一種加工微棱鏡陣列新方法及其刀具的研究*

高賈順，陳亞洲,皮 鈞，楊 光

(集美大學 機械與能源工程學院，福建 廈門 361000)

一種加工微棱鏡陣列新方法及其刀具的研究*

高賈順，陳亞洲,皮 鈞，楊 光

(集美大學 機械與能源工程學院，福建 廈門 361000)

針對微棱鏡陣列尺寸小，表面粗糙度值小，刀具要求高的特征，研究利用超聲振動刨削加工微棱鏡陣列。研究內(nèi)容主要包括：設計一種可以加工出高質(zhì)量微棱鏡陣列的刨刀；加工出微棱鏡并分析微棱鏡反光膜微觀幾何結(jié)構(gòu)；最后通過檢測被加工微棱鏡陣列的表面粗糙度值、角度以及刨刀磨損情況，來判斷超聲振動刨削刀具是否滿足加工出微棱鏡陣列的要求。研究結(jié)果表明，在刀具刃磨方法合理、刀尖速度方向和工件速度方向共線、刀尖與主軸在X-Y平面內(nèi)的偏差測量準確的前提下，角度γf為25°、α0為9°、kr為54.75°的刨刀可以在尺寸為25mm×25mm×10mm的6061鋁合金板上加工約3萬個微棱鏡陣列。

微棱鏡陣列；超聲振動；刨削；刀具

0 引言

交通標志用一級反光膜其微觀幾何結(jié)構(gòu)是一個個微棱鏡幾何單元[1-4]。理論上可以證明以任意方向入射于微棱鏡幾何單元底面的光線經(jīng)過三個側(cè)面的反射能以原始光線相反的方向從底面射出，因此采用這種結(jié)構(gòu)的反光膜具有良好的全反射特性[5-8]。這種反光膜一般通過具有微棱鏡結(jié)構(gòu)的模具壓制而成，如何制作微棱鏡母模是問題的關(guān)鍵所在。目前國際上僅有美國艾莉-丹尼森、3M和日本電石工業(yè)株式會社等少數(shù)企業(yè)掌握了微棱鏡母模制造技術(shù)，國內(nèi)浙江工業(yè)大學的張明等采用烏克蘭提供的重達200T的金剛石機床研究了微棱鏡母模加工，哈爾濱工業(yè)大學的趙清亮等采用金剛石飛切的方法基于Nanosys-300型超精密復合加工系統(tǒng)研究了微棱鏡幾何單元加工[9-10]。

以上研究所采用的機床結(jié)構(gòu)比較復雜，加工成本較高。超聲刨削具有切削力小、切削精度高、表面加工質(zhì)量好、消除機床顫振對工件表面質(zhì)量影響的特點，理論界認為其完全可以用于微細表面的加工。本文在普通銑床上安裝作者所在團隊開發(fā)的超聲振動刨削平臺基于超聲振動刨削原理實現(xiàn)了微棱鏡母模的加工，超聲振動切削緣于高頻斷續(xù)切削，對刀具質(zhì)量要求高，所以重點研究了如何設計超聲加工用刨刀。文中首先簡單介紹了超聲振動刨削原理和超聲振動刨削平臺；接著介紹了微棱鏡反光膜微觀幾何結(jié)構(gòu)，根據(jù)微棱鏡反光膜微觀幾何結(jié)構(gòu)介紹了刨刀刀具參數(shù)設計過程；討論了如何采用合適的刃磨工藝以保證實際刃磨出的刨刀與理論上設計的刨刀盡可能一致；分析了如何消除刨刀安裝誤差對微棱鏡微觀幾何結(jié)構(gòu)加工質(zhì)量的影響；最后通過實際切削實驗加工出了相應的微棱鏡幾何單元；在共聚焦顯微鏡(VK-X100)下對加工出的微觀結(jié)構(gòu)進行觀察和分析，結(jié)果表明本文提出的方法是可行的。

1 超聲振動刨削

1.1 超聲振動刨削原理

超聲振動刨削加工的原理是在刨刀上施加高頻振動，振動系統(tǒng)是超聲振動加工技術(shù)的基礎(chǔ)。超聲振動系統(tǒng)是由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿以及刀具組成，超聲振動系統(tǒng)就是通過超聲波發(fā)生器產(chǎn)生一個高頻電振蕩傳輸給換能器，經(jīng)換能器將高頻電振蕩轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，由變幅桿放大振幅，最后通過刀具加工。與高速硬切削相比，超聲振動刨削不需要高的機床剛性，并且不破壞工件表面金相組織[11]。

