CN108372322B - 金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床，包括飞刀铣削主轴、飞刀盘、刀杆、飞刀、往复振动子进给箱、子刀座、子进给刀杆和划切刀，飞刀铣削主轴安装在一主轴箱上，飞刀盘固定连接在飞刀铣削主轴上，刀杆连接在飞刀盘上，飞刀连接在刀杆上，往复振动子进给箱安装在主轴箱上，子刀座安装在往复振动子进给箱上，子进给刀杆安装在子刀座上，划切刀连接在子进给刀杆上，与飞刀和划切刀对应的加工位置设置回转工作台。本发明还公开了金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床的加工方法。本发明的机床具备飞刀铣削和划切刀划切两种加工方式，且铣削和划切两种工艺同时、同位进行，能够有效去除加工表面的残留刀痕，保证加工表面的质量。

Description

金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床及加工方法

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，特别是涉及一种金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床及加工方法。

背景技术

金字塔型微结构具有微米级面形精度和纳米级的表面粗糙度，解决了单颗LED灯所存在的发光角度小、发光强度分散的问题，因此，需求量逐年增加。

由于金字塔型微结构的表面结构复杂(如图1所示)，金字塔型微结构通常采用超精密金刚石飞刀铣削加工技术进行制造。但应用此种加工方法时，由于存在空切行程，使得加工表面残留周期性的弧形刀痕。这些周期性刀痕使光路发生了转变，产生色散，降低了光的能量，且由于刀痕呈周期性，使光产生了强烈的衍射现象。严重制约了金字塔阵列微结构在光学领域的应用。由于结构的特殊性，传统的磨削、抛光技术无法将磨头进入沟槽中。虽然理论上可采用光刻的方式去除刀痕，但光刻的加工方式作为飞刀铣削的后续工艺，需要耗费大量的时间和成本。

综上所述，如何提供一种能去除金字塔型微结构表面的残留刀痕、保证加工表面的质量的微结构加工机床成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床及加工方法，以解决上述现有技术存在的问题，使金字塔型微结构表面不存在残留刀痕，保证了加工表面的质量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床，包括飞刀铣削主轴、飞刀盘、刀杆、飞刀、往复振动子进给箱、子刀座、子进给刀杆和划切刀，所述飞刀铣削主轴安装在一主轴箱上，所述飞刀盘固定连接在所述飞刀铣削主轴上，所述刀杆连接在所述飞刀盘上，所述飞刀连接在所述刀杆上，所述往复振动子进给箱安装在所述主轴箱上，所述子刀座安装在所述往复振动子进给箱上，所述子进给刀杆安装在所述子刀座上，所述划切刀固定连接在所述子进给刀杆上，与所述飞刀和所述划切刀对应的加工位置设置有回转工作台。

优选地，所述回转工作台转动连接在一Z向滑台的上表面，所述Z向滑台的下表面设置有滑槽，所述滑槽滑动连接在一Z向导轨上。

优选地，所述主轴箱固定连接在一X向滑台的上表面，所述X向滑台的下表面设置有滑槽，所述滑槽滑动连接在一X向导轨上。

优选地，所述X向导轨和所述Z向导轨均为气浮导轨。

优选地，所述飞刀盘外缘设置有刀杆口，所述刀杆插入所述刀杆口内，所述刀杆通过螺栓紧固在所述刀杆口内。

优选地，所述飞刀盘采用螺栓固定在所述飞刀铣削主轴上。

优选地，所述飞刀焊接在所述刀杆上，所述划切刀焊接在所述子进给刀杆上。

优选地，所述飞刀铣削主轴为空气静压轴承支撑的主轴。

一种金字塔型微结构的加工方法，包括以下步骤：

1)将金字塔型微结构工件放置在所述回转工作台中心，采用压板固定的方式对所述金字塔型微结构工件进行紧固，调整所述回转工作台的位置，使所述金字塔型微结构工件位于所述飞刀盘的正下方；

2)旋转所述飞刀盘，使所述刀杆及所述飞刀与所述金字塔型微结构工件垂直，调整所述回转工作台，使所述金字塔型微结构工件的第一加工沟槽与所述飞刀的前刀面垂直，实现所述飞刀的对刀；

3)调整所述子刀座和所述子进给刀杆，保证所述划切刀与所述飞刀在切削方向上的轮廓投影误差范围在0.005微米以内；

4)通过调整所述主轴箱的位置调整所述飞刀的位置，控制所述飞刀切入所述金字塔型微结构工件的初始位置；

5)通过位于所述主轴箱内的电机带动所述飞刀旋转运动，同时，所述主轴箱沿导轨直线运动，实现对所述金字塔型微结构工件的所述第一加工沟槽的铣削加工；相应的，所述往复振动子进给箱带动所述划切刀直线振动，去除所述第一加工沟槽表面的残留刀痕；

