CN110026616A - 一种微结构阵列表面高效成形机床及成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微结构阵列表面高效成形机床及成形方法，属于机械制造领域。Y向导轨横向固定安装在底座上侧的中间位置，X向导轨纵向固定安装在Y向导轨的溜板上，自定心夹具通过定位销和螺栓固定安装在旋转台上，旋转台固定到旋转台座，旋转台座通过螺栓定位在X向导轨的溜板上，Z向导轨支架固定安装在底座上侧的后端，Z向导轨固定安装在Z向导轨支架横臂前侧的中间位置，微结构加工刀具系统固定安装在Z向导轨前侧的溜板上，且微结构加工刀具系统位于自定心夹具的上方。优点是通过更换不同刀具或者转换刀具角度，来加工不同尺寸、不同形状的微结构阵列，达到想要工件的表面特性，且更换刀具十分方便，减少了更换刀具时间，提高了生产效率。

Description

一种微结构阵列表面高效成形机床及成形方法

技术领域

本发明属于机械制造领域，尤其涉及一种微结构阵列表面高效成形机床及成形方法。

背景技术

微结构表面是一种新型的功能表面,它独特的微观结构使得它具有常规表面无法与之相媲美的技术优势。随着科技的发展,微结构表面在光学领域、机械电子领域、生物医学领域和军事领域都显示出越来越重要的应用价值和广阔的应用前景。在军备需求、航空航天技术和光电产品研发的驱动下,微结构功能表面以其具有高深宽比、几何特性确定的图案,用以转化元件的机械、物理和化学性能并由此表现出特定功能引起了世界各国广泛的关注与广泛研究。微结构功能表面的高精度、高效率、低成本加工在21世纪的制造科学技术领域中占有非常重要的地位，引起了世界各国广泛的关注与研究，微结构阵列是指具有规则阵列分布的微观几何拓扑形状及特定功能的一类微结构表面。微结构阵列的微观和宏观几何形貌决定了器件的功能,如光学功能、摩擦功能、润滑功能、信息存储功能等。微结构阵列以其无法比拟的优越性能,已经成为光电子、信息通讯以及精密工程等领域的关键零部件。如用于平板显示的微透镜阵列光学薄膜、用于空间光学回射的微金字塔阵列、用于太阳能电池的微槽阵列结构光栅、用于先进动态随机存储器的具有高深-宽比特征的深沟槽微结构阵列等。随着科技产品向高性能化、高精度化、高集成化方向发展，微结构阵列在航空航天、电子制造、生物医疗等高端产业得到了越来越广泛的应用。

发明内容

本发明提供一种微结构阵列表面高效成形机床及成形方法，使更换刀具十分方便，减少更换刀具时间，提高生产效率。

本发明采取的技术方案是：包括微结构阵列成形刀具系统、工件、自定心夹具、X向导轨、Y向导轨、Z向导轨、Z向导轨支架、旋转台、旋转台座、底座，其中Y向导轨横向固定安装在底座上侧的中间位置，且Y向导轨的控制电机位于Y向导轨主体的右端，X向导轨纵向固定安装在Y向导轨的溜板上，且X向导轨的控制电机位于X向导轨主体的后端，自定心夹具通过定位销和螺栓固定安装在旋转台上，旋转台固定到旋转台座，旋转台座通过螺栓定位在X向导轨的溜板上，Z向导轨支架固定安装在底座上侧的后端，Z向导轨固定安装在Z向导轨支架横臂前侧的中间位置，微结构加工刀具系统固定安装在Z向导轨前侧的溜板上，且微结构加工刀具系统位于自定心夹具的上方。

所述微结构阵列成形刀具系统包括阵列块状刀、旋转台，旋转台座，螺栓，定位销，其中块状刀通过定位销和螺栓与旋转台固定连接，加工刀面与工件平行，与旋转台圆平面垂直，旋转台安装到旋转台座上，旋转台座通过螺栓固定到Z向导轨的溜板上。

所述的微结构阵列成形刀具系统采用块状六面体，在连续的四个做阵列刀头设计，根据性质，刀齿分为粗且齿、精切齿以及校准齿，粗切齿、精切齿以及校准齿的齿数比列按照3：4：3排列，粗切齿、精切齿存在齿升量，刀齿逐渐增高，齿升量逐渐减小，齿升量按0.8a_f、0.6a_f、0.5a_f、…、0.1a_f、0.05a_f、逐齿递减，a_f表示总的齿升量,校准齿没有齿升量。

