[发明专利]基于曲面工件外形的表面阵列微结构激光刻蚀制备方法

说明书

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种基于曲面工件外形的表面阵列微结构激光刻蚀制备方法。

背景技术

在机械工业和电子工业领域，经常需要在已经成型的自由曲面工件表面上再制备出阵列微结构。微结构是指面形精度达亚微米级，表面粗糙度达纳米级的，具有特定功能的微小表面拓扑形状。微结构最主要的特征是其结构的功能性，如微结构表面光学元件的表面结构决定了对光线的反射，透射或衍射性能，便于光学设计者优化光学系统，减轻重量，缩小体积。另一特征是它们一般都有大的深宽比，这与传统的表面参数及统计特性不同。

由于曲面工件外形的不规则性、非回转性和不可展性等特点，一般很难用数学方程精确地描述，通常采用一系列离散型值点，即离散点云模型进行描述。其中，点云数据可以通过曲面工件的逆向工程技术获得。逆向工程技术是一种能根据现有的物理部件通过CAD、CAM、CAE或其他软件构筑3D虚拟模型的方法。逆向工程的过程采用了通过丈量实际物体的尺寸并将其制作成3D模型的方法，真实的对象可以通过如CMMs，激光扫描仪，结构光源转换仪或者X射线断层成像这些3D扫描技术进行尺寸测量。曲面重构技术是逆向工程中的关键技术，根据所采用的曲面表达方式，曲面重构的方法主要有：(1)函数曲面方法；(2)隐函数方法；(3)多边形模型法；(4)三角Bézier方法；(5)细分曲面方法；(6)B样条以及NURBS方法等。

激光刻蚀加工在激光加工中属于激光去除类，也可以称之为蒸发加工，是基于激光与被加工材料相互作用引起物态变化形成的热物理效应，以及各种能量变化产生的综合结果。影响加工质量的主要因素取决于激光的波长、激光功率密度、光束质量、聚焦状态和被加工材料本身的物理特性等参数。激光束初始经过聚焦透镜后照射在处于焦平面的工件上，使被加工材料表面的温度迅速上升。当温度上升到接近于材料的蒸发温度时，激光对材料的去除加工开始进行。此时固态金属发生强烈的相变，最先金属开始融化，之后一部分开始汽化。随着温度不断上升，金属蒸汽携带着液相物质以极高的速度从液相底部猛烈的喷溅出来，从而将底部新的表面暴露在激光束照射之下，从而持续产生熔化、蒸发与喷溅。通过这种不断的照射、熔化-蒸发、喷溅、照射，直至达到要求的激光刻蚀深度或穿透整个工件材料。与此同时，激光束按照设定的速度和路径移动，可以获得要求的激光刻蚀加工结构。

现有技术中，针对曲面工件外形的表面阵列微结构的加工一般有两种方法。第一种方法是先基于理论工件模型进行离线虚拟设计再对实际工件进行在线加工，但是由于任何自由曲面工件在其自由曲面外形的加工过程中都有加工公差，因此这种方法没有考虑工件实际外形尺寸与理论工件模型的误差，加工误差较大。第二种方法是先基于表面阵列微结构图形进行离线虚拟布局和设计，再对实际工件进行在线加工，但是由于刀具的方位误差和磨损误差或激光束的投影拼接误差的存在，使得微结构图形布局与加工均存在较大的偏差。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种加工误差小、精确性好和稳定性高的基于曲面工件外形的表面阵列微结构激光刻蚀制备方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种基于曲面工件外形的表面阵列微结构激光刻蚀制备方法，包括如下步骤：

(1)固定装夹和定位自由曲面工件；基于空间XYZ直角坐标系，采用逆向工程方法测量自由曲面工件表面的外形尺寸，获得自由曲面工件表面的重构模型，即重构曲面；

(2)在重构曲面上，取初始点P₀(x₀，y₀，z₀)、P₁(x₁，y₁，z₁)、P₂(x₂，y₂，z₂)，使得P₀、P₁、P₂三点中任意两点的距离等于阵列微结构的周期性单元间距D，将P₀、P₁、P₂构成的曲面等边三角形T₀的三条边L₀、L₁、L₂都标记为“未扩展”；