6)待所述第一加工沟槽加工完成后，所述飞刀和所述划切刀归位；

7)重复步骤2)-步骤6)的加工方法，对其他待加工沟槽进行加工。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的机床加工包含飞刀铣削加工和子进给往复振动划切加工，具备飞刀铣削和划切刀划切两种加工方式，且飞刀铣削和划切刀划切两种工艺同时、同位进行，能够有效去除加工表面的残留刀痕，保证加工表面的质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为金字塔型微结构的结构示意图；

图2为本发明的金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床的一种角度的结构示意图；

图3为图2中的A部放大结构示意图；

图4为本发明的金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床的另一种角度的结构示意图；

其中，1为主轴箱，2为飞刀铣削主轴，3为飞刀盘，4为刀杆，5为飞刀，6为金字塔型微结构工件，7为回转工作台，8为Z向滑台，9为Z向导轨，10为子进给刀杆，11为划切刀，12为子刀座，13为往复振动子进给箱，14为X向导轨，15为X向滑台。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

本发明的目的是提供一种金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床及加工方法，以解决现有技术存在的问题，使金字塔型微结构表面不存在残留刀痕，保证了加工表面的质量。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图2-4所示，本发明提供了一种金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床，包括飞刀铣削主轴2、飞刀盘3、刀杆4、飞刀5、往复振动子进给箱13、子刀座12、子进给刀杆10和划切刀11，飞刀铣削主轴2安装在一主轴箱1上，飞刀盘3固定连接在飞刀铣削主轴2上，刀杆4连接在飞刀盘3上，飞刀5连接在刀杆4上，往复振动子进给箱13安装在主轴箱1上，子刀座12安装在往复振动子进给箱13上，子进给刀杆10安装在子刀座12上，划切刀11固定连接在子进给刀杆10上，与飞刀5和划切刀11对应的加工位置设置有回转工作台7。本发明的机床加工包含飞刀铣削加工和子进给往复振动划切加工，具备飞刀5铣削和划切刀11划切两种加工方式，且飞刀5铣削和划切刀11划切两种工艺同时、同位进行，能够有效去除加工表面的残留刀痕，保证加工表面的质量。

具体的，回转工作台7转动连接在一Z向滑台8的上表面，Z向滑台8的下表面设置有滑槽，所述滑槽滑动连接在一Z向导轨9上。通过Z向滑台8和Z向导轨9的相对直线运动，来调整金字塔型微结构工件6相对于飞刀盘3的位置。主轴箱1固定连接在一X向滑台15的上表面，X向滑台15的下表面设置有滑槽，所述滑槽滑动连接在一X向导轨14上。通过X向滑台15和X向导轨14的相对直线运动，不但方便飞刀5对刀，而且实现加工过程中主轴箱1的X方向的直线运动。

其中，X向导轨14和Z向导轨9均为气浮导轨，气浮导轨运动精度高，清洁无污染，具有较高的导向精度，与伺服驱动，传感器组成闭环系统，实现高精度位移定位。

飞刀盘3的外缘设置有刀杆口，刀杆4插入所述刀杆口内，刀杆4的一端通过螺栓紧固在所述刀杆口内，另一端与飞刀5焊接。通过螺栓连接刀杆4和飞刀盘3，不仅有利于更换刀杆4及其上的飞刀5，还方便调整飞刀5与金字塔型微结构工件6的位置关系。

进一步的，为了方便拆卸及更换，飞刀盘3采用螺栓固定在飞刀铣削主轴2上。

为了保证划切刀11与子进给刀杆10的位置关系，划切刀11焊接在子进给刀杆10上。

飞刀铣削主轴2为空气静压轴承支撑的主轴，通过采用静压轴承支撑，保证了飞刀铣削主轴2的旋转精度，且飞刀铣削主轴2上带有位置控制功能，防止加工过程中飞刀铣削主轴2的位置变化。

本发明还提供了一种金字塔型微结构的加工方法，该方法包括以下步骤：

1)将金字塔型微结构工件6放置在回转工作台7中心，采用压板固定的方式对金字塔型微结构工件6进行紧固，调整回转工作台7的位置，使金字塔型微结构工件6位于飞刀盘3的正下方；

