摘要:研究了采用仿形法加工辊筒模具上微沟槽时，影响超精密加工精度的因素，分析了主轴转速和切削深度对辊筒模具上微沟槽表面粗糙度和形状精度的影响，探索了最优加工参数，并利用最优参数成功实现辊筒表面上正弦微沟槽的加工。因此，该成果可为实际加工提供指导，并达到避免重复性加工、节约加工时间和提高加工效率的目的。
关键词:微沟槽;辊筒;形状精度;表面粗糙度
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[1]。随着超精密加工水平的提高，微结构阵列已经具备亚微米级别的形状精度和纳米级别的表面粗糙度。微结构阵列的微观和宏观几何形貌决定了被加工零部件的功能，如润滑功能、摩擦功能、信息存储功能及光学功能等。微结构阵列以其特有的光学、机械和物理性能，已经成为信息通讯、光电子以及精密工程等领域的关键结构[2]。如用于对激光或照明光在一维方向的聚焦、匀化的微柱面槽、用于太阳能发电的菲涅尔透镜、用于显示器上的光学增亮膜微结构、用于超精密设备分辨率及精度的关键元器件的光栅等。
微沟槽阵列属于微结构阵列的一种，是指具有规则分布的沟和脊形成的微沟槽结构表面。该结构使零部件在传热特性、流体动力学特性、机械特性、仿生特性和摩擦特性等方面表现出与光滑表面截然不同的特点。微V沟槽目前已经成为了各种样式光学成像和照明系统中的关键元器件，如光栅、显示设备背光模组、光纤通讯及3D成像等[3]。微V沟槽结构表面在光学等多个领域有着广泛的应用，并且能大大改善这些领域核心器件的性能。微V沟槽的基本参数包括沟槽间距、V形槽的角度、沟槽数目等[4]，如图1所示。
Roll-to-Roll压印技术能大批量生产微结构表面，适合于大批量微结构光学膜片的加工，具有高精度、高效率及低成本的特点。Roll-to-Roll技术的核心是带有微结构表面的辊筒模具加工技术，其加工方法包括光刻技术、高能束加工技术(激光束和电子束)、特种能场加工技术(微波和超声波加工)和超精密机械加工技术。其中超精密机械加工技术采用金刚石刀具，具有锋利切削刃、硬度高、耐磨性好及能实现超薄切削厚度等特点，可满足辊筒模具表面微结构的加工精度和表面粗糙度要求。例如，压印背光模组中的增亮膜时所使用的辊筒模具，其表面微V型沟槽结构高20μm、节距40μm，要求形状精度小于5μm。目前，辊筒模具的加工技术主要由美国、英国、德国、韩国等少数发达国家掌控，而我国对辊筒模具超精密车床以及辊筒模具微结构表面加工技术的研究仍处于起步初始阶段，需要投入大量的资金进行科学研究。
超精密金刚石切削加工微V沟槽是一种比较高效的加工方法，目前在该领域已经有了很多相关的研究。Tae-JinJE等分析了加工过程中切削深度对切削力以及切屑形态的影响[5]。韩国学者Eun-SukPark等使用单点金刚石尖刀切削V型沟槽结构模具，研究了刀具损坏程度对V型槽阵列尺寸形状精度的影响。当金刚石尖刀磨损时，V型沟槽顶部将出现翻边毛刺现象，并得出了切削不同材料时，材料的硬度越大，表面粗糙度越小，毛刺的生成数量也越小的结论[6]。香港理工大学的李荣彬教授等在Freeform705G超精密机床上加工出了V型槽阵列、F-theta镜、微透镜阵列等，并研究开发了刀具运动轨迹的自动生成软件[7]。王素娟等使用超精密金刚石飞刀铣削通过刀具轨迹规划的方法加工出不同类型的V型沟槽阵列，并考虑机床加减速模式建立加工时间预测模型[8]。但是以上研究都是针对平面上微沟槽阵列的加工。
