CN110202424A - 一种贯通式微透镜阵列工件的仿形抛光方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种贯通式微透镜阵列工件的仿形抛光方法，包括以下步骤：步骤1加工单元结构为重复k次的贯通式微透镜阵列结构，阵列单元可以为非球面、V型和圆柱型等；步骤2利用加工好的阵列工件作为成形车刀切削羊毛抛光棒，将工件上的阵列形状复刻到羊毛棒上；步骤3利用加工后的羊毛棒再次对工件阵列单元进行抛光加工。仿形抛光需要抛光棒廓形与所抛光工件阵列形状相同，如果用普通方法加工出阵列形状抛光棒，加工难度比较大。本发明利用加工好的一段阵列工件作为成形车刀，车削抛光棒，一次成型，操作过程简单，减少加工误差，提高加工精度。

Description

一种贯通式微透镜阵列工件的仿形抛光方法

技术领域

本发明涉及一种仿形抛光加工方法，具体的涉及一种贯通式微透镜阵列工件的仿形抛光方法。

背景技术

微结构阵列光学元件不仅具有重量轻、体积小、便于复制等优点；而且还具有独特的优异特性，如高衍射效率、独特的色散性能和特殊的光学性能，因此在民用和国防领域有着越来越重要的作用，微结构光学阵列的加工精度往往较高，阵列结构的单元间距一般在毫米或微米级，面形精度和表面粗糙度要求分别在亚微米级和纳米级，超精密磨削和抛光是目前针对微结构光学阵列表面精密加工最为行之有效的手段，其主要的实现形式是在超精密机床上采用微小磨具进行超精密磨削加工，获得一定精度的微结构阵列，然后对工件进行抛光使面形精度和表面粗糙度达到要求。

发明人发现传统的抛光方法是用细羊毛棒对单个阵列单元进行逐一抛光，这种方法加工效率非常低，而且羊毛棒磨损很快，加工精度一致性很差。

发明内容

本发明的目的是为解决贯通式微透镜阵列结构抛光过程中，使用细羊毛棒对单个阵列单元逐一抛光，羊毛棒磨损快，加工效率低，工件加工周期长的问题，提出一种阵列成形羊毛棒对工件贯通式阵列进行仿形抛光的方法，本方法利用加工好的具有阵列形状的羊毛抛光棒对磨削后的工件贯通式阵列进行抛光，只需对阵列单元进行一次抛光循环即可完成整个阵列结构的仿形抛光。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:

一种贯通式微透镜阵列工件的仿形抛光方，包括以下步骤：

步骤1加工贯通式微透镜阵列工件；

步骤2利用加工好的贯通式微透镜阵列工件作为成形车刀切削羊毛抛光棒，将工件上的阵列形状复刻到羊毛棒上；

步骤3利用加工后的羊毛棒再次对工件贯通式阵列进行抛光加工。

作为进一步的技术方案，所述的步骤1的通式微透镜阵列包括但不限于非球面微柱面阵列、V型槽阵列和微圆柱阵列。

所述的非球面微柱面阵列的加工，使用圆弧截面砂轮，利用机床的插补运动保证砂轮与工件的切点形成高次曲线，对阵列结构进行变切点磨削；根据曲线相切原理利用圆弧砂轮对阵列柱面进行变切点往复磨削，在工件上加工出非球面微柱面阵列形状。

所述的V型槽阵列的加工，采用V型砂轮磨削加工V型槽，采取单个沟槽多次磨削的方式，即磨削总深度为H沟槽，通过多次磨削进给、每次磨削深度h的方式实现。

所述的微圆柱阵列的加工，使用成型圆弧砂轮逐一顺次磨削平面工件表面并且保证任意相邻圆弧槽之间有交集的平行式凹圆柱阵列。

作为进一步的技术方案，在步骤2中利用贯通式微透镜阵列工件作为成形车刀切削羊毛抛光棒时，在工件上方设有一层牺牲层，牺牲层为额外加工好的小段阵列工件；该小段阵列工件的阵列形状与工件完全相同。