2)旋转飞刀盘3，使刀杆4及飞刀5与金字塔型微结构工件6垂直，调整回转工作台7，使金字塔型微结构工件6的第一加工沟槽与飞刀5的前刀面垂直，实现飞刀5的对刀；

3)调整子刀座12和子进给刀杆10，保证划切刀11与飞刀5在切削方向上的轮廓投影误差范围在0.005微米以内；

4)通过调整主轴箱1的位置调整飞刀5的位置，控制飞刀5切入金字塔型微结构工件6的初始位置；

5)通过位于主轴箱1内的电机带动飞刀5旋转运动，同时，主轴箱1沿X向导轨14直线运动，实现对金字塔型微结构工件6的所述第一加工沟槽的铣削加工；相应的，往复振动子进给箱13带动划切刀11直线振动，去除所述第一加工沟槽表面的残留刀痕；

6)待所述第一加工沟槽加工完成后，飞刀5和划切刀11恢复原位；

7)重复步骤2)-步骤6)的加工方法，对其他待加工沟槽进行加工。

其中，加工过程中，往复振动子进给箱13的振动频率为500HZ。

回转工作台7安装在Z向滑台8上，Z向滑台8带动回转工作台7在Z向导轨9上做直线运动，确定金字塔型微结构工件6在Z向的位置。回转工作台7自转，确定金字塔型微结构工件6的角度位置，可实现金字塔型微结构工件6的精确定位，保证金字塔型微结构工件6每个沟槽的精密加工。主轴箱1安装在X向滑台15上，X向滑台15带动主轴箱1在X向导轨14上做直线运动，实现金字塔型微结构工件6在X向的进给运动。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床，其特征在于：包括飞刀铣削主轴、飞刀盘、刀杆、飞刀、往复振动子进给箱、子刀座、子进给刀杆和划切刀，所述飞刀铣削主轴安装在一主轴箱上，所述飞刀盘固定连接在所述飞刀铣削主轴上，所述刀杆连接在所述飞刀盘上，所述飞刀连接在所述刀杆上，所述往复振动子进给箱安装在所述主轴箱上，所述子刀座安装在所述往复振动子进给箱上，所述子进给刀杆安装在所述子刀座上，所述划切刀固定连接在所述子进给刀杆上，与所述飞刀和所述划切刀对应的加工位置设置有回转工作台。

2.根据权利要求1所述的金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床，其特征在于：所述回转工作台转动连接在一Z向滑台的上表面，所述Z向滑台的下表面设置有滑槽，所述滑槽滑动连接在一Z向导轨上。

3.根据权利要求2所述的金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床，其特征在于：所述主轴箱固定连接在一X向滑台的上表面，所述X向滑台的下表面设置有滑槽，所述滑槽滑动连接在一X向导轨上。

4.根据权利要求3所述的金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床，其特征在于：所述X向导轨和所述Z向导轨均为气浮导轨。

5.根据权利要求1所述的金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床，其特征在于：所述飞刀盘外缘设置有刀杆口，所述刀杆插入所述刀杆口内，所述刀杆通过螺栓紧固在所述刀杆口内。

6.根据权利要求1所述的金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床，其特征在于：所述飞刀盘采用螺栓固定在所述飞刀铣削主轴上。

7.根据权利要求1所述的金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床，其特征在于：所述飞刀焊接在所述刀杆上，所述划切刀焊接在所述子进给刀杆上。

8.根据权利要求1所述的金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床，其特征在于：所述飞刀铣削主轴为空气静压轴承支撑的主轴。

9.一种金字塔型微结构的加工方法，该方法应用于权利要求1-8中任一项所述的金字塔型微结构飞刀铣削和划切复合机床，其特征在于：包括以下步骤：

1)将金字塔型微结构工件放置在所述回转工作台中心，采用压板固定的方式对所述金字塔型微结构工件进行紧固，调整所述回转工作台的位置，使所述金字塔型微结构工件位于所述飞刀盘的正下方；

2)旋转所述飞刀盘，使所述刀杆及所述飞刀与所述金字塔型微结构工件垂直，调整所述回转工作台，使所述金字塔型微结构工件的第一加工沟槽与所述飞刀的前刀面垂直，实现所述飞刀的对刀；

3)调整所述子刀座和所述子进给刀杆，保证所述划切刀与所述飞刀在切削方向上的轮廓投影误差范围在0.005微米以内；

4)通过调整所述主轴箱的位置调整所述飞刀的位置，控制所述飞刀切入所述金字塔型微结构工件的初始位置；

5)通过位于所述主轴箱内的电机带动所述飞刀旋转运动，同时，所述主轴箱沿导轨直线运动，实现对所述金字塔型微结构工件的所述第一加工沟槽的铣削加工；相应的，所述往复振动子进给箱带动所述划切刀直线振动，去除所述第一加工沟槽表面的残留刀痕；

6)待所述第一加工沟槽加工完成后，所述飞刀和所述划切刀归位；

7)重复步骤2)-步骤6)的加工方法，对其他待加工沟槽进行加工。