目前，对于微结构元器件的设计逐渐形成了一种新的趋势，即为了实现更好的功能，设计人员开始在圆柱面、球面、非球面甚至是自由曲面上设计微结构。与平面上微结构的加工相比，曲面上微结构的加工难度更大，必须考虑基面几何形状和几何精度的影响。例如，辊筒模具上微结构的加工就必须同时保证高精度的圆柱面及其上高精度微结构的要求。因此，针对辊筒模具表面上微结构加工的研究，2009年韩国机械与材料研究所学者Tae-JinJE使用两轴联动的方法进行多步加工，在长为1500mm、圆截面直径为320mm的镀铜辊筒模具上加工了棱镜结构[9]。2010年，韩国学者DuyLe等根据辊筒模具微结构表面加工过程中易产生毛刺的现象进行了相应地实验与分析，确立了微V型沟槽结构侧向毛刺和金字塔结构切出毛刺的数学模型[10]。2012年，天津大学的李龚浩博士在H62黄铜辊筒上加工了V型槽阵列，分析了工件上毛刺分布不均匀的现象[11-12]。
但是，对于辊筒表面微沟槽加工精度影响因素的研究较少。因此，本文针对辊筒模具上的微沟槽的加工进行研究，分析主要的加工参数(切削深度和主轴转速)对表面质量的影响规律，获得最优加工参数组，并将其应用于辊筒模具上不同曲线微沟槽阵列的加工，达到控制加工工艺获得辊筒模具表面上亚微米级形状精度和纳米级表面粗糙度的微沟槽阵列的目的。
1微沟槽加工刀具轨迹规划方法
辊筒模具表面上微沟槽的加工方法主要有仿形法和轨迹法。仿形法是使用金刚石成型车刀刀具，利用刀具的几何形状对工件进行仿形切削，加工过程与车削螺纹的加工过程十分相似，其原理其实就是通过改变每转进给量来加工不同节距的沟槽阵列，其刀具轨迹如图2a。这种方式加工出的V型槽角度与刀尖角度基本一致，加工效率比较高，表面质量良好，尺寸精度很容易得到保证，目前已经被广泛应用于辊筒模具表面微V型沟槽结构的加工中[5]。
轨迹法是通过刀具和工件的相对运动将其所要加工的轮廓结构加工出来，轨迹法相比于仿形法有着可控性高、尺寸精度高以及不易产生毛刺等优势，但由于加工表面是由加工刀具的残余高度所构成，因此合理选择切削参数以控制微结构的表面粗糙度显得尤为重要[5]，如图2b所示。
相关期刊推荐：《制造技术与机床》(月刊)曾用刊名：(机床)1951年创刊，由中国机械工程学会和北京机床研究所主办，是机床及机械制造领域专业技术期刊，报道国内外制造技术与机床方面的科技成果和经验，为提高我国机械制造业技术水平而服务。设有：国内外动态、综述、设计与研究、工艺与检测、改装与维修、管理技术、商务桥梁、企业之窗、数控专栏等栏目。
使用仿形法加工微沟槽时，所用加工时间小于轨迹法，但是轨迹法的加工精度更为可控。通过规划加工工艺，轨迹法可达到的表面粗糙度值小于仿形法，加工精度高于仿形法，因为仿形法所实现微沟槽的加工精度不仅仅与加工工艺相关，还依赖于金刚石刀具的波纹度和切削刃半径。
2实验研究
2.1辊筒表面直沟槽加工实验
实验的主要目的是研究仿形法加工方式下辊筒模具上微沟槽加工精度的影响因素，通过不同加工参数，包括切削深度、主轴转速对辊筒模具微沟槽的表面粗糙度和形状精度的影响。辊筒模具通常具有较大的体积和重量，因此加工时其主轴转速需采用较小值。实验采用超精密自由曲面加工机床(MooreNanotech350FG，美国)。该机床有3根直线移动轴(X，Y，Z)以及2个转动轴(B，C)，可进行的加工有两轴车削、精密微铣削、飞刀切削、刨削和磨削等，同时还可以配备快刀和慢刀伺服的加工方法。采用该机床加工辊筒模具时，工件固定在主轴上随着主轴旋转，刀具沿着X轴方向按照设定的切削深度值切削辊筒的轴面，如图3所示。工件材料为铝合金，刀具为天然金刚石刀具(图4)，刀具几何参数和加工参数如表1所示。加工完成的样品采用白光干涉仪(BrukerGT-X8，德国)检测其表面形貌、粗糙度和三维轮廓，测量结果如图5～6所示。
