微金字塔陣列結(jié)構(gòu)的飛刀切削技術(shù)研究

杜 丹，黃岳田，范 斌

微金字塔陣列結(jié)構(gòu)的飛刀切削技術(shù)研究

杜 丹1，黃岳田2,3*，范 斌2

1北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；2中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川 成都 610209；3中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

微結(jié)構(gòu)陣列光學(xué)元件的加工受到越來越廣泛的關(guān)注，單點(diǎn)金剛石飛刀切削技術(shù)以高效率低成本且加工精度高的優(yōu)勢，逐漸應(yīng)用于微結(jié)構(gòu)的加工。本文主要研究飛刀切削微金字塔結(jié)構(gòu)時(shí)，機(jī)床重復(fù)定位誤差和循環(huán)加工引入的誤差對(duì)微結(jié)構(gòu)切削效果的影響，分析V槽切削時(shí)次溝槽產(chǎn)生的條件，研究抑制次溝槽產(chǎn)生方法，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了可以通過控制切削深度大于最小切削深度來抑制次溝槽的產(chǎn)生。

飛刀切削；微金字塔結(jié)構(gòu)；次溝槽；切削深度

1 引 言

微結(jié)構(gòu)陣列光學(xué)元件可以實(shí)現(xiàn)減反射效應(yīng)、自聚焦效應(yīng)、電磁吸收效應(yīng)和超強(qiáng)光透射效應(yīng)等光學(xué)特性，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中，應(yīng)用對(duì)象甚至包括高分辨率生化檢測等傳感領(lǐng)域，發(fā)展前景非常可觀[1-3]。光學(xué)微結(jié)構(gòu)的加工方法主要有光學(xué)光刻、電子束直寫、聚焦離子束刻蝕和單點(diǎn)金剛石車削等。

光學(xué)光刻加工的微結(jié)構(gòu)尺寸一般在亞微米量級(jí)，可加工微結(jié)構(gòu)尺寸還受到光學(xué)衍射的物理限制，光的波長決定了其極限加工能力[4]。電子束直寫分辨率高，電子比光波還要短許多個(gè)量級(jí)，因此用電子束[5]可以盡量降低衍射的影響。但是電子束直寫效率低下，且受到適用材料范圍的局限，僅能在電子敏感聚合物材料上復(fù)形。聚焦離子束的方法加工效率較低，難以滿足批量生產(chǎn)的需求。同樣的，激光加工技術(shù)[6-7]在薄膜材料普適性和加工效率方面存在巨大困難與挑戰(zhàn)。

上述方法都存在加工材料普適性與加工效率方面的不足。特別是針對(duì)漸變輪廓的薄膜光學(xué)微結(jié)構(gòu)，光學(xué)材料的折射率沿結(jié)構(gòu)法向逐漸變化時(shí)，上述加工方法操作起來更為繁瑣，且難以保證制備的精度。而單點(diǎn)金剛石車削加工微結(jié)構(gòu)尺寸在微米量級(jí)，加工簡單且效率高，可以直接在有色金屬、紅外材料和光學(xué)塑料上加工成形，也可以在金屬磨具上加工微結(jié)構(gòu)，通過壓印等技術(shù)實(shí)現(xiàn)批量加工，微結(jié)構(gòu)形狀精度高。國內(nèi)外對(duì)單點(diǎn)金剛石車削加工微結(jié)構(gòu)展開了相應(yīng)的研究，如韓國慶尚大學(xué)的Le等[8]對(duì)車削微結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生的毛刺展開研究；上海交通大學(xué)的Deng等[9]研究卷軸上車削加工微結(jié)構(gòu)；日本東北大學(xué)的Yan等[10]對(duì)車削微結(jié)構(gòu)時(shí)的應(yīng)力和溫度進(jìn)行了仿真研究；香港理工大學(xué)的Zhu等[11]提出了加工分層微結(jié)構(gòu)的車削方式。目前對(duì)微結(jié)構(gòu)的車削研究主要集中在加工工藝的優(yōu)化，以獲得更優(yōu)的表面質(zhì)量。本文通過分析微結(jié)構(gòu)車削的尺寸誤差來源，研究抑制誤差產(chǎn)生條件，以減小尺寸誤差對(duì)微結(jié)構(gòu)車削結(jié)果的影響。微結(jié)構(gòu)飛刀切削一般需要機(jī)床四軸聯(lián)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)有機(jī)床只有三軸聯(lián)動(dòng)，因此采用端面切削來實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的飛刀切削。

2 飛刀切削

單點(diǎn)金剛石飛刀切削加工如圖1所示。金剛石刀具安裝在飛刀盤上，飛刀盤裝在主軸上隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，即刀具隨主軸旋轉(zhuǎn)切削。工件固定在工作臺(tái)上，隨機(jī)床做平面運(yùn)動(dòng)。刀具隨主軸每轉(zhuǎn)一圈，刀具與工件表面接觸一次，車削方式為斷續(xù)加工。

