面向微結(jié)構(gòu)陣列的超精密切削加工與測(cè)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(rùn)滑功能、信息存儲(chǔ)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(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)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(dòng)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(shí)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(duì)局域微缺陷進(jìn)行高效的在線檢測(cè)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(duì)機(jī)床、金剛石刀具、超精密加工件等實(shí)施超精密測(cè)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(duì)上述關(guān)鍵問題，提出了一系列具有工程實(shí)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(zhǎng)-徑比掃描探針制備裝置、大面積掃描隧道顯微測(cè)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(cè)及修復(fù)、金剛石刀具切削刃輪廓的在機(jī)原位測(cè)量、微結(jié)構(gòu)表面三維形貌的大面積精密測(cè)量等方面的研究，通過在超精密加工機(jī)床上的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，論證了所提出的方法和

5、技術(shù)的可行性。
　　論文的研究?jī)?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(diǎn)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(cè)量技術(shù)所面臨的若干關(guān)鍵技術(shù)難題;簡(jiǎn)述了基于快刀伺服的超精密切削加工技術(shù)、單點(diǎn)金剛石刀具刀刃輪廓及形貌的超精密測(cè)量技術(shù)、超精密加工件表面三維形貌的超精密測(cè)量技術(shù)等的研究現(xiàn)狀;最后概述了本文的主要研究?jī)?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(shí)驗(yàn)。著重研究了FS-FTS的測(cè)量功能，對(duì)關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)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(cè)量?jī)x器，而是通過FS-FTS伺服驅(qū)動(dòng)刀具以較低的恒定接觸力對(duì)已加工的微結(jié)構(gòu)陣列進(jìn)行掃描，從測(cè)量得到的刀具對(duì)微結(jié)構(gòu)的掃描跟蹤軌跡中獲取刀具尖端相對(duì)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ǎ朔藫Q刀過程中的刀具位置差異，實(shí)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(cè)和修復(fù)再制造方法。該方法通過實(shí)時(shí)監(jiān)控微結(jié)構(gòu)表面加工過程的切削力信號(hào)，并建立切削力信號(hào)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(hào)中辨識(shí)出微缺陷的三維坐標(biāo)位置，并通過FS-FTS對(duì)缺陷區(qū)域的形貌進(jìn)行檢測(cè)和定征。微結(jié)構(gòu)缺陷的位置辨識(shí)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(duì)微結(jié)構(gòu)表面微缺陷的在線位置辨識(shí)、形狀定征和修復(fù)加工實(shí)驗(yàn)成功驗(yàn)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(cè)量方法。該方法通過FS-FTS驅(qū)動(dòng)金剛石刀具掃描一個(gè)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(cè)量得到。從所測(cè)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(jí)曲率半徑的金剛石刃邊實(shí)現(xiàn)。基于該方法，在超精密加工機(jī)床上分別開展了對(duì)各種宏微尺寸金剛石刀具以及刀具磨損的原位檢測(cè)實(shí)

9、驗(yàn)。
　　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(cè)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(diǎn)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(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高長(zhǎng)-徑比掃描探針的批量可控制備。在此基礎(chǔ)上，對(duì)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(cè)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(shí)現(xiàn)了對(duì)雙正弦光柵微結(jié)構(gòu)陣列表面三維形貌的精密測(cè)量。
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