CN109877545B - 一种低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法，基于数控机床和低频振动台的加工装置，包括：一，对工件的表面进行超精密表面切平加工，使其粗糙度在10nm以内；二，将该工件装夹在低频振动台上，飞刀换成尖刀，重新设定工件的高度、切削深度和Z向进给速率，加工第二级结构的沟槽阵列；三，在得到第二级结构的工件表面上换成圆弧刀加工，设定低频振动台的零点偏离量、名义切削深度和Z向进给量，第一级结构叠加在第二级结构上便形成了两级结构阵列。本发明每一列两级结构中的单个沟槽结构是在刀具每周旋转中切削产生的，沟槽结构的形状精度、表面质量很高；由于每一沟槽结构都是在单次轴向进给中一次完成的，加工效率高。
Description
技术领域
本发明涉及两级结构加工的技术领域，特别是涉及一种低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法。
背景技术
自然界的植物中存在着很多的两级结构，这种两级结构是宏观结构中嵌套微观结构的结果，如大沟槽内部嵌套了很多的小沟槽；或者说是微结构按照一定的规律叠加出了宏观结构。有着两级及多级结构的材料表面由于具备一些特殊的表面功能，在工程应用及科学研究中都引起了学者们极大的兴趣。自然界中的很多植物的叶片都有着两级结构，这些两级结构常常会使得叶片呈现出特殊的亲疏水性以及光学性能，如稻米的叶子由于两级微结构的存在会使得水珠会朝着两级结构的纵向滑落；同样研究表明蝴蝶的翅膀上也存在类似的多级结构，使得水珠会沿着某一特定的方向滚动。受自然界多级结构的魅力所吸引，学者们聚焦于探索新方法制造出两级结构以研究两级结构更多的特殊功能，很多制造两级结构的方法被提出来，如飞秒激光加工、纳米光刻等技术。纳米光刻制造技术虽然可以实现复杂单级结构的生成，但是其要实现两级结构的生成，掩膜的制备工艺极其复杂繁琐，导致生产效率不高。且纳米光刻技术制造的微结构中的最小尺度往往受到光波长的限制，无法制造出比光的波长更小尺度的微结构。因此，这些方法制造出的两级结构形貌精度差且对设备有很高的要求，满足不了研究需求。
机械加工的方法也可以实现高精度的微结构的加工，现有的实现两级结构机械加工的方法是超声振动辅助加工技术。超声振动辅助加工技术在加工尺度较大的第一级宏观结构的同时利用小振幅的超声振动加工第二级微观结构，两级结构的加工效率被极大的提高。超声振动辅助加工两级级结构实际上是一种椭圆振动切削加工，两个方向的振动与其中一个方向的单向运动合成了刀具的椭圆振动轨迹，相邻的椭圆轨迹在重合位置形成的尖点就实现了第二级微观结构的形成。
纳米光刻制造技术虽然可以实现复杂单级结构的生成，但是其要实现两级结构的生成，掩膜的制备工艺极其复杂繁琐，导致生产效率不高。且纳米光刻技术制造的微结构中的最小尺度往往受到光波长的限制，无法制造出比光的波长更小尺度的微结构。
超声振动辅助加工两级结构是在加工第一级宏观结构的同时使得刀具在两个方向上振动从而加工第二级微观结构的技术。由于在进给方向和垂直于进给方向叠加了超声振动运动，刀具的真实运动轨迹就是一个不断运动的椭圆线，轨迹某一侧边的材料全部被切除，未被切除的材料形成了一个两级结构。虽然超声振动辅助可以实现两级结构的高速、高效率加工，但是由于第二级微观结构是在刀具尖点的振动下产生的，导致微观结构的长度很短，仅是参与刀尖参与切削的部分的尺寸大小。此外，超声振动辅助加工两级结构要想改变第二级微观结构的形状，必须对两个方向上的超声振动振幅进行调节，要求两个方向上的超声振动振幅有很宽的调节范围和精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法，以解决上述现有技术存在的问题，使两级结构阵列加工的精度和效率提高。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供了一种低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法，基于数控机床和低频振动台的加工装置，包括平面飞切加工工艺和两级结构阵列加工工艺，具体步骤如下：
步骤一，工件装夹在低频振动台上，设定低频振动台的基准高度、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，将得到平面飞切加工过的工件装夹在低频振动台上，在工件表面进行第二级结构的加工，切换刀具，将飞刀换成尖刀，重新设定工件的高度、切削深度和Z向进给速率，启动刀盘主轴使尖刀高速旋转并沿Z向进给，完成一列第二级结构的沟槽阵列；
步骤三，在得到第二级结构的工件表面上进行第一级结构的加工，切换刀具，将尖刀换成圆弧刀，设定低频振动台的零点偏离量、名义切削深度和Z向进给量，启动刀盘主轴使尖刀高速旋转并沿Z向进给，同时启动低频振动台，使工件在垂直于工件表面的Y向上按照设定振动波形低频率振动，单次Z向进给程序完成后，第一级结构叠加在第二级结构上，工件表面便形成了一列两级结构阵列。
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，。
优选的，所述尖刀为90度尖刀、梯形刀、方形刀、三角形刀或弧形刀，所述圆弧刀的刀尖半径为1mm。
