CN114309684A - 菲涅尔透镜制作刀具、加工方法以及菲涅尔透镜模芯制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种菲涅尔透镜制作刀具、加工方法以及菲涅尔透镜模芯制备方法，该刀具的刀尖处设有金钢石刀尖，该金钢石刀尖设有左偏半圆弧。使用该刀具，可以解决菲涅尔齿底加工盲区，再配合B轴旋转改变刀具运动方向和姿态，可以降低菲涅尔形貌加工中产生的毛刺、尖角缺损及表面划痕严重现象，解决非连续光学自由曲面精度低、加工效率低下等技术问题。本发明还公开了一种菲涅尔透镜模芯制备方法，通过该方法制备的模芯，可以降低后续透镜加工中产生的毛刺、尖角缺损及表面划痕严重现象。

Description

菲涅尔透镜制作刀具、加工方法以及菲涅尔透镜模芯制备 方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，特别涉及一种菲涅尔透镜制作刀具、加工方法以及菲涅尔透镜模芯制备方法。

背景技术

菲涅尔透镜是一种常用的“凸透镜”，其光学特点是焦距短，在许多应用领域取代了凸透镜，其原理是依靠其表面的齿状同心圆来产生凸透镜的放大效果，使透过透镜的光线汇聚于焦点。菲涅尔透镜结构主要是单面透镜为主，即一面为光面(即平面)，另一面上设有齿纹。随着光学仪器不断发展，对光学仪器提出更高要求，如成像质量好，光能损失少，仪器小型化，轻量化等。对光学设计来说，非球面比球面有更多的自由度，而且非曲面透镜在校正相差上具有独特的优点，采用一个非球面可以顶替多个球面在相差中的校正作用，从而简化了光学系统。另一方面，双曲面菲涅透镜比平面菲涅尔透镜的球差和慧差更小，而且视场更大。双曲面菲涅尔透镜与平面菲涅尔单透镜最大的差别在于透镜的基底是曲面，是曲面基底与齿面波纹的结合；而双曲面菲涅尔透镜的入射面基底曲面为凸面，射出面基底曲面为凹面，使得基底材料去除率更高，重量更加轻和薄，因此可以传递更多光量。同时曲面基底设计突破了平面基底的限制，使得透镜占用空间更小，视场宽广。基底两侧均为菲涅尔透镜结构，比平面菲涅尔单透镜在透光率、焦距等方面更具优势。而针对双曲面菲涅尔透镜结构及其结构设计本案申请人已另案申请。

针对菲涅尔透镜的制作，现今大多数光学透镜制备工艺主要有：1.射出成型的方法配合模具制成，传统的菲涅尔透镜主要通过该方法来生产，其主要工艺为：利用射出成型模具机将加热后的塑性材料进行加工成型，但现有模具因温升慢、模具各处温度不一，塑性材料在模具墙体内的流动速度不一，导致成型周期长，在注塑过程中容易使透镜的表面存在缺陷流痕、气纹；此外，由于模具各部分温度不均，温度较低的塑性材料先行冷却成形，导致菲涅尔透镜的尖锐部分填充不足的短射缺陷，引起透镜内部应力集中等问题，影响光学成像，严重影响菲涅尔透镜的品质。2.模具模压工艺。菲涅尔透镜由玻璃材料或亚克力等透明有机材料经过成型模具压制而成，先通过精密车床在平板毛坯上车削出圆环制作成平板模具，通过热压、浇注、模压、注塑、UV固化等方法将平板模具上的圆环复制到基材上。根据镜片的尺寸制造出基板，然后将其放入模具中压制，模具上与基板相对的一平面上有齿状纹路，通过加温加压，将模具上的纹路压制在基板的一面上，使基板变为菲涅尔透镜，由于菲涅尔透镜的齿尖宽度只有2～4微米，基板上压出的齿纹并不能保证顶部为尖角，而会变为圆角，这就使整个菲涅尔透镜的透光率降低，影响整个产品的品质。模具模压的生产过程是间歇式的，生产效率较低，因而生产成本较高；也有用在玻璃材料上用有机硅胶复合成型的方法，其制备工艺复杂，效率低，且所得菲涅尔透镜耐候性差。3.在单点金刚石超精密车削直接加工透镜，但由于透镜材料的切削特性原因，往往毛刺较多等问题。

