一种基于针尖轨迹运动加工微纳复合结构的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种加工微纳复合结构的装置及方法，尤其是一种基于针尖轨迹运动加工微纳复合结构的装置及方法，属于微纳米机械加工技术领域。
背景技术
通过在金属表面上加工出亚波长尺寸的光栅结构，使表面具有能够对可见光进行分光的功能，进而对金属表面实现高反射强度、高分辨率的结构着色，这在科学研究和工业应用上展现出了很大的潜质。目前，典型的实现金属表面结构着色功能的加工手段是采用激光诱导周期条纹结构，但这种方法在对结构尺寸及形状的控制上还存在着不足。相比于激光诱导加工，机械加工在加工过程的可控性以及加工结构的灵活性上体现出了优势。近些年来，随着压电驱动技术的快速发展，在椭圆振动切削加工技术中，对于刀具振动轨迹的控制越来越精准，刀具振动的频率越来越高，使得对该项加工技术的研究兴趣由改善切削过程逐渐转向实现表面微纳结构的加工。通过合理设计刀具的运动轨迹，利用轨迹包络形成未加工材料的残留，从而得到具有周期性微纳结构的金属表面。然而，受到压电陶瓷材料输出位移与响应频率相互制约的影响，为了保证足够大的刀具运动幅度，振动的频率就会降低进而影响了加工效率；而在共振刀具系统中，刀具振动的频率无法调制，刀具运动轨迹的灵活性较低。此外，复杂的压电驱动模块设计也制约了这项技术在实现金属表面微纳结构加工的广泛应用和推广。
发明内容
本发明的目的是为了解决采用椭圆振动切削技术加工亚波长金属光栅结构时激振系统设计复杂、刀具轨迹可控性不强的问题，提供一种基于针尖轨迹运动加工微纳复合结构的装置及方法，通过一次走刀进给，在金属表面上加工出侧壁带有亚波长光栅的V形微沟槽结构，实现了对微纳复合分级结构的加工。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种基于针尖轨迹运动加工微纳复合结构的装置，包括基座、z向竖直微米定位台、一维压电纳米位移台、针尖轨迹运动加工模块、数码显微镜、水平调平台以及x-y向水平定位台，所述z向竖直微米定位台固定在基座上方，用于带动刀具初步逼近加工工件表面，所述一维压电纳米位移台固定在z向竖直微米定位台上，用于控制加工深度，所述针尖轨迹运动加工模块固定在一维压电纳米位移台上，用于控制刀具的竖直公转运动，所述x-y向水平定位台固定在基座上表面，用于控制水平加工进给运动，所述水平调平台固定在x-y向水平定位台上，用于安装加工工件并可调节消除其表面倾斜度，所述数码显微镜固定在基座上表面，用于检测对刀，针尖轨迹运动加工模块包括作为刀具的三棱锥纳米压头和压头夹具、二维压电剪切叠堆，所述三棱锥纳米压头由刀柄和金刚石金针组成，所述刀柄螺纹连接固定在所述压头夹具下方，所述二维压电剪切叠堆连接固定压头夹具与一维压电纳米位移台，二维压电剪切叠堆由两个垂直安装的压电陶瓷剪切片提供位移输出，分为z向一维压电剪切片和y向一维压电剪切片。
一种基于针尖轨迹运动加工微纳复合结构的装置的方法，包括以下步骤：
步骤一：首先将刀柄的螺纹拧入压头夹具的螺纹口内，随后通过数码显微镜观察金刚石金针的空间朝向，调节金刚石金针的空间朝向，使金刚石金针的任一棱边与y轴方向平行；
步骤二：以z向竖直微米定位台带动针尖轨迹运动加工模块向下移动逐渐逼近加工工件表面，同时用数码显微镜观察金刚石金针与加工工件表面间的距离，当两者间的距离在10μm以内时，停止z向竖直微米定位台的移动，改用一维压电纳米位移台以微米步进带动针尖轨迹运动加工模块逼近加工工件，当难以通过数码显微镜观测金刚石金针与加工工件间的距离时，一维压电纳米位移台改以200nm的步进进给，同时以x-y向水平定位台的任一轴向移动加工工件，移动距离为100μm，一维压电纳米位移台每进给一次，x-y向水平定位台移动一次，然后用数码显微镜观察加工工件表面上是否有划痕产生，如没有划痕继续重复进给，如有划痕说明金刚石金针划入加工工件表面的距离在200nm以内；
