CN112372036A - 一种亚波长闪耀光栅结构的加工方法 - Google Patents

一种亚波长闪耀光栅结构的加工方法 Download PDF

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Abstract

一种亚波长闪耀光栅结构的加工方法，涉及一种工件表面加工方法。二维纳米压电定位台的两轴输入两路异相的正弦电压信号，同时对输出位移进行测量，标记相位差与旋转方向的关系；完成压印过程观察压头针尖三个切削刃的空间朝向并进行调节；让切削刃以顺铣的方式进行加工，加工出亚波长闪耀光栅结构；通过控制二维纳米压电定位台的输入信号，改变运动轨迹形状加工亚波长闪耀光栅结构；使压头针尖与加工工件表面的夹角改变形成新的空间位置，改变压头针尖倾斜角度加工亚波长闪耀光栅结构。利用三棱锥金刚石纳米压头实现大横截面积闪耀光栅结构加工，能够对槽形通过加工参数进行调节控制。

Description

一种亚波长闪耀光栅结构的加工方法
技术领域
本发明涉及一种工件表面加工方法，尤其是一种亚波长闪耀光栅结构的加工方法，属于微纳米机械加工技术领域。
背景技术
自然界中某些生物表面所具有的特殊功能是由其表面上的结构所赋予的，例如蝴蝶翅膀的颜色变化、荷叶表面的疏水自净等，从仿生学的角度来看，将这类结构应用到人造零件的表面上使其具有相应的功能，在科学研究及工程应用上具有重要的价值和意义。其中，利用可见光与周期性光栅结构的衍射作用所产生的结构色就是一个重要的借鉴。相比于色素色，结构色不但具有环保、不易褪色等优点，还因具有对入射条件的依赖相关性，而能够被应用到光学防伪、光学传感器等研究领域。
由于衍射光的强度随着能级的增加而降低，为获得高质量的结构色，就需要更小的光栅周期，故对于亚波长光栅结构的加工制造逐渐成为了人们研究的热点。受加工机理的限制，激光诱导加工很难对周期连续变化的光栅结构进行加工，进而在结构着色的灵活性上体现出了不足。在椭圆振动切削加工中，由于刀具每圈的加工进给量与光栅结构的周期相对应，因此这种方法能较为容易地调节光栅周期的变化，进而实现对复杂目标图案的金属表面结构着色。
然而，在目前的研究中，受刀具尺寸与振动器运动轨迹干涉的影响，椭圆振动切削加工很难实现对亚波长光栅结构的槽形进行加工改变，进而不能对提升光栅的衍射效率进行进一步的加工优化。
发明内容
本发明的目的在于解决现有的加工手段很难实现对于亚波长闪耀光栅槽形形状的有效控制，提供一种利用三棱锥金刚石纳米压头在竖直面内轨迹运动纳米顺铣加工亚波长闪耀光栅结构的方法，实现对大横截面积闪耀光栅结构的加工，能够对光栅结构的槽形通过加工参数进行调节控制。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种亚波长闪耀光栅结构的加工方法，所述加工方法采用直角三坐标加工平台进行加工，所述直角三坐标加工平台包括位于上方的竖直Z向精密平移台以及位于下方的水平X向精密平移台和水平Y向精密平移台，所述水平Y向精密平移台固定安装在水平X向精密平移台上，其特征在于：在所述竖直Z向精密平移台上通过螺栓固定精密手动旋转台作为引入的旋转B轴，所述精密手动旋转台上通过转接板固定二维纳米压电定位台，所述二维纳米压电定位台的移动台面通过螺栓固定压头夹具，所述压头夹具下方螺纹固定三棱锥金刚石纳米压头，所述三棱锥金刚石纳米压头下端设有压头针尖，在水平Y向精密平移台上固定安装一维纳米压电定位台用于放置加工工件，加工亚波长闪耀光栅结构的方法具体步骤如下：
步骤一：标定二维纳米压电定位台的运动轨迹