所述阵列块状刀包括刀体、锥形刀齿A、锥形刀齿B、方柱形刀齿C、方柱形刀齿D，锥形刀齿A与锥形刀齿B结构相同，尺寸不同，同样方柱形刀齿C与方柱形刀齿D结构相同，尺寸不同；四种刀齿分布在刀体的连续的四个平面内。

刀齿的形状包括锥形、方柱形、凹弧线形、凸弧线形。

所述的阵列块状刀所有刀齿的容屑槽形状均由刀头前角γ、后角α、齿距P、齿高h以及槽尺寸系数g、r、R决定且形状一致，容屑槽各部分尺寸与齿距P的关系如下：

h＝(0.38～0.45)P

g＝(0.30～0.35)P

R＝(0.65～0.70)P

其中粗切齿、精切齿及校准齿的参数如下；

粗切齿：γ＝16°α＝4°P:h:g:r:R＝10:4:3:3:7

精切齿:γ＝16°α＝3°P:h:g:r:R＝10:4:3:2:6.5

校准齿:γ＝15°α＝2°P:h:g:r:R＝10:4:3:2:6.5。

所述自定心夹具包括十字交叉锥齿轮定心机构、蜗轮蜗杆夹紧机构、底座、轴承支撑组件一、轴承支撑组件二；其中十字交叉锥齿轮定心机构的结构是：四根十字交叉锥齿轮啮合配合固定在锥齿轮箱体内，锥齿轮箱体限制啮合锥齿轮之间的相对位置，锥齿轮箱体由锥齿轮前箱体与锥齿轮后箱体通过螺栓连接组成，相对方向锥齿轮旋转方向相反，锥齿轮螺柱一与对开螺母连接，对开螺母内螺纹与锥齿轮螺柱一杆螺纹旋向相反，夹紧块通过螺栓和定位销固定在对开螺母上，该对开螺母固定在滑块上，滑块与导轨滑动连接，导轨安装在导轨支架上，导轨支架通过螺栓固定到底座上，一组相对的锥齿轮螺柱一通过轴承组件固定在底座上，伸出端与旋转手柄一连接，锁紧螺母紧固锥齿轮螺柱一与轴承组件一连接处，另外一组相对锥齿轮螺柱二一端安装在轴承支撑组件二内，轴承支撑组件通过螺栓固定在底座上，顶紧螺柱连接孔用于与顶紧螺柱连接。

所述蜗轮蜗杆夹紧机构的结构是：蜗轮与蜗杆配合装在在蜗轮蜗杆箱体内，蜗轮蜗杆箱体限制蜗轮与蜗杆之间的相对位置，蜗杆伸出端连接旋转手柄二,蜗轮蜗杆箱体通过定位销和螺栓固定在底座上，蜗轮与蜗轮杆一端通过键与卡簧装配在一起，轴承端盖密封蜗轮杆与底座连接处，蜗轮杆另一端做成螺柱，且与夹紧压板螺纹连接，夹紧压板螺纹孔内螺纹与蜗轮杆螺柱螺纹旋向相反，锁紧螺母紧固蜗轮杆螺柱与夹紧压板的连接处，压板压块通过螺栓将夹紧压板固定在底座上，顶紧螺柱位于夹紧压板与底座之间，一端固定在对开螺母的顶紧螺柱连接孔中。

一种微结构阵列表面高效成形方法，包括下列步骤：

1).设计产品的三维模型；

2).根据待加工的工件的初始特性、形状及加工精度要求，更换合适的夹具块，选择相应尺寸和形状的成形刀具；

3).将微结构阵列成形刀具系统安装在机床的Z向导轨的溜板上，微结构阵列成形刀具系统由阵列块状刀及旋转台组成，通过控制旋转台转动自由切换成形刀头，每个块状成形刀具可以加工四种不同形状或尺寸的阵列微结构，调节Z向导轨可以控制微结构阵列成形刀具系统1的垂直方向位置；

