单点金刚车快刀伺服加工微透镜阵列工艺探讨

【摘 要】单点金刚石车的快刀伺服加工技术可实现复杂面形光学零件的高效优质加工。文中介绍了单点金刚车削以及快刀伺服的技术特点，以及对于加工微透镜的技术工艺路线予以分析和探讨，最后进行了零件的加工试验。

【关键词】单点金刚车；快刀伺服；微透镜阵列

0.引言

随着科学技术和信息化的迅猛发展，红外光学系统得到了飞速发展以及广泛的应用。红外光学元件主要包括红外晶体软脆性材料光学元件和玻璃、碳化硅SiC等硬脆性光学元件，由于红外晶体类光学元件在特定运行条件下，晶体内自发的Raman散射光通过表面时会得到放大。因此，晶体作为优质的光学材料，被较广泛地应用于红外光电仪器等非线性光学领域。但由于晶体材料本身具有质软，易潮解，脆性高，对温度变化敏感，易开裂的特点，因此晶体材料的加工周期很长，而且非常难以加工。尤其光学元件被业界公认为是最难加工的，随着对光学性能指标的要求不断提高，传统的光学元件加工方式已无法满足高精度的晶体材料光学元件的加工要求。

而快刀伺服FTS（Fast Tool Servo）加工技术则是通过驱动金刚石刀具产生高频响，小范围的快速精度进刀运动，并配合高精度的主轴回转和径向进给运动，来完成复杂面形零件的精密高效加工。这种加工方法具有高频响，高刚度，高定位精度等特点，可以重复加工出具有复杂形状的各种异形元件，一次加工即可获得较高的尺寸精度，形状精度和极佳的表面粗糙度，从而能够实现复杂光学面形的高效高精度加工。

1.技术特点

目前，准分子激光加工微投透镜的方法主要是准分子与激光与动态二元掩模法相结合（二元掩模法是指通过使用二元掩模制造微透镜的方法。其主要加工特点为：（1）制造过程简单，（2）制造速度快，（3）制造成本低。但由于自身的特点，所以其本身也有加工上的缺点：制造出的微透镜为非球面微透镜。

而相对来说，使用了单点金刚车的快刀伺服技术由于与有色金属亲和力好，其硬度、耐磨性以及导热性都非常优越，且刀具刃口极为锋利，刃口半径为0.5～0.01μm，同时可适用于加工非金属材料。相对而言，使用了单点金刚车的快刀伺服技术生产效率更高，加工精度更高，重复性好，适合批量生产，加工成本比传统的加工技术明显降低。而且可实现球面和非球面的精密加工。

本文所探讨的是基于单点金刚石车削的快刀伺服技术在微透镜阵列加工的新型工艺研究。微透镜是最重要的微光学元件之一，其几乎被用于所有的微光学系统。目前对于微透镜的定于较多，没有形成统一的定义。通常所说的微透镜一般指尺寸微小的光学透镜，其孔径范围一般为0.05～5mm。

目前传统加工微透镜主要有以下几种方法：（1）模具法加工微透镜；（2）研磨法加工微透镜；（4）光刻法加工微透镜；（4）掩模法加工微透镜；（5）喷墨法加工微透镜；（6）以及准分子激光加工微透镜。

单点金刚石车削（SPDT）是在计算机控制下采用天然单晶纳米金刚石刀具，在对机床和加工环境进行精确控制的条件下，直接车削加工出符合光学质量要求的非球面光学零件。目前，采用单点金刚石车削技术可以加工的材料有：红外光学晶体（单晶锗，硒化锌，硫化锌，氯化钠，氟化钙晶体等），有色金属，塑料等，上述材料均可以直接达到光学表面质量的要求。此技术还可加工玻璃，钛，钨等材料，但目前还不能直接达到符合质量要求的光学镜面。采用单点金刚石车削技术加工的球面和非球面光学零件在军用和民用光电产品上的应用相当广泛，如摄影镜头和取景器，变焦镜头，电影镜头，光纤通信接头等。