使二维纳米压电定位台的两轴在X-Z竖直平面内，对两个运动轴输入两路异相的正弦电压信号，同时采用激光位移传感器分别对二维纳米压电定位台两个运动方向的输出位移进行测量，通过选取不同频率、幅值以及相位差的正弦电压激励，使其以100～300纳米的行程运动，测量二维纳米压电定位台的动态位移，获得二维纳米压电定位台在不同电压信号激励下，两轴合成运动轨迹的变化规律，记录两个运动轴的位移变化曲线，合成不同参数的激励下二维纳米压电定位台的运动轨迹，同时标记出两路正弦电压信号的相位差与二维纳米压电定位台旋转方向的关系；
步骤二：设置三棱锥金刚石纳米压头的压头针尖朝向
通过竖直Z向精密平移台向下逼近加工工件表面，当压头针尖与加工工件表面的距离小于50微米时停止移动，随后通过一维纳米压电定位台以0.1～2微米的步进抬升加工工件直至完接触，之后控制一维纳米压电定位台继续向上移动完成压印过程，随后观察压头针尖三个切削刃的空间朝向并对压头针尖进行调节；
步骤三：压头针尖轨迹运动顺铣加工亚波长闪耀光栅结构
确定压头针尖的朝向并完成对刀后，进入亚波长闪耀光栅结构加工阶段，首先驱动二维纳米压电定位台带动压头针尖做纳米公转，然后一维纳米压电定位台向上推动加工工件达到期望的加工深度，最后水平X向精密平移台带动加工工件水平移动完成加工进给，配合水平Y向精密平移台横向进给，实现光栅表面的加工，通过设置加工工件的进给速度与压头针尖的公转频率的关系，控制压头针尖的每圈加工进给量在可见光波长范围内，调节压头针尖公转半径的幅值，使其与每圈加工进给量在同一长度量级上，同时配合压头针尖公转方向与加工工件进给方向的关系让切削刃以顺铣的方式进行加工，加工出的亚波长闪耀光栅结构生成在压头针尖进给刻划形成的V形微沟槽的侧壁上；
步骤四：改变运动轨迹形状加工亚波长闪耀光栅结构
在步骤一的基础上，通过控制二维纳米压电定位台的输入信号，改变二维纳米压电定位台驱动电压的幅值和相位差来调节压头针尖运动轨迹的形状，使得在压头针尖的切削刃在空间位置不变的情况下，通过改变运动轨迹的形状，来改变亚波长闪耀光栅结构的槽形形状，加工出不同槽形的亚波长闪耀光栅结构；
步骤五：改变压头针尖倾斜角度加工亚波长闪耀光栅结构
压头针尖与加工工件分离，然后旋转精密手动旋转台，使压头针尖的竖直轴线相对于步骤三的情况与加工工件表面的夹角改变从而形成新的空间位置，按照步骤二和步骤三的过程进行新的光栅结构加工，由于压头针尖切削刃的前角和后角发生改变，使得亚波长闪耀光栅结构的两个槽面的闪耀角随之改变，加工出不同槽形形状的亚波长闪耀光栅结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出了以纳米顺铣的加工方式，通过调节顺铣加工轨迹的形状以及引入旋转B轴来改变切削刃的空间位置，实现对更多槽形形状的亚波长闪耀光栅结构的加工，在此基础上通过设置进给运动、轨迹运动以及B轴转动联合运动，可以实现加工出光栅周期和槽形连续变化的亚波长闪耀光栅。同时，若选用不同锥角的三棱锥金刚石纳米压头以及设置不同的压头针尖的朝向，可以加工得到不同空间方位周期分布的亚波长闪耀光栅。在基于亚波长闪耀光栅灵活结构着色的基础上，能够实现对光栅槽形的结构优化，提高光栅的衍射效率和着色质量，对结构色的应用具有推动作用。
附图说明
图1是本发明的直角三坐标加工平台的轴测图；
图2是本发明的精密手动旋转台的轴测图；
图3是本发明的压头针尖加工光栅结构的顺铣运动轨迹示意图；
图4是本发明的压头针尖不同倾斜角度加工光栅结构的示意图。
