面向微結(jié)構(gòu)陣列的超精密切削加工與測量關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、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。微結(jié)構(gòu)陣列的微觀和宏觀幾何形貌決定了器件的功能，如光學(xué)功能、摩擦功能、潤滑功能、信息存儲功能等。微結(jié)構(gòu)陣列以其無法比擬的優(yōu)越性能，已經(jīng)成為光電子、信息通訊以及精密工程等領(lǐng)域的關(guān)鍵零部件。如用于平板顯示的微透鏡陣列光學(xué)薄膜、用于空間光學(xué)回射的微金字塔陣列、用于太陽能電池的微槽陣列結(jié)構(gòu)光柵、用于先進(jìn)動態(tài)隨機(jī)存儲器的具有高深-寬比特征的深溝槽微結(jié)構(gòu)陣列等。隨著科技產(chǎn)品

2、向高性能化、高精度化、高集成化方向發(fā)展，微結(jié)構(gòu)陣列在航空航天、電子制造、生物醫(yī)療等高端產(chǎn)業(yè)得到了越來越廣泛的應(yīng)用，也相應(yīng)牽引帶動了可用于微結(jié)構(gòu)陣列制造的超精密加工技術(shù)的發(fā)展。
　　基于快速刀具伺服(Fast Tool Servo，F(xiàn)TS)的金剛石超精密切削是一種非常有效的微結(jié)構(gòu)陣列的加工方式。但隨著超精密器件不斷創(chuàng)造制造尺度、精度、效率的新極端，金剛石超精密切削技術(shù)面臨若干新的挑戰(zhàn):1、隨著加工尺寸的極端化，導(dǎo)致刀具在大面積加工過

3、程中出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，影響表面加工質(zhì)量甚至導(dǎo)致加工失效，如何克服刀具磨損的限制實現(xiàn)大尺寸制造？2、隨著加工材料的多樣化，特別是難切削材料和硬脆材料的使用，導(dǎo)致在制造過程中容易產(chǎn)生表面微結(jié)構(gòu)缺陷，如何在大面積加工范圍內(nèi)對局域微缺陷進(jìn)行高效的在線檢測和高精度的修復(fù)再制造？3、隨著加工過程的復(fù)雜化，如何對機(jī)床、金剛石刀具、超精密加工件等實施超精密測量以保障極端制造尺寸下的加工精度？論文的研究工作針對上述關(guān)鍵問題，提出了一系列具有工程實際意義的方法

4、和關(guān)鍵技術(shù)。相應(yīng)開發(fā)了集成力傳感器快速刀具伺服裝置（Force Sensor integrated Fast Tool Servo，F(xiàn)S-FTS）、電化學(xué)研磨高長-徑比掃描探針制備裝置、大面積掃描隧道顯微測量系統(tǒng)等三套儀器，分別開展了大面積微結(jié)構(gòu)陣列的換刀拼接加工、微結(jié)構(gòu)表面微小缺陷的在線檢測及修復(fù)、金剛石刀具切削刃輪廓的在機(jī)原位測量、微結(jié)構(gòu)表面三維形貌的大面積精密測量等方面的研究，通過在超精密加工機(jī)床上的現(xiàn)場實驗，論證了所提出的方法和

5、技術(shù)的可行性。
　　論文的研究內(nèi)容一共分為六章:
　　第一章:介紹了微結(jié)構(gòu)表面的超精密加工，特別是基于快速刀具伺服裝置的單點金剛石切削加工的研究背景，歸納出當(dāng)前超精密切削加工與測量技術(shù)所面臨的若干關(guān)鍵技術(shù)難題;簡述了基于快刀伺服的超精密切削加工技術(shù)、單點金剛石刀具刀刃輪廓及形貌的超精密測量技術(shù)、超精密加工件表面三維形貌的超精密測量技術(shù)等的研究現(xiàn)狀;最后概述了本文的主要研究內(nèi)容和意義。
　　第二章:使用FS-FTS在輥筒

6、模具上進(jìn)行微透鏡陣列的超精密切削和換刀拼接加工實驗。著重研究了FS-FTS的測量功能，對關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行了測試和驗證。提出了一種基于FS-FTS的刀具自定位方法。無需利用其它測量儀器，而是通過FS-FTS伺服驅(qū)動刀具以較低的恒定接觸力對已加工的微結(jié)構(gòu)陣列進(jìn)行掃描，從測量得到的刀具對微結(jié)構(gòu)的掃描跟蹤軌跡中獲取刀具尖端相對于已加工微結(jié)構(gòu)的三維位置信息?；谒岢龅牡毒咦远ㄎ环椒?，克服了換刀過程中的刀具位置差異，實現(xiàn)了大面積微結(jié)構(gòu)陣列的換刀拼

7、接加工。
　　第三章:提出了一種微結(jié)構(gòu)表面微小缺陷的在線檢測和修復(fù)再制造方法。該方法通過實時監(jiān)控微結(jié)構(gòu)表面加工過程的切削力信號，并建立切削力信號與加工車床坐標(biāo)位置的映射關(guān)系。從切削力異構(gòu)信號中辨識出微缺陷的三維坐標(biāo)位置，并通過FS-FTS對缺陷區(qū)域的形貌進(jìn)行檢測和定征。微結(jié)構(gòu)缺陷的位置辨識和形狀定征為修復(fù)加工提供了可靠的信息依據(jù)。通過在輥筒模具上對微結(jié)構(gòu)表面微缺陷的在線位置辨識、形狀定征和修復(fù)加工實驗成功驗證了該方法的可行性。

8、r>　　第四章:提出了金剛石刀具切削刃圓弧輪廓的在機(jī)原位測量方法。該方法通過FS-FTS驅(qū)動金剛石刀具掃描一個參考尖端，掃描軌跡通過機(jī)床滑座的直線編碼器和FS-FTS的電容式位移傳感器測量得到。從所測量得到的掃描軌跡間接定量獲得金剛石刀具切削刃的圓弧輪廓。其中，參考尖端可分別通過FS-FTS加工的線狀陣列結(jié)構(gòu)或采用具有納米級曲率半徑的金剛石刃邊實現(xiàn)?；谠摲椒?，在超精密加工機(jī)床上分別開展了對各種宏微尺寸金剛石刀具以及刀具磨損的原位檢測實

9、驗。
　　第五章:論述了基于掃描隧道顯微原理的大面積三維微納結(jié)構(gòu)表面形貌精密測量技術(shù)。提出了一種電化學(xué)研磨掃描探針制備的尖端成型點精確判斷和控制策略，改變了傳統(tǒng)電化學(xué)研磨探針過程不可控的缺點，實現(xiàn)了高長-徑比掃描探針的批量可控制備。在此基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)掃描隧道顯微鏡進(jìn)行了改進(jìn)，建立了新型的大面積掃描隧道顯微測量系統(tǒng)，并提出了樣品傾斜的自校正方法。利用該系統(tǒng)和技術(shù)，成功實現(xiàn)了對雙正弦光柵微結(jié)構(gòu)陣列表面三維形貌的精密測量。
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