4).将自定心夹具安安装在旋转台上，旋转台座固定在机床的X向导轨的溜板上，X向导轨安装在Y向导轨上，待加工工件放在自定心夹具中，先通过十字交叉锥齿轮定心机构定位，然后通过蜗轮蜗杆夹紧机构夹紧，通过控制X、Y向导轨水平面运动，调节工件的水平位置，通过旋转台可以控制工件的加工角度；

5).将待加工工件放入自定心夹具内，将工件固定夹紧,通过设计人员设计的三维模型，确定工件的加工尺寸、工件的水平位置、旋转台旋转角度及切削次数；

6).调整好工件水平位置及角度及刀具的加工角度及高度后，启动机床，待工件加工完成后，取出工件，检查加工工件性能及精度,与设计的模型对比，符合加工精度要求即认为加工完成，否则，重新确定加工余量，进行二次或多次重复加工直至符合设计模型的加工精度。

本发明的优点是结构新颖，通过更换不同刀具或者转换刀具角度，来加工不同尺寸、不同形状的微结构阵列，达到想要工件的表面特性，且更换刀具十分方便，减少了更换刀具时间，提高了生产效率、降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明微结构阵列成形刀具系统的结构示意图；

图3是本发明自定心夹具的结构示意图；

图4是本发明自定心夹具十字交叉锥齿轮定心机构的结构示意图；

图5是本发明自定心夹具蜗轮蜗杆夹紧机构的结构示意图；

图6是本发明自定心夹具夹紧机构蜗杆与蜗轮蜗杆箱体相对位置示意图；

图7是本发明阵列块状刀的锥形刀齿局部放大示意图；

图8是本发明阵列块状刀的方柱形刀齿局部放大示意图；

图9是本发明刀齿容屑槽结构(任意行刀齿结构)示意图；

图10是本发明锥形刀齿面任意相邻两列刀齿结构示意图；

图11是本发明方柱形刀齿面任意相邻两列刀齿结构示意图；

图12是本发明凸弧线形刀齿面任意相邻两列刀齿结构示意图；

图13是本发明凹弧线形刀齿面任意相邻两列刀齿结构示意图；

图14是本发明的流程图。

具体实施方式

如图1所示，包括微结构阵列成形刀具系统1、工件2、自定心夹具3、X向导轨4、Y向导轨5、Z向导轨6、Z向导轨支架7、旋转台8、旋转台座9、底座10，其中Y向导轨5横向固定安装在底座10上侧的中间位置，且Y向导轨5的控制电机位于Y向导轨5主体的右端，X向导轨4纵向固定安装在Y向导轨5的溜板上，且X向导轨4的控制电机位于X向导轨4主体的后端，自定心夹具3通过定位销和螺栓固定安装在旋转台8上，旋转台8固定到旋转台座9，旋转台座9通过螺栓定位在X向导轨4的溜板上，Z向导轨支架7固定安装在底座10上侧的后端，Z向导轨6固定安装在Z向导轨支架7横臂前侧的中间位置，微结构加工刀具系统1固定安装在Z向导轨6前侧的溜板上，且微结构加工刀具系统1位于自定心夹具3的上方。

如图2所示，所述微结构阵列成形刀具系统1包括阵列块状刀101、旋转台102，旋转台座103，螺栓104，定位销105，其中块状刀101通过定位销105和螺栓104与旋转台102固定连接，加工刀面与工件平行，与旋转台圆平面垂直，旋转台102安装到旋转台座103上，旋转台座103通过螺栓固定到Z向导轨的溜板上。

如图7、8所示，所述的微结构阵列成形刀具系统1采用块状六面体，在连续的四个做阵列刀头设计，由于微结构阵列尺寸属于微纳范围，刀齿的尺寸很小，需要做成阵列形式；根据性质，刀齿分为粗且齿、精切齿以及校准齿，粗切齿、精切齿以及校准齿的齿数比列按照3：4：3排列，粗切齿、精切齿存在齿升量，刀齿逐渐增高，齿升量逐渐减小，齿升量可按0.8a_f、0.6a_f、0.5a_f、…、0.1a_f、0.05a_f、逐齿递减，a_f表示总的齿升量,校准齿没有齿升量。