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，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，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做出创造性劳动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。
参照图1所示，本发明的亚波长闪耀光栅结构的加工方法采用直角三坐标加工平台，所述直角三坐标加工平台包括竖直Z向精密平移台1、精密手动旋转台2、二维纳米压电定位台3、三棱锥金刚石纳米压头4、一维纳米压电定位台6、水平X向精密平移台7、水平Y向精密平移台8以及压头夹具10，所述竖直Z向精密平移台1固定安装在基座上方，用于控制压头针尖11与加工工件5之间的粗定位，所述精密手动旋转台2通过螺栓固定在竖直Z向精密平移台1上，用于控制压头针尖11在竖直面内转动，精密手动旋转台2作为引入的旋转B轴，参照图2所示，所述二维纳米压电定位台3通过转接板9固定在精密手动旋转台2上，用于控制压头针尖11产生纳米公转运动轨迹，所述压头夹具10通过螺栓与二维纳米压电定位台3的移动台面连接固定，所述三棱锥金刚石纳米压头4用作加工刀具并螺纹连接固定在压头夹具10下方，三棱锥金刚石纳米压头4下端设有压头针尖11，所述水平X向精密平移台7固定安装在基座上表面，所述水平Y向精密平移台8固定安装在水平X向精密平移台7上，水平X向精密平移台7及水平Y向精密平移台8垂直设置并位于竖直Z向精密平移台1下方，用于完成水平面上X-Y向的加工进给运动，所述一维纳米压电定位台6固定安装在水平Y向精密平移台8上，用于实现对刀和控制加工深度，所述加工工件5设置在一维纳米压电定位台6上；
加工亚波长闪耀光栅结构的核心部件主要包括带动三棱锥金刚石纳米压头4沿B轴方向旋转的精密手动旋转台2、提供三棱锥金刚石纳米压头4在X-Z竖直平面内轨迹运动的二维纳米压电定位台3以及用于纳米压痕的三棱锥金刚石纳米压头4，加工亚波长闪耀光栅结构的方法具体步骤如下：
步骤一：标定二维纳米压电定位台的运动轨迹
二维纳米压电定位台3垂直安装在作为旋转B轴的精密手动旋转台2上，选用行程5微米的剪切式压电定位台，使其两轴在X-Z竖直平面内，对二维纳米压电定位台3的两个运动轴输入两路异相的正弦电压信号，同时采用激光位移传感器分别对二维纳米压电定位台3两个运动方向的输出位移进行测量，通过选取不同频率、幅值以及相位差的正弦电压激励，使其以100～300纳米的行程运动，测量二维纳米压电定位台3的动态位移，获得二维纳米压电定位台3在不同电压信号激励下，两轴合成运动轨迹的变化规律，记录两个运动轴的位移变化曲线，合成不同参数的激励下二维纳米压电定位台3的运动轨迹，同时标记出两路正弦电压信号的相位差与二维纳米压电定位台3旋转方向的关系，由于二维纳米压电定位台3的行程小，故能够在更高的频率下运动而不严重失真；
步骤二：设置三棱锥金刚石纳米压头的压头针尖朝向
三棱锥金刚石纳米压头4通过压头夹具10安装在二维纳米压电定位台3上，其压头针尖11的三个棱边可作为切削刃进行加工，切削刃纳米尺寸的刃口半径有助于亚波长光栅结构的形成，由于切削刃的空间位置决定着光栅结构的空间方位，通过观察三棱锥金刚石纳米压头4在加工工件5表面上留下的纳米压痕来调节压头针尖11的加工朝向，以获得预期的光栅空间分布，通过竖直Z向精密平移台1向下逼近加工工件5表面，当压头针尖11与加工工件5表面的距离小于50微米时，停止竖直Z向精密平移台1的移动，随后通过一维纳米压电定位台6以0.1～2微米的步进抬升加工工件5，直至完成压头针尖11与加工工件5表面接触，选用的一维纳米压电定位台6的行程在50～100微米，压头针尖11与加工工件5表面接触后，控制一维纳米压电定位台6继续向上移动，直至完成压头针尖11在加工工件5表面上的压印过程，随后通过离线观察压痕的形貌获得压头针尖11三个切削刃的空间朝向，并以此对压头针尖11进行调节；