此外，现有制备工艺对于双曲面菲涅尔透镜的加工，还没有较好的加工方法实现。双曲面菲涅尔透镜比平面菲涅尔单透镜结构更加复杂，若采用射出成型工艺制备，则容易存在透镜边缘成型质量差，透镜内部应力集中等问题，工艺链冗长，影响光学成像，严重影响菲涅尔透镜的品质。若采用现有模具模压工艺，虽然适合大批量生产，然而采用模具模压压出的齿纹并不能保证顶部为尖角，而会变为圆角等问题，不利于光量传输。不难发现制约双曲面菲涅尔透镜制备的关键在于：1.简化制备工艺，适用于批量生产，保证双曲面菲涅尔透镜中心与边缘结构的一致性，消除透镜内部应力集中等问题；2.保证双曲面菲涅尔透镜厚度均匀，制备出的齿纹齿尖尖锐，无圆角现象。

总之，无论是单面菲涅尔透镜、双面菲涅尔透镜，还是曲面基底的菲涅尔透镜，由于菲涅尔面具有细小齿纹，因此无论是模具模芯的制作还是直接车削加工菲涅尔透镜，均存在齿底加工盲区、齿尖加工缺损、毛刺及表面划痕严重等加工误差，从而影响透镜的成像效果的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种菲涅尔透镜制作刀具，旨在解决菲涅尔齿底加工盲区、齿尖加工破坏而改善菲涅尔三维形貌。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种利用上述刀具加工菲涅尔形貌的加工方法，旨在降低菲涅尔形貌加工中产生的毛刺、尖角缺损及表面划痕严重现象。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种菲涅尔透镜模芯制备方法，旨在通过该方法制备的模芯，降低后续透镜加工中产生的毛刺、尖角缺损及表面划痕严重现象。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

一种菲涅尔透镜制作刀具，该刀具的刀尖处设有金钢石刀尖，该金钢石刀尖设有左偏半圆弧。

优选的，所述刀具的刀尖前角γ_p为0°，后角α_p为3°。

一种菲涅尔透镜制作的加工方法，使用所述刀具进行菲涅尔形貌加工，使用具有X轴、Z轴、B轴和C轴的车床，其中所述X轴和Z轴为平动轴，两者相互垂直水平的安装在车床的床身上，所述B轴为旋转轴，其安装在Z轴上与Z轴和X轴平面垂直，所述C轴为旋转主轴，其安装在X轴上并随X轴平动，且C轴与Z轴平行；所述刀具安装在B轴上，而待加工工件一端安装在在C轴上；加工时，根据菲涅尔形貌轮廓配合B轴旋转使刀尖摆动，同时Z、X、C轴联动，使刀具上的刀位点与菲涅尔形貌轮廓上的点重合，B轴旋转只改变刀具的方向，刀具中心位置不变，使得刀位点和刀触点位置不变。

优选的，在所述菲涅尔形貌加工过程中，辅以激光加热，即在加工过程中，实时令激光焦点处于所述刀具的半圆弧刀尖处。

采用所述刀具进行菲涅尔透镜模芯制备方法，包括如下步骤：

步骤一，模芯设计：根据菲涅尔透镜结构设置上下模芯，该透镜至少有一面为菲涅尔形貌结构；

步骤二，刀具及待加工工件安装：将所述刀具安装在车床的B轴，将待加工工件通过夹具安装在车床的C轴，并使待加工工件的旋转中心与C轴的中心重合，使刀具的刀尖在Z轴方向，并指向待加工工件；而B轴为旋转轴，其安装在平动轴Z轴的导轨上，随Z轴进给；C轴为旋转主轴，其安装在平动轴X轴上，随X轴进给，C轴与Z轴平行；X轴与B轴垂直，刀具刀尖随B轴在X、Z轴组成的平面内旋转；

步骤三，待加工工件端面平整：精车待加工工件的加工端面，使加工端面平整；

步骤四，基底加工：如果菲涅尔形貌的齿底基底为平面，则跳过此步骤；如果菲涅尔形貌的齿底基底为曲面，则进行此步骤；具体为，车床导入对应的曲面基底的加工程序，在加工时，以X轴、Z轴两平动轴带动刀具拟合出待加工工件曲面基底的旋转母线，再配合主轴C轴带动待加工工件旋转，完成曲面基底的加工；

