微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光装置及方法

摘要

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。

说明书

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。

接上述技术方案，非磁性磨粒沿微结构形貌走向的运动速度为0.8-2mm/s。

接上述技术方案，无外部磁场时，抛光液在毛细力作用下充满待抛光工件微结构的槽内。

接上述技术方案，经磁场聚焦后待抛光工件微结构的特定部位的磁场强度值为1800奥斯特以上。

本发明还提供了一种微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光方法的抛光装置，该抛光装置包括钕铁硼振动机构、工件旋转机构和磁场聚焦机构；

所述工件旋转机构安装于超精密机床的B轴上，B轴上安装有机床B轴台面、转接板、高度微调台及立柱，待抛光工件放置在该立柱上，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；所述工件旋转机构带动待抛光工件按照一定的轨迹运动；

所述磁场聚焦机构安装于超精密机床的主轴上，且设置在待抛光工件正下方，该磁场聚焦机构包括导磁螺杆，该导磁螺杆的顶部设有导磁块；

所述钕铁硼振动机构安装于超精密机床的主轴上，并设置于待抛光工件的正上方；所述钕铁硼振动机构包括条形钕铁硼，该条形钕铁硼设置在待抛光工件正上方，条形钕铁硼沿主轴方向的中心面与导磁螺杆的中心面重合，在导磁螺杆的作用下，条形钕铁硼的磁场聚焦于特定待抛光部位，且条形钕铁硼以一定的频率和幅度振动；抛光液中的铁磁流体在条形钕铁硼的磁场作用下形成长链状结构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，所述磁场聚焦机构还包括底座、带有槽的铝型材和T型螺母，铝型材通过底座固定于超精密机床的主轴上，T型螺母安装于铝型材的槽内，导磁螺杆旋于T型螺母内。

接上述技术方案，钕铁硼振动机构还包括上爪、静导轨、动导轨、柔性铰链放大机构和柱形促动器，上爪固定在超精密机床的主轴上，静导轨固定在上爪的端面上，柔性铰链放大机构安装在上爪底面槽内，柱形促动器安装于柔性铰链放大机构槽内，柔性铰链放大机构的输出端连接动导轨，条形钕铁硼固定在动导轨上，柔性铰链放大机构通过动导轨将柱形促动器的振动传递给条形钕铁硼。

接上述技术方案，动导轨的摩擦面上粘有聚四氟乙烯导轨软带。

本发明产生的有益效果是：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。

本发明可带动待抛光工件旋转、在水平方向移动，结合振动的聚焦磁场控制磨粒相对于待抛光微结构做旋转运动，使非磁性磨粒沿与微结构形貌垂直的方向做高频率、低幅值的振动，等同于“柔性抛光磨头”运动轨迹可控，使得微结构表面的加工缺陷得以去除，获得微结构轮廓特征保持良好的光洁表面，实现其他方法无法加工的微结构的超精密光整加工。

此外，本发明采用的水基铁磁流体，无磁场时具有良好的流动性，在外磁场作用下磁性颗粒在磁通线上排列，磁压作用于磨粒上的悬浮力带动磨粒随外磁场振动而运动，达到去除材料的目的，铁磁流体粒径小，可实现微米级功能结构的抛光。

本发明的抛光装置可安装在精密机床或数控平台上，适用于加工不同形貌、尺寸的微结构，装置轻便、操作简单。

进一步地，本发明的抛光装置由柱形促动器配合柔性铰链放大机构提供频率、幅值可实时调节的振动源，可用于抛光不同尺寸或尺寸、曲率变化较大的微结构元件。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例提供的一种针对微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的钕铁硼振动机构结构示意图；

图3是本发明实施例提供的钕铁硼振动机构仰视结构示意图；

图4(a)、图4(b)是本发明实施例提供的上爪结构立体图和主视图；

图5是本发明实施例提供的工件旋转机构的后视结构示意图；

图6是本发明实施例提供的磁场聚焦机构的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的钕铁硼磁场强度模拟图，其中a)为未聚焦时的磁场强度分布模拟图，b)为聚焦时的磁场强度分布模拟图；

