辊筒模具光学微结构的切削工艺实验及热误差补偿研究

发布时间：2020-10-11 21:28

　　随着全球光电产品需求量的快速增加及裸眼3-D等新兴技术的发展,对光电系统关键元件之一的光学器件的需求量逐步加大,同时对其技术要求也在不断提高。因而大面积、高表面质量及高尺寸精度的光学微结构阵列制造技术成为当今研究热点之一。Roll-to-Roll复制加工技术以其高精度、高效率、低成本等优点得到各国学者的关注并对其进行了深入的研究。目前本课题组研制了国内首台辊筒模具超精密加工机床,从机床硬件设备搭建到加工工艺等方面展开了系统性研究。本文研究了工艺参数对光学微结构表面质量的影响规律,解释了机床热场分布引起节距误差的原因,设计了误差补偿系统用以提高光学微结构加工精度。首先,对辊筒模具超精密加工机床光学微结构加工表面质量影响因素进行研究。通过理论推导给出了适用于所加工光学微结构的切削力模型,并通过切削力测试实验对模型的准确性进行了验证。为了得到较好的光学微结构表面质量对机床动态性能进行调试,通过对比性工艺实验给出了各切削参数对光学微结构表面粗糙度的影响规律,并依据切削力模型对其成因进行了分析,得到了微结构阵列加工的合理切削参数。之后完成了圆点阵列、横槽及斜槽的加工实验。其次,针对整圆周横槽微结构加工闭合处会出现节距突变的问题进行了详细分析。为了提高辊筒模具光学微结构的加工精度,对直线导轨系统进行了热变形分析;通过计算得到液体静压导轨系统各热源生热功率,根据液体静压导轨的结构特点提出了有限元分析中的油膜等效替代方法,建立了有限元分析模型。之后应用有限元软件对机床直线导轨系统进行了热-结构耦合分析,得到了其直线导轨系统热变形误差,并给出了改善辊筒模具加工机床光学微结构加工精度的方法。分析结果证明了闭合处节距误差较大的原因主要为机床的热误差。最后,依据分析所得的节距误差成因,从控制系统及加工工艺两个方面对节距误差补偿进行了研究。从控制系统角度设计了误差补偿系统的软硬件,并对误差补偿系统进行了验证性实验。从工艺角度对光学微结构加工的节距误差影响因素进行研究,并对闭合处的节距突变进行分析,得到了均化闭合处节距误差的合理工艺方法。为了验证节距误差补偿研究的正确性,将误差补偿系统和分析所得的工艺方法同时应用于微结构刨削加工中进行验证性加工实验,获得了节距精度较高的整圆周微结构阵列表面。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH74
【部分图文】：

功能表面,微结构,阵列,三面体

典型微结构功能表面

原理图,太阳能系统,原理图,硅片

图 1-2 聚光型太阳能系统（CPV）原理图图 1-3 裸眼 3-D 成像示意图[20图 1-4 为液滴在平整硅片表面与具有 V 型槽结构的硅片表面的形貌外观从图中可以看出平整硅表面接触角仅为 51.4°，而在具有 V 槽的表面接触经达到 142.3°，因而硅片表面具有 V 槽后其湿润性得到了巨大提高。同的增大也说明了其表面疏水性得到了很大的提升；参考文献[22-23]中给

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