發(fā)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(zhuǎn)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(yōu)加工參數(shù)，并利用最優(yōu)參數(shù)成功實現(xiàn)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(zhuǎn)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(yōu)加工參數(shù)，并利用最優(yōu)參數(shù)成功實現(xiàn)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(dǎo)，并達(dá)到避免重復(fù)性加工、節(jié)約加工時間和提高加工效率的目的。
關(guān)鍵詞:微溝槽;輥筒;形狀精度;表面粗糙度
微結(jié)構(gòu)陣列是指具有規(guī)則陣列分布的微觀幾何拓?fù)湫螤罴疤囟üδ艿囊活愇⒔Y(jié)構(gòu)表面[1]。隨著超精密加工水平的提高，微結(jié)構(gòu)陣列已經(jīng)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(jié)構(gòu)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(xué)功能等。微結(jié)構(gòu)陣列以其特有的光學(xué)、機(jī)械和物理性能，已經(jīng)成為信息通訊、光電子以及精密工程等領(lǐng)域的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)[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(fā)電的菲涅爾透鏡、用于顯示器上的光學(xué)增亮膜微結(jié)構(gòu)、用于超精密設(shè)備分辨率及精度的關(guān)鍵元器件的光柵等。
微溝槽陣列屬于微結(jié)構(gòu)陣列的一種，是指具有規(guī)則分布的溝和脊形成的微溝槽結(jié)構(gòu)表面。該結(jié)構(gòu)使零部件在傳熱特性、流體動力學(xué)特性、機(jī)械特性、仿生特性和摩擦特性等方面表現(xiàn)出與光滑表面截然不同的特點。微V溝槽目前已經(jīng)成為了各種樣式光學(xué)成像和照明系統(tǒng)中的關(guān)鍵元器件，如光柵、顯示設(shè)備背光模組、光纖通訊及3D成像等[3]。微V溝槽結(jié)構(gòu)表面在光學(xué)等多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并且能大大改善這些領(lǐng)域核心器件的性能。微V溝槽的基本參數(shù)包括溝槽間距、V形槽的角度、溝槽數(shù)目等[4]，如圖1所示。
Roll-to-Roll壓印技術(shù)能大批量生產(chǎn)微結(jié)構(gòu)表面，適合于大批量微結(jié)構(gòu)光學(xué)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(shù)的核心是帶有微結(jié)構(gòu)表面的輥筒模具加工技術(shù)，其加工方法包括光刻技術(shù)、高能束加工技術(shù)(激光束和電子束)、特種能場加工技術(shù)(微波和超聲波加工)和超精密機(jī)械加工技術(shù)。其中超精密機(jī)械加工技術(shù)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(xiàn)超薄切削厚度等特點，可滿足輥筒模具表面微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)高20μm、節(jié)距40μm，要求形狀精度小于5μm。目前，輥筒模具的加工技術(shù)主要由美國、英國、德國、韓國等少數(shù)發(fā)達(dá)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(jié)構(gòu)表面加工技術(shù)的研究仍處于起步初始階段，需要投入大量的資金進(jìn)行科學(xué)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(lǐng)域已經(jīng)有了很多相關(guān)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(tài)的影響[5]。韓國學(xué)者Eun-SukPark等使用單點金剛石尖刀切削V型溝槽結(jié)構(gòu)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(dāng)金剛石尖刀磨損時，V型溝槽頂部將出現(xiàn)翻邊毛刺現(xiàn)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(shù)量也越小的結(jié)論[6]。香港理工大學(xué)的李榮彬教授等在Freeform705G超精密機(jī)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(fā)了刀具運(yùn)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(guī)劃的方法加工出不同類型的V型溝槽陣列，并考慮機(jī)床加減速模式建立加工時間預(yù)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(jié)構(gòu)元器件的設(shè)計逐漸形成了一種新的趨勢，即為了實現(xiàn)更好的功能，設(shè)計人員開始在圓柱面、球面、非球面甚至是自由曲面上設(shè)計微結(jié)構(gòu)。與平面上微結(jié)構(gòu)的加工相比，曲面上微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的要求。因此，針對輥筒模具表面上微結(jié)構(gòu)加工的研究，2009年韓國機(jī)械與材料研究所學(xué)者Tae-JinJE使用兩軸聯(lián)動的方法進(jìn)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(jié)構(gòu)[9]。2010年，韓國學(xué)者DuyLe等根據(jù)輥筒模具微結(jié)構(gòu)表面加工過程中易產(chǎn)生毛刺的現(xiàn)象進(jìn)行了相應(yīng)地實驗與分析，確立了微V型溝槽結(jié)構(gòu)側(cè)向毛刺和金字塔結(jié)構(gòu)切出毛刺的數(shù)學(xué)模型[10]。