的形状精度；激光加工还会使材料热应力集中，产生裂 纹和热变形，影响加工形状精度和表面质量。超声加工中工具头磨损严重，加 工效率低且加工硬脆材料时加工表面常会出现“崩豁”现象，严重影响加工表 面质量。

发明内容

本发明的旋转超声加工结合磁力研磨加工微半球凹模阵列的方法，能够 克服传统微细加工的的缺点，高效率批量制备更高表面质量，更高形状精度的 半球凹模阵列。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种旋转超声加工结合磁力研磨加工微半球凹模阵列的方法，包括研抛模 平台，所述研抛模平台包括：换能器、旋转超声磁力工具头、变幅杆、定位基 板、镀层铁镍合金铁镍合金球体、工件，换能器连接高频可调超声发射装置， 变幅杆上装有可拆卸式旋转超声磁力工具头，所述镀层铁镍合金铁镍合金球体 尺寸小于固定基板通孔直径且能够将铁镍合金球体嵌入其中，固定基板和铁镍 合金球体间充满粘结剂，铁镍合金球体被固定于工具头前端；

通过导电线圈绕组在工具头前端产生强旋转磁场，旋转装置带动超声工具 头高速水平旋转，高导磁材料铁镍合金铁镍合金球体将磁场约束在工具头前 端，磁性磨粒被强磁吸附在铁镍合金球体表面，工具头接收给定的频率和振幅 带动被约束在前端的铁镍合金球体高速高频振动，激发磁性磨粒将其发射出去 冲击工件材料，通过磁性磨粒对衬底材料的机械冲击、剪切、抛磨、加工液的 空化现象去除材料，获得微半球凹模阵列。