飛刀切削微金字塔陣列結(jié)構(gòu)加工原理如圖2，金剛石刀具安裝在飛刀盤上同主軸一起旋轉(zhuǎn)，主軸每轉(zhuǎn)一圈刀具切削工件一次，在工件表面上形成一道V形槽，隨刀尖位置移動(dòng)在工件表面加工出連續(xù)的V形槽。然后將工件旋轉(zhuǎn)90°，同樣加工一遍，兩個(gè)垂直方向的V形槽疊加即形成微金字塔陣列結(jié)構(gòu)。

飛刀切削微金字塔陣列結(jié)構(gòu)原理就是把刀尖的形狀復(fù)刻到工件表面，然后形狀疊加而成型。這種方法加工的金字塔形狀輪廓精度高，加工效率高。飛刀切削已經(jīng)廣泛應(yīng)用于V槽陣列和微金字塔陣列結(jié)構(gòu)的加工[10]，可以加工的微金字塔結(jié)構(gòu)單元尺寸達(dá)10mm。隨著應(yīng)用的需求，擴(kuò)大切削金字塔的適用范圍，研究更小特征尺寸的微金字塔結(jié)構(gòu)加工必不可少。因此展開研究深度方向1mm的微金字塔結(jié)構(gòu)飛刀切削，分析影響切削效果的因素。

圖1 飛刀切削加工方式

圖2 仿形法飛刀車削微金字塔陣列原理

3 微結(jié)構(gòu)誤差分析

微金字塔陣列結(jié)構(gòu)的飛刀切削要先加工出單方向的V槽，再根據(jù)設(shè)計(jì)將工件旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度加工另一個(gè)方向，兩個(gè)方向的V槽疊加形成相應(yīng)微金字塔陣列結(jié)構(gòu)，因此微金字塔陣列單元的特征尺寸由單方向的V槽尺寸決定。

仿形法切削加工的V形槽即刀尖形狀的復(fù)刻，與刀具的形狀相同。V形槽的特征尺寸如圖3，當(dāng)?shù)毒叩都庑螤畲_定后，刀尖角度決定了結(jié)構(gòu)尺寸的形狀特征，即寬度與高度的比值/固定，如刀具刀尖角度為90°時(shí)，/=2。特征尺寸的值通過控制刀具每轉(zhuǎn)進(jìn)給量來實(shí)現(xiàn)，特征尺寸由切削深度控制。在車削V槽時(shí)，當(dāng)切削深度未達(dá)到設(shè)計(jì)尺寸時(shí)，即使尺寸的值達(dá)到設(shè)計(jì)值，加工出的V槽會(huì)不連續(xù)。而切削深度影響車削的表面質(zhì)量，理論上切削深度越小，切削時(shí)產(chǎn)生的力越小，且切削區(qū)域溫度越低，這樣得到的切削表面質(zhì)量越好[12-13]。

為保證切削表面質(zhì)量，特征尺寸一般分幾次循環(huán)加工，直至總切削深度達(dá)到值。而循環(huán)加工存在的問題是定位誤差的影響，在加工微小尺寸結(jié)構(gòu)時(shí)效果更明顯。

圖3 V形槽的特征尺寸示意圖

超精密車削過程中，任何微小的誤差都會(huì)影響最終的切削結(jié)果。循環(huán)加工微金字塔陣列結(jié)構(gòu)時(shí)，機(jī)床的重復(fù)定位誤差是影響微槽切削效果的關(guān)鍵因素。機(jī)床重復(fù)定位誤差主要影響刀具中心的偏移，循環(huán)加工起始點(diǎn)位置發(fā)生偏移，則加工出的微結(jié)構(gòu)形狀會(huì)發(fā)生變形。

如圖4所示，用飛刀切削循環(huán)加工相鄰的連續(xù)V槽，第一次切削深度為V槽深度的一半，加工結(jié)果如圖4(a)。若切削過程中刀具中心未發(fā)生偏移，第二次切削時(shí)的刀具在第一次的基礎(chǔ)上，在切削深度方向進(jìn)給，加工出連續(xù)的V形槽，如圖4(b)。當(dāng)?shù)诙诬囅鞯毒咧行陌l(fā)生偏移時(shí)，切削效果如圖4(c)，會(huì)在V槽面上產(chǎn)生小凸起，形成次溝槽。其三維仿真結(jié)果如圖4(d)。次溝槽的產(chǎn)生會(huì)影響V槽的成像效果，在加工時(shí)是要避免的。

圖4 刀具中心偏移對(duì)V槽切削效果影響

要減小刀具中心偏移造成的切削次溝槽，分析刀具中心偏移與單次切削深度的關(guān)系，如圖5，刀具刀尖角度為90°時(shí)，循環(huán)兩次加工V槽結(jié)構(gòu)。

