一种电解液固定型电化学机械抛光方法、装置与设备

1.本发明属于曲面光学元件及金属技术领域，具体涉及一种一种电解液固定型电化学机械抛光方法、装置与设备。


背景技术：

2.随着硅、烧结碳化硅等高端光学元件在航空航天、军事国防、高端民用等领域的大规模使用，对导电材料球面及非球面的超精密、无损、高效抛光不断提出新要求。由于硅、碳化硅等材料硬脆性高、化学性质稳定，加工极其困难。采用金刚石磨粒制成的磨具以机械的方式对其进行抛光，难免在表面引入损伤，无法获得光滑、无损的表面。电化学机械抛光是实现硬脆导电材料超精密、无损、高效抛光的一种极有潜力的方法。通常在该方法中，材料整个表面完全浸没于电解液，电化学反应同时进行，无法实现局部的定量改性和材料去除，因此该方法通常用于硅、碳化硅、金属等导电材料的平面加工，无法进行曲面的抛光。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种电解液固定型电化学机械抛光方法、装置与设备，可以实现曲面的局部电化学改性和材料去除，最终实现曲面的高效、无损、超精密抛光。
4.为达到上述目的，本发明所述一种电解液固定型电化学机械抛光装置，包括抛光头，所述抛光头由微纳米多孔材料制成，所述微纳米多孔材料中分布有若干微米级或纳米级空孔。
5.进一步的，抛光头包括若干磨粒，所述磨粒通过结合剂固结。
6.进一步的，磨粒为软质磨粒。
7.进一步的，抛光头与中空抛光轴连接，所述中空抛光轴中设置有用于容置电解液的空腔，所述空腔与抛光头连接。
8.进一步的，抛光头为半球形。
9.一种电解液固定型电化学机械抛光设备，包括上述的电解液固定型电化学机械抛光装置、立式背板、基座和电化学工作站；
10.所述立式背板上安装有竖向移动装置，所述竖向移动装置上安装有抛光主轴，所述抛光主轴上安装有电解液固定型电化学机械抛光装置，所述电解液固定型电化学机械抛光装置下方设置有夹具，所述夹具通过水平移动装置安装在基座上。
11.进一步的，水平移动装置包括y方向电动滑板和x方向电动滑板，所述y方向电动滑板滑动安装在基座上，x方向电动滑板滑动安装在y方向电动滑板上，夹具固定在x方向电动滑板上。
12.进一步的，抛光主轴由电机驱动。
13.基于上述的电化学机械抛光设备的一种电解液固定型电化学机械抛光方法，向抛光头中加入电解液，使电解液渗透扩散至抛光头和工件的界面处并保持在抛光头中；在抛光过程中，工件上只有与抛光头相接触的部位与电解液作用发生阳极氧化生成软质的改性
层，同时通过抛光头和工件的相对运动将生成的改性层去除，实现曲面工件的加工。
14.进一步的，包括以下步骤：
15.s1、根据被加工工件形貌和尺寸，设置加工轨迹及加工参数，如进给量，抛光头转速等；
16.s2、将电解液注入抛光头中；
17.s3、通过电化学工作站设置电化学阳极氧化改性参数；
18.s4、开启电化学工作站施加电压/电流；
19.s5、驱动抛光头对工件进行加工：
20.抛光头与工件表面发生局部接触的同时，工件表面也与抛光头中的电解液(2)局部接触，在外加电场的作用下，工件表面与电解液发生电化学反应改性生成软质改性层，再通过抛光头与工件的相对运动，抛光头上将改性层去除；
21.s6、进行形状误差及表面粗糙度检测；
22.s7、判断是否满足加工要求，返回s4继续加工或结束加工。
23.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
24.1)可以实现局部阳极氧化改性和抛光。
25.本发明在抛光过程中，由于抛光头由微纳米多孔材料制成，电解液能够在微纳米多孔材料抛光头的微纳米孔内驻留，而不会溢流，因此可以实现对电解液的控制。当工件表面与抛光头相接触时，工件表面也与抛光头内部驻留的电解液产生局部接触，在电场的作用下，工件表面与电解液接触的区域发生电化学反应，实现局部阳极氧化改性，同时通过抛光头与工件的相对运动，利用磨粒实现对改性层的去除。
26.2)可以提高材料去除率。
27.由于硅、碳化硅等高硬脆性导电材料，直接加工极其困难，效率低。电化学改性具有极高的改性速率，因此采用电化学机械抛光的方式可以大幅提高硬脆性导电材料的抛光速率。