步骤五，菲涅尔形貌加工：在加工好的基底的基础上，进行菲涅尔形貌的加工；即车床导入对应的菲涅尔形貌轨迹的加工程序，并通过数控程序控制Z轴、X轴及辅助旋转B轴带动半圆弧刀具在空间中拟合形成一条轨迹，该轨迹为所述菲涅尔曲面其中一面完整的旋转母线；再配合主轴C轴带动待加工工件旋转，完成菲涅尔形貌加工。

优选的，在加工过程中，启动激光加热装置，实时令激光焦点处于所述刀具的半圆弧刀尖处。

优选的，所述待加工工件的加工端面上镀有NiP合金的镀镍层，所述菲涅尔形貌在该镀镍层上进行加工。

优选的，所述步骤三之后，在平整后的加工端面上镀有NiP合金的镀镍层，后续加工在镍镀层上完成。

优选的，所述步骤四之后，在加工成曲面基底的加工端面上镀有NiP合金的镀镍层，之后在镍镀层上完成菲涅尔形貌的加工。

优选的，在加工过程中采用分次进给的方式，设定单次进给量，直至累计进给量达到基底设计高度或菲涅尔形貌设计深度。

采用上述方案后，本发明的有益效果是：

1.本发明设计的一种半圆弧刀尖刀具，在解决菲涅尔三维形貌内齿尖的加工盲区，以及菲涅尔透镜的齿底的加工盲区能得到很好的处理，结合B轴联动，能很好的解决单纯Z轴进给时，刀具对外齿尖的破坏。

2.提出一种半圆弧刀尖刀具结合激光辅助或/和B轴旋转拟合加工工艺制作模芯，有效解决了在超精密单点金刚石车削回转对称非连续加工中产生的毛刺、尖角缺损及表面划痕严重现象，造成非连续光学自由曲面精度低、加工效率低下等技术问题。

附图说明

图1是本发明所述刀具的结构示意图；

图2是本发明所述刀具的刀尖结构俯视图；

图3是传统圆弧刀尖加工残余与本发明半圆弧刀尖加工状态对比示意图；

图4是传统圆弧刀具切削与本发明半圆弧刀尖刀具配合旋转切削对比示意图；

图5是本发明所述超精密车床布置主视图；

图6是本发明所述超精密车床布置俯视图；

图7是本发明所述菲涅尔透镜模芯制备方法的流程图；

图8是本发明预加工双曲面菲涅尔透镜的结构示意图；

图9是本发明所述上、下模芯结构示意图；

图10是本发明所述上、下模芯形貌示意图；

图11是本发明所述方法进行凸曲面基底加工过程示意图；

图12是本发明所述方法工件旋转方向和进刀方向示意图；

图13是本发明所述方法进行凹曲面基底加工过程示意图；

图14是本发明所述方法进行菲涅尔透镜加工刀具轨迹示意图；

图15是本发明所述方法进行凹面菲涅尔透镜上模加工过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

本发明所揭示的是一种菲涅尔透镜制作刀具，如图1及图2所示，为本发明所述刀具的较佳实施例。所述的刀具1其刀尖处设有金钢石刀尖11，该金钢石刀尖11设有左偏半圆弧111，该左偏半圆弧111的圆弧半径是微米级，例如该圆弧半径可以为50μm。另外，该刀具1的刀尖前角(γ_p)可以为0°，后角(α_p)可以为3°。

由于菲涅尔微结构轮廓沟槽深度在几微米到几十微米，所以理论上减小刀尖可以减小加工盲区。环带沟深非常小，当齿高只有微米级时，圆弧刀尖形貌的微观结构将会给加工的毛胚带来影响。菲涅尔微结构在加工时需要很小刀尖，理论上可以采用亚微米的圆弧刀刃。但是，从刀具寿命考虑不允许无限减圆弧半径。

另外，超精密车削的过程是刀刃和进行极小去除量的过程，刃口轮廓精度直接决定着超精密加工表面形貌。当进入镜面要求的纳米级切削后，刃口轮廓精度对工件表面完整性和粗糙度有直接影响。在相同切削深度时，圆弧切削刃变小，加工时残留面积越来越大，从而导致粗糙度增大，根据粗糙度理论计算公式：

式中：R_a为理论粗糙度，f为刀具进给mm/r，r_ε为刀尖圆弧半径mm。由该式可知，当r_ε越小，R_a值越大。所以可以通过减小刀具每转进给量f，或者增大r_ε来实现高表面精度要求。但随着刀尖圆弧半径的增大，刀具将变得越来越钝，对工件产生很大的挤压力和摩擦力，使得切削层不再均匀，因此刀尖圆弧半径会影响加工表面粗糙度和平面度。

