[发明专利]一种利用振动辅助针尖轨迹运动加工纳米周期结构的方法

说明书

一种利用振动辅助针尖轨迹运动加工纳米周期结构的方法，属于微纳机械加工技术领域。本发明解决了在采用纳米压头轨迹运动加工纳米周期结构的过程中，材料加工成形质量不高所导致的结构形状精度低的问题，所述方法为：通过控制两路输入正弦信号的幅值，频率和相位，设置实现不同加工轨迹；在纳米压头竖直轨迹运动加工的基础上，采用两轴压电陶瓷剪切叠堆为加工提供辅助振动场；通过选用不同型号的纳米压头获得不同形状的针尖刀具，设置不同的针尖朝向实现对不同空间位置以及周期分布方向纳米周期结构的加工。本发明可制备具有高质量纳米周期结构的功能表面，通过调节加工参数可实现金属表面复杂图案结构着色，在光学防伪等领域有极大的应用前景。

技术领域

本发明属于微纳机械加工技术领域，具体涉及一种利用振动辅助针尖轨迹运动加工纳米周期结构的方法。

背景技术

因具有衍射效率高、分光能力强的优点，亚波长光栅结构在表面结构着色方面具有很大的应用潜力。然而，目前实现金属表面结构着色的加工方法在结构形貌控制等方面仍有不足，这严重影响了光栅结构衍射效率。相比于其他加工方法，微纳机械加工在可控性与灵活性方面具有一定的优势。由于纳米压头的针尖刃口弧半径可达到数十纳米，同时结合压电驱动具有的灵活可控的运动轨迹，基于针尖轨迹运动的单点加工方法可实现对纳米结构的灵活加工。在纳米尺度下，受尺寸效应的影响，对于延展性较好的金属材料进行切削时，被加工材料很难以切屑的形式完全被去除，因此，所加工出的纳米结构的形状精度难以保证。同时，轨迹运动加工所具有的加工参数时变特性，使得针尖除了切削作用，还有对材料的挤压和推挤作用，进而使得材料的加工变形更为复杂，也更加难以控制。

发明内容

本发明的目的是为了解决在采用纳米压头轨迹运动加工纳米周期结构的过程中，材料加工成形质量不高所导致的结构形状精度低的问题，提供一种在纳米压头轨迹运动过程中施加高频振动场辅助加工纳米周期结构的方法，进而提高对亚微米尺度下金属材料塑性变形的加工控制。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种利用振动辅助针尖轨迹运动加工纳米周期结构的方法，所述方法步骤为：

步骤一：生成加工运动轨迹：通过控制两路输入正弦信号的幅值，频率和相位，设置实现不同加工轨迹，运动轨迹方程如下：

其中，x(t)为x方向随时间的运动轨迹，z(t)为z方向随时间的运动轨迹，R_x为压电位移台水平方向的公转半径，R_z为压电位移台竖直方向的公转半径，v为压头的进给速度，f为公转频率；

步骤二：施加辅助振动场形成复合运动轨迹

在纳米压头竖直轨迹运动加工的基础上，采用两轴压电陶瓷剪切叠堆为加工提供辅助振动场；压电陶瓷剪切叠堆竖直放置，通过控制驱动信号的幅值、频率、相位，实现振动幅度、频率以及方向可调控的辅助振动场；压电陶瓷剪切叠堆运动方程表达如下：

其中，R_x'为压电陶瓷剪切叠堆水平方向的振动半径，R_z'为压电陶瓷剪切叠堆竖直方向的振动半径，f'为压电陶瓷剪切叠堆的振动频率；

步骤三：加工不同空间方位的纳米周期结构

根据不同三棱锥纳米压头针尖的几何形状、以及沿着不同进给方向的针尖朝向，确定所能加工得到的纳米周期结构的空间方位参数：由微沟槽V形角决定的纳米周期结构的空间位置和由切削刃刃倾角决定的结构周期的法向方向；因此，在步骤一、二过程的基础上，通过选用不同型号的纳米压头获得不同形状的针尖刀具，设置不同的针尖朝向实现对不同空间位置以及周期分布方向纳米周期结构的加工。