更进一步的，所述的牺牲层黏贴在工件上方。

作为进一步的技术方案，步骤2的具体加工方法如下：

将所述工件安装于机床主轴，羊毛棒安装于机床高速主轴，工件以切入角度θ切入羊毛棒，然后羊毛棒在垂直于高次曲线截面平面方向做往复运动，逐渐将工件的阵列形状复刻到羊毛棒上。

更近一步的，切入角度θ可用如下公式描述：

式中，R为羊毛棒毛坯直径，h为阵列每个单元的高度差。

作为进一步的技术方案，步骤3的抛光过程如下：

将工件安装到主轴上，羊毛抛光棒安装在B轴上，羊毛棒逐渐切入工件，工件随主轴往复运动，羊毛抛光棒对阵列工件表面进行仿形抛光，直接对多个阵列单元进行抛光加工，达到设计的精加工余量时工件主轴退回。

作为进一步的技术方案，步骤3中，将工件安装于测力仪上，对抛光力进行在线监测，控制抛光过程中的抛光力的大小，通过抛光力大小的变化，来检测抛光轮直径的变化，将抛光轮磨损的直径补偿到程序中，使抛光力增加到设定值范围，从而使抛光表面质量均匀。

利用加工好的贯通式微透镜阵列工件作为成形车刀切削羊毛抛光棒，将阵列形状复刻到羊毛棒上。由于加工后的羊毛棒具有非球面阵列结构，因此可以一次性实现全部非球面微柱面阵列的抛光加工。

本发明的有益效果如下：

(1)仿形抛光需要抛光棒廓形与所抛光工件阵列形状相同，如果用普通方法加工出阵列形状抛光棒，加工难度比较大。本发明利用加工好的一段阵列工件作为成形车刀，车削抛光棒，一次成型，操作过程简单，减少加工误差，提高加工精度。

(2)本发明对抛光过程中的抛光力进行在线监测，通过抛光力大小变化检测抛光轮磨损情况，对程序进行补偿，修正抛光轮直径，保持抛光力在恒定值，从而提高抛光表面质量；

(3)本发明通过加工好的成形羊毛抛光棒，可以实现全部非球面微柱面阵列的一次性抛光加工，大幅缩短加工时间。且羊毛棒磨损均匀，抛光精度高，加工后工件的表面质量及一致性大大提高。

(4)本发明不单纯可以实现非球面微柱面阵列的一次型抛光，更一般的可以实现其他规则以及不规则贯通式微透镜阵列结构一次性抛光加工，例如V型槽阵列、圆柱面阵列等。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是具体实施例中，要抛光的非球面微柱面阵列。

图2是具体实施例中，砂轮磨削非球面微柱面阵列示意图。

图3是具体实施例中，阵列车刀示意图

图4、图5、图6是具体实施例中，阵列车刀加工羊毛抛光棒示意图。

图7是具体实施例中，车削后的羊毛抛光棒截面形状。

图8为具体实施例中，羊毛抛光棒抛光非球面微柱面阵列示意图。

图9为具体实施例中，羊毛抛光棒抛光非球面微柱面阵列抛光轨迹示意图。

图10为具体实施例中，抛光后阵列柱面结构的实测结果。

图11为具体实施例中，V型槽阵列结构示意图。

图12为具体实施例中，V型砂轮磨削V型槽阵列结构示意图。

图13为具体实施例中，圆柱阵列结构示意图。

图14为具体实施例中，砂轮磨削圆柱阵列结构示意图。

图中：1前面，2后面，3刀刃，4羊毛棒，5牺牲层，6阵列工件。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明中所述的透镜阵列是指相同的透镜按一定的周期排列在一个平面上便构成了透镜阵列，

本发明中公开的非球面微柱面阵列工件的仿形抛光方，包括以下步骤：步骤1加工贯通式微透镜阵列工件；步骤2利用加工好的贯通式微透镜阵列工件作为成形车刀切削羊毛抛光棒，将工件上的阵列形状复刻到羊毛棒上；步骤3利用加工后的羊毛棒再次对工件的阵列结构进行抛光加工。

