CN109849079A - 一种加工微结构阵列的超精密加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加工微结构阵列的超精密加工装置，包括飞切运动装置、低频振动台和数控系统，飞切运动装置设置于X向进给平台上，低频振动台设置于Y向工作台上，Y向工作台竖直设置于Z向进给平台上，X向进给平台和Z向进给平台位于同一平面内且相互垂直，Z向进给平台与X向进给平台呈T型布置。数控系统能够控制飞切运动装置带动飞刀盘旋转并切削工件且能够控制低频振动台带动工件低频振动。本发明集成了超精密飞切加工和低频振动台的加工技术，可实现飞刀单次旋转切削深度的调控，在飞刀X轴和Y轴进给加工微沟槽阵列中，单次切削深度的变化可实现各种微观形状的沟槽阵列的加工；同时在微结构阵列超精密加工中兼具高效率、高质量的优点。

Description

一种加工微结构阵列的超精密加工装置

技术领域

本发明涉及超精密加工的技术领域，特别是涉及一种加工微结构阵列的超精密加工装置。

背景技术

微结构阵列表面在光学器件的光学性能以及机械连接件上广泛运用，微结构阵列的光学表面可以实现显示增亮，均匀发光照明，提高红外成像效果质量，光学衍射、反射以及滤镜等作用；此外，微结构表面在机械连接上可用于高精度接触面的动静密封，降低连接件之间的吸附力等功能。因此在照明、光通信、高端成像与显示、精密检测、海陆空目标探测等系统中都具有极其广泛的应用，遍布通信、制造、国家安全、科学研究等诸多领域。目前能够保证微结构阵列表面质量好，形貌精度高的加工方法主要是机械加工方法。由于单个微结构的尺寸在微纳米级且微结构阵列组成的多样化，机械加工微结构阵列对机床的精度以及自由度有较高的要求，整个机械装置也应该有很强的加工适应性。

现有的用于机械加工微沟槽阵列的装置是超精密飞切加工装置，超精密飞切加工装置的运动部分主要由飞刀高速旋转轴、横向(X向)移动进给直线运动轴、轴向(Z向)直线移动轴组成。高速旋转轴带动飞刀盘旋转，同时沿横向(X向)进给，飞刀每旋转一周都有部分参与材料的切削，单次横向(X向)进给后完成一条微沟槽的加工；接着飞刀沿着轴向(Z向)进给一个相邻沟槽之间的距离，开始第二条沟槽的飞切加工，不断重复以上过程就能在工件表面加工出微沟槽阵列。

飞切加工微沟槽时，飞刀在高速旋转轴带动下旋转。在飞刀横向(X向)进给过程中，工件材料与飞刀每一圈的轨迹相重合的部分都会被切除，微沟槽的横截面形状完全复制了刀尖的形状，每一条沟槽都是高速旋转的飞刀旋转分多次形成的。由于飞刀单次旋转的深度相同，单条微沟槽是所有深度一致的飞刀的包络线形成的，在某些对微沟槽深度有周期性变化要求的领域中发挥不了作用，满足不了要求。在飞刀轴向(Z向)进给中，相邻微沟槽之间沟槽深度若要呈一定规律性变化必须在每条微沟槽加工前调整工件的高度，调整量需提前计算好，但计算过程十分繁琐，耗时较多，不利于提高加工周期性变化的微沟槽阵列的工作效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种加工微结构阵列的超精密加工装置，以解决上述现有技术存在的问题，使微沟槽阵列的加工方式多样化，工作效率提高且运动精度和稳定性好。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种加工微结构阵列的超精密加工装置，包括飞切运动装置、低频振动台和数控系统，所述飞切运动装置设置于X向进给平台上，所述低频振动台设置于Y向工作台上，所述Y向工作台竖直设置于Z向进给平台上，所述X向进给平台和所述Z向进给平台位于同一平面内且相互垂直，所述飞切运动装置和所述低频振动台均与所述数控系统连接，所述数控系统能够控制所述飞切运动装置带动飞刀盘旋转并切削工件且能够控制所述低频振动台带动所述工件低频振动。

优选的，所述飞切运动装置包括电机、主轴、支撑座和飞刀盘，所述电机与所述主轴的一端连接，所述主轴设置于所述支撑座上，所述主轴的另一端连接所述飞刀盘，所述飞刀盘上设置有金刚石刀具，所述支撑座与所述X向进给平台连接。

