CN107350817B - 辊筒模具表面微结构的加工方法及加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辊筒模具表面微结构的加工方法及加工装置，该方法是利用高频振动微锻技术，驱动压头在辊筒模具表面进行反复振动锻压，从而在辊筒模具表面成形与压头形状相当的微结构。该加工装置是在一般集成有快速伺服刀架的超精密金刚石车床的基础上，增加高频振动微锻装置，并以该高频振动微锻装置代替快速伺服刀架，而该高频振动微锻装置包括压头以带动该压头振动的高频振动发生器。本发明利用振动冲击，使材料表面缓慢、逐步发生变形，能够改善亚表层材料塑性变形的均匀性，从而降低了微结构单元的形状误差，无需进行误差检测及补偿步骤。
Description
技术领域
本发明涉及在辊筒模具表面形成凹凸微结构阵列制作的技术领域，尤其涉及一种用于显示屏光学薄膜或导光板制造所使用辊筒模具的微结构表面实施既定的精密成形和加工的辊筒模具加工方法及加工装置。
背景技术
光学薄膜广泛应用在手机、掌上电脑及笔记本电脑等平板显示领域，其表面通常具有海量的精密微结构。采用辊筒模压将辊模表面的微结构直接转印到光学薄膜上，是光学薄膜大批量高效生产的唯一手段。另外，在大型平板显示器中所用的导光板，其表面的自由曲面微结构，同样精度要求很高，并且尺寸又大，采用加工模芯然后注塑的方式已经不能满足生产要求，采用超精密辊筒轧制，则是解决这一问题的有效方案。
由上可知，加工具有良好面形精度和表面质量的辊筒模具，是实现光学薄膜辊筒模压制造和导光板辊筒轧制生产的关键。
超精密车削加工是在材料表面加工微结构的主要方法之一，博士论文：面向微结构阵列的超精密切削加工与测量关键技术研究以及CN200810090587.4辊表面加工方法及装置，均公开了采用切削加工技术在辊筒表面加工微结构的方法。但是，车削加工方法存在下述问题：随着加工面积的增大，特别是大尺寸工件的加工时间超过刀具寿命极限时，加工过程中不可避免地出现刀具磨损的问题，导致辊筒模具表面加工质量变差，甚至导致加工失效。
平面微透镜阵列结构的加工还常采用压痕制造方法，CN201610121288.7即公开了“一种具有微透镜或微透镜阵列结构的表面的压痕制造方法”，该压痕制造方法是利用微锻静压成形技术加工出微透镜阵列结构。然而，微锻静压成形并不能使材料均匀性的塑性变形，此加工的微结构形状误差较大，需要进行误差补偿，因此在加工过程中，需要检测该误差，并根据该误差制作修整压头，再次对微结构进行压痕成形，增加制造步骤及制造成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种辊筒模具表面微结构的加工方法及加工装置，可以有效减少加工过程中的刀具磨损，满足所需面形精度及表面质量。
为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：
一种辊筒模具表面微结构的加工方法，利用高频振动微锻技术，驱动压头在辊筒模具表面进行反复振动锻压，从而在辊筒模具表面成形与压头形状相当的微结构。
一种辊筒模具表面微结构的加工方法，包括如下步骤：
步骤一，制备端部具有特定结构形状的压头；
步骤二，辊筒模具的定位与夹紧，并平整其表面；
步骤三，利用所述步骤一中的压头对辊筒模具表面进行微锻，且工作时微锻压头做高频振动，实现微锻压头对辊筒模具表面某一个微结构单元的多次重复锻压成形；
步骤四，根据辊筒模具表面微结构参数设定纵横间距，并以所述纵横间距为紧邻微结构中心距在辊筒模具表面上加工出所有微结构单元；
步骤五，微锻加工完成后，将成形过程中产生的材料隆起部分切除；
步骤六，对成形表面进行镀膜，最终获得具有特定微结构表面的辊筒模具。
优选地，在高频振动锻压过程中，对辊筒模具进行加热，从而对辊筒模具表面进行重复热压成形。
优选地，所述高频振动采用超声波振动方式，超声波振动的响应频率为1.5KHz以上、行程20-80μm、位移分辨率高于5nm。
优选地，所述辊筒模具表面在高频振动热压微锻成形过程中，所述压头的运动过程由高频微行程逐渐向低频大行程过渡。
优选地，所述压头的材料为单晶金刚石、陶瓷、轴承钢、不锈钢或硬质合金。
优选地，所述压头的形状为球形、金字塔形或刀刃形。
优选地，所述的辊筒模具为圆柱状基材的表面上按一定规律排布的凹凸微结构单元，基材选择硬铝、无氧铜或化学镀镍磷钢管；在加工前对辊筒模具表面进行超精密车削以获得辊筒模具基体。
优选地，在对微结构表面进行微锻成形时，对该微结构单元部位进行油雾润滑。
优选地，所述步骤五中，使用超精密单点金刚石车削将材料隆起部分切除。