此外，刀尖圆弧半径越小价格越昂贵，理论上可减小圆弧遮挡效应、能加工出更小的菲涅尔透镜内齿尖。但是此时，刀具冲击强度降低，崩刃概率加大，寿命会减小。另一方面，菲涅尔透镜的每个环带实际上还是一段曲面(例如抛物面)，所以刀具圆弧半径需要小于工件最小曲率半径。

而本发明设计了左偏半圆弧刀尖，因此可以采用较大半径圆弧。针对菲涅尔透镜齿底加工，采用传统圆弧刀尖模芯形貌车削的遮挡效应，加工残余过多(如图3a所示)，会使车削出的模芯不符合要求。而采用本发明设计的半圆弧刀尖刀具，其加工示意图如图3b所示，可以大大减小切削残余面积，从而达到提高面型精度。

本发明所述的具有左偏半圆弧刀尖的刀具1，直接应用于单点金刚石超精密车床上，可以直接加工菲涅尔透镜，也可以加工菲涅尔透镜模具模芯，再通过该模芯以浇注成型或模压成型的方式制备菲涅尔透镜。因此，本发明再辅以适当的加工方法，可以改善菲涅尔形貌的加工性能。具体如下：

针对传统母模加工过程中，刀具Z轴轴向切削力的存在(如图4a)，模具形貌齿顶会较大损失。而本发明所述半圆弧刀尖刀具1，可以采用B轴旋转辅助车削加工工艺(如图4b所示)，通过B轴转动改变刀具运动方向和姿态，使刀具切削力方向改变，可有效降低Z轴切削力的影响。同时Z、X、C轴联动(具体方法如下制备方法所述)，使刀具上的刀位点与菲涅尔形貌轮廓上的点重合，B轴旋转只改变刀具的方向，刀具中心位置不变，使得刀位点和刀触点位置不变。从而在加工出形貌时，达到保护齿尖的目的。该策略可减小刀尖切削力对菲涅尔透镜母模齿尖的破坏，提高加工精度。上述Z、X、C、B轴是所述单点金刚石超精密车床上平移轴或者旋转轴，在以下将进一步说明。

再者，在加工过程中，可以再辅以激光加热，即在加工过程中，实时令激光焦点处于本发明所述刀具1的半圆弧刀尖处，使得待加工工件的毛坯材质在局部软化，便于切削，通过激光进一步改善机械切削性能。

更具体而言，本发明还揭示了一种菲涅尔透镜模芯的制备方法，该制备方法采用上述左偏半圆弧刀尖的刀具1，并且采用单点金刚石超精密车床(或者其他类似车床)进行加工。

为方便说明本发明，先简单介绍所述超精密车床的基本结构，如图5、6所示，所述的车床2包括床身21、X轴22、Z轴23、B轴24、C轴25及夹具26。其中所述的X轴22和Z轴23为平动轴，两者相互垂直水平的安装在所述床身21上；所述B轴24为旋转轴，其安装在Z轴23上与Z轴和X轴平面垂直。所述C轴25为旋转主轴，其安装在X轴22上并随X轴平动，且C轴与Z轴平行并指向Z负。本发明所述的半圆弧刀尖刀具1安装在B轴24旋转台中心，刀尖指向C轴25并与Z轴23平行。而待加工工件9一端安装在夹具26上，夹具26则固定在C轴25上。另外，本发明还配备有激光加热装置3，该激光加热装置3设置在所述半圆弧刀尖刀具1侧边，加工时，其激光焦点位于半圆弧刀尖处。需要说明的是，图5所示激光加热装置3仅为示意图，并非实现安装图。

本发明所述菲涅尔透镜模芯的制备方法，如图7所示，其包括如下步骤：

步骤一，模芯设计。

模芯的结构设计与尺寸由预加工的菲涅尔透镜决定。本发明实施例采用双曲面菲涅尔透镜，该透镜8结构如图8所示，其包括均为菲涅尔形貌结构的入射面81及出射面82，而入射面81及出射面82齿底所在基底83均为曲面基底，本实施例该基底83为非球面(具体可以抛物面)，另外，入射面81和出射面82的基底83结构相同且相互平行。