步骤三：待金刚石金针与加工工件表面的一端接触后，在其上刻划出一道100μm长的沟槽，记录一维压电纳米位移台的位移值，随后以x-y向水平定位台的任一轴向移动加工工件至表面的另一端，驱动一维压电纳米位移台完成金刚石金针的接触以及刻划，记录此处一维压电纳米位移台的位移值，对比加工工件表面两处对应的位移值，根据x-y向水平定位台的移动距离调节水平调平台，消除加工工件表面在装夹时产生的倾斜度；
步骤四：完成加工工件表面的水平调节后，抬起金刚石金针，向二维压电剪切叠堆输入两路异相正弦电压驱动信号，通过调节激励电压的幅值和相位控制金刚石金针轨迹运动的形状，使金刚石金针在竖直y-z平面内以400-800nm范围的轨迹半径做公转运动，随后驱动一维压电纳米位移台，完成金刚石金针与加工工件表面的接触，以及加工深度1-5μm的设置，之后，x-y向水平定位台带动加工工件沿y轴方向进给，当金刚石金针的一个面的朝向与x-y向水平定位台的进给方向y+平行且相反时，让金刚石金针顺时针公转，进行面冲前逆铣加工，一次走刀进给后最终加工形成侧壁具有亚波长光栅结构的V形微沟槽，同样的金刚石金针朝向以及公转方向，当加工工件的进给方向为y-时，进行刃冲前顺铣加工，金刚石金针的棱边刃在犁切出V形槽的同时上述面上的两个切削刃在沟槽的侧壁上加工出亚波长光栅结构；
步骤五：在步骤四的基础上，先控制x-y向水平定位台沿y轴进行y+向加工进给，以面冲前逆铣的方式加工出一条毫米长的微纳分级微沟槽，随后控制x-y向水平定位台以两微米的进给量沿x轴进行x+/-向的侧向进给，之后控制x-y向水平定位台沿y轴进行y-向加工进给，以刃冲前顺铣的方式加工出一条毫米长的微纳分级微沟槽，再次控制x-y向水平定位台以两微米的进给量沿x轴进行x+/-向的侧向进给，至此完成一个加工循环，重复上述循环，使x-y向水平定位台沿x轴的侧向进给累计达到毫米长度，最终加工形成大范围的具有亚波长光栅结构特征的V形微沟槽阵列。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出了一种采用压电陶瓷剪切叠堆直接驱动纳米压头的方式实现微纳米分级结构加工的方法及相应装置，基于塑性金属材料切削加工中存在的最小切屑厚度现象，结合纳米压头纳米级刃口半径的优势，采用压电剪切叠堆驱动器小振幅的轨迹运动就可实现对亚波长光栅结构的加工，避免了采用椭圆振动切削加工亚波长光栅结构时为获得一定刀具运动振幅而对频率的高低及可调性的取舍，可实现对变光栅结构参数的亚波长金属光栅表面的制备，从而达到金属表面的复杂图案结构着色的功能，在光学防伪及微纳传感器等领域具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明的基于针尖轨迹运动加工微纳复合结构的装置的轴测图；
图2是本发明的针尖轨迹运动加工模块的轴测图；
图3是本发明进行面冲前逆铣加工的示意图；
图4是本发明进行刃冲前顺铣加工的示意图；
