CN109848662B - 一种可调控结构色微沟槽阵列的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调控结构色微沟槽阵列的加工方法，基于数控机床的加工装置，一，工件装夹在数控机床的水平运动台上，设定水平运动台的基准高度、切削深度、X向进给速度和Z向进给量，启动刀盘主轴使飞刀旋转，对工件的表面进行超精密表面切平加工，保障工件表面的粗糙度在10nm以内；二，得到平面飞切加工过的工件后，将飞刀换成尖刀，设定水平运动台的基准高度、名义切削深度和X向进给量，启动刀盘主轴使尖刀高速旋转并沿Z向进给，单次Z向进给程序完成后，工件表面会形成一列由多条圆弧形微沟槽并排而成的微沟槽阵列。本发明可以加工可见光波长尺度的微沟槽阵列，加工效率高，在结构色微沟槽加工中具有尺寸精确控制、加工效率高等优势。
Description
技术领域
本发明涉及结构色加工方法的技术领域，特别是涉及一种可调控结构色微沟槽阵列的加工方法。
背景技术
结构色是一种物理颜色，即在无任何色素涂覆下在自然光照下呈现特定的颜色。结构色的产生是由于物体表面的微纳结构的尺寸接近可见光波长，微纳结构与入射光相互作用而引起的反射、散射、干涉等光学现象而呈现某种单色。在自然界中，很多生物的外壳、表皮因为存在着微纳结构，利用出结构色现象适应环境而生活。微沟槽是形成结构色最基础的微纳结构，在结构色设计与制造中受到广泛的重视。但是目前利用微沟槽阵列来呈现结构色面对的主要困难是：如何精密地控制相邻微沟槽之间的尺寸在所设计的单色光的范围内、如何提高结构色微沟槽阵列加工效率，例如难以实现单次走刀就能完成大面积结构色的加工。
在微纳米微沟槽阵列的加工中，光刻技术可在硅基衬底的表面制造出突破衍射极限的微纳米结构的加工。光刻技术的步骤是：旋涂光刻胶、对准曝光、显影、刻蚀、检测等。光刻加工经过曝光、显影处理后将掩膜的图案复制在光刻胶上，然后经过刻蚀将图案传导至基体材料上。用光刻技术加工结构色微沟槽阵列时，在掩膜上制备微沟槽阵列经过一次曝光就可以得到微沟槽阵列。
结构色微沟槽的尺寸为几百纳米，因此利用光刻技术加工时，制备有微沟槽图案的掩膜具有很大的困难。光刻加工仅依赖掩膜的图案来实现微沟槽的加工，其无法实现不同截面形状的微沟槽的生成，例如通常得到的微沟槽截面形状是矩形，无法得到V形、圆弧形等截面形状。光刻加工微沟槽时，由于整个工艺流程很复杂，每个环节存在的误差累计会对微沟槽的表面质量有重大影响。光刻加工结构色微沟槽阵列方面有较大的局限，微沟槽精度不高，结构色显示效果大打折扣，工艺繁琐切操作难度大。
发明内容
本发明的目的是提供一种可调控结构色微沟槽阵列的加工方法，以解决上述现有技术存在的问题，使微沟槽加工的表面质量和精度提高，工艺流程简单、易操作。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种可调控结构色微沟槽阵列的加工方法，基于数控机床的加工装置，包括平面飞切加工和结构色微沟槽加工两个步骤，具体为：
步骤一，工件装夹在数控机床的水平运动台上，设定水平运动台的基准高度、切削深度、X向进给速度和Z向进给量，启动刀盘主轴，使飞刀旋转，对工件的表面进行超精密表面切平加工，保障工件表面的粗糙度在10nm以内；
步骤二，得到平面飞切加工过的工件后，切换刀具，将飞刀换成尖刀，重新设定水平运动台的基准高度、名义切削深度和X向进给量，启动刀盘主轴使尖刀高速旋转并沿Z向进给，单次Z向进给程序完成后，工件表面会形成一列由多条圆弧形微沟槽并排而成的微沟槽阵列。
优选的，所述步骤一中所述X向进给速度为300mm/min，所述Z向进给量为10μm，飞刀转速为3000r/min。
