1.本发明涉及微结构加工技术，具体涉及一种曲面闪耀光栅的加工方法。
背景技术：2.微结构化功能表面以其优异的性能，在先进科学和工业领域得到广泛应用，但是其性能因制造方法表面质量受到限制。结构化表面分为连续结构化表面和不连续结构化表面。这里的连续结构是指没有锐边的结构(如波浪形结构、正弦结构等)，其他是不连续的结构化表面(如v槽结构阵列、闪耀光栅等)。这些光学元件可用于改善光学性能，例如光束整形、导光、聚光，同时提高反射率，增强衍射效果等。
3.目前，闪耀光栅的制备方法主要有以下几种：机械刻划法、电子束直写法以及全息离子束刻蚀法。全息离子束刻蚀法是目前研究最成熟、使用最广泛的闪耀光栅制备方法，如申请号为201010169360.6的中国专利文献公开了一种闪耀凸面光栅的反应离子束蚀刻方法；再如，申请号为201210035381.8的中国专利文献公开了一种凸面闪耀光栅离子束刻蚀方法；再如，申请号为202011186785.8的中国专利文献公开了凸面双闪耀光栅制备方法、装置及凸面双闪耀光栅，同样使用离子束刻蚀；再如，美国专利文献us10338285b2采用离子束刻蚀制备平面闪耀衍射光栅。但是离子束刻蚀法在低刻线密度的闪耀光栅制作上没有优势，同时离子束刻蚀装置中的轴向限制和对光束调制的需要限制了其在更自由的结构上制作闪耀光栅的能力。目前，国际上能够采用电子束直写法制作高衍射效率凸面闪耀光栅的只有美国喷气推进实验室(jpl)，用电子束直写技术制作闪耀光栅，技术复杂度高，需要专业和昂贵的软硬件设备，在超高刻线密度的闪耀光栅上具有明显的优势，如美国专利文献us8331027b2所述，但是通常此技术仅限于制作曲率半径较大或接近平面的凸面光栅，对于非平面特征方面仍然缺乏灵活性。机械刻划法常用于平面闪耀光栅，且为不连续的结构化表面，如美国专利文献us9233512b2和us9678253b2利用机械刻划机制造平面闪耀衍射光栅。
4.总而言之，针对低刻线密度、高精度要求、低成本的曲面闪耀光栅，有必要寻求一种新的加工方法，解决上述问题。
技术实现要素：5.本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种加工效率高、尺寸精度高、结构均匀性好，可有效增强光学元件的反射和衍射功能的曲面闪耀光栅的加工方法。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
7.一种曲面闪耀光栅的加工方法，包括：
8.s1、将待加工的工件安装在机床的夹具上，该夹具布置于机床的主轴c的侧面，且主轴c布置在机床的x轴溜板上，并调节主轴c至动平衡；
9.s2、将工件的旋转运动作为主切削运动、结合刀具的联动偏转角度，利用刀尖圆弧
半径较大的r形金刚石刀具在工件上加工曲面基底；
10.s3、将工件的旋转运动作为主切削运动、结合刀具的联动偏转角度，利用刀尖圆弧半径较小的v形金刚石刀具在曲面基底上加工曲面光栅，从而得到曲面闪耀光栅。
11.可选地，步骤s1中动平衡是指当主轴c转速为500～1500rpm时，径向跳动峰谷值p-v稳定在2～10nm之间。
12.可选地，步骤s1中调节主轴c至动平衡是指更换平衡螺钉的数量调节主轴c至动平衡。
13.可选地，步骤s2中刀尖圆弧半径较大的r形金刚石刀具的刀尖圆弧半径为0.2～0.5mm，刀尖夹角为90
°
～110
°
；且在加工曲面基底过程中：刀具角度没有偏转，刀尖跟随曲面轮廓沿着z轴方向进给，与工件在x轴方向上联动，主轴转速500～1500rmp，沿z轴的进给量1～2μm，采用非水基冷却液进行冷却，切削环境温度保持在
±
0.1℃以内，通过三轴联动完成曲面基底的加工；其中z轴方向为主轴c的轴线方向。
14.可选地，步骤s2包括：
15.s2.1，根据曲面闪耀光栅的曲面方程和刀尖圆弧半径较大的r形金刚石刀具的刀尖圆弧半径，计算刀尖点位置坐标和刀具偏转角度值，根据计算出的刀尖点位置坐标和刀具偏转角度值进行路径规划并生成曲面基底数控加工代码；
