[发明专利]微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光装置及方法

说明书

本发明公开了一种微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光方法，包括以下步骤：在待抛光工件的微结构中注入抛光液，抛光液包括铁磁流体、非磁性磨粒和水；通过磁场聚焦机构将外加磁场聚焦在工件的特定抛光部位，并控制外加磁场或工件的振动及运动轨迹，抛光液中铁磁流体在磁场的作用下限制非磁性磨粒自由移动，使非磁性磨粒始终垂直于微结构形貌振动打磨并沿微结构形貌走向运动打磨。本发明通过将磁场聚焦于待抛光微结构特定部位，用以控制磨粒在小范围特定区域抛光，根据加工工况，控制形成不同大小、形状的聚焦磁场，等同于“柔性抛光磨头”大小、形状可控。

技术领域

本发明属于磁场辅助超精密光整加工技术领域，尤其是涉及一种永磁铁振动、磁场聚焦抛光微米级功能结构的装置及方法。

背景技术

超精密微结构元件广泛应用于军事、航空航天、机械电子及光学等领域，微结构是指表面具有可实现特定功能的微小拓扑几何形状，该特殊形状使元件的光学、物理和机械等性质发生改变表现出特定的功能，尺寸通常在微米级。微结构元件通常有大面阵螺线微沟槽(光学陀螺中)、矩形微沟槽阵列、V型沟槽阵列及微透镜阵列等微米级结构，尤其针对曲面微结构，需在不破坏微结构特征的同时提高其表面质量以保证微结构功能的实现(如提高光学性能)。微结构元件的加工精度及表面质量直接影响着装备的性能指标。随着航空航天工业的发展，我国对高精度、高可靠性的微型产品需求越来越紧迫。

现多采用磨粒射流抛光、离子束刻蚀、化学机械抛光和激光抛光的方法对微结构元件进行抛光。但上述方法具有一定局限性，难以抛光尺寸只有几微米且有曲率变化的脆硬材料微结构。铁磁流体中磁性颗粒粒径仅为10nm，与nm级抛光磨粒配置成的磁性抛光液适用于微米级结构的抛光。铁磁流体是一种超顺磁性材料，常用于密封、润滑、靶向治疗、驱油等，在外加磁场下可立即被磁化、定向排列，铁磁流体的流向固定在磁场强度高的一方，垂直磁场作用下，会自发形成稳定的波峰。排列的磁性颗粒在振动的钕铁硼的竖直磁场作用下带动磨粒与微结构表面产生快速的相对运动，起到去除表面缺陷的作用，且不会对工件表面产生损伤，能够保持微结构的形貌特征。

目前，有多种结合振动的抛光方案，如CN111716232A公开一种微细结构的抛光方法及装置，利用化学腐蚀和非牛顿流体抛光液的剪切增稠效应结合可调节振动倾角的调节装置抛光保证面形精度、提高表面质量，不足之处在于不适用于存在曲率变化、尺寸较小的微结构，且利用剪切增稠效应的抛光液粒径过大，无法对微米级结构特定区域抛光。再如CN111215970A公开的一种微结构模具超声空化辅助磁力抛光方法，将微结构模具浸入抛光液中，使用超声振动带动磁性磨粒冲击微结构表面，无法控制磁性颗粒的振动方向，无法实现微米级结构特定部位、指定方向的抛光，存在抛光工件表面毛刺的同时同等去除微结构特征的问题。如微光学陀螺中的大面阵螺线、光学元件中的V型槽等微结构采用现有的磁力抛光方法无法良好保持原有的、实现功能所需的微特征。

发明内容

针对上述技术方案难以解决的问题，本发明提供一种适用于功能性微米级结构特定部位抛光的磁场聚焦铁磁流体超精密抛光方法及装置，可在不破坏微结构特征的前提下实现存在曲率变化的微米级功能结构的超精密光整加工。

本发明所采用的技术方案是：

提供一种微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光方法，包括以下步骤：

在待抛光工件的微结构中注入抛光液，抛光液包括铁磁流体、非磁性磨粒和水；

通过磁场聚焦机构将外加磁场聚焦在工件的特定抛光部位，并控制外加磁场或待抛光工件的振动及运动轨迹，抛光液中铁磁流体在磁场的作用下限制非磁性磨粒自由移动，使非磁性磨粒始终垂直于微结构形貌振动打磨并沿微结构形貌走向运动打磨。

接上述技术方案，非磁性磨粒为纳米级氧化铈抛光粉，氧化铈抛光粉粒径为50-70nm,铁磁流体的磁性颗粒的粒径为8-12nm。

接上述技术方案，非磁性磨粒垂直于微结构形貌的振动频率为20-60Hz左右，振幅为微结构尺寸的1.5-5倍。