專利名稱：納米級精度的表面熨壓處理與微納結(jié)構(gòu)陣列加工平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及機電類，特別涉及一種應(yīng)用于微納驅(qū)動控制、超精密加工、微納加 工、精密光學(xué)以及航空航天等領(lǐng)域的納米級精度的表面熨壓處理與微納結(jié)構(gòu)陣列加工平臺。
背景技術(shù)：
近年來，隨著微電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、光學(xué)、數(shù)據(jù)存儲、超精密機械及其制造等學(xué)科的 迅猛發(fā)展，人們對工件的表面質(zhì)量及其可用性提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的降低工件表 面粗糙度的方法大都采用多次切削、磨床磨削乃至于超精密加工等手段，工藝復(fù)雜不說，還 難以保證工件的表面質(zhì)量，特別是不具備工件表面強化的功能。而如果采用傳統(tǒng)的表面強 化方法，除對設(shè)備要求較高外，往往還會對工件的表面精度產(chǎn)生不利的影響。此外，在微納 加工領(lǐng)域，具有微納結(jié)構(gòu)特征的陣列結(jié)構(gòu)的高效、高精度、低成本加工，一直是困擾工程界 的技術(shù)難題，從而直接制約了精密光學(xué)技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展，限制了現(xiàn)代制造業(yè) 的整體水平。因此，有必要設(shè)計一種既能實現(xiàn)工件表面平坦化處理，又能對工件表面預(yù)加應(yīng) 力和表面強化的納米級超精密工具。
實用新型內(nèi)容本實用新型提供一種納米級精度的表面熨壓處理與微納結(jié)構(gòu)陣列加工平臺，解決 了上述問題。本實用新型具有高精度、響應(yīng)迅速、便于操作使用等特點，能夠較大程度的降 低工件表面粗糙度，實現(xiàn)工件表面的平坦化處理，又能對工件表面預(yù)加應(yīng)力和表面強化；同 時，利用確定尖端形式的工具頭或鋼球還能實現(xiàn)特定形狀微納結(jié)構(gòu)陣列的超精密塑性加工。本實用新型解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是納米級精度的表面熨壓處理與微納結(jié)構(gòu)陣列加工平臺，包括支撐單元、驅(qū)動單元 及預(yù)緊機構(gòu)，所述支撐單元由包括支撐單元13及支撐單元116，該支撐單元13與支撐單元 116螺紋連接；所述驅(qū)動單元包括工具頭1、碟簧2、工具頭座4及壓電疊堆5，該壓電疊堆 5設(shè)置于工具頭座4的矩形槽中，工具頭座4的中部以柔性鉸鏈8傳動；工具頭1置于工具 頭座4前端的錐形槽中，碟簧2置于支撐單元13與工具頭1之間。用于實現(xiàn)鋼球的反向回 彈；工具頭1和碟簧2相互配合，為配套式的可更換元件，根據(jù)特定加工要求可更換為不同 直徑的鋼球或特定尖端形式的工具頭；所述預(yù)緊機構(gòu)由預(yù)緊螺釘7與支撐單元II 6的螺紋 相互配合構(gòu)成，通過手動調(diào)節(jié)方式實現(xiàn)預(yù)緊。所述的工具頭1為鋼球，根據(jù)特定加工要求可更換為不同直徑的鋼球或特定尖端 形式的工具頭；工具頭座4為鋼球座。所述壓電疊堆5為可控面型的精密致動元件，通過對壓電疊堆5施加電壓，使工具 頭座4伸長，推動鋼球1沿壓電疊堆軸線方向進行納米級精密直線運動。