下面结合具体的实施例进行说明：

实施例1

本实施例以非球面微柱面阵列结构攻坚的加工为例，进行说明；

步骤1加非球面微柱面阵列工件

非球面微柱面阵列结构的加工，使用圆弧截面砂轮，利用机床的插补运动保证砂轮与工件的切点形成高次曲线，对阵列结构进行变切点磨削。根据曲线相切原理利用圆弧砂轮对阵列柱面进行变切点往复磨削，获得要求的阵列结构。

步骤2利用加工好的非球面微柱面阵列工件作为成形车刀切削羊毛抛光棒，将阵列形状复刻到羊毛棒上。

步骤3利用加工后的羊毛棒再次对工件的阵列结构进行抛光加工。

由于加工后的羊毛棒具有工件阵列结构，因此可以一次性实现全部阵列单元的抛光加工。

在抛光过程中，实时检测抛光力，来监测抛光棒磨损，编制补偿程序，进行抛光棒磨损补偿，修正抛光轮直径，保持抛光力在恒定值，提高抛光表面质量。

具体的，在本实施例中，抛光如图1所示的单元结构重复6次的非球面微柱面阵列结构，阵列结构单元分别为两个相切的凹凸高次曲线，截面形状可用下式描述，

式中：R为高次曲线的顶点圆半径，K是圆锥系数，

如图2所示，使用圆弧截面砂轮，利用机床的插补运动保证砂轮与工件的切点形成高次曲线，对阵列结构进行变切点磨削。根据曲线相切原理利用圆弧砂轮对阵列柱面进行变切点往复磨削。加工出非球面微柱面阵列形状，加工好的工件阵列形状如图1所示。

利用加工好的阵列工件作为成形车刀，对圆柱形羊毛棒进行车削加工，用阵列工件作为成形车刀加工羊毛棒，加工过程会造成工件前刀面处的磨损。因此为了避免对阵列工件的磨损，需要在工件上方粘贴一块牺牲层，牺牲层为加工好的小段阵列工件。阵列成形车刀如图3所示，阵列成形车刀包括前面1和面2，前面1和面2两者相交构成了成形刀刃3，成形刀刃3的形状与所要加工羊毛棒阵列形状相匹配。

具体加工示意图如图4、5、6所示，包括羊毛棒4，牺牲层5和阵列工件3。工件安装于机床主轴，羊毛棒安装于机床高速主轴，工件以一定角度θ切入羊毛棒，切入角度可以根据阵列曲线求得，然后羊毛棒在垂直于高次曲线截面平面方向做往复运动，逐渐将工件的阵列形状复刻到羊毛棒上。

切入角度θ可用如下公式描述：

式中，R为羊毛棒毛坯直径，h为阵列每个单元的高度差。

加工出具有阵列形状的羊毛抛光棒如图7所示。

在抛光阶段，阵列工件安装到主轴上，羊毛抛光棒安装在B轴上，羊毛棒逐渐切入工件，工件随主轴往复运动，羊毛抛光棒对阵列工件表面进行仿形抛光，直接对六个阵列单元进行抛光加工，达到设计的精加工余量时工件主轴退回。抛光示意图如图8、图9所示。

在抛光过程中，抛光轮逐步磨损，导致直径变小，从而减小了抛光轮与工件之间的接触力，最终达不到规定的抛光质量。按抛光工艺要求，抛光轮与工件之间的接触力稳定在一个范围内，被抛光表面质量才能均匀，因此抛光加工的过程中需要将工件安装于测力仪上，对抛光力进行在线监测，控制抛光过程中的抛光力的大小。

