《毕业论文-微透镜阵列模具精密铣削加工研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业论文-微透镜阵列模具精密铣削加工研究（32页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘 要超精密切削加工技术在微结构功能表面加工中体现出广阔的应用前景。尤其在微结构光学元件的加工中，超精密切削加工技术能够加工真正的三维结构，且加工精度高。超精密切削技术在加工微透镜阵列和大深宽比微结构中也有其它加工方式无法替代的加工优势。首先，本文介绍了微结构的应用及其加工方法；分析了国内外微结构铣削技术的研究现状；介绍了完成论文所需的实验条件；阐述了在DMU80 monoBLOCK 5轴高速加工中心上，应用硬质合金双刃球形铣刀，对H59黄铜和6061铝合金工件进行的透镜阵列加工实验。其次，对透镜阵列表面粗糙度的影响因素做了分析。在相同加工条件下,分别对H59铜和6061铝合金进行加工，验证不
2、同材料对表面粗糙度的影响不同；通过单因素实验得到铣削参数对透镜阵列表面质量的影响规律；通过正交实验建立表面粗糙度与切削用量之间的表面粗糙度预测模型。最后，根据表面粗糙度随铣削参数变化的规律以及表面粗糙度预测模型，提出铣削参数优化方案，为得到高表面质量的球形阵列提供参考。本文通过实验研究了透镜阵列的精密铣削工艺；分析了加工透镜阵列时表面粗糙度的影响因素；得出了加工过程中表面粗糙度随铣削参数的变化规律，并建立了表面粗糙度预测模型，提出铣削参数优化方案。这些结论为完善透镜阵列模具精密铣削加工工艺积累了经验。关键词：精密铣削加工；透镜阵列；表面粗糙度；预测模型；铣削参数ABSTRACTUltra-pr
3、ecision cutting technology reflects broad prospects in the processing of micro-structured and functional surface especially in the field of microstructure optical components. It has the characteristics of high forming precision and the ability of processing real micro 3D structure. Besides, Ultra-pr
4、ecision cutting technology also has a predominance in processing micro lens array and microstructure with high aspect ratios, which the other processing methods can not .Firstly, this paper introduces the application of microstructure and its manufacturing methods. Research status of microstructure
5、milling technology at home and abroad are presented in the paper. The experiment conditions is also introduced. In the DMU 80 monoBLOCK 5 axis high speed machining center, he experiment of processing lens array was done, on the H59 copper and 6061 aluminum alloy, with the carbide ball end milling cu
6、tter , which has two cutting edges.Secondly, the influence factors of surface roughness were analyzed. In order to verify that different materials have different influence on the surface roughness, the H59 copper and 6061 aluminum alloy are milled on the same conditions. Through the single factor ex
7、periment, the influence of cutting parameters on surface roughness. And the surface roughness prediction model is established by the orthogonal experiment.Lastly, the optimization scheme is proposed according to influence rule of the surface roughness as the milling parameters changing and the surfa
8、ce roughness prediction model, which can be used in the process of lens array.The precision milling process of lens array is analyzed. We analyzed the acting factors of surface roughness and got the surface roughness influence rule as the milling parameters changing, what appears when processing len