圖1 超聲振動刨削實驗平臺

1.2 超聲振動刨削平臺

作者所在團隊在普通數(shù)控銑床上搭建了一個超聲振動刨削平臺(圖1)，其中數(shù)控銑床主體部分系某公司定制產(chǎn)品，主要用于提供XYZ三個方向的復合運動。

如上圖，在該數(shù)控銑床主軸上裝夾彎曲振動換能器，其振幅為10μm、頻率為19.6kHz，換能器振動信號由外置的超聲波發(fā)生器提供；在彎曲振動換能器下端安裝有三角車刀，由于此處車刀以類似刨削的方式進行工作，因此在本文中我們將其稱為刨刀，刨刀系普通三角車刀刃磨而成；在機床工作臺上設計了專門用于微棱鏡模具加工用的夾具，通過調(diào)整換能器裝夾頭可以調(diào)節(jié)刨刀刀尖與機床主軸軸線之間的位置，通過調(diào)整夾具可以調(diào)節(jié)刨刀與工件之間的位置。

2 微棱鏡反光膜微觀幾何結(jié)構(gòu)

如圖2a所示，微棱鏡反光膜微觀幾何單元是正三棱錐，多個正三棱錐形成微棱鏡陣列。理論上可以證明，利用超聲振動刨削，在同一平面上沿三個特定方向可以加工微棱鏡陣列。具體情況如圖2b所示，在一平板上表面，沿圖中所示的方向刨削同一類型的V形槽，需刨削三刀，此三刀走刀路徑方向互成60°，且三刀的走刀路徑相交于一點。

圖2 微棱鏡陣列

在圖2a中，α為正三棱錐側(cè)面與底面的夾角，β為圖中兩陰影面的夾角(即圖2b中V形槽夾角)，l為正三棱錐底面邊長，h為正三棱錐底面三角形的高(即圖2b中V形槽的寬)，θ為正三棱錐底面三角形夾角，h′為正三棱錐的高，h″為V形槽的切削深度(圖2b)，以上參數(shù)應滿足：

β=π-2α

(1)

(2)

(3)

(4)

研究表明為獲得較好的反光效果，微棱鏡陣列底面邊長l約為231μm、高h′約為94μm，根據(jù)公式(1)～(3)此時刨削深h″為141μm、寬h為200μm、V形槽夾角β為70.5°。

3 刀具的設計和刃磨

3.1 刀具的設計

3.1.1 刀具材料

實驗材料采用鋁合金6061, 鋁合金6061 具有良好的可成型性、可焊接性、可機加工性能，根據(jù)實驗材料的特性，刀具材料選擇牌號為YG6的硬質(zhì)合金。

3.1.2 刀具型式

本文所采用的超聲振動刨刀切削部分主要包括一個前刀面、兩個后刀面、兩個切削刃和兩個切削刃之間形成的刀尖(圖3)。

圖3 超聲振動刨削刀具

3.1.3 刀具幾何參數(shù)

文中的刨刀是根據(jù)微棱鏡幾何單元結(jié)構(gòu)進行設計的。圖4中參照ISO標準建立了刨刀標注角度參考系，其中pr表示基面，po表示前刀面，pf表示切深平面，pf系過兩個后刀面的交線并且垂直于基面的平面。γf表示前角、α0表示后角、kr表示主偏角。因兩側(cè)切削刃共用一個前刀面po，共用一個基面pr，所以只需在pf中就能觀察前角γf。根據(jù)文獻[12]γf一般取10°～25°，前角越大刀具越鋒利，因此本文γf取25°。兩側(cè)的后刀面和切削刃關(guān)于pf對稱，所以在正交平面po內(nèi)觀察時兩個后角α0是相等的。α0一般取7°～9°，后角α0較大加工時后刀面不會與已加工面產(chǎn)生擠壓滑擦，因此本文后角α0設計成9°[12]。刀具兩切削刃在基面內(nèi)投影的夾角應等于微棱鏡陣列中V形槽兩側(cè)面的夾角。根據(jù)前面的介紹微棱鏡陣列V形槽夾角為70.5°，所以本文刨刀兩切削刃在基面內(nèi)投影的夾角εr設計成70.5°。主偏角kr滿足公式：

kr+2εr=π

(5)