采用仿形法加工微沟槽的过程中，微沟槽的几何形状与金刚石刀具的刀尖几何形状相同，则其微沟槽的形状精度主要决定于其深度误差，即沟槽实际深度与设计深度的差值。理论上来说，实际加工的沟槽深度应该等于加工参数中所设置的切削深度aep，然而加工过程中刀具-工件之间的振动、材料弹塑性变形等因素的影响造成实际的切削深度值与理论值存在误差，即仿形法加工微沟槽过程中的沟槽深度误差。图6所示为不同切削深度和不同的主轴转速下，仿形法所加工的微沟槽实际深度与设定的深度值的误差。
如图7a所示，当主轴转速从50r/min逐渐增大为300r/min时，实际生成的微沟槽深度也小于理论值，其误差范围在0.15～0.4μm，并且主轴转速越大，沟槽深度误差越小。这是由于主轴转速S增大时，在相同的进给速度F和切削深度的情况下，进给量f=F/S减小，即刀具对工件材料的轴向力变小，则材料的弹塑性变形减小，因此深度误差变小。
同时，当切削深度分别为2μm、3μm、4μm、5μm时，实际获得的微沟槽深度皆小于理论值，其误差值在0.1～0.35μm，且切削深度越大沟槽深度误差越大，如图7b所示。这是因为辊筒表面加工微沟槽的过程中，径向切削深度值越大，切削力越大，刀具-工件之间的振动越大，工件材料的弹性回弹也会增加，引起的理论和实际深度之间的差值也越大。
图8所示为主轴转速和切削深度对微沟槽表面粗糙度的影响结果。从图8a中可以看出，所加工的微沟槽表面粗糙度Ra值在30～90nm范围内，即仿形法可在辊筒表面实现纳米级表面粗糙度微沟槽的加工。但是本次实验的主轴转速和切削深度对于仿形法所加工的沟槽表面粗糙度值(Ra)无明显的变化趋势。这是由于仿形法加工时，沟槽表面的粗糙度很大程度上取决于金刚石刀具的刀尖波纹度，加工参数对其影响相对不明显。
2.2辊筒表面曲线微沟槽加工实验
辊筒表面上两轴金刚石车削无法完成正弦沟槽的加工，本文采用慢刀伺服车削加工实现，即采用X、Z、C三轴联动的方式带动金刚石刀具相对于工件在极坐标或圆柱坐标系内实现对非回转对称表面的加工。加工正弦沟槽时，刀具位置位于XOZ截面上，且轴坐标不变化，只由X轴决定其切削深度，Z轴和C轴联动决定正弦微沟槽的一系列参数，如图9所示。根据辊筒表面直沟槽加工的结果，选取主轴转速200r/min、切削深度2μm、进给速率2mm/min。表2所示为辊筒表面设计的正弦沟槽几何参数，其中A为正弦曲线的波幅，w为波数(周期密度)，一共12条正弦沟槽，加工结果如图10～11所示。
利用白光干涉仪对每条沟槽进行多次(8次)测量，评价其沟槽深度(图11)，并取平均值，与理想沟槽深度值(0.004mm)比较，可获得辊筒表面上每条正弦沟槽的深度误差值(图12)，沟槽深度误差都小于0.1μm。
3结语
本文使用实验研究的方法分析辊筒模具超精密金刚石加工过程中主轴转速和切削深度对辊筒模具上微沟槽加工精度的影响，并基于辊筒表面直线微槽加工结果选取最优参数实现正弦沟槽的慢伺服加工。实验结果表明，超精密仿形加工可实现辊筒模具上亚微米级形状精度和纳米级表面粗糙度的直线和曲线型微沟槽加工。并且，切削深度和主轴转速的变化会引起微沟槽深度的变化:切削深度越大，沟槽深度误差值越大;而主轴转速的增大有利于控制沟槽深度的精度。然而，切削深度和主轴转速的改变对于微沟槽表面粗糙度的影响规律不明显，其根本原因在于仿形加工中沟槽的表面粗糙度很大程度上取决于金刚石刀具的刀尖波纹度。
因此，本文的结果将有助于辊筒表面微沟槽最佳加工参数的选择进行指导，并为将来研究辊筒模具表面微结构的微切削理论，探讨其表面形成和精度控制提供研究基础。——论文作者：张俊凤①王素娟