9、s array. Besides, we established the surface roughness prediction model and proposed a milling parameters optimization scheme. What is important is these conclusions accumulating practical experience for improving the technology of precision milling processing of lens array.Keywords：precision millin
10、g; lens array; surface roughness; prediction model; milling parameters1.1 研究背景1.1.1 微结构介绍微结构（Microstructure）是指具有特定功能的微小表面拓扑形状，如有规则的几何外形的凸起、凹槽及微透镜阵列等1，如图1.1所示。微结构功能表面（Micro-structured Functional Surface）是指分布着具有高深比、几何特性确定的，用以转化元件的机械、物理和化学性能并由此表现出特定功能的表面2而表面纹理（Surface Texture）一般限定为已经被标准化的概念，比如“表面粗糙度、波纹
11、度、面形精度”等3。微结构光学元件，又称为衍射光学元件、二元光学元件，是基于光波衍射理论发展起来的新兴光学分支，是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科。现在普遍以为其是指基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计技术，并用各种微细加工工艺，在片基或传统光学器件表面刻蚀产生两个或多个台阶甚至连续形状的浮雕结构，形成纯相位、具有极高衍射效率的一类衍射光学器件。二元光学(Binary Optics)是最先是由美国麻省理工学院(MIT)林肯实验室的W.B. Veldkamp于1989年提出的。微结构光学的表面微结构尺寸现在已经达到波长量级，可采用二维微加工工艺来制造，从而获得高精度和高衍射效率。
12、由于使用集成电路中的掩模方法类似于二元编码的形式进行分层加工，故引出了二元光学的概念。现阶段加工微结构光学元件并不仅仅使用二元掩模的方式制造出微光学器件。经过多年的发展，现已经发展到具有多层浮雕，甚至连续浮雕结构的衍射光学元件。现在，确切的说二元光学应该叫“衍射光学”，相应的光学元件称为衍射光学元件(Diffractive Optical Element DOE)。考虑到学术交流，人们一直在文献和图书中沿用二元光学这一概念。图1.1 用金刚石加工的微结构41.1.2 微结构功能表面的应用随着微结构功能表面的精密化和多样化，其应用日益广泛，在各个领域都显示出越来越重要的应用价值和广阔的应用前景4
13、-6。微结构光学阵列能获得如此迅速的发展，除由于体积小、重量轻、容易复制等显著的优点外，还有许多独特的功能和特点。第一，拥有高衍射效率。微结构光学元件是一种纯相位衍射光学元件，可将其做成多台阶相位的浮雕结构来提高元件的衍射效率。利用亚波长微结构及连续相位面形，理论上其衍射效率可达到100%；第二，具有独特的色散性能。微结构光学元件可在折射光学系统中同时校正球差与色差，构成混合光学系统，以常规折射元件的曲面提供大部分的聚焦功能，再利用表面上的浮雕相位波带结构校正像差；第三，有更多的设计自由度。在微结构光学元件中，可通过波带片的位置、槽宽与槽深及槽形结构的改变产生任意波面，在很大程度上增加了设计变
14、量，因此可以设计出全新功能的光学元件；第四，选材具有宽广性。母版的微浮雕结构可以制造在任意一种材料上，可以是硅片、玻璃或是金属材料，并且其复制品的材料的选择范围也很广，有玻璃、电介质，还有光学塑料；第五，拥有特殊的光学功能。微结构光学元件可以实现非球面、环状面、锥面和镯面等光学波面，这是一般传统光学元件所不能实现的，并且由微结构光学元件集成可得到多功能元件；使用亚波长结构还可得到宽带、大视场、消反射和偏振等特性。此外，微结构光学在促进小型化、阵列化、集成化方面的作用更是强大。二十一世纪随着科技的发展，微结构光学元件越来越精密化、多样化、其在各个领域都显示出越来越重要的应用价值和广阔的应用前景。
15、在光学领域，应用于手机、数码相机等电子设备的液晶显示屏幕的微透镜阵列背光组模，使显示屏幕以较小的光源能量，获得较亮较均匀的显示效果。菲涅尔透镜、衍射光学元件、扇形元件等微光学元件的使用，便于光学设计者优化光学系统，减轻重量，缩小体积，实现集成等。除此之外，在机械电子领域的真空卡盘、光纤连接器、微传感器、密封表面；在生物医学领域的眼底镜、光敏填充仪器、无影灯；在军事领域的卫星成像系统中的大口径波带片、战略战术导弹中的制导系统等都显示着微结构表面的巨大优势：紧凑型设计、适应于机械设计约束、可以实现新型的光学设计概念、集成光学和机械功能等等。微结构光学元件的超精密加工、精密复制以及对于复杂表面测试与
16、测量等技术己成为被国际公认的重要研究领域。微结构功能表面的功能主要表现在光学元件、机械耦合件、生物医学和热学上，在光学元件上的表现如衍射光栅，菲涅尔透镜、衍射光学元件、微透镜阵列、滤镜、反射特定波长的反射镜等；在机械耦合件的表现如真空吸盘、密封面、柴油机喷嘴、活塞环、汽缸垫、硬盘表面等。在生物医学上表现为细胞培养系统、生物微机电系统、牙科光敏充填仪器、内窥镜等。在热学上表现为热交换片等7。例如，图1.2所示的微透镜阵列可以用于显示设备的背光模组，如手机、数码相机、掌上电脑等电子设备的液晶显示屏幕，采用背光模组技术，使显示屏幕以较少的光源能量，获得较亮均匀的显示效果，可降低成本，并减小体积8。图1.2 微透镜阵列微透镜功能表面在军事领域也得到广泛应用，西方各国早已将微结构光学元件用于战略战术导弹与军用飞机成像寻的制导系统中，用以校正红外或可见光成像系统的像差与色差，使导弹精确制导能力和突防能力得到极大提高。美
