CN111300167B - 一种薄壁复杂结构单晶金刚石惯导器件的超精密加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超精密加工领域，具体涉及一种薄壁复杂结构单晶金刚石惯导器件的超精密加工方法，包括以下步骤：(1)单晶金刚石双面抛光；(2)五轴联动皮秒和飞秒激光复合加工惯导器件形貌结构；(3)惯导器件整体浸入抛光液中进行化学机械抛光。本发明首先通过双面抛光，获得高精度的器件基体；其次通过皮秒和飞秒激光复合刻蚀，实现器件复杂结构的高精高效加工；最后结合超声、加热、电磁等复合能场对将刻蚀好的单晶金刚石惯导器件整体化学机械抛光，完成工件的超精密加工。本发明的复合加工方式，解决了传统的硅和石英惯导器件性制导精度低及单晶金刚石复杂结构器件加工困难，加工表面损伤层大、整体质量差的问题。
Description
技术领域
本发明属于超精密加工领域，具体涉及一种薄壁复杂结构单晶金刚石惯导器件的超精密加工方法。
背景技术
高性能惯导器件不受天气及电磁干扰的影响，可以在无GPS导航下使用，广泛应用于航空、航天、航海、深海探测、军事等领域，为国际上的研究热点，也是国家的重大需求。目前的惯导器件主要采用硅和石英制造，硅惯导器件精度低，国际上的制导精度为1°；石英惯导器件制导精度高，国际上可达0.001°，但是体积大，在小型化的高性能器件上无法使用。单晶金刚石惯导器件国内外尚未见报道，因此研制精度高，体积小的单晶金刚石惯导器件以替代低制导精度的硅及体积大的石英惯导器件意义重大。
单晶金刚石具有优良的物理性能及稳定的化学性能，是目前世界上已知的最硬的物质。金刚石平面常采用机械研磨、激光抛光及动摩擦抛光等方法，加工后金刚石表面粗糙度精度较低，存在很厚的损伤层；此外，针对薄壁金刚石表面复杂结构的加工，目前国内外研究较少。化学机械抛光是目前硬脆材料超光滑表面超低损伤加工最常见的方式，五轴联动皮秒和飞秒加工可实现工件表面复杂结构的刻蚀，因此本发明结合化学机械抛光与激光刻蚀加工是解决薄壁硬脆复杂结构单晶金刚石惯导器件高精度、低损伤的有效途径。
发明内容
本发明提出了应用单晶金刚石代替硅和石英材质的惯导性器件，结合化学机械抛光与皮秒、飞秒激光复合加工的方式，改善传统惯导器件表面质量差、制导精度低的问题。
本发明的技术方案：
一种薄壁复杂结构单晶金刚石惯导器件的超精密加工方法，包括以下步骤：
步骤一，单晶金刚石惯导器件毛坯双面抛光：应用双面抛光机对器件基体进行双面抛光，抛光时，滴加抛光液A，得到单晶金刚石惯导器件基体；
步骤二，五轴联动皮秒和飞秒激光复合加工单晶金刚石惯导器件形貌结构：采用五轴联动皮秒激光在抛光后的单晶金刚石惯导器件基体上刻蚀出单晶金刚石惯导器件的形貌结构，并通过飞秒激光做进一步的修形；
步骤三，单晶金刚石惯导器件整体浸入抛光液B中进行化学机械抛光；将刻蚀好的单晶金刚石惯导器件整体浸入抛光液B中，结合超声、加热、电磁等复合能场对其进行高效超低损伤化学机械抛光；
步骤四，清洗封装：将抛光好的单晶金刚石惯导器件放入丙酮或酒精中进行超声清洗，然后吹干，并用真空袋封装保存。
进一步，所述步骤一中的抛光液A包括磨粒和化学辅助试剂，磨粒为氧化锆、金刚石或碳化硼中的一种或两种，粒径大小为1-5μm，含量为80-120g/L；化学辅助试剂包括：氯酸、过硫酸钠、双氧水中的一种或两种以上混合，含量为30-80g/L；熊果酸、乳酸中的一种或两种混合，含量为60-120g/L；其余为去离子水。
进一步，所述步骤二中的抛光液B包括磨粒和化学辅助试剂，磨粒为铁、钴、镍、氧化铈、碳化硅中的一种、两种或三种，粒径大小为50-150μm，含量为500-700g/L；化学辅助试剂包括：碘酒、双氧水中的一种或两种混合，含量为40-60g/L；草酸、单宁酸、乳酸中的一种或两种以上混合，含量为80-130g/L；其余为去离子水、煤油、水基乳化液中的一种或两种以上混合。
本发明的有益效果：本发明通过制造单晶金刚石惯导器件代替硅和石英材质的惯导器件，可提高惯导系统的制导精度，采用双面抛光器件基体，皮秒和飞秒激光复合加工器件形貌结构，最后再浸入抛光液中进行整体抛光的方法，既可实现薄壁单晶金刚石惯导器件的复杂结构快速成型，又可保证器件整体表面的光滑及超低损伤。
