[发明专利]一种金属表面光栅形貌可控的加工方法

说明书

本发明涉及切削加工技术领域，公开了一种金属表面光栅形貌可控的加工方法，在切削工件的过程中，给刀具施加椭圆振动，施加的椭圆振动的振动平面在xoz平面，x轴方向为切削方向，z轴方向为切深方向，本加工方法在切削加工的过程中，给刀具施加椭圆振动，刀具的运动由水平直线运动和椭圆振动叠加而成，利用刀具的运动轨迹可以直接创成光栅形貌，使得光栅形貌不受限于刀具形状，能够简化加工流程，提高加工效率；在加工的过程中，通过调整刀具椭圆振动的参数，可以实现对金属表面结构色的色相‑饱和度‑亮度的调控。

技术领域

本发明涉及切削加工技术领域，具体涉及一种金属表面光栅形貌可控的加工方法。

背景技术

结构色又称物理色，其广泛存在于自然界的动植物中。这是由于在一些动植物表面存在着精细的微纳结构，对入射光发生反射、干涉或衍射等作用从而产生的色彩。与基于选择性吸收特定波段可见光的色素色相比，结构色具有不易褪色、高分辨率以及虹彩效应等特点。此外，结构色制品表面不需要进行喷涂等工艺，具有天然环保性，在显色、信息加密、光传感以及防伪等领域极具发展前景。因此，研发一种能够在金属表面加工出呈现结构色的微纳光栅结构的方法具有重大意义。

目前常用的结构色制备方法有光刻技术、模板复制技术、纳米压印法以及飞秒激光等。如中国发明专利CN 105093405A提供了一种采用光刻技术制作由光栅层、薄膜层和衬底层所构成的亚波长光栅波导结构真彩元件的方法。该方法通过调整结构参数就可制作呈现红绿蓝三基色结构色的真彩元件，并使得呈色光谱包含更宽的范围和更多的能量，因此大大增加真彩元件的结构色亮度。中国发明专利CN 111633881A提供了一种基于注射成型的光栅结构色功能表面的制备方法。该方法隶属于模板复制技术，因此具有成型周期短、生产效率高等优点，但是其所采用的硅母模需要通过其他技术制造。此外，激光诱导周期性表面结构技术(Laserinducedperiodicsurfacestructures，LIPSSs)可实现高效率的光栅结构加工，且光栅周期尺寸与激光波长相近。但是，由于其周期受到激光波长以及其他工艺参数的影响，难以实现对微纳结构的周期尺寸灵活控制。总而言之，上述方法工艺相对复杂，灵活性较低，且可加工材料受到极大限制，难以应用到金属表面的微纳光栅结构的制备上。

针对上述问题，中国发明专利CN 106078079A提供了一种采用金刚石刀具在金属表面直接切削成型闪耀光栅结构的方法。该方法工艺简单，加工成型的金属表面具有特定微结构，能够像闪耀光栅一样呈现结构色，但所加工的光栅结构尺寸都在亚微米级以上，加工效率较低，且光栅结构单一，难以实现光栅结构色的调控。北京理工大学的周天丰教授团队采用飞切加工技术加工出了周期特征尺寸为200～1000nm的“梭型沟槽”微纳结构，该技术通过改变进给速度与飞切轴转速的比值从而控制所加工微纳结构的周期尺寸，实现了可见光结构色的灵活调控。但是该技术所加工的微纳结构形状极大地受限刀具形状，不能灵活调控所加工微纳结构的高度等其他结构参数，从根本上限制了金属表面结构色的饱和度、亮度等方面的进一步灵活调控。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种金属表面光栅形貌可控的加工方法，能够便于光栅形貌的加工成型，并能便于调控金属表面结构色的色相、饱和度和亮度。

为解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：一种金属表面光栅形貌可控的加工方法，在切削工件的过程中，给刀具施加椭圆振动，利用刀具的运动轨迹创成光栅形貌，其中，施加的椭圆振动的振动平面在xoz平面，x轴方向为切削方向，z轴方向为切深方向，刀具的运动轨迹参数方程为：

其中，A_x和A_z分别为x轴方向和z轴方向的振幅，f为刀具的振动频率，为x轴方向和z轴方向的振动位移的相位差