所述工具頭座4中部有一組薄壁柔性鉸鏈8，薄壁柔性鉸鏈通過電火花線切割方 式加工而成，在壓電疊堆5的直接推力作用下，可產(chǎn)生精密彎曲變形，在壓電疊堆5直接推 力作用撤銷時，柔性鉸鏈8可產(chǎn)生反向回彈作用。[0011]所述碟簧2位于支撐單元3前部與工具頭1之間，壓電疊堆5直接推力作用撤銷 后，可推動工具頭1回到初始位置，同時碟簧2的圓孔有校正工具頭(鋼球)1球心的作用。本實用新型通過控制壓電疊堆5的驅(qū)動電壓，使工具頭座4中部的薄壁柔性鉸鏈 8產(chǎn)生確定量值的精密伸長運動，推動工具頭1產(chǎn)生確定量值的納米級精密直線位移，在撤 去電壓之后，通過碟簧2和薄壁柔性鉸鏈8的反向回彈作用使鋼球回到初始位置。通過工 具頭1對工件表面施加確定壓力或確定壓深的連續(xù)機械式熨壓作用，可實現(xiàn)對工件表面的 光整化處理、提高其表面質(zhì)量，還可達到表面強化的功能。通過不同直徑的鋼球或具有確定 尖端形狀的工具頭對平面或回轉(zhuǎn)表面進行斷續(xù)的壓入作用，還可實現(xiàn)特定形狀微納結(jié)構(gòu)陣 列的精密塑性加工。本實用新型的積極效果是通過使鋼球或其他形狀的工具頭球產(chǎn)生微小的位移， 在工件表面進行熨壓，從而既能實現(xiàn)較大程度的降低工件表面粗糙度，又能達到對工件表 面預(yù)加應(yīng)力和表面強化的效果，同時利用確定尖端形式的工具頭或鋼球還可實現(xiàn)特定形狀 的微納結(jié)構(gòu)陣列的超精密塑性加工。
圖1是本實用新型的剖視示意圖。圖2是本實用新型的外觀示意圖。圖3是本實用新型的驅(qū)動單元結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本實用新型的柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)原理圖。其中的δ = F/K，K為柔性鉸鏈的彎 曲剛度，δ為柔性鉸鏈微變形，F(xiàn)為加在柔性鉸鏈自由端的外力。
具體實施方式
參見圖1至圖4，納米級精度的表面熨壓處理與微納結(jié)構(gòu)陣列加工平臺，包括支撐 單元、驅(qū)動單元及預(yù)緊機構(gòu)，所述支撐單元由包括支撐單元13及支撐單元116，該支撐單元 13與支撐單元116螺紋連接；所述驅(qū)動單元包括工具頭1、碟簧2、工具頭座4及壓電疊堆 5，該壓電疊堆5設(shè)置于工具頭座4的矩形槽中，工具頭座4的中部以柔性鉸鏈8傳動；工具 頭1置于工具頭座4前端的錐形槽中，碟簧2置于支撐單元13與工具頭1之間。用于實現(xiàn) 鋼球的反向回彈；工具頭1和碟簧2為配套式的可更換元件，根據(jù)特定加工要求可更換為不 同直徑的鋼球或特定尖端形式的工具頭；所述預(yù)緊機構(gòu)由預(yù)緊螺釘7與支撐單元116的螺 紋相互配合構(gòu)成，通過手動調(diào)節(jié)方式實現(xiàn)預(yù)緊。所述的工具頭1為鋼球，根據(jù)特定加工要求可更換為不同直徑的鋼球或特定尖端 形式的工具頭；工具頭座4為鋼球座。所述壓電疊堆5為可控面型的精密致動元件，通過對壓電疊堆5施加電壓，使工具 頭座4伸長，推動鋼球1沿壓電疊堆軸線方向進行納米級精密直線運動。所述工具頭座4中部有一組薄壁柔性鉸鏈8，薄壁柔性鉸鏈通過電火花線切割方 式加工而成，在壓電疊堆5的直接推力作用下，可產(chǎn)生精密彎曲變形，在壓電疊堆5直接推 力作用撤銷時，柔性鉸鏈8可產(chǎn)生反向回彈作用。所述碟簧2位于支撐單元3前部與工具頭1之間，壓電疊堆5直接推力作用撤銷 后，可推動工具頭1回到初始位置，同時碟簧2的圓孔有校正工具頭(鋼球)1球心的作用。[0023]本實用新型通過控制壓電疊堆5的驅(qū)動電壓，使工具頭座4中部的薄壁柔性鉸鏈 8產(chǎn)生確定量值的精密伸長運動，推動工具頭1產(chǎn)生確定量值的納米級精密直線位移，在撤 去電壓之后，通過碟簧2和薄壁柔性鉸鏈8的反向回彈作用使鋼球回到初始位置。