步骤三：压头针尖轨迹运动顺铣加工亚波长闪耀光栅结构
确定好压头针尖11的朝向并完成对刀后，进入亚波长闪耀光栅结构加工阶段，加工工件5采用金属材料，如选用塑性延展性较好的铝合金材料，其表面经超精密车削加工具有镜面级的表面质量，首先驱动二维纳米压电定位台3带动压头针尖11做纳米公转，然后一维纳米压电定位台6向上推动加工工件5达到期望的加工深度，最后水平X向精密平移台7带动加工工件5水平移动完成加工进给，配合水平Y向精密平移台8横向进给，实现光栅表面的加工，通过设置加工工件5的进给速度与压头针尖11的公转频率的关系，控制压头针尖11的每圈加工进给量在可见光波长范围内，可见光波长范围为380～780nm，调节压头针尖11公转半径的幅值，使其与每圈加工进给量在同一长度量级上，同时配合压头针尖11公转方向与加工工件5进给方向的关系让切削刃以顺铣的方式进行加工，参照图3所示，可以获得更多的由顺铣公转轨迹12所导致的加工材料残留13，所包络出的亚波长闪耀光栅结构14轮廓主要由顺铣公转轨迹和针尖轮廓组成，加工得到的亚波长闪耀光栅结构14是通过切削结合挤压混合作用所形成的，能够获得横截面积更大的光栅结构，所加工出的亚波长闪耀光栅结构14生成在压头针尖11进给刻划形成的V形微沟槽的侧壁上；
步骤四：改变运动轨迹形状加工亚波长闪耀光栅结构
在光栅结构的加工过程中，加工材料残留13的轮廓由运动轨迹和压头针尖11轮廓包络而成，分别反映在以切削为主和挤压为主的加工方式，在步骤一的基础上，通过控制二维纳米压电定位台3的输入信号，改变二维纳米压电定位台3驱动电压的幅值和相位差来调节压头针尖11运动轨迹的形状，使得在压头针尖11的切削刃在空间位置不变的情况下，通过改变运动轨迹的形状，来改变亚波长闪耀光栅结构14的槽形形状，可以包络出不同横截面形状的加工材料残留13，从而加工出不同槽形的亚波长闪耀光栅结构14；
步骤五：改变压头针尖倾斜角度加工亚波长闪耀光栅结构
分别驱动一维纳米压电定位台6向下移动以及竖直Z向精密平移台1向上移动，使压头针尖11与加工工件5分离，然后旋转作为旋转B轴的精密手动旋转台2，使压头针尖11的竖直轴线相对于步骤三的情况与加工工件5表面的夹角改变从而形成新的空间位置，参照图4所示，按照步骤二和步骤三的过程进行新的光栅结构加工，在图4中，实线是转动前的压头针尖11以及加工出的亚波长闪耀光栅结构14，虚线是转动后的情况，由于压头针尖11切削刃的前角和后角发生改变，使得通过挤压形成的亚波长闪耀光栅结构14的两个槽面的闪耀角随之改变，压头针尖11的切削刃在新的空间位置下，加工出不同槽形形状的亚波长闪耀光栅结构14。
若同时结合步骤五与步骤四，改变压头针尖11倾斜角度同时再改变压头针尖11运动轨迹形状，能够加工出更多不同槽形形状的亚波长闪耀光栅结构14。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种亚波长闪耀光栅结构的加工方法，所述加工方法采用直角三坐标加工平台进行加工，所述直角三坐标加工平台包括位于上方的竖直Z向精密平移台以及位于下方的水平X向精密平移台和水平Y向精密平移台，所述水平Y向精密平移台固定安装在水平X向精密平移台上，其特征在于：在所述竖直Z向精密平移台上通过螺栓固定精密手动旋转台作为引入的旋转B轴，所述精密手动旋转台上通过转接板固定二维纳米压电定位台，所述二维纳米压电定位台的移动台面通过螺栓固定压头夹具，所述压头夹具下方螺纹固定三棱锥金刚石纳米压头，所述三棱锥金刚石纳米压头下端设有压头针尖，在水平Y向精密平移台上固定安装一维纳米压电定位台用于放置加工工件，加工亚波长闪耀光栅结构的方法具体步骤如下：