附图说明
图1是本发明的单金刚石惯导器件超精加工流程及示意图。
图中：1双面抛光机；2单晶金刚石惯导器件；3抛光液A；4皮秒激光；5抛光液B；6超声装置；7电磁装置；8加热装置；2-1惯导器件形貌结构。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，一种薄壁复杂结构单晶金刚石惯导器件的超精密加工方法，包括以下步骤：
步骤一，应用双面抛光机1对单晶金刚石惯导器件2(此时为毛坯)进行双面抛光，抛光时，滴加抛光液A3；本实例中抛光液A3的配方选用粒径大小为5μm，含量为95g/L的氧化锆磨料，含量为55g/L的过硫酸钠，含量为85g/L的熊果酸，其余为去离子水；
步骤二，采用五轴联动的皮秒激光4在抛光后的单晶金刚石惯导器件2基体上刻蚀出惯导器件形貌结构2-1，并通过飞秒激光4做进一步的修形；
步骤三，将刻蚀好的单晶金刚石惯导器件2整体浸入抛光液B 5中，结合超声装置6、电磁装置7、加热装置8等复合能场对其进行高效超低损伤化学机械抛光；本实例中抛光液B 5的配方选用粒径大小为150μm，含量为650g/L的铁镍混合磨料，含量为45g/L的碘酒，总含量为115g/L的草酸与单宁酸复合液(两试剂等浓度比)，其余为等浓度比的去离子水、煤油、水基乳化液混合液；
步骤四，将抛光好的单晶金刚石惯导器件2放入丙酮或酒精中进行超声清洗，然后吹干，并用真空袋封装保存。
本发明的创新点或有效益效果在于：
1.应用单晶金刚石代替传统的惯导器件材料硅和石英，该材质的惯导器件相对于硅材质的惯导器件制导精度更高，相对于石英材质可制作体积更小的惯导器件；
2.应用“双面化学机械抛光—皮秒和飞秒激光复合刻蚀—浸入式整体化学机械抛光”的复合超精加工工艺，较传统的机械研磨或单纯的刻蚀加工具有整体抛光质量好，表面损伤层低的效果；
3.本发明提供的抛光液成分以弱酸为腐蚀剂或PH调节剂，代替传统的单晶金刚石抛光时采用的氢氧化钠强碱试剂，对环境污染小。
Claims (3)
1.一种薄壁复杂结构单晶金刚石惯导器件的超精密加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，单晶金刚石惯导器件毛坯双面抛光：应用双面抛光机对器件基体进行双面抛光，抛光时，滴加抛光液A，得到单晶金刚石惯导器件基体；
步骤二，五轴联动皮秒和飞秒激光复合加工单晶金刚石惯导器件形貌结构：采用五轴联动皮秒激光在抛光后的单晶金刚石惯导器件基体上刻蚀出单晶金刚石惯导器件的形貌结构，并通过飞秒激光做进一步的修形；
步骤三，惯导器件整体浸入抛光液B中进行化学机械抛光：将刻蚀好的单晶金刚石惯导器件整体浸入抛光液B中，结合超声、加热和电磁方式对其进行化学机械抛光；
步骤四，清洗封装：将抛光好的单晶金刚石惯导器件放入丙酮或酒精中进行超声清洗，然后吹干，并用真空袋封装保存。
2.根据权利要求 1所述的一种薄壁复杂结构单晶金刚石惯导器件的超精密加工方法，其特征在于，所述步骤一中的抛光液A包括磨粒和化学辅助试剂，磨粒为氧化锆、金刚石或碳化硼中的一种或两种，粒径大小为1-5μm，含量为80-120g/L；化学辅助试剂包括：氯酸、过硫酸钠、双氧水中的一种或两种以上混合，含量为30-80g/L；熊果酸、乳酸中的一种或两种混合，含量为60-120g/L；其余为去离子水。
3.根据权利要求 1或2所述的一种薄壁复杂结构单晶金刚石惯导器件的超精密加工方法，其特征在于，所述步骤三 中的抛光液B包括磨粒和化学辅助试剂，磨粒为铁、钴、镍、氧化铈、碳化硅中的一种、两种或三种，粒径大小为50-150μm，含量为500-700g/L；化学辅助试剂包括：碘酒、双氧水中的一种或两种混合，含量为40-60g/L，草酸、单宁酸、乳酸中的一种或两种以上混合，含量为80-130g/L；其余为去离子水、煤油、水基乳化液中的一种或两种以上混合。
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