2012年，天津大學(xué)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(xiàn)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(jìn)行研究，分析主要的加工參數(shù)(切削深度和主軸轉(zhuǎn)速)對表面質(zhì)量的影響規(guī)律，獲得最優(yōu)加工參數(shù)組，并將其應(yīng)用于輥筒模具上不同曲線微溝槽陣列的加工，達(dá)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(guī)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(jìn)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(zhuǎn)進(jìn)給量來加工不同節(jié)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(zhì)量良好，尺寸精度很容易得到保證，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于輥筒模具表面微V型溝槽結(jié)構(gòu)的加工中[5]。
軌跡法是通過刀具和工件的相對運(yùn)動將其所要加工的輪廓結(jié)構(gòu)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(chǎn)生毛刺等優(yōu)勢，但由于加工表面是由加工刀具的殘余高度所構(gòu)成，因此合理選擇切削參數(shù)以控制微結(jié)構(gòu)的表面粗糙度顯得尤為重要[5]，如圖2b所示。
相關(guān)期刊推薦：《制造技術(shù)與機(jī)床》(月刊)曾用刊名：(機(jī)床)1951年創(chuàng)刊，由中國機(jī)械工程學(xué)會和北京機(jī)床研究所主辦，是機(jī)床及機(jī)械制造領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)期刊，報道國內(nèi)外制造技術(shù)與機(jī)床方面的科技成果和經(jīng)驗，為提高我國機(jī)械制造業(yè)技術(shù)水平而服務(wù)。設(shè)有：國內(nèi)外動態(tài)、綜述、設(shè)計與研究、工藝與檢測、改裝與維修、管理技術(shù)、商務(wù)橋梁、企業(yè)之窗、數(shù)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(guī)劃加工工藝，軌跡法可達(dá)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(xiàn)微溝槽的加工精度不僅僅與加工工藝相關(guān)，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(shù)，包括切削深度、主軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速需采用較小值。實驗采用超精密自由曲面加工機(jī)床(MooreNanotech350FG，美國)。該機(jī)床有3根直線移動軸(X，Y，Z)以及2個轉(zhuǎn)動軸(B，C)，可進(jìn)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(jī)床加工輥筒模具時，工件固定在主軸上隨著主軸旋轉(zhuǎn)，刀具沿著X軸方向按照設(shè)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(shù)和加工參數(shù)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(jié)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(shè)計深度的差值。理論上來說，實際加工的溝槽深度應(yīng)該等于加工參數(shù)中所設(shè)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(zhuǎn)速下，仿形法所加工的微溝槽實際深度與設(shè)定的深度值的誤差。
如圖7a所示，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速越大，溝槽深度誤差越小。這是由于主軸轉(zhuǎn)速S增大時，在相同的進(jìn)給速度F和切削深度的情況下，進(jìn)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(dāng)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(zhuǎn)速和切削深度對微溝槽表面粗糙度的影響結(jié)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(nèi)，即仿形法可在輥筒表面實現(xiàn)納米級表面粗糙度微溝槽的加工。但是本次實驗的主軸轉(zhuǎn)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(shù)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(xiàn)，即采用X、Z、C三軸聯(lián)動的方式帶動金剛石刀具相對于工件在極坐標(biāo)或圓柱坐標(biāo)系內(nèi)實現(xiàn)對非回轉(zhuǎn)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(biāo)不變化，只由X軸決定其切削深度，Z軸和C軸聯(lián)動決定正弦微溝槽的一系列參數(shù)，如圖9所示。根據(jù)輥筒表面直溝槽加工的結(jié)果，選取主軸轉(zhuǎn)速200r/min、切削深度2μm、進(jìn)給速率2mm/min。表2所示為輥筒表面設(shè)計的正弦溝槽幾何參數(shù)，其中A為正弦曲線的波幅，w為波數(shù)(周期密度)，一共12條正弦溝槽，加工結(jié)果如圖10～11所示。
利用白光干涉儀對每條溝槽進(jìn)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(jié)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(zhuǎn)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(jié)果選取最優(yōu)參數(shù)實現(xiàn)正弦溝槽的慢伺服加工。實驗結(jié)果表明，超精密仿形加工可實現(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速的改變對于微溝槽表面粗糙度的影響規(guī)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(jié)果將有助于輥筒表面微溝槽最佳加工參數(shù)的選擇進(jìn)行指導(dǎo)，并為將來研究輥筒模具表面微結(jié)構(gòu)的微切削理論，探討其表面形成和精度控制提供研究基礎(chǔ)。——論文作者：張俊鳳①王素娟
