面向微结构阵列的超精密切削加工与测量关键技术研究

摘要

微结构阵列是指具有规则阵列分布的微观几何拓扑形状及特定功能的一类微结构表面。微结构阵列的微观和宏观几何形貌决定了器件的功能，如光学功能、摩擦功能、润滑功能、信息存储功能等。微结构阵列以其无法比拟的优越性能，已经成为光电子、信息通讯以及精密工程等领域的关键零部件。如用于平板显示的微透镜阵列光学薄膜、用于空间光学回射的微金字塔阵列、用于太阳能电池的微槽阵列结构光栅、用于先进动态随机存储器的具有高深-宽比特征的深沟槽微结构阵列等。随着科技产品向高性能化、高精度化、高集成化方向发展，微结构阵列在航空航天、电子制造、生物医疗等高端产业得到了越来越广泛的应用，也相应牵引带动了可用于微结构阵列制造的超精密加工技术的发展。
　　基于快速刀具伺服(Fast Tool Servo，FTS)的金刚石超精密切削是一种非常有效的微结构阵列的加工方式。但随着超精密器件不断创造制造尺度、精度、效率的新极端，金刚石超精密切削技术面临若干新的挑战:1、随着加工尺寸的极端化，导致刀具在大面积加工过程中出现磨损现象，影响表面加工质量甚至导致加工失效，如何克服刀具磨损的限制实现大尺寸制造？2、随着加工材料的多样化，特别是难切削材料和硬脆材料的使用，导致在制造过程中容易产生表面微结构缺陷，如何在大面积加工范围内对局域微缺陷进行高效的在线检测和高精度的修复再制造？3、随着加工过程的复杂化，如何对机床、金刚石刀具、超精密加工件等实施超精密测量以保障极端制造尺寸下的加工精度？论文的研究工作针对上述关键问题，提出了一系列具有工程实际意义的方法和关键技术。相应开发了集成力传感器快速刀具伺服装置（Force Sensor integrated Fast Tool Servo，FS-FTS）、电化学研磨高长-径比扫描探针制备装置、大面积扫描隧道显微测量系统等三套仪器，分别开展了大面积微结构阵列的换刀拼接加工、微结构表面微小缺陷的在线检测及修复、金刚石刀具切削刃轮廓的在机原位测量、微结构表面三维形貌的大面积精密测量等方面的研究，通过在超精密加工机床上的现场实验，论证了所提出的方法和技术的可行性。
　　论文的研究内容一共分为六章:
　　第一章:介绍了微结构表面的超精密加工，特别是基于快速刀具伺服装置的单点金刚石切削加工的研究背景，归纳出当前超精密切削加工与测量技术所面临的若干关键技术难题;简述了基于快刀伺服的超精密切削加工技术、单点金刚石刀具刀刃轮廓及形貌的超精密测量技术、超精密加工件表面三维形貌的超精密测量技术等的研究现状;最后概述了本文的主要研究内容和意义。
　　第二章:使用FS-FTS在辊筒模具上进行微透镜阵列的超精密切削和换刀拼接加工实验。着重研究了FS-FTS的测量功能，对关键性能参数进行了测试和验证。提出了一种基于FS-FTS的刀具自定位方法。无需利用其它测量仪器，而是通过FS-FTS伺服驱动刀具以较低的恒定接触力对已加工的微结构阵列进行扫描，从测量得到的刀具对微结构的扫描跟踪轨迹中获取刀具尖端相对于已加工微结构的三维位置信息。基于所提出的刀具自定位方法，克服了换刀过程中的刀具位置差异，实现了大面积微结构阵列的换刀拼接加工。
　　第三章:提出了一种微结构表面微小缺陷的在线检测和修复再制造方法。该方法通过实时监控微结构表面加工过程的切削力信号，并建立切削力信号与加工车床坐标位置的映射关系。从切削力异构信号中辨识出微缺陷的三维坐标位置，并通过FS-FTS对缺陷区域的形貌进行检测和定征。微结构缺陷的位置辨识和形状定征为修复加工提供了可靠的信息依据。通过在辊筒模具上对微结构表面微缺陷的在线位置辨识、形状定征和修复加工实验成功验证了该方法的可行性。
　　第四章:提出了金刚石刀具切削刃圆弧轮廓的在机原位测量方法。该方法通过FS-FTS驱动金刚石刀具扫描一个参考尖端，扫描轨迹通过机床滑座的直线编码器和FS-FTS的电容式位移传感器测量得到。从所测量得到的扫描轨迹间接定量获得金刚石刀具切削刃的圆弧轮廓。其中，参考尖端可分别通过FS-FTS加工的线状阵列结构或采用具有纳米级曲率半径的金刚石刃边实现。基于该方法，在超精密加工机床上分别开展了对各种宏微尺寸金刚石刀具以及刀具磨损的原位检测实验。
　　第五章:论述了基于扫描隧道显微原理的大面积三维微纳结构表面形貌精密测量技术。提出了一种电化学研磨扫描探针制备的尖端成型点精确判断和控制策略，改变了传统电化学研磨探针过程不可控的缺点，实现了高长-径比扫描探针的批量可控制备。在此基础上，对传统扫描隧道显微镜进行了改进，建立了新型的大面积扫描隧道显微测量系统，并提出了样品倾斜的自校正方法。利用该系统和技术，成功实现了对双正弦光栅微结构阵列表面三维形貌的精密测量。
　　第六章:归纳总结了本论文的主要研究工作，阐述了研究的结论和创新点，并对面向微结构阵列超精密切削加工和测量的研究进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 基于快刀伺服的超精密切削加工技术