由于透镜形貌与模芯形貌是互补关系，因此根据上述结构菲涅尔透镜8，本发明设计的模芯结构如图9及图10，其中上模芯91、下模芯92，均具有曲面基底及菲涅尔形貌。而本发明模芯材料可以采用模具钢作为基材，具体可用STAVAXESR(S-136)，其机械加工性优，且长期使用后仍然会维持光滑模穴状态。由于S-136是含碳模具钢，利用电脑锣加工精度可保证曲面基底面型精度在20μm内，而且加工效率高、价格便宜。之后，可进一步在模具钢的加工端面上镀NiP合金，在镀镍层进行形貌加工，而镍镀层的加工机械性能和可加工性能等切削性能均优于一般模具钢。镍镀层可以步骤三工件端面平整后进行，也可以在步骤四基底加工之后进行。

步骤二，刀具及待加工工件安装。

将本发明所述刀具1安装在车床2的B轴24，将待加工工件9通过夹具26安装在C轴25，安装调整后，使待加工工件9的旋转中心与C轴25的中心重合，使刀具1的刀尖在Z轴方向，并指向工件9，且使刀具前角为0度，刀具轴线与加工端面成2°夹角，在该角度下，切屑能够更好的排出，不会形成积屑瘤，有利于切削。此时，B轴安装在Z轴导轨上，随Z轴进给；X轴与B轴垂直；刀具刀尖随B轴在X、Z轴组成的平面内旋转；C轴安装在X轴上，随X轴进给，C轴与Z轴平行。

步骤三，待加工工件端面平整。

精车待加工工件9的加工端面，使加工端面平整，平整后的端面可以达到一定平面度需要。该步骤完成之后，可以进一步在平整后的加工端面上镀镍合金镀层，后续加工在镍镀层上完成。

步骤四，基底加工。

对于平面基底的菲涅尔透镜来说，无需进行该步骤，直接进入步骤五。

对于本实施例具有非球面曲面基底的菲涅尔透镜来说，进行该步骤。即对端面平整过的待加工工件9的加工端面加工曲面(非球面)基底，非球面基底与设计的双面菲涅尔透镜基底相同。在加工过程中，可以使用激光加热装置3，将激光焦点聚焦于刀具1的刀尖处，使得毛坯材质在局部软化，便于切削。

具体的，车床导入对应的曲面基底的加工程序，在加工时，以X轴22、Z轴23两平动轴，伺服电机联动加工形成回转对称非球面插补轨迹，即带动刀具1拟合出待加工工件9曲面基底的旋转母线，再配合主轴C轴25带动待加工工件9旋转，完成曲面基底的加工。为保护刀尖因Z轴23进给量过大而使刀具1崩刃，加工待加工工件9的非球面基底时可以采用分次进给的方式，即设定Z轴23单次最大进给量，例如最大进给量不大于2μm，同时也保证均匀切削，保证加工面型质量。每次半圆弧刀尖刀具1由待加工工件9的圆柱面往圆心加工，配合待加工工件9主轴C轴旋转，使刀尖轨迹是一个完整的非球面，直至Z轴累计进给量达到非球面基底的高度，既待加工工件9的非球面基底加工完成。

如图11及图12所示，为凸曲面基底的具体加工过程：

1)半圆弧刀尖刀具1起始位置在位置1-1，打开激光加热装置3，使得毛坯材质在局部软化，便于切削。半圆弧刀尖刀具1沿轨迹1-2走刀到位置1-3，第一次加工完成。半圆弧刀尖刀具1在XOY平面上的运动示意图(如图12所示)，在加工端面由圆外向圆心移动，半圆弧刀尖刀具1的运动趋势是远离待加工工件9。加工效果为工件9端面1-4外圈形成一部分曲面基底。

2)再对Z轴23进给2μm后，重新执行一次非球面基底数控加工程序，半圆弧刀尖刀具1的走刀轨迹在待加工工件9的加工区域越来越大，既半圆弧刀尖刀具1在工件9表面1-4的刀触点慢慢向工件9的圆心移动，第二遍基底数控程序执行完成。

3)半圆弧刀尖刀具1继续2μm进给，执行基底数控加工程序指令，直到刀具1的累计进给量大于非球面基底的设计高度，这时的半圆弧刀尖刀具1在工件9端面1-4的刀触点经过工件9的圆心，此时刀具在机床加工空间的运行轨迹1-5(图11)为曲面基底加工完成。