快刀伺服FTS技术可实现各种自由曲面的车削加工，如微棱镜、透镜阵列、环面以及小离轴量的（小于10mm量级）离轴非球面的加工。该方法能够使制造组件的形状精度和表面粗糙度控制在纳米级的范围内。

要实现上述两个关键特征指标参数注定要采用基于快刀伺服工艺的超精密单点金刚钻切削车床技术。快刀伺服加工技术与与传统的超紧密车床加工技术相比，最直观的区别在于刀具切削过程中，刀具的运动轨迹额外附加了一个垂直与端面方向的高频反复运动，此运动精确配合主轴的回转运动坐标位置和被加工工件不同半径设计轮廓来实现切削进给，通过切削车床的C轴、Z轴、X轴和FTS数控高频振荡的4轴的联动来加工复杂微结构。

2.技术路线

通过前期调研和课题探讨，本文在工艺方面的探讨主要两个方向是：（1）表面形貌非旋转对称的微结构阵列。（2）表面形貌成型的精度要求达到光学级。

相关的指标参数为：非球面微透镜阵列间隔为2.5mm；表面粗糙度小于40nmPa；面型小于50nmRMS；位置及高度公差小于1微米结合上述目标以及相关指标参数，考虑到单点金刚石车削SPDT和快刀伺服技术FTS各自技术特点，分析相关情况后，制定了以下的技术路线和工艺方案：

确定参数-计算圆周-刀具定义-确定参数-刀具路径-检测及报告

首先通过系统自带的Diffsys软件对零件进行坐标设定，并对阵列元表面进行定义，确定加工材料所加工微透镜阵列的参数；其次在机床系统软件中对于微透镜阵列上的面型进行不同圆周率的精密计算；接着在软件的计算过程中，对于使用的单点金刚石车刀的几何形状参数进行详细设定，例如：刀尖点半径，刀尖形状，刀尖后角等；然后通过内置软件，计算生成全加工路径的3D模拟视图，计算得出切削速度/加速度；在模拟验证完毕后，通过机床专用的后置处理，生成机床所能运行的快速刀具加工路径的NC代码，传输导入机床后进行安全高效的加工；最后加工完成后，使用先进的白光干涉仪或共焦显微镜对表面进行检测，记录实验数据，输出加工结果的检测报告。

用于本文工艺探讨的实验所使用的最主要装备是：美国阿美泰克Nanoform700Freeform单点金刚钻标准的五轴超精密计算机控制机床系统。所用整个机床的精度控制指标是：车削性能：车削表面粗糙度小于2.5nmRa，车削形状误差小于0.15μmP-V。编程分辨率：0.01纳米（直线）/0.0000001°（回转）

3.微透镜陈列加工与测试

本文利用美国阿美泰克Nanoform700Freeform单点金刚车结合快刀伺服技术进行了多次切削加工实验，均获得了较好的面形精度和表面质量。下面就以所加工微透镜阵列为例，进行分析说明：

透镜阵列采用非旋转对称的微结构阵列，透镜表面为非球面，间隔为2.5mm，规划好走刀路径并选择合适的工艺参数后，进行单点金刚车的快刀伺服加工，实验结果采用白光干涉仪和共焦显微镜对表面进行检测，数据结果如图5、图6所示，透镜的面型精度为RMS41.4nm，表面粗糙度为Pa32.8nm，位置及高度公差为Pt0.28μm，Smn为0.489mrad，均符合本文之前探讨设定的指标参数。

Pmma适用于光学透镜的常用材料，有色金属适用于可见光光学波段。

4.结论

通过相关实验结果表面，在实现复杂微结构工件的精密加工方面，基于单点金刚石车削SPDT的快刀伺服加工技术在加工微透镜阵列方面的测试案例为将来光学零件加工应用方面提供了一个积极的信号和方向。

随着复杂面形光学零件的应用越来越广阔，基于单点金刚车削SPDT的快刀伺服技术的超精密加工技术势必具有非常广阔的发展空间。

【参考文献】

[1]王桐.准分子激光光阑法加工微透镜的工艺研究.

[2]康战.单点金刚石精密数控车削加工技术及发展前景分析.

[3]朱登超.超精密快刀伺服加工复杂光学面形的技术研究.