图8是本发明实施例提供的钕铁硼及导磁螺杆作用下的磁场强度分布图，箭头表示磁场强度的方向；

图9为本发明实施例提供的利用铁磁流体进行抛光的原理示意图，应当注意的是，图中磨粒大小并非真实比例；

图10为本发明实施例提供的硅片螺旋微沟槽中磁场聚焦区域(待抛光特定部位)磨粒运动示意图(图中磨粒大小并非真实比例)；

图11为本发明实施例提供的一种针对微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光装置控制系统原理图；

图12为本发明实施例提供的一种针对微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光装置控制系统结构示意图。

附图中：

1-钕铁硼振动机构，2-机床主轴，3-机床床身，4-机床B轴，5-工件旋转机构，6-磁场聚焦机构，7-待抛光工件；

101-上爪，102-条形钕铁硼，103-连接螺柱用螺母，104-静导轨，105-聚四氟乙烯导轨软带，106-动导轨，107-柔性铰链放大机构，108-柱形促动器，109-连接螺柱；

501-立柱，502-高度微调台，503-转接板，504-机床B轴台面；

601-底座，602-2020铝型材，603-导磁螺杆，604-T型螺母；

901-氧化铈抛光磨粒，902-磁性颗粒(四氧化三铁)，903-α-纤维素，904-磁通量线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光方法，主要包括以下步骤：

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；在无外部磁场时，抛光液在毛细力作用下可以充满工件微结构的槽内。

通过磁场聚焦装置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形成长链状结构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。

本发明结合振动的聚焦磁场控制磨粒相对于待抛光微结构做旋转运动，并沿与微结构形貌垂直的方向做高频率、低幅值的振动，等同于“柔性抛光磨头”运动轨迹可控，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，使得微结构表面的加工缺陷得以去除，获得微结构轮廓特征保持良好的光洁表面，实现其他方法无法加工的微结构的超精密光整加工。根据加工工况，可控制聚焦磁场的大小、形状，等同于“柔性抛光磨头”大小、形状可控。

本发明的实施例中，采用水基铁磁流体，无磁场时具有良好的流动性，在外磁场作用下磁性颗粒在磁通线上排列，磁压作用于磨粒上的悬浮力带动磨粒随外磁场振动而运动，达到去除材料的目的，铁磁流体粒径小，可实现微米级功能结构的抛光。该实施例中，抛光液由MSG W11铁磁流体、水、非磁性磨粒等组成，非磁性磨粒可选用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(如四氧化三铁)的粒径为8-12nm，本发明优选10nm。非磁性磨粒垂直于微结构形貌的振动频率为20-50Hz，本发明优先50Hz左右，振幅为微结构尺寸的1.5-5倍。非磁性磨粒沿微结构形貌走向的运动速度为0.8-2mm/s。

进一步地，可控制经磁场聚焦后待抛光工件微结构的特定部位的磁场强度值为1800奥斯特以上，从而使铁磁流体充分磁化。

本发明的一个实施例中，如图1-6所示，微米级功能结构的振动铁磁流体超精密抛光装置包括钕铁硼振动机构1、工件旋转机构5、磁场聚焦机构6、待抛光工件7，各个组件可均连接统一控制系统，或者各自有独立的控制器。本发明的抛光装置可安装在超精密机床或数控平台上，适用于加工不同形貌、尺寸的微结构，装置轻便、操作简单。

本发明实施例的超精密机床的机床床身3上有机床主轴2及机床B轴4，机床主轴2上分别设有钕铁硼振动机构1和磁场聚焦机构6。钕铁硼振动机构1和磁场聚焦机构6安装方向如图1所示，分别设置于待抛光工件7待抛光部位的正上方、正下方。

磁场聚焦机构6安装于超精密机床主轴2上，且设置在待抛光工件7正下方，该磁场聚焦机构6包括导磁螺杆606，该导磁螺杆606的顶部设有导磁块。导磁块可为不同形状，从而可形成不同大小、形状的聚焦磁场，等同于“柔性抛光磨头”大小、形状可控。本发明中机床B轴4带动待抛光工件7旋转、在水平方向移动，结合振动的聚焦磁场控制磨粒相对于待抛光微结构做旋转运动，并沿与微结构形貌垂直的方向做高频率、低幅值的振动，等同于“柔性抛光磨头”运动轨迹可控，使得微结构表面的加工缺陷得以去除，获得微结构轮廓特征保持良好的光洁表面，实现其他方法无法加工的微结构的超精密光整加工。