凹曲面基底加工过程和凸曲面基底加工类似，半圆弧刀尖刀具1的进给(如图13所示)，同样由圆外向圆心进给(可参考图12)。

1)第一次执行凹曲面基底加工程序时，半圆弧刀尖刀具1的加工起点在2-1，终点在2-3，刀具1在空间的运行轨迹为2-2，加工效果为在工件9端面圆心处加工出一部分凹曲面。

2)再对Z轴23进给2μm后，重新执行一次非球面基底数控加工程序，刀具1的走刀轨迹跟工件加工区域越来越大，既半圆弧刀尖刀具1在工件9表面2-4的刀触点由工件9端面外周慢慢靠近工件9圆心，第二遍基底数控程序执行完成。

3)半圆弧刀尖刀具1继续2μm进给，执行基底数控加工程序指令，半圆弧刀尖刀具1的每次加工起点慢慢向工件9端面移动。直到半圆弧刀尖刀具1的累计进给量大于非球面基底的设计高度，这时的半圆弧刀尖刀具1在工件9端面2-4的刀触点经过工件9的端面外圆，此时刀具在机床加工空间的运行轨迹为2-5，凹曲面的基底加工完成。

本发明所述的镀镍合金镀层也可以在本步骤曲面基底加工完成之后进行。相对于平面基底镀镍的方法，加工曲面基底之后再镀NiP的方法，可以减少镍层的去除量，同时可以减少模芯毛坯的镀镍时间，在模芯制造过程中产生极大的社会经济效益。

步骤五，菲涅尔形貌加工。

在上一步加工好曲面基底的基础上，进行菲涅尔透镜镜面形貌的加工。即车床导入对应的菲涅尔形貌轨迹的加工程序，并通过数控程序控制Z轴23、X轴22及辅助旋转B轴24带动半圆弧刀具1在空间中拟合形成一条轨迹，即该轨迹为所述菲涅尔曲面其中一面完整的旋转母线(如图14)；再配合主轴C轴25带动待加工工件9旋转，完成菲涅尔形貌加工。程序加工起点时刀具的起点位置与机床C轴角度不变(即保持刀具轴线与加工端面成2°夹角)，保证每次加工起点在工件加工位置相同，从而提高加工形貌精度。在加工好的非球面基底上，同样采用Z轴分次进给的方式，即设定单次进给量(例如不大于2μm)，直到累计进给量达到设计菲涅尔形貌的深度，完成菲涅尔形貌加工。同样的，在加工过程中，可以使用激光加热装置3，将激光焦点聚焦于刀具1的刀尖处，使得毛坯材质在局部软化，便于切削。

具体步骤结合图15所示，以在凹曲面基底上模芯加工过程进行说明。

1)菲涅尔形貌轨迹数控程序执行前，半圆弧刀尖刀具1起始位置在位置3-1，打开激光加热装置3，使得毛坯材质在局部软化，便于切削。刀具1沿轨迹3-2走刀到位置3-3，第一次加工完成。在加工端面由圆周向圆心移动，半圆弧刀尖刀具1的运动趋势是逐渐接近加工工件9。加工效果为工件9的曲面基底形成一部分菲涅尔形貌。

2)再对Z轴23进给2μm后，重新执行一次菲涅尔数控加工程序，半圆弧刀尖刀具1的走刀轨迹在工件加工区域形成的菲涅尔形貌逐渐加深，既在每个菲涅尔同心环带刀具1在工件9表面3-4的刀触点慢慢远离工件9的圆心，第二遍基底数控程序执行完成。

3)刀具1继续2μm进给，执行菲涅尔数控加工程序指令，直到刀具1的累计进给量大于菲涅尔的设计齿高，这时的半圆弧刀尖刀具1在工件9的曲面基底端面2-2的刀触点经过工件9曲面基底端面最外端，此时菲涅尔形貌加工完成。

需要说明的是，在曲面基底和菲涅尔形貌加工过程中，刀具始终在B轴的配合下，根据加工轮廓进行摆动，使刀具上的刀位点与齿形轮廓上的点重合，以保证刀具能够完全加工出零件，从而避免产生的毛刺、尖角缺损及表面划痕严重等现象。

在凸曲面基底上的菲涅尔形貌的加工，跟上述类似，只需改变相对应的菲涅尔形貌轨迹数控程序即可。

通过上述方法制备的上模芯和下模芯，可以采用热压成型技术进行菲涅尔透镜的制作，即将透镜材料加热软化后，以上、下模芯热压成型。热压成型设备不是本案重点，在此不详细说明。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (10)