當(dāng)?shù)毒咧行钠屏看笥谇邢魃疃?，如圖5(a)，第一次切削會(huì)有部分殘留沒有車到，交界處產(chǎn)生次溝槽，次溝槽的位置與兩次切削的交界位置相關(guān)。當(dāng)?shù)毒咧行钠屏啃∮谇邢魃疃?，如圖5(b)，第二次切削會(huì)在第一次切削的輪廓下繼續(xù)往下切削，不會(huì)形成過渡區(qū)域，則并沒有次溝槽生成。因此要保證沒有次溝槽的生成，必須滿足刀具中心偏移量小于切削深度。刀具中心的偏移量與加工條件相關(guān)，如機(jī)床重復(fù)定位精度，可以通過實(shí)驗(yàn)獲得加工時(shí)最大的刀具中心偏移量max。這是一個(gè)相對(duì)固定的值，而切削深度是可以設(shè)定的。由此可以得到不產(chǎn)生次溝槽的最小切削深度min:

min=max。

循環(huán)加工時(shí)只要保證單次切削深度大于刀具中心最大偏移量，則每次切削都不會(huì)產(chǎn)生次溝槽。刀具中心偏移誤差主要受機(jī)床定位誤差影響，一般超精密機(jī)床定位精度很高，可以達(dá)到亞微米級(jí)。但循環(huán)加工還要考慮重復(fù)定位誤差，且加工過程中引入的其他環(huán)境誤差會(huì)隨循環(huán)次數(shù)增多而變大。實(shí)際的刀具中心偏移量要遠(yuǎn)大于機(jī)床標(biāo)定的定位精度值和重復(fù)定位精度值，因此在實(shí)際加工中要找到最小切削深度來保證微結(jié)構(gòu)的切削表面質(zhì)量。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

理論分析在飛刀加工V槽時(shí)，切削深度會(huì)影響次溝槽的產(chǎn)生，因此用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證切削深度與刀具中心偏移誤差的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)機(jī)床為Precitech Nanoform 700 ultra，刀具為刀尖角度90°的尖刀，工件材料選用6061鋁。本次實(shí)驗(yàn)的微V槽陣列特征尺寸橫向?qū)挾?mm，深度1mm。加工機(jī)床的額定的運(yùn)動(dòng)軸定位精度達(dá)到0.2mm，實(shí)際加工中造成的刀具中心偏移誤差會(huì)大于這個(gè)值，因此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)單次切削深度分別為200 nm、500 nm和1mm來飛刀切削微V槽結(jié)構(gòu)。切削實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1，用相同的加工轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度加工連續(xù)的V槽。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6。圖6(a)、圖6(b)、圖6(c)分別為單次切削深度200 nm、500 nm和1mm的飛刀切削結(jié)果。圖6(a)和6(b)可以明顯看到有次溝槽的產(chǎn)生，且圖6(b)中的次溝槽尺寸要略小于圖6(a)中的次溝槽。而圖6(c)基本沒有次溝槽的產(chǎn)生。機(jī)床的額定定位精度為200 nm，實(shí)際加工中，刀具中心的偏移量顯然遠(yuǎn)大于200 nm。從圖6(b)可以估計(jì)實(shí)際的刀具中心最大偏移量略大于500 nm。因此，當(dāng)切削深度為1mm，大于刀具最大偏移量時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生次溝槽。而切削深度小于刀具最大偏移量時(shí)，次溝槽的大小還與切削深度相關(guān)，單次切削深度越小，次溝槽的影響越大。

圖5 刀具中心偏移量與切削結(jié)果示意圖

表1 飛刀切削V形槽加工參數(shù)

圖6 V形槽不同切削深度加工結(jié)果

同樣，驗(yàn)證切削深度在飛刀加工微金字塔陣列結(jié)構(gòu)時(shí)的影響，結(jié)果如圖7。圖7(a)、圖7(b)、圖7(c)分別為單次切削深度200 nm、500 nm和1mm的飛刀切削結(jié)果?？梢钥吹剑?dāng)切削深度小于刀具中心偏移誤差時(shí)，次溝槽的影響在微金字塔陣列結(jié)構(gòu)上會(huì)更明顯。圖7(a)中單個(gè)金字塔單元由于次溝槽的產(chǎn)生，被分成四個(gè)更小的單元。圖7(b)中由于次溝槽較小，只在金字塔單元頂部留下較明顯痕跡。這些不可控的次溝槽嚴(yán)重破壞了微金字塔陣列結(jié)構(gòu)，在加工中是要必須避免的。只要切削深度大于刀具中心偏移誤差，次溝槽就不會(huì)出現(xiàn)，這在V槽和微金字塔陣列結(jié)構(gòu)加工中都適用，如圖6(c)和7(c)。