钕铁硼振动机构1安装于超精密机床主轴2上，并设置于待抛光工件7的正上方；钕铁硼振动机构1包括条形钕铁硼102，该条形钕铁硼102设置在待抛光工件7正上方，条形钕铁硼102沿主轴方向的中心面与导磁螺杆603的中心面重合，在导磁螺杆603的作用下，条形钕铁硼102的磁场聚焦于特定待抛光部位，且条形钕铁硼102以一定的频率和幅度振动；抛光液中的铁磁流体在条形钕铁硼的磁场作用下形成长链状结构限制非磁性磨粒自由移动，如图9所示，施加竖直方向的外磁场后，铁磁流体中固相微粒磁化并相互作用形成长链，链状结构聚集形成沿磁通量线排布的团簇状结构，非磁性磨粒分布在团簇状结构之间，外磁场通过控制固相微粒来控制整个铁磁流体，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。

工件旋转机构5安装在超精密机床B轴4上。超精密机床B轴4上安装有机床B轴台面、转接板503、高度微调台502及立柱501，待抛光工件7放置在该立柱501上，待抛光工件7可通过蜡油固定在用于工件放置的立柱501上。高度微调台502用以调节待抛光工件7与条形钕铁硼102、导磁螺杆606的间距，进而调控待抛光部位处的磁场强度。待抛光工件7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；工件旋转机构5带动待抛光工件7按照一定的轨迹运动。

进一步地，如图2所示，钕铁硼振动机构1还包括上爪101、静导轨104、动导轨106、柔性铰链放大机构107和柱形促动器108，上爪101固定在超精密机床的主轴2上，静导轨104固定在上爪101的端面上，柔性铰链放大机构107安装在上爪底面槽内，柱形促动器108安装于柔性铰链放大机构107槽内，柔性铰链放大机构107的输出端连接动导轨106，条形钕铁硼102固定在动导轨106上，柔性铰链放大机构107通过动导轨106将柱形促动器108的振动传递给条形钕铁硼102。静导轨104使动导轨106(固定有需实现振动的钕铁硼)可以沿着静导轨与动导轨摩擦面振动，起导向、支撑(压电陶瓷不能承受剪切力、扭矩，固定钕铁硼部件102的动导轨106的重力作用在静导轨上)的作用。如图4(a)、4(b)所示，上爪101底部加工有放置柔性铰链放大机构107的槽及固定的孔，端部加工有安装静导轨104的螺纹孔，是钕铁硼振动机构的固定结构支撑件。

条形钕铁硼102与动导轨106的安装方式可为磁铁胶固定，不需因固定而打孔，从而避免造成条形钕铁硼磁场难以聚焦。钕铁硼振动机构1通过上爪101、磁场聚焦机构6通过底座601分别安装于机床主轴2上。作为进一步优选的，柱形促动器108可选用型号PST 150/7/20VS12，其内置有电阻应变式传感器(SGS)，陶瓷的迟滞与蠕变通过闭环控制得到有效消除。柱形促动器108配合柔性铰链放大机构107及位移传感器(采用电容式位移传感器，因体积较小，如探头直径10mm,长18mm，固定探头即可测量，安装方便，另单独设置在机床主轴或壳体上都可以)提供频率、幅值可实时调节的振动源，可用于抛光不同尺寸或尺寸、曲率变化较大的微结构元件。

参照图2及图3，具体地，静导轨104固定在上爪101右端面上，条形钕铁硼102固定在动导轨106上，柱形促动器108安装于柔性铰链放大机构107槽内并通过螺钉预紧，柔性铰链放大机构107安装在上爪底面槽内，柱形促动器108顶在柔性铰链放大机构107输出端，柔性铰链放大机构107输出端前端面有内螺纹，其与连接螺杆109的一端螺纹连接，连接螺杆109的另一端通过连接螺柱螺母103与动导轨106连接，通过柔性铰链放大机构107和动导轨106将柱形促动器108的振动传递给条形钕铁硼102。为保证传动可靠性，连接螺杆109旋和前涂螺纹密封胶水。

进一步地，动导轨106摩擦面上还粘有聚四氟乙烯导轨软带105，在动导轨106与静导轨104的摩擦面贴设软带。为减轻悬臂梁(钕铁硼振动机构1)的重量，动导轨与静导轨都选用铝合金材料。