28.3)绿色环保，成本低。
29.该抛光方法使用的抛光头，由微纳米多孔材料制成，该材料中均匀固结着软质磨粒，避免了化学机械抛光中游离磨粒大量使用造成的高昂成本。此外，传统化学机械抛光浆中包含强氧化剂、强酸碱等化学药品，不仅对设备耐腐蚀性能提出了更高的要求，抛光浆的管理以及废液处理难度非常大，极易造成环境污染。
30.4)加工装备结构简单灵活，加工方法容易实现。
31.本发明提出的可实现局部改性和抛光的软质电解液固定型电化学机械抛光装置结构简单，灵活性强可以非常简单方便得安装于三轴、四轴、五轴等机床上对平面、球面、非球面等进行抛光加工，结构简单、适用范围广。
32.5)能够实现超精密抛光。
33.抛光工具由均匀固结软质磨粒的微纳米多孔材料制成的半球形抛光头，且抛光头直径小于工件的曲面曲率，抛光过线程中抛光头与工件呈现点接触，根据工件曲面的形状特点，通过抛光路径规划，实现曲面的超精密抛光。
34.6)可以实现无损抛光。
35.硅、碳化硅等高硬脆性导电材料，直接使用金刚石磨粒机械抛光的方式难免在表
面引入损伤，本发明提出的可实现局部改性和抛光的电解液固定型电化学机械抛光方法，采用电化学的方式先将高硬度的材料表面改性软化，同时使用抛光头上的软质固结磨粒将改性层去除。由于软质固结磨粒的硬度远远低于被加工材料表面，但高于改性层的硬度，因此只去除改性层而不损伤工件本体。
36.7)本方法以微纳米多孔材料做成的抛光头既作为控制电解液的载体，又作为抛光具，以导电性材料为阳极，抛光头上端相连的金属轴为阴极。抛光过程中，抛光头与工件表面发生局部接触的同时，工件表面也与抛光头中的电解液发生局部接触，在外加电场的作用下，碳化硅表面与电解液发生电化学反应改性生成软质改性层，再通过抛光头与工件的相对运动，抛光头上的软质固结磨粒将软质改性层去除而不损伤工件材料本体。使得材料在电、化学、机械多场耦合作用下实现表面的高效、无损、超光滑抛光。
附图说明
37.图1为本发明提供的一种曲面软质电解液固定型电化学机械抛光工具系统及原理图；
38.图2为本发明提供的一种三轴曲面电解液固定型电化学机械抛光设备示意图；
39.图3为本发明提供的一种平面电解液固定型电化学机械抛光设备示意图。
40.附图中：1、中空抛光轴，2、电解液，3、抛光头，4、改性层，5、工件，6、电化学抛光装置，7、抛光主轴，8、立式电动升降板，9、立式背板，10、电机，11、导电滑环，12、皮带，13、球面工件，14、夹具，15、x方向电动滑板，16、y方向电动滑板，17、基座，18、电化学工作站，19、空孔，20、磨粒，21、结合剂，22、安装板，23、管道。
具体实施方式
41.为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
42.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.通常在电化学机械抛光加工中，被加工工件表面需要浸入电解液中以发生表面阳极氧化，进而获得整个工件表面的抛光。然而，在曲面元件的抛光中，需要对抛光区域进行
局部氧化和去除，来实现形状创成，使得通常的电化学机械抛光方法不能应用于曲面的抛光。
44.实施例1
45.参照图1，本发明提供的一种可实现局部改性和曲面抛光的电解液固定型电化学机械抛光装置，包括中空抛光轴1、电解液2和抛光头3，该装置用于进行曲面抛光。中空抛光轴1中设置有空腔，空腔的腔壁与抛光头3连接。抛光头3由微纳米多孔材料制成，微纳米多孔材料中包含结合剂21和磨粒20，磨粒20通过结合剂21均匀固结，微纳米多孔材料中均匀分布着无数空孔19，空孔19为微米孔或纳米孔，电解液可以容置于空孔19中。抛光头3是半球形状，且抛光头3的直径小于被加工曲面的曲率。