通过抛光力大小的变化，来检测抛光轮直径的变化，将抛光轮磨损的直径补偿到程序中，使抛光力增加到设定值范围，从而使抛光表面质量均匀。

由于抛光棒具有阵列结构，可以一次性实现非球面柱面阵列6个单元的抛光加工。加工后工件的表面质量及一致性大大提高，抛光实测结果如图10所示。

实施例2

本实施例以V型槽阵列结构为例进行说明，抛光如图11所示的单元结构重复6次的V型槽阵列结构。

如图12所示，使用V型砂轮磨削加工，采取单个沟槽多次磨削的方式，即磨削总深度为H沟槽，通过多次磨削进给、每次磨削深度h的方式实现。

羊毛棒的成形加工以及V型槽的仿形抛光阶段类似于上述实例1中非球面微柱面阵列的仿形抛光，在此不进行赘述了。

实施例3

抛光如图13所示的单元结构重复6次的圆柱阵列结构。

如图14所示，使用成型圆弧砂轮逐一顺次磨削平面工件表面并且保证任意相邻圆弧槽之间有交集的平行式凹圆柱阵列。

羊毛棒的成形加工以及圆柱阵列的仿形抛光阶段类似于上述实例1中非球面微柱面阵列的仿形抛光，在此不进行赘述了。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种贯通式微透镜阵列工件的仿形抛光方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1加工贯通式微透镜阵列工件；

步骤2利用加工好的贯通式微透镜阵列工件作为成形车刀切削羊毛抛光棒，将工件上的阵列形状复刻到羊毛棒上；

步骤3利用加工后的羊毛棒再次对工件的阵列单元进行抛光加工。

2.如权利要求1所述的贯通式微透镜阵列工件的仿形抛光方法，其特征在于，所述的步骤1的通式微透镜阵列包括但不限于非球面微柱面阵列、V型槽阵列和微圆柱阵列。

3.如权利要求2所述的贯通式微透镜阵列工件的仿形抛光方法，其特征在于，所述的非球面微柱面阵列的加工，使用圆弧截面砂轮，利用机床的插补运动保证砂轮与工件的切点形成高次曲线，对阵列结构进行变切点磨削；根据曲线相切原理利用圆弧砂轮对阵列柱面进行变切点往复磨削，在工件上加工出非球面微柱面阵列形状。

4.如权利要求1所述的贯通式微透镜阵列工件的仿形抛光方法，其特征在于，所述的V型槽阵列的加工，采用V型砂轮磨削加工V型槽，采取单个沟槽多次磨削的方式，即磨削总深度为H沟槽，通过多次磨削进给、每次磨削深度h的方式实现。

5.如权利要求1所述的贯通式微透镜阵列工件的仿形抛光方法，其特征在于，所述的微圆柱阵列的加工，使用成型圆弧砂轮逐一顺次磨削平面工件表面并且保证任意相邻圆弧槽之间有交集的平行式凹圆柱阵列。

6.如权利要求1所述的贯通式微透镜阵列工件的仿形抛光方法，其特征在于，在步骤2中利用阵列工件作为成形车刀切削羊毛抛光棒时，在工件上方设有一层牺牲层，牺牲层为额外加工好的小段阵列工件；该小段阵列工件的阵列形状与工件完全相同；

进一步的，所述的牺牲层黏贴在工件上方。

7.如权利要求1所述的非球面微柱面阵列工件的仿形抛光方法，其特征在于，步骤2的具体加工方法如下：

将所述工件安装于机床主轴，羊毛棒安装于机床高速主轴，工件以切入角度θ切入羊毛棒，然后羊毛棒在垂直于高次曲线截面平面方向做往复运动，逐渐将工件的阵列形状复刻到羊毛棒上。

8.如权利要求7所述的非球面微柱面阵列工件的仿形抛光方法，其特征在于，切入角度θ用如下公式描述：

式中，R为羊毛棒毛坯直径，h为阵列每个单元的高度差。

9.如权利要求1所述的贯通式微透镜阵列工件的仿形抛光方法，其特征在于，步骤3的抛光过程如下：

将工件安装到主轴上，羊毛抛光棒安装在B轴上，羊毛棒逐渐切入工件，工件随主轴往复运动，羊毛抛光棒对阵列工件表面进行仿形抛光，直接对多个阵列单元进行抛光加工，达到设计的精加工余量时工件主轴退回。

10.如权利要求1所述的贯通式微透镜阵列工件的仿形抛光方法，其特征在于，步骤3中，将工件安装于测力仪上，对抛光力进行在线监测，控制抛光过程中的抛光力的大小，通过抛光力大小的变化，来检测抛光轮直径的变化，将抛光轮磨损的直径补偿到程序中，使抛光力增加到设定值范围，从而使抛光表面质量均匀。