优选的，所述X向进给平台包括X轴滑轨和X轴滑块，所述X轴滑轨设置于机架上，所述X轴滑轨与所述X轴滑块相匹配，所述X轴滑块上设置有一连接板，所述支撑座位于所述连接板上且所述支撑座的两侧分别通过一压块固定于所述连接板上。

优选的，所述主轴为空气主轴，所述金刚石刀具对称设置于所述飞刀盘上。

优选的，所述主轴的旋转速度为1000-6000r/min。

优选的，所述Z向进给平台包括Z轴滑轨和Z轴滑块，所述Z轴滑轨设置于所述机架上，所述Z轴滑轨与所述Z轴滑块相匹配，所述Z轴滑块上设置有一安装板，所述安装板上设置有一Y向工作台，所述Y向工作台上设置有所述低频振动台，所述Y向工作台能够绕Y轴旋转和升降。

优选的，所述Y向工作台上设置有安装座，所述安装座上设置所述低频振动台，所述工件设置于所述低频振动台上。

优选的，所述低频振动台能够提供频率低于10Hz以及振幅低于20μm的低频振动波。

优选的，所述低频振动波为正弦波、三角波、锯齿波或矩形波其中的一种波形；或者，所述低频振动波能够在正弦波、三角波、锯齿波或矩形波之间任意切换。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的加工微结构阵列的超精密加工装置集成了超精密飞切加工和Y向的低频振动台辅助加工技术，可实现飞刀切削加工中飞刀单次旋转切削深度的调控，在飞刀X轴和Y轴进给加工微沟槽阵列中，单次切削深度的变化可实现各种微观形状的沟槽阵列的加工，同时可使飞切加工在微结构阵列超精密加工中兼具高效率、高质量的优点。

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为本发明加工微结构阵列的超精密加工装置的结构示意图；

其中：1-支撑座，2-主轴，3-飞刀盘，4-工件，5-低频振动台，6-安装座，7-Z轴滑块，8-Z轴滑轨，9-Y向工作台，10-X轴滑轨，11-X轴滑块，12-连接板，13-压块，14-电机。

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加工微结构阵列的超精密加工装置，以解决现有技术存在的问题，微沟槽阵列的加工方式多样化，工作效率提高且运动精度和稳定性好。

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所示：本实施例提供了一种加工微结构阵列的超精密加工装置，包括飞切运动装置、低频振动台5和数控系统，飞切运动装置设置于X向进给平台上，低频振动台5设置于Y向工作台9上，Y向工作台9竖直设置于Z向进给平台上，X向进给平台和Z向进给平台位于同一平面内且相互垂直，Z向进给平台与X向进给平台呈T型布置。数控系统能够控制飞切运动装置带动飞刀盘3旋转并切削工件4且能够控制低频振动台5带动工件4低频振动。

飞切运动装置包括电机14、主轴2、支撑座1和飞刀盘3，电机14与主轴2的一端连接，主轴2设置于支撑座1上，支撑座1与X向进给平台连接。主轴2的另一端连接飞刀盘3，主轴2为空气主轴，稳定性和精度高。金刚石刀具对称设置于飞刀盘3上，飞刀盘3上设置有金刚石刀具，金刚石刀具沿飞刀盘3的径向安装，飞刀盘3通过真空吸附和螺栓固定在主轴2上，主轴2的旋转速度为1000-6000r/min。

X向进给平台包括X轴滑轨10和X轴滑块11，X轴滑轨10设置于机架上，X轴滑轨10与X轴滑块11相匹配，X轴滑块11上设置有一连接板12，支撑座1位于连接板12上且支撑座1的两侧分别通过一压块13固定于连接板12上。

Z向进给平台包括Z轴滑轨8和Z轴滑块7，Z轴滑轨8设置于机架上，Z轴滑轨8与Z轴滑块7相匹配，Z轴滑块7上设置有一安装板，安装板上设置有一Y向工作台9，Y向工作台9上设置有低频振动台5，Y向工作台9能够绕Y轴旋转和升降。Y向工作台9上设置有安装座6，安装座6上设置低频振动台5，工件4设置于低频振动台5上。