圖7 微金字塔結(jié)構(gòu)不同切削深度加工結(jié)果

5 結(jié) 論

飛刀切削微金字塔陣列結(jié)構(gòu)時(shí)，刀具中心的偏移會(huì)產(chǎn)生次溝槽，對(duì)微結(jié)構(gòu)的表面和結(jié)構(gòu)功能產(chǎn)生影響，加工時(shí)需要避免。為此要得到微金字塔陣列結(jié)構(gòu)切削時(shí)的最小切削深度，要抑制次溝槽的產(chǎn)生需要單次切削深度大于最小切削深度。增大單次切削深度可以減少循環(huán)加工次數(shù)，減小循環(huán)加工過程中引入的環(huán)境誤差，提升切削表面質(zhì)量，同時(shí)提高加工效率。

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Research on flying cutting technology with micro pyramid array structure

Du Dan1, Huang Yuetian2,3*, Fan Bin2

1Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology, Beijing 100094, China;2Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, Sichuan 610209, China;3University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Principle of micro pyramid array turning with flying cutter by copying method

Overview:Microstructure optical elements are playing an increasingly important role in optical systems, and the corresponding application needs promote the research of microstructural processing technology. The main processing methods of optical microstructures are optical lithography, electron beam direct writing and focused ion beam etching. These methods all have shortcomings in universality and efficiency of processing materials. Especially for the thin film optical microstructures with gradual profile, when the refractive index of the optical materials changes along the normal direction of the structure, the processing method mentioned above is more complicated and difficult to guarantee the accuracy of the preparation. Single-point diamond flying tool turning has attracted wide attention due to its advantages of high efficiency, low cost and high precision. Considering the linkage of machine tool axis, we use end face flying cut by four axis linkage. The principle of flying cutter turning micro-pyramid structure is profiling, and the shape of the cutter is carved on the surface of the workpiece. This ultra-precision turning method requires strict processing conditions, and any small errors introduced by minor changes will affect the final turning results. For example, the repeated positioning errors of machine tools and the vibration interference in the process of machining will affect the turning surface quality. Especially in the processing of micro-structure arrays with micron size, the ultimate impact is the deviation of tool center, which makes unexpected errors on the turning surface. We study the micro-structure size error caused by tool center deviation. By analyzing the influence of tool center offset on the turning results of micro-V groove in the process of cyclic machining, the reason of secondary groove in V groove turning is obtained, and the method of restraining secondary groove is put forward, that is, controlling the depth of single turning is greater than the error of tool center offset. According to the processing conditions and experiments, the maximum deviation error of the tool center can be obtained, which is the minimum turning depth of the fly cutting when turning the micro-structure. To ensure that the turning depth is greater than this value, the generation of sub-grooves can be restrained. The validity of the theoretical analysis is verified by the experiment of turning micro-V groove and micro-pyramid structure with fly cutting. When the single turning depth is less than the deviation error of tool center, the turning results of micro-V groove and micro-pyramid structure are the same as the theoretical analysis.

Citation: Du D, Huang Y T, Fan BResearch on flying cutting technology with micro pyramid array structure[J]., 2020, 47(8): 190179

Research on flying cutting technology with micro pyramid array structure

Du Dan1, Huang Yuetian2,3*, Fan Bin2

1Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology, Beijing 100094, China;2Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu, Sichuan 610209, China;3University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

The fabrication of optical elements with microstructural arrays has attracted more and more attention. Single-point diamond flying cutting technology has been gradually applied to the fabrication of microstructures with the advantages of high efficiency, low cost and high machining accuracy. This paper mainly studies the influence of repeated positioning errors of machine tools and errors introduced by cyclic machining on micro-structure turning effect when flying cutter turning micro-pyramid structure, analyses the conditions of secondary groove generation in V-groove turning, studies the methods of restraining secondary groove generation, and finally verifies through experiments that the generation of secondary groove can be restrained by controlling the turning depth greater than the minimum turning depth.

flying cutting; micro-pyramid structure; sub-groove; turning depth

TH74

A

10.12086/oee.2020.190179

: Du D, Huang Y T, Fan B. Research on flying cutting technology with micro pyramid array structure[J]., 2020,47(8): 190179

杜丹，黃岳田，范斌. 微金字塔陣列結(jié)構(gòu)的飛刀切削技術(shù)研究[J]. 光電工程，2020，47(8): 190179

* E-mail: hytsze@qq.com

2019-04-17；

2019-09-02

杜丹(1979-)，女，碩士，主要從事航天裝備與系統(tǒng)工程專業(yè)的研究。E-mail：16726368@qq.com

黃岳田(1991-)，男，博士，講師，主要從事光學(xué)加工的研究。E-mail：hytsze@qq.com