优选的，所述步骤二中所述Z向进给速度为1-12mm/min，切削深度为10μm，步骤三中的所述Z向进给速度5-12mm/min，名义切削深度为5μm。
优选的，所述低频振动台低频振动的频率小于10Hz，振幅为5μm，改变所述低频振动台低频振动的频率能够改变所述第一级结构的大小。
优选的，所述步骤三中所述振动波形为简谐波、三角波或者锯齿波中的一种，改变所述振动波形能够改变所述第一级结构的形状。
优选的，所述步骤二中的所述尖刀和所述步骤三中的所述圆弧刀均为单点金刚石刀具，且所述尖刀和所述圆弧刀的切削轨迹均为弧线形。
优选的，所述步骤二中还包括，通过编制数控机床的程序，控制尖刀的运行轨迹，单次Z向进给完成后所述尖刀沿X向进给，所述尖刀再Z向进给完成下一列第二级结构的沟槽阵列，重复上述操作过程，完成多列沟槽并排而成的第二级结构阵列，即第二级结构阵列平面加工完成；
所述步骤三中还包括，通过编制数控机床的程序，控制圆弧刀的运行轨迹，在单次Z向进给完成后，即完成一列两级结构阵列的加工，将所述圆弧刀沿X向进给，所述圆弧刀再Z向进给完成下一列第一级结构沟槽，使下一列第二级结构也变成两级结构，重复上述操作过程，就能完成两级结构阵列的平面加工。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本实施例中每一列两级结构中的单个沟槽结构是在刀具每周旋转中切削产生的，沟槽结构的形状精度很高；由于每一列沟槽结构都是在单次轴向进给中一次完成的，所以加工而成的两级结构阵列加工效率高。刀具采用单点金刚石刀具，表面质量很高。
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为本发明低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法的工艺流程图；
图2为本发明中第二级结构加工的结构示意图；
图3为本发明中第一级结构加工的结构示意图；
其中：1-工件，2-尖刀，3-圆弧刀，4-第二级结构，5-第一级结构。
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低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法，以解决现有技术存在的问题，使两级结构阵列加工的精度和效率提高。
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低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法，基于数控机床和低频振动台的加工装置，包括平面飞切加工工艺和两级结构阵列加工工艺，具体步骤如下：
步骤一，工件装夹在低频振动台上，设定低频振动台的基准高度、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，飞刀为刀尖半径为2-20mm的圆弧刀具，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。其中，X向进给速度为300mm/min，Z向进给量为10μm，飞刀转速为3000r/min。
步骤二，将得到平面飞切加工过的工件装夹在低频振动台上，在工件表面进行第二级结构的加工，切换刀具，将飞刀换成尖刀，重新设定工件的高度、切削深度和Z向进给速率，Z向进给速度为1-12mm/min，切削深度为10μm。启动刀盘主轴使尖刀高速旋转并沿Z向进给，完成一列第二级结构的沟槽阵列。其中，尖刀为90度尖刀、梯形刀、方形刀、三角形刀或弧形刀。由于第二级结构的加工属于成形加工，形状与刀尖形状保持一致，可以保障保证加工的沟槽质量。
通过编制数控机床的程序，控制尖刀的运行轨迹，单次Z向进给完成后尖刀沿X向进给，尖刀再Z向进给完成下一列第二级结构的沟槽阵列，重复上述操作过程，完成多列沟槽并排而成的第二级结构阵列，即第二级结构阵列平面加工完成。
步骤三，在得到第二级结构的工件表面上进行第一级结构的加工，切换刀具，将尖刀换成圆弧刀，设定低频振动台的零点偏离量、名义切削深度和Z向进给量，启动刀盘主轴使尖刀高速旋转并沿Z向进给，Z向进给速度5-12mm/min，名义切削深度为5μm。同时启动低频振动台，使工件在垂直于工件表面的Y向上按照设定振动波形低频率振动，单次Z向进给程序完成后，第一级结构叠加在第二级结构上，工件表面便形成了一列两级结构阵列。其中，圆弧刀的刀尖半径为1mm。低频振动台低频振动的频率小于10Hz，振幅为5μm，改变低频振动台低频振动的频率能够改变第一级结构的大小。振动波形为简谐波、三角波或者锯齿波中的一种，改变振动波形能够改变第一级结构的形状。刀具相对于工件的低频振动会使得已加工出的第二级结构的高度在Z向与振动波形一致。
通过编制数控机床的程序，控制圆弧刀的运行轨迹，在单次Z向进给完成后，即完成一列两级结构阵列的加工，将圆弧刀沿X向进给，圆弧刀再Z向进给完成下一列第一级结构沟槽，使下一列第二级结构也变成两级结构，重复上述操作过程，就能完成两级结构阵列的平面加工。