图5是本发明进行刃冲前顺铣的方式加工出的微纳分级结构的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1所示，本发明公开了一种基于针尖轨迹运动加工微纳复合结构的装置，包括基座、z向竖直微米定位台1、一维压电纳米位移台2、针尖轨迹运动加工模块3、数码显微镜5、水平调平台6、x-y向水平定位台7，所述z向竖直微米定位台1固定在基座上方，用于带动刀具初步逼近加工工件4表面，所述一维压电纳米位移台2固定在z向竖直微米定位台1上，用于控制加工深度，所述针尖轨迹运动加工模块3固定在一维压电纳米位移台2上，用于控制刀具的竖直公转运动，所述x-y向水平定位台7固定在基座上表面，用于控制水平加工进给运动，所述水平调平台6固定在x-y向水平定位台7上，用于安装加工工件4并可调节消除其表面倾斜度，所述数码显微镜5通过可调节支架固定在基座上表面，用于检测对刀，其中，针尖轨迹运动加工模块3通过转接零件固定在一维压电纳米位移台2上，参照图2所示，针尖轨迹运动加工模块3包括作为刀具的三棱锥纳米压头、压头夹具8、二维压电剪切叠堆13，所述三棱锥纳米压头由刀柄9和金刚石金针10组成，所述金刚石金针10固定在刀柄9底部，所述刀柄9螺纹连接固定在所述压头夹具8下方，所述二维压电剪切叠堆13采用环氧树脂将压头夹具8与转接零件粘接固定，二维压电剪切叠堆13由两个垂直安装的压电陶瓷剪切片提供位移输出，分为z向一维压电剪切片11和y向一维压电剪切片12，图2中转接零件以及压电叠堆的电机和绝缘垫片未进行标注；
利用上述装置进行微纳复合结构加工的方法，具体步骤如下：
步骤一：三棱锥纳米压头的金刚石金针10的空间朝向的调节过程
首先将刀柄9的螺纹拧入压头夹具8的螺纹口内，随后通过数码显微镜5观察金刚石金针10的空间朝向，通过在刀柄9和压头夹具8之间增加垫片的方式调节金刚石金针10的空间朝向，参照图2所示，使金刚石金针10的任一棱边与y轴方向平行，从而完成金刚石金针10的空间方向调节；
步骤二：金刚石金针10逼近加工工件4表面的对刀过程
以z向竖直微米定位台1带动针尖轨迹运动加工模块3向下移动逐渐逼近加工工件4表面，同时用数码显微镜5观察金刚石金针10与加工工件4表面间的距离，当两者间的距离在10μm以内时，停止z向竖直微米定位台1的移动，改用一维压电纳米位移台2以微米步进带动针尖轨迹运动加工模块3逼近加工工件4，当难以通过数码显微镜5观测金刚石金针10与加工工件4间的距离时，一维压电纳米位移台2改以200nm的步进进给，同时以x-y向水平定位台7的任一轴向移动加工工件4，移动距离为100μm，一维压电纳米位移台2每进给一次，x-y向水平定位台7移动一次，然后用数码显微镜5观察加工工件4表面上是否有划痕产生，如没有划痕继续重复进给，如有划痕说明金刚石金针10划入加工工件4表面的距离在200nm以内，完成对刀过程，加工时深度尺寸产生误差在200nm以内；
步骤三：加工工件4表面倾斜度的消除过程
待金刚石金针10与加工工件4表面的一端接触后，在其上刻划出一道100μm长的沟槽，记录一维压电纳米位移台2的位移值，随后以x-y向水平定位台7的任一轴向移动加工工件4至表面的另一端，驱动一维压电纳米位移台2完成金刚石金针10的接触以及刻划，记录此处一维压电纳米位移台2的位移值，对比加工工件4表面两处对应的位移值，根据x-y向水平定位台7的移动距离调节水平调平台6，使加工工件4表面沿x轴或y轴方向达到水平，同样的方式完成另一轴向的水平调节，从而消除加工工件4表面在装夹时产生的倾斜度；
步骤四：具有亚波长结构特征V形微沟槽的加工过程