优选的，所述飞刀为刀尖半径为2-20mm的圆弧刀具，所述尖刀为90度尖刀、梯形刀、方形刀、三角形刀或弧形刀。
优选的，所述步骤二中所述Z向进给速度为0.9-2.4mm/min，所述名义切削深度为0.2-2μm。
优选的，所述步骤二中，改变所述Z向进给速度能够改变微沟槽之间的间距，控制微沟槽的间距在所需要的波长范围内，能够对微沟槽阵列表现出结构色进行调控。
优选的，所述步骤二中，微沟槽的截面形状通过改变尖刀的切削刃形状或改变尖刀的装夹角度来改变。
优选的，所述步骤二中的所述尖刀为单点金刚石刀具，且所述尖刀的切削轨迹为弧线形。
优选的，还包括步骤三，通过编制数控机床的程序，控制尖刀的运行轨迹，完成多列的圆弧形微沟槽，多列所述微沟槽并排而成微沟槽阵列。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的可调控结构色微沟槽阵列的加工方法可以加工可见光波长尺度的微沟槽阵列，与光线的共同作用下表现出特定的颜色，表现出结构色现象；且本发明提出采用飞切加工轴向进给的方法来加工微沟槽阵列，飞切加工轴向进给过程中飞刀旋转的每一圈都会在工件表面形成一个微沟槽，每次轴向进给后都会形成一列微沟槽阵列，加工效率高；微沟槽的截面形状可以通过使用不同形状的尖刀以及调整飞刀的装夹角度来改变，在结构色微沟槽加工中具有尺寸精确控制、加工效率高等优势。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明可调控结构色微沟槽阵列的加工方法的工艺流程图；
图2为本发明可调控结构色微沟槽阵列的加工设备的结构示意图；
图3为本发明中微沟槽阵列的示意图；
其中：1-工件，2-尖刀，3-微沟槽。
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付出创造性劳动的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可调控结构色微沟槽阵列的加工方法，以解决现有技术存在的问题，使微沟槽加工的表面质量和精度提高，工艺流程简单、易操作。
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1至图3所示：本实施例提供了一种可调控结构色微沟槽阵列的加工方法，基于数控机床的加工装置，包括平面飞切加工和结构色微沟槽加工两个步骤，具体为：
步骤一，工件1装夹在数控机床的水平运动台上，设定水平运动台的基准高度、切削深度、X向进给速度和Z向进给量，启动刀盘主轴，使飞刀旋转，对工件1的表面进行超精密表面切平加工，保障工件1表面的粗糙度在10nm以内；
步骤二，得到平面飞切加工过的工件1后，切换刀具，将飞刀换成尖刀2，重新设定水平运动台的基准高度、名义切削深度和X向进给量，启动刀盘主轴使尖刀2高速旋转并沿Z向进给，单次Z向进给程序完成后，工件1表面会形成一列由多条圆弧形微沟槽3并排而成的微沟槽阵列。
步骤一中X向进给速度为300mm/min，Z向进给量为10μm，飞刀转速为3000r/min。其中，飞刀为刀尖半径为2-20mm的圆弧刀具，尖刀2为90度尖刀、梯形刀、方形刀、三角形刀或弧形刀；尖刀2为单点金刚石刀具，且尖刀2的切削轨迹为弧线形。微沟槽3的截面形状与刀尖的形状一致，因此改变刀尖形状及刀具装卡方式就能满足不同截面形状微沟槽阵列的制造需求，设备和工艺简单。飞刀采用单点金刚石刀具，切削刃更接近于理想刀具，加工出的微沟槽阵列质量好，精度高。