如图7、8、10、11、12、13所示，所述阵列块状刀101包括刀体10101、锥形刀齿A10102、锥形刀齿B10103、方柱形刀齿C10104、方柱形刀齿D1015，锥形刀齿A10102与锥形刀齿B10103结构相同，尺寸不同，同样方柱形刀齿C10104与方柱形刀齿D10105结构相同，尺寸不同；四种刀齿分布在刀体10101的连续的四个平面内，根据实际需要设计不同形状的刀齿，如锥形、方柱形、凹弧线形、凸弧线形等；

如图9所示，所述的阵列块状刀101所有刀齿的容屑槽形状均由刀头前角γ、后角α、齿距P、齿高h以及槽尺寸系数g、r、R决定且形状一致，容屑槽各部分尺寸与齿距P的关系如下：

h＝(0.38～0.45)P

g＝(0.30～0.35)P

R＝(0.65～0.70)P

在设计和生产中应遵循尽量减小容屑槽规格尺寸，又能满足生产需要的原则,其中粗切齿、精切齿及校准齿的设计参数有所不同，具体设计参数如下；

粗切齿：γ＝16°α＝4°P:h:g:r:R＝10:4:3:3:7

精切齿:γ＝16°α＝3°P:h:g:r:R＝10:4:3:2:6.5

校准齿:γ＝15°α＝2°P:h:g:r:R＝10:4:3:2:6.5。

如图3、4所示，所述自定心夹具3包括十字交叉锥齿轮定心机构301、蜗轮蜗杆夹紧机构302、底座303、轴承支撑组件一304、轴承支撑组件二305，其中十字交叉锥齿轮定心机构301的结构是：四根十字交叉锥齿轮30103啮合配合固定在锥齿轮箱体内，锥齿轮箱体限制啮合锥齿轮30103之间的相对位置，锥齿轮箱体由锥齿轮前箱体30101与锥齿轮后箱体30102通过螺栓连接组成，相对方向锥齿轮旋转方向相反，锥齿轮螺柱一30106与对开螺母30108连接，对开螺母30108内螺纹与锥齿轮螺柱一106杆螺纹旋向相反，夹紧块30109通过螺栓和定位销固定在对开螺母30108上，该对开螺母固定在滑块30107上，滑块30107与导轨30104滑动连接，导轨30104安装在导轨支架30105上，导轨支架30105通过螺栓固定到底座303上，一组相对的锥齿轮螺柱一30106通过轴承组件304固定在底座303上，伸出端与旋转手柄一30110连接，锁紧螺母30111紧固锥齿轮螺柱一与轴承组件一304连接处，另外一组相对锥齿轮螺柱二30113一端安装在轴承支撑组件二305内，轴承支撑组件305通过螺栓固定在底座303上，顶紧螺柱连接孔30112用于与顶紧螺柱连接；

如图5所示，所述蜗轮蜗杆夹紧机构302的结构是：蜗轮30208与蜗杆30207配合装在在蜗轮蜗杆箱体30201内，蜗轮蜗杆箱体30201限制蜗轮30208与蜗杆30207之间的相对位置，蜗杆30207伸出端连接旋转手柄二30210,蜗轮蜗杆箱体30201通过定位销和螺栓固定在底座303上，蜗轮30208与蜗轮杆30209一端通过键与卡簧装配在一起，轴承端盖30202密封蜗轮杆30209与底座303连接处，蜗轮杆30209另一端做成螺柱，且与夹紧压板3025螺纹连接，夹紧压板螺纹孔内螺纹与蜗轮杆30209螺柱螺纹旋向相反，锁紧螺母30203紧固蜗轮杆30209螺柱与夹紧压板30205的连接处，压板压块30206通过螺栓将夹紧压板30205固定在底座303上，顶紧螺柱30204位于夹紧压板30205与底座303之间，一端固定在对开螺母30108的顶紧螺柱连接孔30112中。

如图14，一种微结构阵列表面高效成形方法，包括下列步骤：

1).设计产品的三维模型；

2).根据待加工的工件2的初始特性、形状及加工精度要求，更换合适的夹具块，选择相应尺寸和形状的成形刀具；

3).将微结构阵列成形刀具系统1安装在机床的Z向导轨的溜板上，微结构阵列成形刀具系统1由阵列块状刀101及旋转台102组成，通过控制旋转台转动自由切换成形刀头，每个块状成形刀具可以加工四种不同形状或尺寸的阵列微结构，调节Z向导轨可以控制微结构阵列成形刀具系统1的垂直方向位置；

