單點(diǎn)金剛車快刀伺服加工微透鏡陣列工藝探討

【摘 要】單點(diǎn)金剛石車的快刀伺服加工技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜面形光學(xué)零件的高效優(yōu)質(zhì)加工。文中介紹了單點(diǎn)金剛車削以及快刀伺服的技術(shù)特點(diǎn)，以及對(duì)于加工微透鏡的技術(shù)工藝路線予以分析和探討，最后進(jìn)行了零件的加工試驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】單點(diǎn)金剛車；快刀伺服；微透鏡陣列

0.引言

隨著科學(xué)技術(shù)和信息化的迅猛發(fā)展，紅外光學(xué)系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展以及廣泛的應(yīng)用。紅外光學(xué)元件主要包括紅外晶體軟脆性材料光學(xué)元件和玻璃、碳化硅SiC等硬脆性光學(xué)元件，由于紅外晶體類光學(xué)元件在特定運(yùn)行條件下，晶體內(nèi)自發(fā)的Raman散射光通過(guò)表面時(shí)會(huì)得到放大。因此，晶體作為優(yōu)質(zhì)的光學(xué)材料，被較廣泛地應(yīng)用于紅外光電儀器等非線性光學(xué)領(lǐng)域。但由于晶體材料本身具有質(zhì)軟，易潮解，脆性高，對(duì)溫度變化敏感，易開(kāi)裂的特點(diǎn)，因此晶體材料的加工周期很長(zhǎng)，而且非常難以加工。尤其光學(xué)元件被業(yè)界公認(rèn)為是最難加工的，隨著對(duì)光學(xué)性能指標(biāo)的要求不斷提高，傳統(tǒng)的光學(xué)元件加工方式已無(wú)法滿足高精度的晶體材料光學(xué)元件的加工要求。

而快刀伺服FTS（Fast Tool Servo）加工技術(shù)則是通過(guò)驅(qū)動(dòng)金剛石刀具產(chǎn)生高頻響，小范圍的快速精度進(jìn)刀運(yùn)動(dòng)，并配合高精度的主軸回轉(zhuǎn)和徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，來(lái)完成復(fù)雜面形零件的精密高效加工。這種加工方法具有高頻響，高剛度，高定位精度等特點(diǎn)，可以重復(fù)加工出具有復(fù)雜形狀的各種異形元件，一次加工即可獲得較高的尺寸精度，形狀精度和極佳的表面粗糙度，從而能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜光學(xué)面形的高效高精度加工。

1.技術(shù)特點(diǎn)

目前，準(zhǔn)分子激光加工微投透鏡的方法主要是準(zhǔn)分子與激光與動(dòng)態(tài)二元掩模法相結(jié)合（二元掩模法是指通過(guò)使用二元掩模制造微透鏡的方法。其主要加工特點(diǎn)為：（1）制造過(guò)程簡(jiǎn)單，（2）制造速度快，（3）制造成本低。但由于自身的特點(diǎn)，所以其本身也有加工上的缺點(diǎn)：制造出的微透鏡為非球面微透鏡。

而相對(duì)來(lái)說(shuō)，使用了單點(diǎn)金剛車的快刀伺服技術(shù)由于與有色金屬親和力好，其硬度、耐磨性以及導(dǎo)熱性都非常優(yōu)越，且刀具刃口極為鋒利，刃口半徑為0.5～0.01μm，同時(shí)可適用于加工非金屬材料。相對(duì)而言，使用了單點(diǎn)金剛車的快刀伺服技術(shù)生產(chǎn)效率更高，加工精度更高，重復(fù)性好，適合批量生產(chǎn)，加工成本比傳統(tǒng)的加工技術(shù)明顯降低。而且可實(shí)現(xiàn)球面和非球面的精密加工。

本文所探討的是基于單點(diǎn)金剛石車削的快刀伺服技術(shù)在微透鏡陣列加工的新型工藝研究。微透鏡是最重要的微光學(xué)元件之一，其幾乎被用于所有的微光學(xué)系統(tǒng)。目前對(duì)于微透鏡的定于較多，沒(méi)有形成統(tǒng)一的定義。通常所說(shuō)的微透鏡一般指尺寸微小的光學(xué)透鏡，其孔徑范圍一般為0.05～5mm。

目前傳統(tǒng)加工微透鏡主要有以下幾種方法：（1）模具法加工微透鏡；（2）研磨法加工微透鏡；（4）光刻法加工微透鏡；（4）掩模法加工微透鏡；（5）噴墨法加工微透鏡；（6）以及準(zhǔn)分子激光加工微透鏡。

單點(diǎn)金剛石車削（SPDT）是在計(jì)算機(jī)控制下采用天然單晶納米金剛石刀具，在對(duì)機(jī)床和加工環(huán)境進(jìn)行精確控制的條件下，直接車削加工出符合光學(xué)質(zhì)量要求的非球面光學(xué)零件。目前，采用單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)可以加工的材料有：紅外光學(xué)晶體（單晶鍺，硒化鋅，硫化鋅，氯化鈉，氟化鈣晶體等），有色金屬，塑料等，上述材料均可以直接達(dá)到光學(xué)表面質(zhì)量的要求。此技術(shù)還可加工玻璃，鈦，鎢等材料，但目前還不能直接達(dá)到符合質(zhì)量要求的光學(xué)鏡面。采用單點(diǎn)金剛石車削技術(shù)加工的球面和非球面光學(xué)零件在軍用和民用光電產(chǎn)品上的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，如攝影鏡頭和取景器，變焦鏡頭，電影鏡頭，光纖通信接頭等。

