發布時間：2021-03-20所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:研究了采用仿形法加工輥筒模具上微溝槽時，影響超精密加工精度的因素，分析了主軸轉速和切削深度對輥筒模具上微溝槽表面粗糙度和形狀精度的影響，探索了最優加工參數，并利用最優參數成功實現輥筒表面上正弦微溝槽的加工。因此，該成果可為實際加工提供
摘要:研究了采用仿形法加工輥筒模具上微溝槽時，影響超精密加工精度的因素，分析了主軸轉速和切削深度對輥筒模具上微溝槽表面粗糙度和形狀精度的影響，探索了最優加工參數，并利用最優參數成功實現輥筒表面上正弦微溝槽的加工。因此，該成果可為實際加工提供指導，并達到避免重復性加工、節約加工時間和提高加工效率的目的。
關鍵詞:微溝槽;輥筒;形狀精度;表面粗糙度
微結構陣列是指具有規則陣列分布的微觀幾何拓撲形狀及特定功能的一類微結構表面[1]。隨著超精密加工水平的提高，微結構陣列已經具備亞微米級別的形狀精度和納米級別的表面粗糙度。微結構陣列的微觀和宏觀幾何形貌決定了被加工零部件的功能，如潤滑功能、摩擦功能、信息存儲功能及光學功能等。微結構陣列以其特有的光學、機械和物理性能，已經成為信息通訊、光電子以及精密工程等領域的關鍵結構[2]。如用于對激光或照明光在一維方向的聚焦、勻化的微柱面槽、用于太陽能發電的菲涅爾透鏡、用于顯示器上的光學增亮膜微結構、用于超精密設備分辨率及精度的關鍵元器件的光柵等。
微溝槽陣列屬于微結構陣列的一種，是指具有規則分布的溝和脊形成的微溝槽結構表面。該結構使零部件在傳熱特性、流體動力學特性、機械特性、仿生特性和摩擦特性等方面表現出與光滑表面截然不同的特點。微V溝槽目前已經成為了各種樣式光學成像和照明系統中的關鍵元器件，如光柵、顯示設備背光模組、光纖通訊及3D成像等[3]。微V溝槽結構表面在光學等多個領域有著廣泛的應用，并且能大大改善這些領域核心器件的性能。微V溝槽的基本參數包括溝槽間距、V形槽的角度、溝槽數目等[4]，如圖1所示。
Roll-to-Roll壓印技術能大批量生產微結構表面，適合于大批量微結構光學膜片的加工，具有高精度、高效率及低成本的特點。Roll-to-Roll技術的核心是帶有微結構表面的輥筒模具加工技術，其加工方法包括光刻技術、高能束加工技術(激光束和電子束)、特種能場加工技術(微波和超聲波加工)和超精密機械加工技術。其中超精密機械加工技術采用金剛石刀具，具有鋒利切削刃、硬度高、耐磨性好及能實現超薄切削厚度等特點，可滿足輥筒模具表面微結構的加工精度和表面粗糙度要求。例如，壓印背光模組中的增亮膜時所使用的輥筒模具，其表面微V型溝槽結構高20μm、節距40μm，要求形狀精度小于5μm。目前，輥筒模具的加工技術主要由美國、英國、德國、韓國等少數發達國家掌控，而我國對輥筒模具超精密車床以及輥筒模具微結構表面加工技術的研究仍處于起步初始階段，需要投入大量的資金進行科學研究。
超精密金剛石切削加工微V溝槽是一種比較高效的加工方法，目前在該領域已經有了很多相關的研究。Tae-JinJE等分析了加工過程中切削深度對切削力以及切屑形態的影響[5]。韓國學者Eun-SukPark等使用單點金剛石尖刀切削V型溝槽結構模具，研究了刀具損壞程度對V型槽陣列尺寸形狀精度的影響。當金剛石尖刀磨損時，V型溝槽頂部將出現翻邊毛刺現象，并得出了切削不同材料時，材料的硬度越大，表面粗糙度越小，毛刺的生成數量也越小的結論[6]。香港理工大學的李榮彬教授等在Freeform705G超精密機床上加工出了V型槽陣列、F-theta鏡、微透鏡陣列等，并研究開發了刀具運動軌跡的自動生成軟件[7]。王素娟等使用超精密金剛石飛刀銑削通過刀具軌跡規劃的方法加工出不同類型的V型溝槽陣列，并考慮機床加減速模式建立加工時間預測模型[8]。但是以上研究都是針對平面上微溝槽陣列的加工。