具体的，步骤二中Z向进给速度为0.9-2.4mm/min，名义切削深度为0.2-2μm。改变Z向进给速度能够改变微沟槽3之间的间距，控制微沟槽3的间距在所需要的波长范围内，能够对微沟槽阵列表现出结构色进行调控。微沟槽3的截面形状通过改变尖刀2的切削刃形状或改变尖刀2的装夹角度来改变。其中，相邻沟槽之间的间距通过改变Z向进给速度调控，将其调整到单色光的波长范围内(380-780nm)，拥有单色光波长间距的微沟槽阵列在与光的共同作用下呈现出特定的颜色，不同的间距范围内对应着不同的结构色。微沟槽3的截面形状除了与刀尖的形状有关以外，还与刀具在刀盘上装夹的角度有关，飞刀刀柄方向与飞刀盘之间的角度(不共面)改变时，微沟槽3的形状随之变化，即可实现多种截面形状的结构色微沟槽阵列加工，改变微沟槽3的截面形状的操作简单且精度高。
还包括步骤三，通过编制数控机床的程序，控制尖刀2的运行轨迹，完成多列的圆弧形微沟槽3，多列微沟槽3并排而成微沟槽阵列。
本实施例的可调控结构色微沟槽阵列的加工方法，基于数控机床的加工装置，提出利用尖刀2沿Z向进给的方法加工微沟槽3的结构色单元；在飞刀转速一定的条件下，通过调整Z向进给速度，可以将微沟槽3之间的间距控制在与可见光共同作用能显色所需要的波长范围内，使微沟槽阵列表现出结构色并进行调控；结构色微沟槽3的截面形状可以通过改变尖刀2的刀具形状以及装夹角度来改变。本实施例微沟槽3的深度和长度完全一致，单个微沟槽3是飞刀进给过程中的旋转一圈切成的，即圆弧形微沟槽3的几何半径等于飞刀刀尖的旋转半径，其中沟槽的深度从两侧到中部逐渐增大。本实施例的设备和工艺简单，加工出的微沟槽阵列质量好，精度高。
本说明书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 (6)
1.一种可调控结构色微沟槽阵列的加工方法，其特征在于：基于数控机床的加工装置，包括平面飞切加工和结构色微沟槽加工两个步骤，具体为：
步骤一，工件装夹在数控机床的水平运动台上，设定水平运动台的基准高度、切削深度、X向进给速度和Z向进给量，启动刀盘主轴，使飞刀旋转，对工件的表面进行超精密表面切平加工，保障工件表面的粗糙度在10nm以内；
步骤二，得到平面飞切加工过的工件后，切换刀具，将飞刀换成尖刀，重新设定水平运动台的基准高度、名义切削深度和X向进给量，启动刀盘主轴使尖刀高速旋转并沿Z向进给，单次Z向进给程序完成后，工件表面会形成一列由多条圆弧形微沟槽并排而成的微沟槽阵列，所述微沟槽的深度和长度完全一致，单个所述微沟槽是飞刀进给过程中的旋转一圈切成的，所述微沟槽的几何半径等于飞刀刀尖的旋转半径，所述弧形微沟槽的深度从两侧到中部逐渐增大；所述尖刀为单点金刚石刀具，且所述尖刀的切削轨迹为弧线形；微沟槽的截面形状通过改变尖刀的切削刃形状或改变尖刀的装夹角度来改变。
2.根据权利要求1所述的可调控结构色微沟槽阵列的加工方法，其特征在于：所述步骤一中所述X向进给速度为300mm/min，所述Z向进给量为10μm，飞刀转速为3000r/min。
3.根据权利要求1所述的可调控结构色微沟槽阵列的加工方法，其特征在于：所述飞刀为刀尖半径为2-20mm的圆弧刀具，所述尖刀为90度尖刀、梯形刀、方形刀、三角形刀或弧形刀。
4.根据权利要求1所述的可调控结构色微沟槽阵列的加工方法，其特征在于：所述步骤二中Z向进给速度为0.9-2.4mm/min，所述名义切削深度为0.2-2μm。
5.根据权利要求1所述的可调控结构色微沟槽阵列的加工方法，其特征在于：所述步骤二中，改变Z向进给速度能够改变微沟槽之间的间距，控制微沟槽的间距在所需要的波长范围内，能够对微沟槽阵列表现出结构色进行调控。
6.根据权利要求1所述的可调控结构色微沟槽阵列的加工方法，其特征在于：还包括步骤三，通过编制数控机床的程序，控制尖刀的运行轨迹，完成多列的圆弧形微沟槽，多列所述微沟槽并排而成微沟槽阵列。
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