4).将自定心夹具安3安装在旋转台8上，旋转台座9固定在机床的X向导轨4的溜板上，X向导轨4安装在Y向导轨5上，待加工工件2放在自定心夹具3中，先通过十字交叉锥齿轮定心机构301定位，然后通过蜗轮蜗杆夹紧机构302夹紧，通过控制X、Y向导轨水平面运动，调节工件2的水平位置，通过旋转台可以控制工件2的加工角度；

5).将待加工工件2放入自定心夹具3内，将工件2固定夹紧,通过设计人员设计的三维模型，确定工件的加工尺寸、工件的水平位置、旋转台旋转角度及切削次数；

6).调整好工件水平位置及角度及刀具的加工角度及高度后，启动机床，待工件加工完成后，取出工件，检查加工工件性能及精度,与设计的模型对比，符合加工精度要求即认为加工完成，否则，重新确定加工余量，进行二次或多次重复加工直至符合设计模型的加工精度。

Claims (9)

1.一种微结构阵列表面高效成形机床，其特征在于：包括微结构阵列成形刀具系统、工件、自定心夹具、X向导轨、Y向导轨、Z向导轨、Z向导轨支架、旋转台、旋转台座、底座，其中Y向导轨横向固定安装在底座上侧的中间位置，且Y向导轨的控制电机位于Y向导轨主体的右端，X向导轨纵向固定安装在Y向导轨的溜板上，且X向导轨的控制电机位于X向导轨主体的后端，自定心夹具通过定位销和螺栓固定安装在旋转台上，旋转台固定到旋转台座，旋转台座通过螺栓定位在X向导轨的溜板上，Z向导轨支架固定安装在底座上侧的后端，Z向导轨固定安装在Z向导轨支架横臂前侧的中间位置，微结构加工刀具系统固定安装在Z向导轨前侧的溜板上，且微结构加工刀具系统位于自定心夹具的上方。

2.根据权利要求1所述一种微结构阵列表面高效成形机床，其特征在于：所述微结构阵列成形刀具系统包括阵列块状刀、旋转台，旋转台座，螺栓，定位销，其中块状刀通过定位销和螺栓与旋转台固定连接，加工刀面与工件平行，与旋转台圆平面垂直，旋转台安装到旋转台座上，旋转台座通过螺栓固定到Z向导轨的溜板上。

3.根据权利要求2所述一种微结构阵列表面高效成形机床，其特征在于：所述的微结构阵列成形刀具系统采用块状六面体，在连续的四个做阵列刀头设计，根据性质，刀齿分为粗且齿、精切齿以及校准齿，粗切齿、精切齿以及校准齿的齿数比列按照3：4：3排列，粗切齿、精切齿存在齿升量，刀齿逐渐增高，齿升量逐渐减小，齿升量按0.8a_f、0.6a_f、0.5a_f、…、0.1a_f、0.05a_f、逐齿递减，a_f表示总的齿升量,校准齿没有齿升量。

4.根据权利要求2所述一种微结构阵列表面高效成形机床，其特征在于：所述阵列块状刀包括刀体、锥形刀齿A、锥形刀齿B、方柱形刀齿C、方柱形刀齿D，锥形刀齿A与锥形刀齿B结构相同，尺寸不同，同样方柱形刀齿C与方柱形刀齿D结构相同，尺寸不同；四种刀齿分布在刀体的连续的四个平面内。

