[发明专利]一种低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法

说明书

本发明公开了一种低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法，基于数控机床和低频振动台的加工装置，包括：一，对工件的表面进行超精密表面切平加工，使其粗糙度在10nm以内；二，将该工件装夹在低频振动台上，飞刀换成尖刀，重新设定工件的高度、切削深度和Z向进给速率，加工第二级结构的沟槽阵列；三，在得到第二级结构的工件表面上换成圆弧刀加工，设定低频振动台的零点偏离量、名义切削深度和Z向进给量，第一级结构叠加在第二级结构上便形成了两级结构阵列。本发明每一列两级结构中的单个沟槽结构是在刀具每周旋转中切削产生的，沟槽结构的形状精度、表面质量很高；由于每一沟槽结构都是在单次轴向进给中一次完成的，加工效率高。

技术领域

本发明涉及两级结构加工的技术领域，特别是涉及一种低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法。

背景技术

自然界的植物中存在着很多的两级结构，这种两级结构是宏观结构中嵌套微观结构的结果，如大沟槽内部嵌套了很多的小沟槽；或者说是微结构按照一定的规律叠加出了宏观结构。有着两级及多级结构的材料表面由于具备一些特殊的表面功能，在工程应用及科学研究中都引起了学者们极大的兴趣。自然界中的很多植物的叶片都有着两级结构，这些两级结构常常会使得叶片呈现出特殊的亲疏水性以及光学性能，如稻米的叶子由于两级微结构的存在会使得水珠会朝着两级结构的纵向滑落；同样研究表明蝴蝶的翅膀上也存在类似的多级结构，使得水珠会沿着某一特定的方向滚动。受自然界多级结构的魅力所吸引，学者们聚焦于探索新方法制造出两级结构以研究两级结构更多的特殊功能，很多制造两级结构的方法被提出来，如飞秒激光加工、纳米光刻等技术。纳米光刻制造技术虽然可以实现复杂单级结构的生成，但是其要实现两级结构的生成，掩膜的制备工艺极其复杂繁琐，导致生产效率不高。且纳米光刻技术制造的微结构中的最小尺度往往受到光波长的限制，无法制造出比光的波长更小尺度的微结构。因此，这些方法制造出的两级结构形貌精度差且对设备有很高的要求，满足不了研究需求。

机械加工的方法也可以实现高精度的微结构的加工，现有的实现两级结构机械加工的方法是超声振动辅助加工技术。超声振动辅助加工技术在加工尺度较大的第一级宏观结构的同时利用小振幅的超声振动加工第二级微观结构，两级结构的加工效率被极大的提高。超声振动辅助加工两级级结构实际上是一种椭圆振动切削加工，两个方向的振动与其中一个方向的单向运动合成了刀具的椭圆振动轨迹，相邻的椭圆轨迹在重合位置形成的尖点就实现了第二级微观结构的形成。

纳米光刻制造技术虽然可以实现复杂单级结构的生成，但是其要实现两级结构的生成，掩膜的制备工艺极其复杂繁琐，导致生产效率不高。且纳米光刻技术制造的微结构中的最小尺度往往受到光波长的限制，无法制造出比光的波长更小尺度的微结构。

超声振动辅助加工两级结构是在加工第一级宏观结构的同时使得刀具在两个方向上振动从而加工第二级微观结构的技术。由于在进给方向和垂直于进给方向叠加了超声振动运动，刀具的真实运动轨迹就是一个不断运动的椭圆线，轨迹某一侧边的材料全部被切除，未被切除的材料形成了一个两级结构。虽然超声振动辅助可以实现两级结构的高速、高效率加工，但是由于第二级微观结构是在刀具尖点的振动下产生的，导致微观结构的长度很短，仅是参与刀尖参与切削的部分的尺寸大小。此外，超声振动辅助加工两级结构要想改变第二级微观结构的形状，必须对两个方向上的超声振动振幅进行调节，要求两个方向上的超声振动振幅有很宽的调节范围和精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法，以解决上述现有技术存在的问题，使两级结构阵列加工的精度和效率提高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种低频振动耦合轴向进给飞切加工两级结构阵列的方法，基于数控机床和低频振动台的加工装置，包括平面飞切加工工艺和两级结构阵列加工工艺，具体步骤如下：