46.软质微纳米多孔材料制成的球形多孔抛光头3安装在由金属制成的中空抛光轴1的前端，空腔和抛光头3连通，在中空抛光轴1内的空腔中填充电解液2，使电解液2缓慢扩散至抛光头3和工件5的界面处并保持在抛光头3中。因此，在抛光过程中，工件5上只有与抛光头3相接触的部位可以与电解液作用发生阳极氧化生成氧化物即软质的改性层4，同时通过抛光头3和工件5的相对运动将生成的氧化物迅速去除而不损伤工件5表面，实现工件表面的局部电化学机械抛光。既而通过抛光路径规划，实现曲面工件的高效无损超精密加工。
47.将中空抛光轴1、电解液2和球形多孔质抛光头3构成的抛光工具系统搭载于三轴数控机床上，可实现球面的电解液固定型电化学机械抛光。
48.实施例2
49.参照图2，本发明提供的三轴曲面电解液固定型电化学机械抛光设备，包括电解液固定型电化学抛光装置6、抛光主轴7、立式电动升降板8、立式背板9、电机10、导电滑环11、皮带12、夹具14、x方向电动滑板15、y方向电动滑板16、基座17和电化学工作站18。
50.立式背板9上滑动安装有立式电动升降板8，立式电动升降板8上固定连接有安装板22，安装板22上安装有抛光主轴7和电机10，抛光主轴7上端与导电滑环11连接，下端与电化学抛光装置6的中空抛光轴1连接，化学抛光装置6穿过安装板22，抛光头3位于安装板22下方。电机10的动力输出通过皮带12与抛光主轴7连接。
51.夹具14、x方向电动滑板15、y方向电动滑板16和基座17均位于抛光头3下方，y方向电动滑板16滑动安装在基座17上，x方向电动滑板15滑动安装在y方向电动滑板16上，夹具14固定在x方向电动滑板15上。夹具14为导电真空夹具。
52.待加工的球面工件13通过金属真空吸盘14固定在工作台面上，可以通过x方向电动滑板15和y电动滑板16实现x、y两个方向的移动。球面工件13通过金属真空吸盘14和导线与电化学工作站18的正极电连接作为加工系统的阳极。电化学抛光装置6固定于抛光主轴7上，抛光主轴7通过皮带12和皮带轮在电机10的带动下可实现高速旋转，同时抛光主轴7和电机10均通过安装板22固定在立式电动升降板8上，可实现上下移动。如图1所示，电化学工作站18的负极通过第一导线与导电滑环11的外环相连，电解液2驻存于金属制成的中空抛光轴1中，导电滑环11的内环通过第二导线与抛光主轴7连接，进而实现与金属制成的中空抛光轴1的电连接，中空抛光轴1作为整个抛光系统的阴极。最终，中空抛光轴1(阴极)，导电滑环11，电化学工作站18，导线、真空夹具14、球面工件13构成闭合回路。通过数控系统对球面工件13和立式电动升降板8的运动轨迹进行规划，并设定进给量，实现对球面工件8的电化学机械抛光。
53.同理，图1所示的电解液固定型电化学机械抛光工具6也可搭载于四轴、五轴数控机床上，实现非球面及复杂曲面的高效超精密抛光。
54.实施例3
55.参照图3，一种用于加工平面工件的电解液固定型电化学机械抛光设备，本实施例和实施例2的抛光头3作用材料相同，但结构不同，本实施例中抛光头3为平板结构，抛光头3上没有连接中空抛光轴1。
56.在进行抛光时，通过管道23将电解液2注入抛光头3的空孔19中。
57.实施例4
58.一种曲面电解液固定型电化学机械抛光方法，包括以下步骤：
59.s1、将工件5采用湿式清洗法清洗干净，去掉工件5表面的污染物、灰尘和氧化物，并用压缩空气吹干。
60.s2、根据被加工工件形貌和尺寸，在机床的数控系统中设置加工轨迹及加工参数，如进给量，抛光头转速等。
61.s3、将电解液注入抛光主轴1的空腔中，将电解液固定型电化学机械抛光装置6固定于机床上。
62.s4、通过电化学工作站18设置电化学阳极氧化改性参数，电化学阳极氧化改性参数包括电压、电流和时间等。
63.s5、开启电化学工作站18施加电压/电流。
64.s6、启动机床运动系统，通过机床的运动带动抛光头3进行曲面加工：
65.抛光头3与工件5表面发生局部接触的同时，工件表面也与抛光头中的电解液局部接触，在外加电场的作用下，碳化硅材质的工件5表面与电解液发生电化学反应改性生成软质改性层，再通过抛光头与工件5的相对运动，抛光头上的软质固结磨粒将软质改性层去除而不损伤工件材料本体。
66.s7、形状误差及表面粗糙度检测。
67.s8、判断是否满足加工要求，返回s5继续加工或结束加工。