步骤一：标定二维纳米压电定位台的运动轨迹
使二维纳米压电定位台的两轴在X-Z竖直平面内，对两个运动轴输入两路异相的正弦电压信号，同时采用激光位移传感器分别对二维纳米压电定位台两个运动方向的输出位移进行测量，通过选取不同频率、幅值以及相位差的正弦电压激励，使其以100～300纳米的行程运动，测量二维纳米压电定位台的动态位移，获得二维纳米压电定位台在不同电压信号激励下，两轴合成运动轨迹的变化规律，记录两个运动轴的位移变化曲线，合成不同参数的激励下二维纳米压电定位台的运动轨迹，同时标记出两路正弦电压信号的相位差与二维纳米压电定位台旋转方向的关系；
步骤二：设置三棱锥金刚石纳米压头的压头针尖朝向
通过竖直Z向精密平移台向下逼近加工工件表面，当压头针尖与加工工件表面的距离小于50微米时停止移动，随后通过一维纳米压电定位台以0.1～2微米的步进抬升加工工件直至完接触，之后控制一维纳米压电定位台继续向上移动完成压印过程，随后观察压头针尖三个切削刃的空间朝向并对压头针尖进行调节；
步骤三：压头针尖轨迹运动顺铣加工亚波长闪耀光栅结构
确定压头针尖的朝向并完成对刀后，进入亚波长闪耀光栅结构加工阶段，首先驱动二维纳米压电定位台带动压头针尖做纳米公转，然后一维纳米压电定位台向上推动加工工件达到期望的加工深度，最后水平X向精密平移台带动加工工件水平移动完成加工进给，配合水平Y向精密平移台横向进给，实现光栅表面的加工，通过设置加工工件的进给速度与压头针尖的公转频率的关系，控制压头针尖的每圈加工进给量在可见光波长范围内，调节压头针尖公转半径的幅值，使其与每圈加工进给量在同一长度量级上，同时配合压头针尖公转方向与加工工件进给方向的关系让切削刃以顺铣的方式进行加工，加工出的亚波长闪耀光栅结构生成在压头针尖进给刻划形成的V形微沟槽的侧壁上；
步骤四：改变运动轨迹形状加工亚波长闪耀光栅结构
在步骤一的基础上，通过控制二维纳米压电定位台的输入信号，改变二维纳米压电定位台驱动电压的幅值和相位差来调节压头针尖运动轨迹的形状，使得在压头针尖的切削刃在空间位置不变的情况下，通过改变运动轨迹的形状，来改变亚波长闪耀光栅结构的槽形形状，加工出不同槽形的亚波长闪耀光栅结构；
步骤五：改变压头针尖倾斜角度加工亚波长闪耀光栅结构
压头针尖与加工工件分离，然后旋转精密手动旋转台，使压头针尖的竖直轴线相对于步骤三的情况与加工工件表面的夹角改变从而形成新的空间位置，按照步骤二和步骤三的过程进行新的光栅结构加工，由于压头针尖切削刃的前角和后角发生改变，使得亚波长闪耀光栅结构的两个槽面的闪耀角随之改变，加工出不同槽形形状的亚波长闪耀光栅结构。
2.根据权利要求1所述的一种亚波长闪耀光栅结构的加工方法，其特征在于：所述步骤五与步骤四结合，改变压头针尖倾斜角度同时再改变压头针尖运动轨迹形状，也能够加工出不同槽形的亚波长闪耀光栅结构。
3.根据权利要求1或2所述的一种亚波长闪耀光栅结构的加工方法，其特征在于：所述二维纳米压电定位台选用行程5微米的剪切式压电定位台。
4.根据权利要求1或2所述的一种亚波长闪耀光栅结构的加工方法，其特征在于：所述一维纳米压电定位台的行程在50～100微米。
5.根据权利要求1或2所述的一种亚波长闪耀光栅结构的加工方法，其特征在于：所述可见光波长范围为380～780nm。
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