1.一种菲涅尔透镜制作刀具，其特征在于：所述的刀具（1）其刀尖处设有金钢石刀尖（11），该金钢石刀尖（11）设有左偏半圆弧（111）。

2.根据权利要求1所述的菲涅尔透镜制作刀具，其特征在于：所述刀具（1）的刀尖前角γ _p为0°，后角α _p为3°。

3.采用权利要求1或2所述刀具进行菲涅尔透镜制作的加工方法，其特征在于：使用所述刀具（1）进行菲涅尔形貌加工时，使用具有X轴、Z轴、B轴和C轴的车床，其中所述X轴和Z轴为平动轴，两者相互垂直水平的安装在车床的床身上，所述B轴为旋转轴，其安装在Z轴上与Z轴和X轴平面垂直，所述C轴为旋转主轴，其安装在X轴上并随X轴平动，且C轴与Z轴平行；所述刀具安装在B轴上，而待加工工件一端安装在在C轴上；加工时，根据菲涅尔形貌轮廓配合B轴旋转使刀尖摆动，同时Z、X、C轴联动，使刀具上的刀位点与菲涅尔形貌轮廓上的点重合，B轴旋转只改变刀具的方向，刀具中心位置不变，使得刀位点和刀触点位置不变。

4.根据权利要求3所述的加工方法，其特征在于：在所述菲涅尔形貌加工过程中，辅以激光加热，即在加工过程中，实时令激光焦点处于所述刀具（1）的半圆弧刀尖处。

5.采用权利要求1或2所述刀具进行菲涅尔透镜模芯制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一，模芯设计：根据菲涅尔透镜结构设置上下模芯，该透镜至少有一面为菲涅尔形貌结构；

步骤二，刀具及待加工工件安装：将所述刀具安装在车床的B轴，将待加工工件通过夹具安装在车床的C轴，并使待加工工件的旋转中心与 C轴的中心重合，使刀具的刀尖在Z轴方向，并指向待加工工件；而B轴为旋转轴，其安装在平动轴Z轴的导轨上，随Z轴进给；C轴为旋转主轴，其安装在平动轴X轴上，随X轴进给，C轴与Z轴平行；X轴与B轴垂直，刀具刀尖随B轴在X、Z轴组成的平面内旋转；

步骤三，待加工工件端面平整：精车待加工工件的加工端面，使加工端面平整；

步骤四，基底加工：如果菲涅尔形貌的齿底基底为平面，则跳过此步骤；如果菲涅尔形貌的齿底基底为曲面，则进行此步骤；具体为，车床导入对应的曲面基底的加工程序，在加工时，以X轴、Z轴两平动轴带动刀具拟合出待加工工件曲面基底的旋转母线，再配合主轴C轴带动待加工工件旋转，完成曲面基底的加工；

步骤五，菲涅尔形貌加工：在加工好的基底的基础上，进行菲涅尔形貌的加工；即车床导入对应的菲涅尔形貌轨迹的加工程序，并通过数控程序控制Z轴、X轴及辅助旋转B轴带动半圆弧刀具在空间中拟合形成一条轨迹，该轨迹为所述菲涅尔曲面其中一面完整的旋转母线；再配合主轴C轴带动待加工工件旋转，完成菲涅尔形貌加工。

6.根据权利要求5所述的菲涅尔透镜模芯制备方法，其特征在于：在加工过程中，启动激光加热装置，实时令激光焦点处于所述刀具的半圆弧刀尖处。

7.根据权利要求5所述的菲涅尔透镜模芯制备方法，其特征在于：所述待加工工件的加工端面上镀有NiP合金的镀镍层，所述菲涅尔形貌在该镀镍层上进行加工。

8.根据权利要求5所述的菲涅尔透镜模芯制备方法，其特征在于：所述步骤三之后，在平整后的加工端面上镀有NiP合金的镀镍层，后续加工在镍镀层上完成。

9.根据权利要求5所述的菲涅尔透镜模芯制备方法，其特征在于：所述步骤四之后，在加工成曲面基底的加工端面上镀有NiP合金的镀镍层，之后在镍镀层上完成菲涅尔形貌的加工。

10.根据权利要求5所述的菲涅尔透镜模芯制备方法，其特征在于：在加工过程中采用分次进给的方式，设定单次进给量，直至累计进给量达到基底设计高度或菲涅尔形貌设计深度。

Images