68.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种电解液固定型电化学机械抛光装置，其特征在于，包括抛光头(3)，所述抛光头(3)由微纳米多孔材料制成，所述微纳米多孔材料中分布有若干微米级或纳米级空孔(19)。2.根据权利要求1所述的一种电解液固定型电化学机械抛光装置，其特征在于，所述抛光头(3)包括若干磨粒(20)，所述磨粒(20)通过结合剂(21)固结。3.根据权利要求2所述的一种电解液固定型电化学机械抛光装置，其特征在于，所述磨粒(20)为软质磨粒。4.根据权利要求1所述的一种电解液固定型电化学机械抛光装置，其特征在于，所述抛光头(3)与中空抛光轴(1)连接，所述中空抛光轴(1)中设置有用于容置电解液(2)的空腔，所述空腔与抛光头(3)连接。5.根据权利要求1所述的一种电解液固定型电化学机械抛光装置，其特征在于，所述抛光头(3)为半球形。6.一种电解液固定型电化学机械抛光设备，其特征在于，包括权利要求1所述的电解液固定型电化学机械抛光装置、立式背板(9)、基座(17)和电化学工作站(18)；所述立式背板(9)上安装有竖向移动装置，所述竖向移动装置上安装有抛光主轴(7)，所述抛光主轴上安装有电解液固定型电化学机械抛光装置，所述电解液固定型电化学机械抛光装置下方设置有夹具(14)，所述夹具(14)通过水平移动装置安装在基座(17)上。7.根据权利要求6所述的一种电解液固定型电化学机械抛光设备，其特征在于，所述水平移动装置包括y方向电动滑板(16)和x方向电动滑板(15)，所述y方向电动滑板(16)滑动安装在基座(17)上，x方向电动滑板(15)滑动安装在y方向电动滑板(16)上，夹具(14)固定在x方向电动滑板(15)上。8.根据权利要求6所述的一种电解液固定型电化学机械抛光设备，其特征在于，所述抛光主轴(7)由电机(10)驱动。9.基于权利要求6所述的电化学机械抛光设备的一种电解液固定型电化学机械抛光方法，其特征在于，向抛光头(3)中加入电解液(2)，使电解液(2)渗透扩散至抛光头(3)和工件的界面处并保持在抛光头(3)中；在抛光过程中，工件(5)上只有与抛光头(3)相接触的部位与电解液(2)作用发生阳极氧化生成软质的改性层(4)，同时通过抛光头(3)和工件(5)的相对运动将生成的改性层(4)去除，实现曲面工件(5)的加工。10.根据权利要求9所述的一种电解液固定型电化学机械抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、根据被加工工件形貌和尺寸，设置加工轨迹及加工参数，如进给量，抛光头转速等；s2、将电解液(2)注入抛光头(3)中；s3、通过电化学工作站(18)设置电化学阳极氧化改性参数；s4、开启电化学工作站(18)施加电压/电流；s5、驱动抛光头(3)对工件(5)进行加工：抛光头(3)与工件(5)表面发生局部接触的同时，工件表面也与抛光头中的电解液(2)局部接触，在外加电场的作用下，工件(5)表面与电解液发生电化学反应改性生成软质改性层，再通过抛光头(3)与工件(5)的相对运动，抛光头(3)上将改性层去除；s6、进行形状误差及表面粗糙度检测；s7、判断是否满足加工要求，返回s4继续加工或结束加工。

技术总结
本发明公开了一种电解液固定型电化学机械抛光方法、装置与设备，所述电解液固定型电化学机械抛光装置包括抛光头，所述抛光头由微纳米多孔材料制成，所述抛光头包括若干磨粒，所述磨粒通过结合剂固结，所述抛光头分布有若干空孔。在抛光过程中，电解液能够在微纳米多孔材料抛光头的微纳米孔内驻留，而不会溢流，因此可以实现对电解液的控制。当工件表面与抛光头相接触时，工件表面也与抛光头内部驻留的电解液产生局部接触，在电场的作用下，工件表面与电解液接触的区域发生电化学反应，实现局部阳极氧化改性，同时通过抛光头与工件的相对运动，利用磨粒实现对改性层的去除。利用磨粒实现对改性层的去除。利用磨粒实现对改性层的去除。


技术研发人员：杨晓喆 杨旭 蒋庄德
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/20