[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

说明书

一种基于针尖轨迹运动加工微纳复合结构的装置及方法，涉及一种加工微纳复合结构的装置及方法。z向竖直微米定位台固定在基座上方，用于带动刀具初步逼近加工工件表面，一维压电纳米位移台固定在z向竖直微米定位台上，用于控制加工深度，针尖轨迹运动加工模块固定在一维压电纳米位移台上，用于控制刀具的竖直公转运动，x‑y向水平定位台固定在基座上表面，用于控制水平加工进给运动，水平调平台固定在x‑y向水平定位台上，用于安装加工工件并可调节消除其表面倾斜度，数码显微镜固定在基座上表面，用于检测对刀。能够在金属表面上加工出侧壁带有亚波长光栅的V形微沟槽结构，实现了对微纳复合分级结构的加工。

技术领域

本发明涉及一种加工微纳复合结构的装置及方法，尤其是一种基于针尖轨迹运动加工微纳复合结构的装置及方法，属于微纳米机械加工技术领域。

背景技术

通过在金属表面上加工出亚波长尺寸的光栅结构，使表面具有能够对可见光进行分光的功能，进而对金属表面实现高反射强度、高分辨率的结构着色，这在科学研究和工业应用上展现出了很大的潜质。目前，典型的实现金属表面结构着色功能的加工手段是采用激光诱导周期条纹结构，但这种方法在对结构尺寸及形状的控制上还存在着不足。相比于激光诱导加工，机械加工在加工过程的可控性以及加工结构的灵活性上体现出了优势。近些年来，随着压电驱动技术的快速发展，在椭圆振动切削加工技术中，对于刀具振动轨迹的控制越来越精准，刀具振动的频率越来越高，使得对该项加工技术的研究兴趣由改善切削过程逐渐转向实现表面微纳结构的加工。通过合理设计刀具的运动轨迹，利用轨迹包络形成未加工材料的残留，从而得到具有周期性微纳结构的金属表面。然而，受到压电陶瓷材料输出位移与响应频率相互制约的影响，为了保证足够大的刀具运动幅度，振动的频率就会降低进而影响了加工效率；而在共振刀具系统中，刀具振动的频率无法调制，刀具运动轨迹的灵活性较低。此外，复杂的压电驱动模块设计也制约了这项技术在实现金属表面微纳结构加工的广泛应用和推广。

发明内容

本发明的目的是为了解决采用椭圆振动切削技术加工亚波长金属光栅结构时激振系统设计复杂、刀具轨迹可控性不强的问题，提供一种基于针尖轨迹运动加工微纳复合结构的装置及方法，通过一次走刀进给，在金属表面上加工出侧壁带有亚波长光栅的V形微沟槽结构，实现了对微纳复合分级结构的加工。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种基于针尖轨迹运动加工微纳复合结构的装置，包括基座、z向竖直微米定位台、一维压电纳米位移台、针尖轨迹运动加工模块、数码显微镜、水平调平台以及x-y向水平定位台，所述z向竖直微米定位台固定在基座上方，用于带动刀具初步逼近加工工件表面，所述一维压电纳米位移台固定在z向竖直微米定位台上，用于控制加工深度，所述针尖轨迹运动加工模块固定在一维压电纳米位移台上，用于控制刀具的竖直公转运动，所述x-y向水平定位台固定在基座上表面，用于控制水平加工进给运动，所述水平调平台固定在x-y向水平定位台上，用于安装加工工件并可调节消除其表面倾斜度，所述数码显微镜固定在基座上表面，用于检测对刀，针尖轨迹运动加工模块包括作为刀具的三棱锥纳米压头和压头夹具、二维压电剪切叠堆，所述三棱锥纳米压头由刀柄和金刚石金针组成，所述刀柄螺纹连接固定在所述压头夹具下方，所述二维压电剪切叠堆连接固定压头夹具与一维压电纳米位移台，二维压电剪切叠堆由两个垂直安装的压电陶瓷剪切片提供位移输出，分为z向一维压电剪切片和y向一维压电剪切片。

一种基于针尖轨迹运动加工微纳复合结构的装置的方法，包括以下步骤：

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