5.根据权利要求4所述一种微结构阵列表面高效成形机床，其特征在于：刀齿的形状包括锥形、方柱形、凹弧线形、凸弧线形。

6.根据权利要求2所述一种微结构阵列表面高效成形机床，其特征在于：所述的阵列块状刀所有刀齿的容屑槽形状均由刀头前角γ、后角α、齿距P、齿高h以及槽尺寸系数g、r、R决定且形状一致，容屑槽各部分尺寸与齿距P的关系如下：

h＝(0.38～0.45)P

g＝(0.30～0.35)P

R＝(0.65～0.70)P

其中粗切齿、精切齿及校准齿的参数如下；

粗切齿：γ＝16°α＝4°P:h:g:r:R＝10:4:3:3:7

精切齿:γ＝16°α＝3°P:h:g:r:R＝10:4:3:2:6.5

校准齿:γ＝15°α＝2°P:h:g:r:R＝10:4:3:2:6.5。

7.根据权利要求1所述一种微结构阵列表面高效成形机床，其特征在于：所述自定心夹具包括十字交叉锥齿轮定心机构、蜗轮蜗杆夹紧机构、底座、轴承支撑组件一、轴承支撑组件二；其中十字交叉锥齿轮定心机构的结构是：四根十字交叉锥齿轮啮合配合固定在锥齿轮箱体内，锥齿轮箱体限制啮合锥齿轮之间的相对位置，锥齿轮箱体由锥齿轮前箱体与锥齿轮后箱体通过螺栓连接组成，相对方向锥齿轮旋转方向相反，锥齿轮螺柱一与对开螺母连接，对开螺母内螺纹与锥齿轮螺柱一杆螺纹旋向相反，夹紧块通过螺栓和定位销固定在对开螺母上，该对开螺母固定在滑块上，滑块与导轨滑动连接，导轨安装在导轨支架上，导轨支架通过螺栓固定到底座上，一组相对的锥齿轮螺柱一通过轴承组件固定在底座上，伸出端与旋转手柄一连接，锁紧螺母紧固锥齿轮螺柱一与轴承组件一连接处，另外一组相对锥齿轮螺柱二一端安装在轴承支撑组件二内，轴承支撑组件通过螺栓固定在底座上，顶紧螺柱连接孔用于与顶紧螺柱连接。

8.根据权利要求7所述一种微结构阵列表面高效成形机床，其特征在于：所述蜗轮蜗杆夹紧机构的结构是：蜗轮与蜗杆配合装在在蜗轮蜗杆箱体内，蜗轮蜗杆箱体限制蜗轮与蜗杆之间的相对位置，蜗杆伸出端连接旋转手柄二,蜗轮蜗杆箱体通过定位销和螺栓固定在底座上，蜗轮与蜗轮杆一端通过键与卡簧装配在一起，轴承端盖密封蜗轮杆与底座连接处，蜗轮杆另一端做成螺柱，且与夹紧压板螺纹连接，夹紧压板螺纹孔内螺纹与蜗轮杆螺柱螺纹旋向相反，锁紧螺母紧固蜗轮杆螺柱与夹紧压板的连接处，压板压块通过螺栓将夹紧压板固定在底座上，顶紧螺柱位于夹紧压板与底座之间，一端固定在对开螺母的顶紧螺柱连接孔中。

9.一种微结构阵列表面高效成形方法，其特征在于，包括下列步骤：

1).设计产品的三维模型；

2).根据待加工的工件的初始特性、形状及加工精度要求，更换合适的夹具块，选择相应尺寸和形状的成形刀具；

3).将微结构阵列成形刀具系统安装在机床的Z向导轨的溜板上，微结构阵列成形刀具系统由阵列块状刀及旋转台组成，通过控制旋转台转动自由切换成形刀头，每个块状成形刀具可以加工四种不同形状或尺寸的阵列微结构，调节Z向导轨可以控制微结构阵列成形刀具系统1的垂直方向位置；

4).将自定心夹具安安装在旋转台上，旋转台座固定在机床的X向导轨的溜板上，X向导轨安装在Y向导轨上，待加工工件放在自定心夹具中，先通过十字交叉锥齿轮定心机构定位，然后通过蜗轮蜗杆夹紧机构夹紧，通过控制X、Y向导轨水平面运动，调节工件的水平位置，通过旋转台可以控制工件的加工角度；

5).将待加工工件放入自定心夹具内，将工件固定夹紧,通过设计人员设计的三维模型，确定工件的加工尺寸、工件的水平位置、旋转台旋转角度及切削次数；

6).调整好工件水平位置及角度及刀具的加工角度及高度后，启动机床，待工件加工完成后，取出工件，检查加工工件性能及精度,与设计的模型对比，符合加工精度要求即认为加工完成，否则，重新确定加工余量，进行二次或多次重复加工直至符合设计模型的加工精度。