目前，對于微結構元器件的設計逐漸形成了一種新的趨勢，即為了實現更好的功能，設計人員開始在圓柱面、球面、非球面甚至是自由曲面上設計微結構。與平面上微結構的加工相比，曲面上微結構的加工難度更大，必須考慮基面幾何形狀和幾何精度的影響。例如，輥筒模具上微結構的加工就必須同時保證高精度的圓柱面及其上高精度微結構的要求。因此，針對輥筒模具表面上微結構加工的研究，2009年韓國機械與材料研究所學者Tae-JinJE使用兩軸聯動的方法進行多步加工，在長為1500mm、圓截面直徑為320mm的鍍銅輥筒模具上加工了棱鏡結構[9]。2010年，韓國學者DuyLe等根據輥筒模具微結構表面加工過程中易產生毛刺的現象進行了相應地實驗與分析，確立了微V型溝槽結構側向毛刺和金字塔結構切出毛刺的數學模型[10]。2012年，天津大學的李龔浩博士在H62黃銅輥筒上加工了V型槽陣列，分析了工件上毛刺分布不均勻的現象[11-12]。
但是，對于輥筒表面微溝槽加工精度影響因素的研究較少。因此，本文針對輥筒模具上的微溝槽的加工進行研究，分析主要的加工參數(切削深度和主軸轉速)對表面質量的影響規律，獲得最優加工參數組，并將其應用于輥筒模具上不同曲線微溝槽陣列的加工，達到控制加工工藝獲得輥筒模具表面上亞微米級形狀精度和納米級表面粗糙度的微溝槽陣列的目的。
1微溝槽加工刀具軌跡規劃方法
輥筒模具表面上微溝槽的加工方法主要有仿形法和軌跡法。仿形法是使用金剛石成型車刀刀具，利用刀具的幾何形狀對工件進行仿形切削，加工過程與車削螺紋的加工過程十分相似，其原理其實就是通過改變每轉進給量來加工不同節距的溝槽陣列，其刀具軌跡如圖2a。這種方式加工出的V型槽角度與刀尖角度基本一致，加工效率比較高，表面質量良好，尺寸精度很容易得到保證，目前已經被廣泛應用于輥筒模具表面微V型溝槽結構的加工中[5]。
軌跡法是通過刀具和工件的相對運動將其所要加工的輪廓結構加工出來，軌跡法相比于仿形法有著可控性高、尺寸精度高以及不易產生毛刺等優勢，但由于加工表面是由加工刀具的殘余高度所構成，因此合理選擇切削參數以控制微結構的表面粗糙度顯得尤為重要[5]，如圖2b所示。
相關期刊推薦：《制造技術與機床》(月刊)曾用刊名：(機床)1951年創刊，由中國機械工程學會和北京機床研究所主辦，是機床及機械制造領域專業技術期刊，報道國內外制造技術與機床方面的科技成果和經驗，為提高我國機械制造業技術水平而服務。設有：國內外動態、綜述、設計與研究、工藝與檢測、改裝與維修、管理技術、商務橋梁、企業之窗、數控專欄等欄目。
使用仿形法加工微溝槽時，所用加工時間小于軌跡法，但是軌跡法的加工精度更為可控。通過規劃加工工藝，軌跡法可達到的表面粗糙度值小于仿形法，加工精度高于仿形法，因為仿形法所實現微溝槽的加工精度不僅僅與加工工藝相關，還依賴于金剛石刀具的波紋度和切削刃半徑。
2實驗研究
2.1輥筒表面直溝槽加工實驗
實驗的主要目的是研究仿形法加工方式下輥筒模具上微溝槽加工精度的影響因素，通過不同加工參數，包括切削深度、主軸轉速對輥筒模具微溝槽的表面粗糙度和形狀精度的影響。輥筒模具通常具有較大的體積和重量，因此加工時其主軸轉速需采用較小值。實驗采用超精密自由曲面加工機床(MooreNanotech350FG，美國)。該機床有3根直線移動軸(X，Y，Z)以及2個轉動軸(B，C)，可進行的加工有兩軸車削、精密微銑削、飛刀切削、刨削和磨削等，同時還可以配備快刀和慢刀伺服的加工方法。采用該機床加工輥筒模具時，工件固定在主軸上隨著主軸旋轉，刀具沿著X軸方向按照設定的切削深度值切削輥筒的軸面，如圖3所示。工件材料為鋁合金，刀具為天然金剛石刀具(圖4)，刀具幾何參數和加工參數如表1所示。加工完成的樣品采用白光干涉儀(BrukerGT-X8，德國)檢測其表面形貌、粗糙度和三維輪廓，測量結果如圖5～6所示。