优选地，所述对辊筒模具进行加热的方法采用外部激光加热，或者从辊筒内部进行线圈感应加热。
一种辊筒模具表面微结构的加工装置，在一般集成有快速伺服刀架的超精密金刚石车床的基础上，增加高频振动微锻装置，并以该高频振动微锻装置代替快速伺服刀架，而该高频振动微锻装置包括压头以及带动该压头振动的超声高频振动发生器。
优选地，进一步设置有可对辊筒模具进行加热的加热装置。
采用上述方案后，本发明具有如下优点：
1．与超精密金刚石车削相比，本发明采用微锻技术对辊筒模具表面的微结构进行加工，而微锻压头耐磨性能更好，使用寿命更长。
2．与微锻静压成形相比，本发明利用振动冲击，使材料表面缓慢、逐步发生变形，能够改善亚表层材料塑性变形的均匀性，从而降低了微结构单元的形状误差，无需进行误差检测及补偿步骤。
3．本发明在实际加工时，可以采用单排多头结构，这样可以明显提高成形效率。
4．本发明只需更换微锻压头，即可得到不同尺寸和类型的微结构表面。
附图说明
图1是本发明所述加工装置第一实施例的结构示意图；
图2是本发明所述加工装置第一实施例夹持有工件时的结构示意图；
图3是利用本发明所述方法微锻加工完成后在辊微模具表面产生材料隆起的结构示意图；
图4是对材料隆起部分进行切除的结构示意图；
图5是本发明所述加工装置第二实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
本发明所揭示的是一种辊筒模具表面微结构的加工方法，即利用高频振动微锻技术，驱动压头在辊筒模具表面进行反复振动锻压，从而在辊筒模具表面成形与压头形状相当的微结构。此外，在高频振动锻压过程中，可以进一步对辊筒模具进行加热，从而对辊筒模具表面进行重复热压。此外所说的高频，其频率一般不低于50Hz。
更为具体地，所述辊筒模具表面微结构的加工方法包括如下步骤：
步骤一，制备端部具有特定结构形状的压头。
可以以单晶金刚石、陶瓷、轴承钢、不锈钢或硬质合金等材料加工所述的压头，该压头形状可以为球形、金字塔形、刀刃形等。在实际加工中，可以采用单排多头（多个压头）结构，则可以明显提高成形效率。而更换微锻压头，即可得到不同尺寸和类型的微结构表面。
步骤二，辊筒模具的定位与夹紧，并平整其表面。
所述的辊筒模具在制作完成后为圆柱状基材的表面上按一定规律排布的凹凸微结构单元，基材可选择硬铝、无氧铜或化学镀镍磷钢管等。基材的平整可以超精密车削其表面。
步骤三，利用所述步骤一中的压头对辊筒模具表面进行微锻，且工作时微锻压头做高频振动，实现微锻压头对辊筒模具表面某一个微结构单元的多次重复锻压成形。
一般压头的行程在几十个微米以内，称之为微锻。高频振动可以采用超声波振动方式，超声波振动的响应频率为1.5KHz以上、行程20-80μm、位移分辨率高于5nm。在单元微结构的高频振动微锻时，考虑到变形程度的不断增加，压头的运动过程由高频微行程逐渐向低频大行程过渡。此外，在高频振动锻压过程中，为了提高辊模的塑性变形能力，可以对辊筒模具进行加热，从而对辊筒模具表面进行重复热压成形。加热方式可以采用从外部激光加热，或者从滚筒内部进行线圈感应加热。另外，在对微结构表面进行微锻成形时，可对该微结构单元部位进行油雾润滑，其优点是：微锻过程中油雾可以改善压头与工件界面的润滑条件，能够有效减少摩擦，降低表面粗糙度。
步骤四，根据辊筒模具表面微结构参数设定纵横间距，并以所述纵横间距为紧邻微结构中心距在辊筒模具表面上加工出所有微结构单元。
步骤五，微锻加工完成后，将成形过程中产生的材料隆起部分切除。
可以使用超精密单点金刚石车削将材料隆起部分切除，切削深度必须足够小，一般为1μm。如图3、4所示。
步骤六，对成形表面进行镀膜，最终获得具有特定微结构表面的辊筒模具。
本发明还揭示了一种辊筒模具表面微结构的加工装置，该装置可以在一般集成有快速伺服刀架的超精密金刚石车床的基础上，增加高频振动微锻装置，并以该高频振动微锻装置代替快速伺服刀架，而该高频振动微锻装置包括压头以及带动该压头振动的高频振动发生器。还可以进一步设置一可对辊筒模具进行加热的加热装置。
更为具体地，如图1、2所示为本发明所述加式装置的第一实施例，所述的加工装置包括X移动平台1、Y移动平台2、加热装置3、底座4、工件夹持与旋转装置5及高频振动微锻装置6。其中：
所述的X移动平台1安装于底座4的导轨上；所述的Y移动平台2安装于X移动平台1上。
所述的加热装置3可以为设置于辊筒模具外部的加热装置，其安装于Y移动平台2上，其加热头31正对后述高频振动微锻装置6的压头61上方。该加热装置3可以为激光辅助加热装置。所述的加热装置也可以为设置于辊筒内部的加热装置，例如线圈感应加热装置（未予图示）。