通過工 具頭1對工件表面施加確定壓力或確定壓深的連續(xù)機械式熨壓作用，可實現(xiàn)對工件表面的 光整化處理、提高其表面質(zhì)量，還可達到表面強化的功能。通過不同直徑的鋼球或具有確定 尖端形狀的工具頭對平面或回轉(zhuǎn)表面進行斷續(xù)的壓入作用，還可實現(xiàn)特定形狀微納結(jié)構(gòu)陣 列的精密塑性加工。本實用新型的具體工作過程如下初始狀態(tài)壓電疊堆5不帶電，系統(tǒng)處于自由狀態(tài)，通過預(yù)緊螺釘7對壓電疊堆5 進行預(yù)緊調(diào)節(jié)，然后將支撐單元6固定于機床工作臺或轉(zhuǎn)塔刀架上。當(dāng)壓電疊堆5通電伸 長時，柔性鉸鏈8在其作用下發(fā)生彈性變形而推動工具頭1輸出精密直線運動。當(dāng)壓電疊 堆5斷電回縮時，碟簧2在其自身反向回復(fù)力作用下推動工具頭1回到初始位置。工具頭1 和碟簧2為配套式的可更換元件，根據(jù)特定加工要求可更換為不同直徑的鋼球或特定尖端 形式的工具頭，可實現(xiàn)特定形狀的微納結(jié)構(gòu)陣列的超精密塑性加工。
權(quán)利要求一種納米級精度的表面熨壓處理與微納結(jié)構(gòu)陣列加工平臺，包括支撐單元、驅(qū)動單元及預(yù)緊機構(gòu)，其特征在于所述支撐單元由包括支撐單元I(3)及支撐單元II(6)，該支撐單元I(3)與支撐單元II(6)螺紋連接；所述驅(qū)動單元包括工具頭(1)、碟簧(2)、工具頭座(4)及壓電疊堆(5)，該壓電疊堆(5)設(shè)置于工具頭座(4)的矩形槽中，工具頭座(4)的中部以柔性鉸鏈傳動；工具頭(1)置于工具頭座(4)前端的錐形槽中，碟簧(2)置于支撐單元I(3)與工具頭(1)之間；所述預(yù)緊機構(gòu)由預(yù)緊螺釘(7)與支撐單元II(6)的螺紋相互配合構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米級精度的表面熨壓處理與微納結(jié)構(gòu)陣列加工平臺，其特 征在于所述的工具頭(1)為鋼球，工具頭座(4)為鋼球座。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米級精度的表面熨壓處理與微納結(jié)構(gòu)陣列加工平臺， 其特征在于所述的工具頭(1)與碟簧(2)相互配合。
專利摘要本實用新型涉及一種納米級精度的表面熨壓處理與微納結(jié)構(gòu)陣列加工平臺。由支撐單元、驅(qū)動單元、預(yù)緊機構(gòu)組成。所述支撐單元由支撐單元I與支撐單元II螺紋連接組成；所述驅(qū)動單元是將壓電疊堆設(shè)置于工具座的矩形槽中，工具座的中部以柔性鉸鏈傳動；工具頭置于工具頭座前端的錐形槽中，碟簧置于支撐單元I與工具頭之間。所述預(yù)緊機構(gòu)由預(yù)緊螺釘與支撐單元II的螺紋相互配合構(gòu)成。優(yōu)點在于降低工件的表面粗糙度、提高其表面質(zhì)量，并達到表面強化的功能；同時利用不同直徑的鋼球或具有確定尖端形狀的工具頭對平面或回轉(zhuǎn)表面進行斷續(xù)的壓入作用，還可實現(xiàn)特定形狀微納結(jié)構(gòu)陣列的精密塑性加工。
文檔編號B82B3/00GK201770470SQ20102016369
公開日2011年3月23日 申請日期2010年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月20日
發(fā)明者張洪國, 朱帥, 胡磊磊, 趙宏偉, 邢立峰, 馬志超, 黃虎 申請人:趙宏偉