因此主偏角kr應設計成54.75°。

圖4 刀具標注角度

3.2 刀具的刃磨

上節(jié)中設計的刨刀比較特殊，因此需要采取合理的刃磨工藝，否則刃磨出的刨刀達不到設計要求。

(1)磨床。刃磨時磨床的剛度對刀具表面質(zhì)量的影響很大，為此選用性能較好的WENT WCA 715 QUATTRO磨床。

(2)砂輪。因為刀具材料為硬質(zhì)合金YG6并且需要精磨，所以選用人造金剛石代號為D、粒度600、濃度70、規(guī)格為125×10×32×4的砂輪。

(3)刃磨速度。通過實驗表明當砂輪刃磨速度為36m/s左右，砂輪的旋轉(zhuǎn)方向從刀刃轉(zhuǎn)向刀體時刃磨效果較好。

(4)刃磨順序。粗磨前刀面和后刀面的順序影響不大，精磨前刀面和后刀面的順序會影響刨刀質(zhì)量。所以采用粗磨前刀面→粗磨后刀面→精磨前刀面(包括斷屑槽) →精磨主后刀面的順序。

(5)研磨。刃磨完畢后，在超聲振動研磨機上用牌號為W1人造金剛石研磨膏研磨。

(6)檢驗。如下圖5所示，在激光共聚焦顯微鏡下對研磨好的刀具進行測量，結(jié)果表明該刨刀前刀面表面粗糙度值Ra為0.45μm，兩切削刃在基面內(nèi)投影的夾角εr約為70.48°，基本達到了設計要求。

圖5 刨刀

4 刀具安裝誤差的消除

4.1 刀具安裝

刃磨完成的刀具安裝在彎曲振動換能器最下端。由于此換能器為彎曲振動換能器，刀尖與位移節(jié)點存在位置偏差，因此刀尖振動方向不是水平的，刀尖速度方向和工件速度方向不共線。利用SOLIDWORKS繪制三維圖測量得出圖1中刀尖運動方向和工件運動方向的夾角約為8.8°(圖6a)。圖6a中虛線是刀尖運動軌跡，實線是工件被切削后的表面形貌。為提高工件被加工表面質(zhì)量，應將彎曲振動換能器按圖6b所示偏轉(zhuǎn)θ角(θ為8.8°)。此時，刀具的工作前角γoe會變小，工作后角αoe會變大，根據(jù)公式(6)

γfe=γo-θ

(6)

工作前角γfe為16.2°。工作后角αoe計算比較麻煩，利用SOLIDWORKS三維造型軟件測量功能測出工作后角αoe為15.19°。

圖6

4.2 刀尖與主軸在X-Y平面內(nèi)的偏差測量

前文提到三個方向切削時，刀尖的運動軌跡相交于一點才能形成微棱鏡陣列，所以在加工前要知道刀尖的機床坐標。本實驗搭建的超聲振動刨削系統(tǒng)刀尖和主軸軸線不重合，很難找到刀尖的坐標位置，但只要能測量出刀尖與主軸在X-Y平面內(nèi)的偏差，再加上機床控制面板上顯示的坐標，就能得到刀尖的坐標位置。

本文采用圖7所示的軌跡法方法來測量刀尖與主軸在X-Y平面內(nèi)的偏差?？紤]到切深越大，測量誤差越大，因此切深取10μm。刀具基面要和機床Y軸平行，首先機床主軸沿X方向運動一段距離，然后機床主軸順時針旋轉(zhuǎn)180°，最后刀具再沿Y方向運動一段距離。走刀結(jié)束后在顯微鏡下觀察刀具在工件上形成的軌跡，然后利用公式(7)～(8)計算偏差。

經(jīng)過實驗得出表1三組實驗結(jié)果，取平均值得出△X為278μm、△Y為719μm、α為68.87°。

a：顯微鏡放大后刀尖與主軸在X軸方向的偏差；b：顯微鏡放大后刀尖與主軸在Y軸方向的偏差；i：顯微鏡放大比例；ΔX:刀尖與主軸在X軸方向的偏差；ΔY:刀尖與主軸在Y軸方向的偏差

圖7 軌跡法消除安裝誤差

(7)

(8)