所述的工件夹持与旋转装置5安装在底座4上，用以夹持所述的辊筒模具7并可带动该辊筒模具7旋转。该工件夹持与旋转装置5包括支座51、主轴箱52、电机53、三爪卡盘54、顶尖55、尾架56及尾座57。所述支座51安装于底座4上；所述主轴箱52安装于支座51上；所述电机53安装于主轴箱52上；所述三爪卡盘54安装于电机53上；所述尾座57安装于底座4上；所述尾架56安装于尾座57上；所述顶尖55安装于尾架56上。所述的辊筒模具7在加工时安装在三爪卡盘54与顶尖55之间。
所述的高频振动微锻装置6包括压头61及可带动该压头61振动的高频振动发生器62，该高频振动微锻装置6安装在所述Y移动平台2上。所述的高频振动发生器62可以为压电陶瓷超声振动发生器，并进一步设置有变幅杆63以及固定装置64；所述固定装置64安装于Y移动平台2上；所述压电陶瓷超声振动发生器及变幅杆63安装于固定装置64上；所述的压头61安装在所述变幅杆63的前端。
加工时，通过X移动平台1和Y移动平台2将所述的压头61移动到辊筒模具7的第一个单元微结构处，启动加热装置3及高频振动微锻装置6对辊筒模具7进行多次重复热压，从而加工出第一个单元微结构；再利用主轴C（即工件夹持与旋转装置5）配合X移动平台1即可加工其他单元微结构，实现大面积微结构表面的制作。
如图5所示，为本发明所述加工装置的第二实施例示意图，该加工装置同样包含有X移动平台1、Y移动平台2、加热装置3、底座4、工件夹持与旋转装置5以及高频振动微锻装置6，且各部件结构与标号与上述实施例相同，在此不赘述。
本实施例所不同的是，还进一步包括安装有车削刀具的刀架8，该车削刀具用于辊筒模具在加工前的表面平整或者辊筒模具在加工后材料隆起部分的切除。该刀架8可以直接安装在所述Y移动平台2或者高频振动发生器62上，与所述的压头61并排设置，但此结构为了避免两个工具相互干涉，需要额外设置伸缩或旋转等防干涉机构。为此，本实施例在所述工件夹持与旋转装置5相对于所述高频振动微锻装置6另一侧设置第二X移动平台1′和第二Y移动平台2′，该第二X移动平台1′安装于所述底座4的导轨上，该第二Y移动平台2′安装于第二X移动平台1′上，所述的刀架8安装在该第二Y移动平台2′上。或者进一步设置第二高频振动发生器62′，该第二高频振动发生器62′安装在该第二Y移动平台2′上，所述的刀架8安装在该第二高频振动发生器62′。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。
Claims (7)
1.一种辊筒模具表面微结构的加工方法，其特征在于：利用高频振动微锻技术，驱动压头在辊筒模具表面某一个微结构单元进行反复振动锻压，从而在辊筒模具表面成形与压头形状相当的微结构；包括如下步骤：
步骤一，制备端部具有微结构的压头；
步骤二，辊筒模具的定位与夹紧，并平整其表面；
步骤三，利用所述步骤一中的压头对辊筒模具表面进行微锻，且工作时微锻压头做高频振动，实现微锻压头对辊筒模具表面某一个微结构单元的多次重复锻压成形，且所述压头的运动过程由高频微行程逐渐向低频大行程过渡；所述高频振动采用超声波振动方式，超声波振动的响应频率为1.5KHz以上、行程20-80μm、位移分辨率高于5nm；
步骤四，根据辊筒模具表面微结构参数设定纵横间距，并以所述纵横间距为紧邻微结构中心距在辊筒模具表面上加工出所有微结构单元；
步骤五，微锻加工完成后，将成形过程中产生的材料隆起部分切除；
步骤六，对成形表面进行镀膜，最终获得具有特定微结构表面的辊筒模具。
2.根据权利要求1所述的辊筒模具表面微结构的加工方法，其特征在于：在高频振动锻压过程中，对辊筒模具进行加热，从而对辊筒模具表面进行重复热压成形。
3.根据权利要求1所述的辊筒模具表面微结构的加工方法，其特征在于：在对微结构表面进行微锻成形时，对该微结构单元部位进行油雾润滑。
4.根据权利要求1所述的辊筒模具表面微结构的加工方法，其特征在于：所述步骤五中，使用超精密单点金刚石车削将材料隆起部分切除。
5.根据权利要求2所述的辊筒模具表面微结构的加工方法，其特征在于：所述对辊筒模具进行加热的方法采用外部激光加热，或者从辊筒内部进行线圈感应加热。
6.根据权利要求1-5所述一种辊筒模具表面微结构的加工方法的加工装置，其特征在于：在集成有快速伺服刀架的超精密金刚石车床的基础上，增加高频振动微锻装置，并以该高频振动微锻装置代替快速伺服刀架，而该高频振动微锻装置包括压头以及带动该压头振动的高频振动发生器。
7.根据权利要求6所述的辊筒模具表面微结构的加工装置，其特征在于：设置有可对辊筒模具进行加热的加热装置。
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