[发明专利]一种旋转超声法加工微半球凹模阵列的方法及装置

说明书

本发明公开了一种旋转超声法加工微半球凹模阵列的方法及装置，包括超声工具头、固定基板、超硬陶瓷球体、调制研抛液，所述超声工具头下端与固定基板相连，固定基板上加工有通孔，孔径小于氧化铝超硬陶瓷球体直径，在固定基板孔内和超硬陶瓷球体之间充满粘结剂，使得球体嵌入固定基板内。在单晶硅衬底材料上滴加调制研抛液，所述变幅杆带动超声工具头高速振动，伴随旋转系统使得超硬陶瓷球体在转动的同时在短距离内高速振动，激发研抛液中的磨粒冲击衬底材料，通过磨粒对衬底材料的机械冲击、剪切、抛磨、研抛液的空化现象去除材料。加工期间通过控制旋转速度实现脆性材料塑性去除，实现多域可控，获得表面粗糙度S_a<20nm微半球凹模阵列。

技术领域

本发明涉及超精密加工领域，尤其涉及一种旋转超声法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)是一种没有高速转子和活动支承的振动陀螺，具有精度高、质量小、体积小、启动时间短、高过载的特性，被誉为最具潜力的哥式振动陀螺。

国外HRG研制主要集中在美国、俄罗斯与法国这3个国家，主要运用于通信卫星、导弹系统、石油勘探等领域，目前这三个国家在 HRG上已经达到惯性级精度水平，在高精密HRG领域国内与领先国家差距较大。

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(ElectroDischargeMeching,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。超声加工中超声工具头磨损严重，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。

传统超声加工通过超声工具头纵向高频振动，激发磨粒冲击工件表面，在大量的磨粒持续的冲击下，加工表面破碎和去除。但传统超声加工材料去除率低，超声工具头磨损率高。从工件上破碎的碎屑会损伤加工表面，表面质量不佳。

发明内容

本发明的目的是针对现有谐振振子凹模加工技术存在的无法保证表面质量和形状精度、无法批量制造、加工复杂的缺陷和不足，提供一种旋转超声法加工微半球凹模阵列的方法及装置。

为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种旋转超声多级研磨制备微半球凹模阵列的方法，包括如下步骤：

S1、将所述研抛液均匀充满固定基板和碳化硅衬底之间；

S2、超声工具头接收给定的频率和振幅带动被约束在超声工具头前端的超硬陶瓷球体高速高频振动，激发磨粒将其发射出去冲击衬底材料，通过磨粒对衬底材料的机械冲击、剪切、抛磨、研抛液的空化现象去除材料，同时高速旋转的超硬陶瓷球体带动磨粒对衬底材料的多级研抛作用，去除材料；

S3、获得表面粗糙度S_a<20nm微半球凹模阵列。

所述旋转超声工具头能在超声震动的同时径向高速旋转，两个方向共同作用，可及时排除碎屑，避免碎屑划伤已加工表面，提高加工效率和加工精度。同时，因为超声加工中的回转运动的存在，能够保证微半球凹模能有较好的形状精度。