无氧铜微透镜阵列超精密切削加工研究

发布时间：2020-06-22 23:33

【摘要】：微透镜阵列单元直径通常在微米级别,具有单元结构尺寸小,集成度高以及光学功能丰富等特点。随着光电技术的迅猛发展,对微透镜阵列光电元件制造需求日益增加。为实现微透镜阵列光电元件的大批量、高效率、高质量生产,在微纳加工领域国内外学者开展了大量的研究。目前,微透镜阵列的加工方法主要有压印痕法、超精密切削加工、超精密磨削加工、光刻胶热熔法、飞秒激光酸刻蚀法等,但这些技术还不成熟,存在加工尺度较大,加工精度不高,加工效率极低等问题,仍处于探索阶段。超精密切削是目前实现高精度、小尺度和大面积微透镜阵列加工的主要方法。本论文主要研究微透镜阵列的超精密慢刀伺服切削加工和超精密微铣削加工,研究两种加工方法刀具轨迹生成机理,提出轨迹规划方案。通过理论分析、有限元仿真和试验相结合研究切削速度、切削深度、刀具前角和工件出口角等加工参数对微透镜阵列加工精度的影响机理。对比分析慢刀伺服切削加工与微铣削加工的优缺点。针对积屑瘤降低已加工表面的表面粗糙度,破坏表面完整性的问题,首先研究了单晶金刚石切削无氧铜时积屑瘤的形成机理,通过有限元仿真和超精密车削试验,分析了切削深度和切削液对积屑瘤形成的影响规律。发现当切削深度较大时,在前刀面形成的高压区阻碍了切屑的排出,促进了积屑瘤的形成。因此,提出“分步切削法”避免高压区的形成,从而抑制积屑瘤的产生;并提出“刀-屑界面污染膜生成法”降低刀-屑接触界面的摩擦系数,抑制积屑瘤的形成。针对微透镜阵列切削加工中毛刺的形成问题,通过设计单因素切削试验,研究加工深度、进给速度和主轴转速对毛刺形成的影响规律,并使用Third Wave AdvantEdge有限元仿真软件对切削加工过程进行有限元仿真分析,研究刀具前角、工件出口角度对毛刺形成的作用机理。提出“减小刀具前角”和“减小微透镜深径比”的方法抑制毛刺的产生。基于以上研究,建立了微透镜阵列形状精度和表面质量的工艺控制方法。通过加工参数的优化,单个微透镜的表面粗糙度Ra可达5nm,形状精度PV可达43nm,微透镜阵列中各透镜单元之间的位置误差小于10nm。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG506;TH74
【图文】：

第 1 章 绪论1.1 微透镜阵列超精密切削加工研究目的和意义(1) 微透镜阵列的概念微透镜是指整体尺寸很小的透镜，通常其直径在 10μm 到 lmm 级，由这些微小透镜在基板上按特定形状排列形成的阵列叫做微透镜阵列[1]。目前光子学领域定义的微透镜的范围很广，它包括直径达到几毫米的透镜，列阵数目从几百到几千甚至几万[2]。相比于传统透镜，微透镜阵列具有单元尺寸小、集成程度高的特点，因而拥有传统透镜无法实现的功能，并能构成许多新型的光学系统。典型的微透镜阵列单个微透镜形状有正方形、半球形和六边形等，如图 1.1 所示。

图 1.2 基于微透镜阵列的 3D 成像系统原理璃微纳阵列在通信互联中的应用通信互联技术的飞速发展和密集波分复用技术的广泛应用，向高集成和阵列化方向发展，要求将排列成阵列的光纤出射的束，或者将平行光束会聚并高效率耦合入光纤阵列。应用的分布式微透镜阵列可实现这一目的，如图 1.3 所示。由于单～10μm，孔径较小，要求微透镜的数值孔径与之匹配，单元透度高。

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本文编号：2726427