低频振动台5能够提供频率低于10Hz以及振幅低于20μm的低频振动波。低频振动波为正弦波、三角波、锯齿波或矩形波其中的一种波形；或者，低频振动波能够在正弦波、三角波、锯齿波或矩形波之间任意切换。

在微沟槽加工中，数控系统同时控制工件4与飞刀盘3的相对距离、XYZ三轴向的进给量、飞刀盘3的高速旋转以及低频振动台5的低频振动。若变换低频振动波的波形，便可以加工出更加复杂多样的微沟槽阵列。

本实施例加工微结构阵列的超精密加工装置的具体工作过程如下：

金刚石刀具沿径向固定在飞刀盘3上，飞刀盘3安装在主轴2上并随之高速旋转；工件4安装在低频振动台5上，通过调整Y向工作台9的竖直高度来控制工件4和飞刀盘3的相对距离，从而控制微沟槽的切削深度。

高速旋转的金刚石刀具在X轴滑块11的带动下沿X向进给，从工件4外沿切入直至切出过程中，低频振动台5带动工件4做低频振动，因此，金刚石刀具旋转的每一圈切入工件4的深度不一致，变化规律与纳米定位台低频振动的波形一致，实现了在单条沟槽不同位置处深度的规律性变化。此外，工件在Z轴滑块11的带动下沿Z向进给，同时低频振动台5低频振动，高速旋转的金刚石刀具旋转一周，切出一条沟槽，沟槽的深度随着振动台的振动高度周期性变化。若变换低频振动的波形，还可以加工出更加复杂多样的微沟槽阵列。

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 (9)

1.一种加工微结构阵列的超精密加工装置，其特征在于：包括飞切运动装置、低频振动台和数控系统，所述飞切运动装置设置于X向进给平台上，所述低频振动台设置于Y向工作台上，所述Y向工作台竖直设置于Z向进给平台上，所述X向进给平台和所述Z向进给平台位于同一平面内且相互垂直，所述飞切运动装置和所述低频振动台均与所述数控系统连接，所述数控系统能够控制所述飞切运动装置带动飞刀盘旋转并切削工件且能够控制所述低频振动台带动所述工件低频振动。

2.根据权利要求1所述的加工微结构阵列的超精密加工装置，其特征在于：所述飞切运动装置包括电机、主轴、支撑座和飞刀盘，所述电机与所述主轴的一端连接，所述主轴设置于所述支撑座上，所述主轴的另一端连接所述飞刀盘，所述飞刀盘上设置有金刚石刀具，所述支撑座与所述X向进给平台连接。

3.根据权利要求2所述的加工微结构阵列的超精密加工装置，其特征在于：所述X向进给平台包括X轴滑轨和X轴滑块，所述X轴滑轨设置于机架上，所述X轴滑轨与所述X轴滑块相匹配，所述X轴滑块上设置有一连接板，所述支撑座位于所述连接板上且所述支撑座的两侧分别通过一压块固定于所述连接板上。

4.根据权利要求2所述的加工微结构阵列的超精密加工装置，其特征在于：所述主轴为空气主轴，所述金刚石刀具对称设置于所述飞刀盘上。

5.根据权利要求2所述的加工微结构阵列的超精密加工装置，其特征在于：所述主轴的旋转速度为1000-6000r/min。

6.根据权利要求2所述的加工微结构阵列的超精密加工装置，其特征在于：所述Z向进给平台包括Z轴滑轨和Z轴滑块，所述Z轴滑轨设置于所述机架上，所述Z轴滑轨与所述Z轴滑块相匹配，所述Z轴滑块上设置有一安装板，所述安装板上设置有一Y向工作台，所述Y向工作台上设置有所述低频振动台，所述Y向工作台能够绕Y轴旋转和升降。

7.根据权利要求6所述的加工微结构阵列的超精密加工装置，其特征在于：所述Y向工作台上设置有安装座，所述安装座上设置所述低频振动台，所述工件设置于所述低频振动台上。

8.根据权利要求7所述的加工微结构阵列的超精密加工装置，其特征在于：所述低频振动台能够提供频率低于10Hz以及振幅低于20μm的低频振动波。

9.根据权利要求8所述的加工微结构阵列的超精密加工装置，其特征在于：所述低频振动波为正弦波、三角波、锯齿波或矩形波其中的一种波形；或者，所述低频振动波能够在正弦波、三角波、锯齿波或矩形波之间任意切换。