[发明专利]一种基于针尖轨迹运动加工微纳复合结构的装置及方法

权利要求书

1.一种基于针尖轨迹运动加工微纳复合结构的装置，其特征在于：包括基座、z向竖直微米定位台(1)、一维压电纳米位移台(2)、针尖轨迹运动加工模块(3)、数码显微镜(5)、水平调平台(6)以及x-y向水平定位台(7)，所述z向竖直微米定位台(1)固定在基座上方，用于带动刀具初步逼近加工工件(4)表面，所述一维压电纳米位移台(2)固定在z向竖直微米定位台(1)上，用于控制加工深度，所述针尖轨迹运动加工模块(3)固定在一维压电纳米位移台(2)上，用于控制刀具的竖直公转运动，所述x-y向水平定位台(7)固定在基座上表面，用于控制水平加工进给运动，所述水平调平台(6)固定在x-y向水平定位台(7)上，用于安装加工工件(4)并可调节消除其表面倾斜度，所述数码显微镜(5)固定在基座上表面，用于检测对刀，针尖轨迹运动加工模块(3)包括作为刀具的三棱锥纳米压头和压头夹具(8)、二维压电剪切叠堆(13)，所述三棱锥纳米压头由刀柄(9)和金刚石金针(10)组成，所述刀柄(9)螺纹连接固定在所述压头夹具(8)下方，所述二维压电剪切叠堆(13)连接固定压头夹具(8)与一维压电纳米位移台(2)，二维压电剪切叠堆(13)由两个垂直安装的压电陶瓷剪切片提供位移输出，分为z向一维压电剪切片(11)和y向一维压电剪切片(12)。

2.一种根据权利要求1所述的一种基于针尖轨迹运动加工微纳复合结构的装置的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一：首先将刀柄(9)的螺纹拧入压头夹具(8)的螺纹口内，随后通过数码显微镜(5)观察金刚石金针(10)的空间朝向，调节金刚石金针(10)的空间朝向，使金刚石金针(10)的任一棱边与y轴方向平行；

步骤二：以z向竖直微米定位台(1)带动针尖轨迹运动加工模块(3)向下移动逐渐逼近加工工件(4)表面，同时用数码显微镜(5)观察金刚石金针(10)与加工工件(4)表面间的距离，当两者间的距离在10μm以内时，停止z向竖直微米定位台(1)的移动，改用一维压电纳米位移台(2)以微米步进带动针尖轨迹运动加工模块(3)逼近加工工件(4)，当难以通过数码显微镜(5)观测金刚石金针(10)与加工工件(4)间的距离时，一维压电纳米位移台(2)改以200nm的步进进给，同时以x-y向水平定位台(7)的任一轴向移动加工工件(4)，移动距离为100μm，一维压电纳米位移台(2)每进给一次，x-y向水平定位台(7)移动一次，然后用数码显微镜(5)观察加工工件(4)表面上是否有划痕产生，如没有划痕继续重复进给，如有划痕说明金刚石金针(10)划入加工工件(4)表面的距离在200nm以内；

步骤三：待金刚石金针(10)与加工工件(4)表面的一端接触后，在其上刻划出一道100μm长的沟槽，记录一维压电纳米位移台(2)的位移值，随后以x-y向水平定位台(7)的任一轴向移动加工工件(4)至表面的另一端，驱动一维压电纳米位移台(2)完成金刚石金针(10)的接触以及刻划，记录此处一维压电纳米位移台(2)的位移值，对比加工工件(4)表面两处对应的位移值，根据x-y向水平定位台(7)的移动距离调节水平调平台(6)，消除加工工件(4)表面在装夹时产生的倾斜度；

步骤四：完成加工工件(4)表面的水平调节后，抬起金刚石金针(10)，向二维压电剪切叠堆(13)输入两路异相正弦电压驱动信号，通过调节激励电压的幅值和相位控制金刚石金针(10)轨迹运动的形状，使金刚石金针(10)在竖直y-z平面内以400-800nm范围的轨迹半径做公转运动，随后驱动一维压电纳米位移台(2)，完成金刚石金针(10)与加工工件(4)表面的接触，以及加工深度1-5μm的设置，之后，x-y向水平定位台(7)带动加工工件(4)沿y轴方向进给，当金刚石金针(10)的一个面(14)的朝向与x-y向水平定位台(7)的进给方向y+平行且相反时，让金刚石金针(10)顺时针公转，进行面冲前逆铣加工，一次走刀进给后最终加工形成侧壁具有亚波长光栅结构的V形微沟槽，同样的金刚石金针(10)朝向以及公转方向，当加工工件(4)的进给方向为y-时，进行刃冲前顺铣加工，金刚石金针(10)的棱边刃(15)在犁切出V形槽的同时上述面(14)上的两个切削刃在沟槽的侧壁上加工出亚波长光栅结构；

步骤五：在步骤四的基础上，先控制x-y向水平定位台(7)沿y轴进行y+向加工进给，以面冲前逆铣的方式加工出一条毫米长的微纳分级微沟槽，随后控制x-y向水平定位台(7)以两微米的进给量沿x轴进行x+/-向的侧向进给，之后控制x-y向水平定位台(7)沿y轴进行y-向加工进给，以刃冲前顺铣的方式加工出一条毫米长的微纳分级微沟槽，再次控制x-y向水平定位台(7)以两微米的进给量沿x轴进行x+/-向的侧向进给，至此完成一个加工循环，重复上述循环，使x-y向水平定位台(7)沿x轴的侧向进给累计达到毫米长度，最终加工形成大范围的具有亚波长光栅结构特征的V形微沟槽阵列。