步骤二中的尖刀和步骤三中的圆弧刀均为单点金刚石刀具，且尖刀和圆弧刀的切削轨迹均为弧线形。本实施例中将进给速度与振动频率、振动波形等参数进行搭配调试，便可以对两级结构形貌进行改变。
本实施例的低频振动辅助飞切加工两级结构的方法中，低频振动和超精密飞刀切削加工技术结合来加工两级结构实现了不同深度不同长度的微沟槽叠加工出两级结构，能够加工与振动波形一致的两级结构阵列。两级结构包括第二级结构(微观结构)和第一级结构(宏观结构)，其中第一级结构的宏观形状大小可以通过改变切削深度、振动波形(简谐波、三角波、锯齿波等)以及振动频率等调控。第二级结构的微观形状可以通过使用不同的刀具来改变，相邻微结构的间距可以通过调整尖刀Z向进给速度来调控；第二级结构的微观形状复制了尖刀的刀尖形状，因此可以更换不同刀尖形状的刀具来改变第二级结构微结构的形状，并且实现起来很方便。本实施例中刀具采用单点金刚石刀具，由于单个沟槽结构是在刀具每周旋转中切削产生的，所以沟槽结构的形状精度、表面质量很高；此外，由于每一列两级结构中的沟槽结构都是在单次轴向进给中一次完成的，所以加工而成的两级结构阵列加工效率高。
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 (9)
1.一种低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法，其特征在于：基于数控机床和低频振动台的加工装置，包括平面飞切加工工艺和两级结构阵列加工工艺，具体步骤如下：
步骤一，工件装夹在低频振动台上，设定低频振动台的基准高度、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，将得到平面飞切加工过的工件装夹在低频振动台上，在工件表面进行第二级结构的加工，切换刀具，将飞刀换成尖刀，重新设定工件的高度、切削深度和Z向进给速率，启动刀盘主轴使尖刀高速旋转并沿Z向进给，完成一列第二级结构的沟槽阵列；
步骤三，在得到第二级结构的工件表面上进行第一级结构的加工，切换刀具，将尖刀换成圆弧刀，设定低频振动台的零点偏离量、名义切削深度和Z向进给量，启动刀盘主轴使尖刀高速旋转并沿Z向进给，同时启动低频振动台，使工件在垂直于工件表面的Y向上按照设定振动波形低频率振动，单次Z向进给程序完成后，第一级结构叠加在第二级结构上，工件表面便形成了一列两级结构阵列。
2.根据权利要求1所述的低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法，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所述的低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法，其特征在于：所述飞刀为刀尖半径为2-20mm的圆弧刀具。
4.根据权利要求1所述的低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法，其特征在于：所述尖刀为90度尖刀、梯形刀、方形刀、三角形刀或弧形刀，所述步骤三中圆弧刀的刀尖半径为1mm。
5.根据权利要求1所述的低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法，其特征在于：所述步骤二中所述Z向进给速度为1-12mm/min，切削深度为10μm，步骤三中的所述Z向进给速度5-12mm/min，名义切削深度为5μm。
6.根据权利要求1所述的低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法，其特征在于：所述低频振动台低频振动的频率小于10Hz，振幅为5μm，改变所述低频振动台低频振动的频率能够改变所述第一级结构的大小。
7.根据权利要求1所述的低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法，其特征在于：所述步骤三中所述振动波形为简谐波、三角波或者锯齿波中的一种，改变所述振动波形能够改变所述第一级结构的形状。
8.根据权利要求1所述的低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法，其特征在于：所述步骤二中的所述尖刀和所述步骤三中的所述圆弧刀均为单点金刚石刀具，且所述尖刀和所述圆弧刀的切削轨迹均为弧线形。
9.根据权利要求1所述的低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法，其特征在于：所述步骤二中还包括，通过编制数控机床的程序，控制尖刀的运行轨迹，单次Z向进给完成后所述尖刀沿X向进给，所述尖刀再Z向进给完成下一列第二级结构的沟槽阵列，重复上述操作过程，完成多列沟槽并排而成的第二级结构阵列，即第二级结构阵列平面加工完成；
所述步骤三中还包括，通过编制数控机床的程序，控制圆弧刀的运行轨迹，在单次Z向进给完成后，即完成一列两级结构阵列的加工，将所述圆弧刀沿X向进给，所述圆弧刀再Z向进给完成下一列第一级结构沟槽，使下一列第二级结构也变成两级结构，重复上述操作过程，就能完成两级结构阵列的平面加工。
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