1．3 金刚石刀具几何形状的精密测量技术

1．3．1 金刚石刀具的扫描探针测量方法

1．3．2 金刚石刀具的光学测量方法

1．3．3 扫描电子显微镜和其它方法

1．4 微结构表面三维形貌的超精密测量技术

1．4．1 大面积扫描探针显微镜测量方法

1．4．2 机械接触式探针轮廓仪扫描方法

1．4．3 大面积三维微纳形貌的光学测量方法

1．5 论文的研究意义及研究内容

1．5．1 论文的来源及研究意义

1．5．2 研究内容及相互间的关系

1．6 本章小结

2 大尺寸微结构阵列的换刀拼接加工技术

2．1 引言

2．2 集成力传感器的FTS

2．3 微透镜阵列的超精密切削实验

2．3．1 辊筒模具微透镜阵列的加工方法

2．3．2 微透镜阵列的切削加工实验

2．4 微结构阵列的换刀拼接加工方法

2．5 基于FS-FTS的刀具定位基本性能测试

2．5．1 刀具定位的控制系统

2．5．2 刀具尖端-工件表面接触检测

2．5．3 刀具定位准确度测量实验

2．6 微结构阵列的换刀拼接加工

2．6．1 拼接加工实验条件

2．6．2 行列拼接加工实验研究

2．6．3 面积拼接加工实验研究

2．6．4 填充拼接加工实验研究

2．7 本章小结

3 微结构表面微缺陷的在线检测和修复技术

3．1 引言

3．2 微缺陷在线检测及修复方法

3．3 实验条件

3．4 切削力测量和形貌定征基本性能测试

3．4．1 力传感器的校正

3．4．2 切削力模型

3．4．3 切削力测量实验

3．4．4 接触力测量实验

3．4．5 微结构形貌定征实验

3．5 微结构单元缺陷的修复加工

3．5．1 单次修复

3．5．2 多次修复

3．6 微结构阵列缺陷的在线检测与修复

3．6．1 微结构缺陷的在线检测

3．6．2 微结构缺陷的修复加工

3．7 刀具尖端扫描测量时对表面的破损程度研究

3．8 本章小结

4 金刚石刀具切削刃轮廓的在机原位测量技术

4．1 引言

4．2 金刚石刀具切削刃轮廓原位测量方法

4．3 系统及实验平台

4．4 使用铝材质参考刃结构的测量

4．4．1 参考刃阵列结构的加工

4．4．2 基本性能测试

4．4．3 金刚石刀具轮廓测量

4．4．4 测量结果的分析与讨论

4．5 使用金刚石纳米参考刃结构的测量

4．5．1 实现方法及系统装置

4．5．2 参考刃尖端曲率半径定征

4．5．3 刀具尖端-参考刃尖端的接触检测

4．5．4 金刚石刀具切削刃轮廓测量

4．5．5 金刚石刀具磨损的原位定征

4．6 本章小结

5 微结构表面三维形貌的扫描探针测量技术

5．1 引言

5．2 高长-径比扫描探针的电化学研磨制备技术

5．2．1 电化学研磨探针制备方法

5．2．2 系统构建及断电控制策略

5．2．3 扫描探针制备过程参数的优化

5．2．4 高长-径扫描探针的可控制备

5．3 大面积扫描隧道显微测量系统

5．3．1 扫描隧道显微测量系统结构

5．3．2 扫描隧道显微测量控制系统

5．3．3 大面积扫描隧道显微测量装置基本性能测试

5．4 大面积微结构阵列表面三维形貌精密测量

5．4．1 扫描平面的倾斜校正

5．4．2 双正弦结构表面三维形貌的精密测量实验

5．4．3 双正弦结构表面三维形貌测量结果分析

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 论文创新点

6．3 研究展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间的成果