快刀伺服FTS技術(shù)可實(shí)現(xiàn)各種自由曲面的車削加工，如微棱鏡、透鏡陣列、環(huán)面以及小離軸量的（小于10mm量級(jí)）離軸非球面的加工。該方法能夠使制造組件的形狀精度和表面粗糙度控制在納米級(jí)的范圍內(nèi)。

要實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)關(guān)鍵特征指標(biāo)參數(shù)注定要采用基于快刀伺服工藝的超精密單點(diǎn)金剛鉆切削車床技術(shù)?？斓端欧庸ぜ夹g(shù)與與傳統(tǒng)的超緊密車床加工技術(shù)相比，最直觀的區(qū)別在于刀具切削過(guò)程中，刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡額外附加了一個(gè)垂直與端面方向的高頻反復(fù)運(yùn)動(dòng)，此運(yùn)動(dòng)精確配合主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)位置和被加工工件不同半徑設(shè)計(jì)輪廓來(lái)實(shí)現(xiàn)切削進(jìn)給，通過(guò)切削車床的C軸、Z軸、X軸和FTS數(shù)控高頻振蕩的4軸的聯(lián)動(dòng)來(lái)加工復(fù)雜微結(jié)構(gòu)。

2.技術(shù)路線

通過(guò)前期調(diào)研和課題探討，本文在工藝方面的探討主要兩個(gè)方向是：（1）表面形貌非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的微結(jié)構(gòu)陣列。（2）表面形貌成型的精度要求達(dá)到光學(xué)級(jí)。

相關(guān)的指標(biāo)參數(shù)為：非球面微透鏡陣列間隔為2.5mm；表面粗糙度小于40nmPa；面型小于50nmRMS；位置及高度公差小于1微米結(jié)合上述目標(biāo)以及相關(guān)指標(biāo)參數(shù)，考慮到單點(diǎn)金剛石車削SPDT和快刀伺服技術(shù)FTS各自技術(shù)特點(diǎn)，分析相關(guān)情況后，制定了以下的技術(shù)路線和工藝方案：

確定參數(shù)-計(jì)算圓周-刀具定義-確定參數(shù)-刀具路徑-檢測(cè)及報(bào)告

首先通過(guò)系統(tǒng)自帶的Diffsys軟件對(duì)零件進(jìn)行坐標(biāo)設(shè)定，并對(duì)陣列元表面進(jìn)行定義，確定加工材料所加工微透鏡陣列的參數(shù)；其次在機(jī)床系統(tǒng)軟件中對(duì)于微透鏡陣列上的面型進(jìn)行不同圓周率的精密計(jì)算；接著在軟件的計(jì)算過(guò)程中，對(duì)于使用的單點(diǎn)金剛石車刀的幾何形狀參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)定，例如：刀尖點(diǎn)半徑，刀尖形狀，刀尖后角等；然后通過(guò)內(nèi)置軟件，計(jì)算生成全加工路徑的3D模擬視圖，計(jì)算得出切削速度/加速度；在模擬驗(yàn)證完畢后，通過(guò)機(jī)床專用的后置處理，生成機(jī)床所能運(yùn)行的快速刀具加工路徑的NC代碼，傳輸導(dǎo)入機(jī)床后進(jìn)行安全高效的加工；最后加工完成后，使用先進(jìn)的白光干涉儀或共焦顯微鏡對(duì)表面進(jìn)行檢測(cè)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，輸出加工結(jié)果的檢測(cè)報(bào)告。

用于本文工藝探討的實(shí)驗(yàn)所使用的最主要裝備是：美國(guó)阿美泰克Nanoform700Freeform單點(diǎn)金剛鉆標(biāo)準(zhǔn)的五軸超精密計(jì)算機(jī)控制機(jī)床系統(tǒng)。所用整個(gè)機(jī)床的精度控制指標(biāo)是：車削性能：車削表面粗糙度小于2.5nmRa，車削形狀誤差小于0.15μmP-V。編程分辨率：0.01納米（直線）/0.0000001°（回轉(zhuǎn)）

3.微透鏡陳列加工與測(cè)試

本文利用美國(guó)阿美泰克Nanoform700Freeform單點(diǎn)金剛車結(jié)合快刀伺服技術(shù)進(jìn)行了多次切削加工實(shí)驗(yàn)，均獲得了較好的面形精度和表面質(zhì)量。下面就以所加工微透鏡陣列為例，進(jìn)行分析說(shuō)明：

透鏡陣列采用非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的微結(jié)構(gòu)陣列，透鏡表面為非球面，間隔為2.5mm，規(guī)劃好走刀路徑并選擇合適的工藝參數(shù)后，進(jìn)行單點(diǎn)金剛車的快刀伺服加工，實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用白光干涉儀和共焦顯微鏡對(duì)表面進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5、圖6所示，透鏡的面型精度為RMS41.4nm，表面粗糙度為Pa32.8nm，位置及高度公差為Pt0.28μm，Smn為0.489mrad，均符合本文之前探討設(shè)定的指標(biāo)參數(shù)。

Pmma適用于光學(xué)透鏡的常用材料，有色金屬適用于可見(jiàn)光光學(xué)波段。

4.結(jié)論

通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面，在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微結(jié)構(gòu)工件的精密加工方面，基于單點(diǎn)金剛石車削SPDT的快刀伺服加工技術(shù)在加工微透鏡陣列方面的測(cè)試案例為將來(lái)光學(xué)零件加工應(yīng)用方面提供了一個(gè)積極的信號(hào)和方向。

隨著復(fù)雜面形光學(xué)零件的應(yīng)用越來(lái)越廣闊，基于單點(diǎn)金剛車削SPDT的快刀伺服技術(shù)的超精密加工技術(shù)勢(shì)必具有非常廣闊的發(fā)展空間。

【參考文獻(xiàn)】

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