具体的，如图3所示，柔性铰链放大机构107优选铰链结构形式为过渡圆弧形，该结构应力集中较小，保证装置轻量化。柔性铰链放大机构107可选用材料为65Mn。

本实施例中，条形钕铁硼102下表面距待抛光工件7上表面3-5mm,条形钕铁硼102的振动频率为50Hz左右，待抛光工件7待抛光微结构处磁场强度应达到1800奥斯特以上，本实施例中的待抛光工件7为厚度为500μm的四寸硅片，硅片上表面经光刻、刻蚀工艺加工有宽度为6μm，壁厚8μm的大面阵螺旋方槽，故条形钕铁硼102振动幅值为9-30μm。

参照图5，待抛光工件7(本实施例中为硅片)用蜡油固定在立柱501上，立柱501固定在高度微调台502上，高度微调台502通过转接板503安装于机床B轴台面504上，硅片安装高度与机床主轴2轴心等高。

本实施例中，机床B轴4的旋转速度为0.3-2r/min，机床B轴4在水平方向的移动速度需结合磁场聚焦区域的大小及微结构的形貌确定，对本实施例中的硅片而言，聚焦磁场的形状、大小满足一次性抛光微结构半径方向的刻蚀区域，不需水平方向的移动，只需旋转运动即可。

参照图6，磁场聚焦机构6还包括底座601、带有槽的铝型材602和T型螺母604，铝型材602通过底座固定于超精密的机床主轴2上，T型螺母604安装于铝型材602的槽内，导磁螺杆603旋于T型螺母604内。将T型螺母604顺2020铝型材602槽方向放进槽内，移动至待抛光微结构正下方，顺时针旋转90°自动定位锁紧，将导磁螺杆603旋进T型螺母，调整导磁螺杆603使其距待抛光工件7下表面1-2mm，导磁螺杆603中心面与条形钕铁硼102沿主轴方向的中心面重合。该磁场聚焦机构6通过T型螺母604移动、导磁螺杆603旋进旋出实现水平及竖直方向的微调。

具体的，导磁螺杆603优选高相对磁导率的材料制成，如坡莫合金，如图7中的a)、b)所示为COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件模拟的聚焦前后的磁场强度分布，通过高相对磁导率的导磁螺杆将条形钕铁硼102的磁场约束在很小的待抛光区域内，实现磁场聚焦的同时还可提升磁场强度进而实现特定部位的加工；本发明设计的抛光装置通过添加不同形状、大小的导磁块(钻有与导磁螺杆603连接用螺纹孔)、更换条形钕铁硼102及导磁螺杆603的材料、尺寸及组合方式，可实现不同形状、磁场强度的聚焦磁场以适应不同形貌特征的微结构的抛光。

上述钕铁硼振动机构1高度方向固定，条形钕铁硼102距待抛光工件7的高度通过高度微调台502实现，如图1的安装方式中，高度微调台502可调范围为(-5)-(+5)mm，磁场聚焦机构6通过旋进旋出导磁螺杆603可实现高度微调，大范围调节只需更换长度不同的导磁螺杆603，通过这两种方式实现导磁螺杆603与待抛光工件7间距的调节，以满足不同加工工况的要求。

参照图11、图12，本实施例中通过双通道信号发生器(即电压发生器)产生激励信号u

上述本实施例的抛光装置在具体实施超精密抛光的详细步骤如下：

1.用蜡油固定硅片(待抛光工件7)，将配置好的抛光液滴入硅片螺旋沟槽内，在毛细力作用下抛光液充满沟槽，按前述间距要求安装、调整好磁场聚焦机构6及钕铁硼振动机构1的高度，根据位移传感器输出信号调节至条形钕铁硼102振动频率为20-60Hz、幅值达9-30μm；

2.启动机床B轴4以0.3r/min速度旋转，通过机床的运动控制磨粒振动的方向始终与微结构形貌特征垂直并沿微结构走向，磨粒在抛光部位(磁场聚焦区域即A区域)的运动轨迹如图8所示，抛光时间为40min-1h，抛光过程中需定时补充蒸发掉的水分，缩短抛光液的更新时间可进一步提升表面质量，最终得到微结构特征形貌保持良好的高质量表面。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。