單點金剛車快刀伺服加工微透鏡陣列工藝探討

【摘 要】單點金剛石車的快刀伺服加工技術可實現復雜面形光學零件的高效優質加工。文中介紹了單點金剛車削以及快刀伺服的技術特點，以及對于加工微透鏡的技術工藝路線予以分析和探討，最后進行了零件的加工試驗。

【關鍵詞】單點金剛車；快刀伺服；微透鏡陣列

0.引言

隨著科學技術和信息化的迅猛發展，紅外光學系統得到了飛速發展以及廣泛的應用。紅外光學元件主要包括紅外晶體軟脆性材料光學元件和玻璃、碳化硅SiC等硬脆性光學元件，由于紅外晶體類光學元件在特定運行條件下，晶體內自發的Raman散射光通過表面時會得到放大。因此，晶體作為優質的光學材料，被較廣泛地應用于紅外光電儀器等非線性光學領域。但由于晶體材料本身具有質軟，易潮解，脆性高，對溫度變化敏感，易開裂的特點，因此晶體材料的加工周期很長，而且非常難以加工。尤其光學元件被業界公認為是最難加工的，隨著對光學性能指標的要求不斷提高，傳統的光學元件加工方式已無法滿足高精度的晶體材料光學元件的加工要求。

而快刀伺服FTS（Fast Tool Servo）加工技術則是通過驅動金剛石刀具產生高頻響，小范圍的快速精度進刀運動，并配合高精度的主軸回轉和徑向進給運動，來完成復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，可以重復加工出具有復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，從而能夠實現復雜光學面形的高效高精度加工。

1.技術特點

目前，準分子激光加工微投透鏡的方法主要是準分子與激光與動態二元掩模法相結合（二元掩模法是指通過使用二元掩模制造微透鏡的方法。其主要加工特點為：（1）制造過程簡單，（2）制造速度快，（3）制造成本低。但由于自身的特點，所以其本身也有加工上的缺點：制造出的微透鏡為非球面微透鏡。

而相對來說，使用了單點金剛車的快刀伺服技術由于與有色金屬親和力好，其硬度、耐磨性以及導熱性都非常優越，且刀具刃口極為鋒利，刃口半徑為0.5～0.01μm，同時可適用于加工非金屬材料。相對而言，使用了單點金剛車的快刀伺服技術生產效率更高，加工精度更高，重復性好，適合批量生產，加工成本比傳統的加工技術明顯降低。而且可實現球面和非球面的精密加工。

本文所探討的是基于單點金剛石車削的快刀伺服技術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元件之一，其幾乎被用于所有的微光學系統。目前對于微透鏡的定于較多，沒有形成統一的定義。通常所說的微透鏡一般指尺寸微小的光學透鏡，其孔徑范圍一般為0.05～5mm。

目前傳統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）以及準分子激光加工微透鏡。

單點金剛石車削（SPDT）是在計算機控制下采用天然單晶納米金剛石刀具，在對機床和加工環境進行精確控制的條件下，直接車削加工出符合光學質量要求的非球面光學零件。目前，采用單點金剛石車削技術可以加工的材料有：紅外光學晶體（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到光學表面質量的要求。此技術還可加工玻璃，鈦，鎢等材料，但目前還不能直接達到符合質量要求的光學鏡面。采用單點金剛石車削技術加工的球面和非球面光學零件在軍用和民用光電產品上的應用相當廣泛，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技術可實現各種自由曲面的車削加工，如微棱鏡、透鏡陣列、環面以及小離軸量的（小于10mm量級）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的范圍內。

要實現上述兩個關鍵特征指標參數注定要采用基于快刀伺服工藝的超精密單點金剛鉆切削車床技術。快刀伺服加工技術與與傳統的超緊密車床加工技術相比，最直觀的區別在于刀具切削過程中，刀具的運動軌跡額外附加了一個垂直與端面方向的高頻反復運動，此運動精確配合主軸的回轉運動坐標位置和被加工工件不同半徑設計輪廓來實現切削進給，通過切削車床的C軸、Z軸、X軸和FTS數控高頻振蕩的4軸的聯動來加工復雜微結構。

2.技術路線

通過前期調研和課題探討，本文在工藝方面的探討主要兩個方向是：（1）表面形貌非旋轉對稱的微結構陣列。（2）表面形貌成型的精度要求達到光學級。

相關的指標參數為：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微米結合上述目標以及相關指標參數，考慮到單點金剛石車削SPDT和快刀伺服技術FTS各自技術特點，分析相關情況后，制定了以下的技術路線和工藝方案：

確定參數-計算圓周-刀具定義-確定參數-刀具路徑-檢測及報告

首先通過系統自帶的Diffsys軟件對零件進行坐標設定，并對陣列元表面進行定義，確定加工材料所加工微透鏡陣列的參數；其次在機床系統軟件中對于微透鏡陣列上的面型進行不同圓周率的精密計算；接著在軟件的計算過程中，對于使用的單點金剛石車刀的幾何形狀參數進行詳細設定，例如：刀尖點半徑，刀尖形狀，刀尖后角等；然后通過內置軟件，計算生成全加工路徑的3D模擬視圖，計算得出切削速度/加速度；在模擬驗證完畢后，通過機床專用的后置處理，生成機床所能運行的快速刀具加工路徑的NC代碼，傳輸導入機床后進行安全高效的加工；最后加工完成后，使用先進的白光干涉儀或共焦顯微鏡對表面進行檢測，記錄實驗數據，輸出加工結果的檢測報告。

用于本文工藝探討的實驗所使用的最主要裝備是：美國阿美泰克Nanoform700Freeform單點金剛鉆標準的五軸超精密計算機控制機床系統。所用整個機床的精度控制指標是：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）

3.微透鏡陳列加工與測試

本文利用美國阿美泰克Nanoform700Freeform單點金剛車結合快刀伺服技術進行了多次切削加工實驗，均獲得了較好的面形精度和表面質量。下面就以所加工微透鏡陣列為例，進行分析說明：

透鏡陣列采用非旋轉對稱的微結構陣列，透鏡表面為非球面，間隔為2.5mm，規劃好走刀路徑并選擇合適的工藝參數后，進行單點金剛車的快刀伺服加工，實驗結果采用白光干涉儀和共焦顯微鏡對表面進行檢測，數據結果如圖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定的指標參數。

Pmma適用于光學透鏡的常用材料，有色金屬適用于可見光光學波段。

4.結論

通過相關實驗結果表面，在實現復雜微結構工件的精密加工方面，基于單點金剛石車削SPDT的快刀伺服加工技術在加工微透鏡陣列方面的測試案例為將來光學零件加工應用方面提供了一個積極的信號和方向。

隨著復雜面形光學零件的應用越來越廣闊，基于單點金剛車削SPDT的快刀伺服技術的超精密加工技術勢必具有非常廣闊的發展空間。

【參考文獻】

[1]王桐.準分子激光光闌法加工微透鏡的工藝研究.

[2]康戰.單點金剛石精密數控車削加工技術及發展前景分析.

[3]朱登超.超精密快刀伺服加工復雜光學面形的技術研究.