(9) 表1 刀尖與主軸在X-Y平面內(nèi)的偏差

5 微棱鏡幾何單元加工與檢驗

5.1 微棱鏡幾何單元加工

刀具安裝完畢后將牌號為6061、尺寸為25mm×25mm×10mm的鋁合金板料裝夾到夾具上。根據(jù)前面所述刨削深h″為141μm，寬h為200μm，夾角β為70.5°的V形槽，通過實驗發(fā)現(xiàn)分五次走刀加工效果較好(表2)。其中第四次和第五次走刀的目的是鏟除殘留在已加工表面的切屑，因為切屑有一定的黏性容易粘附在已加工表面上。由于超聲振動換能器工作時會發(fā)熱，所以加工時開切削液效果較好。在加工過程中，當一個方向的V形槽加工完時，機床主軸需順時針旋轉(zhuǎn)60°以便加工另一個方向的V形槽，當這個方向的V形槽加工完后，機床主軸繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)60°以加工第三個方向的V形槽。兩次旋轉(zhuǎn)過程中，刀具不能與工件接觸，避免刀具后刀面因為受正壓力而造成刀具崩刃情況的發(fā)生[13]。

表2 切削要素

5.2 檢測

圖8為加工好的微棱鏡陣列在共聚焦顯微鏡下的觀察結(jié)果，左圖為激光加顏色圖像，右圖為3D圖像。通過測量我們發(fā)現(xiàn)實際加工出的V形槽間距約為200μm、V形槽的夾角約為70.52°、微棱鏡三個側(cè)面的表面粗糙度值Ra小于0.6μm，微棱鏡陣列高h′約為89μm的。所以利用本文所介紹的方法可以實現(xiàn)微棱鏡母模的加工。

圖8 共聚焦顯微鏡下的微棱鏡陣列

如圖9所示，左圖為加工前的刀具圖，右圖為連續(xù)加工6小時后的刀具圖，經(jīng)計算25mm×25mm×10mm的板料上約3萬個微棱鏡陣列，此刀具的刀刃無崩缺，刀尖有輕微的磨損，刀劍圓弧半徑R從1μm增大到6μm，若繼續(xù)加工，微棱鏡陣列的底部將變成圓弧面，而不是V形槽，所以刀具不能繼續(xù)使用。此刀具滿足加工3萬個微棱鏡陣列的要求。

圖9 刀具檢驗

6 結(jié)論

本文根據(jù)微棱鏡反光膜微觀幾何結(jié)構(gòu)，基于自行搭建的超聲振動刨削平臺設計了相應的刨刀，實現(xiàn)了在普通銑床上加工出微棱鏡母模，與已有的方法相比，本文介紹的加工方法簡單實用、加工成本較低、加工效率較高。進一步的研究包括挑選合理的切削速度、切削深度、刀具前角、刀具材料，提高微棱鏡陣列表面質(zhì)量，減輕刀尖磨損；采用適宜的刃磨工藝，提高刀具質(zhì)量，加工更大尺寸的微棱鏡陣列模版。

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(編輯 趙蓉)

Research for a new method of machining micro prism array and its tool

GAO Jia-shun, CHEN Ya-zhou，PI Jun, YANG Guang

(College of mechanical and energy engineering, Jimei Univ., Xiamen Fujian 361000, China)

This study aims to obtain micro prism array by ultrasonic vibration planning machining. And it high points the requirements of small micro prism array size, tiny surface roughness value and high-performance tool. The research includes the following aspects. First of all, a kind of planer tools, which can make micro prism array with high quality, was designed .Then the micro prism array was processed out and analyzed .And last a judgment that if the ultrasonic vibration cutting tools meet the processing requirements of micro prism array was made by measuring the surface roughness value and pyramid angle of the micro prism array and the condition of tool wear. The result indicated that 30,000 micro prism array was obtained in a 25mm×25mm×10mm 6061aluminium alloy board under the use of the planning tool, which own 25°front angle, 9° back-off angle and 54.75° cutting edge angle, in the condition of reasonable tool sharpening method, tip velocity direction and the workpiece velocity direction being collinear, and accuracy deviation measurement of the tip and the spindle in the X-Y plane.

micro prism array； ultrasonic vibration；planing； tools

1001-2265(2014)06-0127-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.06.035

2013-10-14；

2014-04-24

國家自然科學基金資助項目(51175225) 福建省科技計劃項目(2013H0031)

高賈順(1989—)，男，安徽蚌埠人，集美大學碩士研究生，研究方向為數(shù)字化設計與制造，(E-mail)1172629653@qq.com；通訊作者：陳亞洲(1972—)，男，湖北黃岡人，集美大學碩士生導師，研究方向為數(shù)字化設計與制造，(E-mail)yazhouchen@jmu.edu.cn。

TH165;TG663

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