采用仿形法加工微溝槽的過程中，微溝槽的幾何形狀與金剛石刀具的刀尖幾何形狀相同，則其微溝槽的形狀精度主要決定于其深度誤差，即溝槽實際深度與設計深度的差值。理論上來說，實際加工的溝槽深度應該等于加工參數中所設置的切削深度aep，然而加工過程中刀具-工件之間的振動、材料彈塑性變形等因素的影響造成實際的切削深度值與理論值存在誤差，即仿形法加工微溝槽過程中的溝槽深度誤差。圖6所示為不同切削深度和不同的主軸轉速下，仿形法所加工的微溝槽實際深度與設定的深度值的誤差。
如圖7a所示，當主軸轉速從50r/min逐漸增大為300r/min時，實際生成的微溝槽深度也小于理論值，其誤差范圍在0.15～0.4μm，并且主軸轉速越大，溝槽深度誤差越小。這是由于主軸轉速S增大時，在相同的進給速度F和切削深度的情況下，進給量f=F/S減小，即刀具對工件材料的軸向力變小，則材料的彈塑性變形減小，因此深度誤差變小。
同時，當切削深度分別為2μm、3μm、4μm、5μm時，實際獲得的微溝槽深度皆小于理論值，其誤差值在0.1～0.35μm，且切削深度越大溝槽深度誤差越大，如圖7b所示。這是因為輥筒表面加工微溝槽的過程中，徑向切削深度值越大，切削力越大，刀具-工件之間的振動越大，工件材料的彈性回彈也會增加，引起的理論和實際深度之間的差值也越大。
圖8所示為主軸轉速和切削深度對微溝槽表面粗糙度的影響結果。從圖8a中可以看出，所加工的微溝槽表面粗糙度Ra值在30～90nm范圍內，即仿形法可在輥筒表面實現納米級表面粗糙度微溝槽的加工。但是本次實驗的主軸轉速和切削深度對于仿形法所加工的溝槽表面粗糙度值(Ra)無明顯的變化趨勢。這是由于仿形法加工時，溝槽表面的粗糙度很大程度上取決于金剛石刀具的刀尖波紋度，加工參數對其影響相對不明顯。
2.2輥筒表面曲線微溝槽加工實驗
輥筒表面上兩軸金剛石車削無法完成正弦溝槽的加工，本文采用慢刀伺服車削加工實現，即采用X、Z、C三軸聯動的方式帶動金剛石刀具相對于工件在極坐標或圓柱坐標系內實現對非回轉對稱表面的加工。加工正弦溝槽時，刀具位置位于XOZ截面上，且軸坐標不變化，只由X軸決定其切削深度，Z軸和C軸聯動決定正弦微溝槽的一系列參數，如圖9所示。根據輥筒表面直溝槽加工的結果，選取主軸轉速200r/min、切削深度2μm、進給速率2mm/min。表2所示為輥筒表面設計的正弦溝槽幾何參數，其中A為正弦曲線的波幅，w為波數(周期密度)，一共12條正弦溝槽，加工結果如圖10～11所示。
利用白光干涉儀對每條溝槽進行多次(8次)測量，評價其溝槽深度(圖11)，并取平均值，與理想溝槽深度值(0.004mm)比較，可獲得輥筒表面上每條正弦溝槽的深度誤差值(圖12)，溝槽深度誤差都小于0.1μm。
3結語
本文使用實驗研究的方法分析輥筒模具超精密金剛石加工過程中主軸轉速和切削深度對輥筒模具上微溝槽加工精度的影響，并基于輥筒表面直線微槽加工結果選取最優參數實現正弦溝槽的慢伺服加工。實驗結果表明，超精密仿形加工可實現輥筒模具上亞微米級形狀精度和納米級表面粗糙度的直線和曲線型微溝槽加工。并且，切削深度和主軸轉速的變化會引起微溝槽深度的變化:切削深度越大，溝槽深度誤差值越大;而主軸轉速的增大有利于控制溝槽深度的精度。然而，切削深度和主軸轉速的改變對于微溝槽表面粗糙度的影響規律不明顯，其根本原因在于仿形加工中溝槽的表面粗糙度很大程度上取決于金剛石刀具的刀尖波紋度。
因此，本文的結果將有助于輥筒表面微溝槽最佳加工參數的選擇進行指導，并為將來研究輥筒模具表面微結構的微切削理論，探討其表面形成和精度控制提供研究基礎。——論文作者：張俊鳳①王素娟
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