完成加工工件4表面的水平调节后，抬起金刚石金针10，向二维压电剪切叠堆13输入两路异相正弦电压驱动信号，通过调节激励电压的幅值和相位控制金刚石金针10轨迹运动的形状，使金刚石金针10在竖直y-z平面内以400-800nm范围的轨迹半径做公转运动，随后驱动一维压电纳米位移台2，完成金刚石金针10与加工工件4表面的接触，以及加工深度1-5μm的设置，之后，x-y向水平定位台7带动加工工件4沿y轴方向进给，参照图3所示，当金刚石金针10的一个面14的朝向与x-y向水平定位台7的进给方向y+平行且相反时，让金刚石金针10顺时针公转，此时进行的是面冲前逆铣加工：金刚石金针10与加工工件4的相对运动所形成的纳米运动轨迹一16使得上述面14上的两个切削刃在直线进给刻划V形槽的同时还以纳米尺寸的未变形切屑厚度变化进行断续切削，结合针尖负前角切削的加工方式，使得断续切削的每一个加工周期内，刀具与工件材料发生以挤压和耕犁为主、剪切为辅的作用方式，进而导致被加工的纳米厚度的工件材料发生塑性变形而形成纳米波纹结构，一次走刀进给后最终加工形成侧壁具有亚波长光栅结构的V形微沟槽。参照图4所示，同样的金刚石金针10朝向以及公转方向，当加工工件4的进给方向为y-时，此时进行的是刃冲前顺铣加工：金刚石金针10与加工工件4的相对运动形成纳米运动轨迹二17，金刚石金针10的棱边刃15在犁切出V形槽的同时上述面14上的两个切削刃在沟槽的侧壁上加工出亚波长光栅结构，结合图5所示，为以刃冲前顺铣的方式加工出的微纳分级结构：V形槽18的侧壁上具有周期亚波长光栅结构19；
步骤五：微纳分级结构大范围阵列的加工过程
在步骤四的基础上，先控制x-y向水平定位台7沿y轴进行y+向加工进给，以面冲前逆铣的方式加工出一条毫米长的微纳分级微沟槽，随后控制x-y向水平定位台7以两微米的进给量沿x轴进行x+/-向的侧向进给，之后控制x-y向水平定位台7沿y轴进行y-向加工进给，以刃冲前顺铣的方式加工出一条毫米长的微纳分级微沟槽，再次控制x-y向水平定位台7以两微米的进给量沿x轴进行x+/-向的侧向进给，至此完成一个加工循环，重复上述循环，使x-y向水平定位台7沿x轴的侧向进给累计达到毫米长度，最终加工形成大范围的具有亚波长光栅结构特征的V形微沟槽阵列。由于所加工的亚波长光栅结构的周期与进给速度和针尖公转频率有关，因此，固定针尖的公转频率，在x-y向水平定位台7沿y轴进给加工每条沟槽的过程中，通过设置进给速度的变化曲线可以加工出不同周期变化的亚波长光栅结构。
本发明的核心包括，将三棱锥纳米压头作为加工所需的刀具，三条棱边的刃口具有小于40nm的钝圆半径，选用二维压电剪切叠堆13为金刚石金针10提供纳米尺寸范围的竖直公转轨迹运动，公转幅值可在2KHZ频率达到800nm。将二维压电剪切叠堆13垂直于竖直方向放置以提供竖直公转轨迹运动，使轨迹运动的平面与两个水平垂直放置的精密定位台(z向竖直微米定位台1、x-y向水平定位台7)其中之一保持平行，调整金刚石金针10朝向，使其某一棱边的切削刃与轨迹运动的平面保持重合。设置二维压电剪切叠堆13的输出位移，使金刚石金针10以400-800nm的半径竖直公转进行V形微沟槽的刻划加工，利用断续切削形成的纳米尺寸未变形切屑厚度的变化，结合针尖的负前角切削以及轨迹运动切削前角时刻变化的特点，通过控制针尖运动轨迹的形状达到对未变形切屑厚度以及切削前角变化的控制，使得断续切削的每一个加工周期内，刀具与工件材料发生以挤压和耕犁为主、剪切为辅的作用方式，进而导致在V形沟槽侧壁上纳米厚度的被加工材料发生塑性变形而形成具有亚波长尺寸的波纹结构，最终获得侧壁具有亚波长光栅结构的V形微沟槽的微纳分级结构。结合针尖朝向可调节的特点，匹配轨迹运动方向和加工进给方向，使向前加工进给(面冲前刻划)和向后加工进给(刃冲前刻划)都可加工出微纳复合微沟槽，设置两个精密定位台进行联动的配合，实现一次通过对刀就可加工得到大范围的微纳复合微沟槽阵列，同时，通过编程实现对主进给速度的可调性，从而得到光栅周期变化可控的基于亚波长光栅结构的光学功能表面。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