16.s2.2，通过曲面基底数控加工代码控制刀尖圆弧半径较大的r形金刚石刀具在工件上进行粗加工曲面基底，并保留切削余量，且粗加工切削深度5～10μm；
17.s2.3，通过数控加工代码控制刀尖圆弧半径较大的r形金刚石刀具在工件上进行精加工曲面基底，且精加工切削深度1～2μm。
18.可选地，步骤s3中刀尖圆弧半径较小的v形金刚石刀具的刀尖圆弧半径为0.1～0.2μm，刀尖夹角为90
°
～110
°
，且在加工曲面光栅过程中：刀具角度始终在沿b轴方向偏转，同时跟随曲面轮廓沿着z轴方向进给，与工件在x轴方向上联动，切削深度是根据光栅方程计算的光栅高度，主轴转速500～1500rmp，沿z轴的进给量根据光栅方程计算的光栅周期，采用非水基冷却液进行冷却，切削环境温度保持在
±
0.1℃以内，通过四轴联动完成曲面光栅的加工。
19.可选地，步骤s3包括：
20.s3.1，根据曲面闪耀光栅的曲面方程和光栅方程计算刀尖点位置坐标和刀具偏转角度值，根据计算出的刀尖点位置坐标和刀具偏转角度值进行路径规划并生成曲面光栅数控加工代码；
21.s3.2，通过曲面闪耀光栅的曲面光栅数控加工代码控制刀尖圆弧半径较小的v形金刚石刀具一次成形加工曲面光栅。
22.可选地，所述曲面闪耀光栅的曲面方程为具有回转对称特征的曲面方程，所述光栅方程的函数表达式为：
23.d(sinθi+sinθk)＝kλ，
[0024][0025]
上式中，d为光栅周期，θi为入射角，θk为衍射角，k为衍射级次，λ为光栅波长，h为光
栅高度，θa为光栅顶角，θb为闪耀角。
[0026]
可选地，步骤s3之后还包括检测曲面闪耀光栅上的曲面光栅表面精度，若曲面光栅表面精度不满足要求，则跳转步骤s1)或步骤s2继续加工，否则判定曲面光栅表面精度加工完毕，结束并退出。
[0027]
可选地，所述跳转步骤s1的条件为检测曲面光栅的表面精度时为将曲面闪耀光栅从夹具上取下进行非原位检测，跳转步骤s2的条件为检测曲面光栅的表面精度时为将曲面闪耀光栅保持在夹具上进行原位检测。
[0028]
和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：对目前比较常见的平面光栅、凸球面光栅，常见的加工技术是电子束光刻和全息离子束刻蚀，但是对于曲面闪耀光栅而言，电子束光刻和全息离子束刻蚀这两种方案缺乏灵活性，并且在光栅密度比较小时，电子束光刻和全息离子束刻蚀这两种方案在精度方面有所欠缺，加工效率比较慢。本发明在此基础上采用单点金刚石技术，设计专用夹具，利用工件旋转和刀具偏转，依次实现曲面基底和曲面光栅的加工，提高了加工效率，并且加工精度可控，结构均匀性更好，具有加工效率高、尺寸精度高、结构均匀性好的优点，可有效增强光学元件的反射和衍射功能。
附图说明
[0029]
图1为本发明实例曲面闪耀光栅加工方法的流程图。
[0030]
图2为本发明实例中曲面基底加工示意图。
[0031]
图3为本发明实例中初始加工曲面光栅的刀具位置示意图。
[0032]
图4为本发明实例中完成加工曲面光栅的刀具位置示意图。
[0033]
图5为本发明实例中最终得到的曲面光栅局部轮廓图。
[0034]
图6为本发明实例中最终得到的曲面光栅表面质量结果。
[0035]
图7为本发明实例中最终得到的曲面光栅面形结果。
具体实施方式
[0036]
下文将以一块直径14mm的曲面光栅作为加工工件的实例，对本发明曲面闪耀光栅的加工方法进行进一步的详细说明。
[0037]
如图1所示，本实施例曲面闪耀光栅的加工方法包括：
[0038]
s1、将待加工的工件安装在机床的夹具上，该夹具布置于机床的主轴c的侧面，且主轴c布置在机床的x轴溜板上，并调节主轴c至动平衡；
[0039]
s2、将工件的旋转运动作为主切削运动、结合刀具的联动偏转角度，利用刀尖圆弧半径较大的r形金刚石刀具在工件上加工曲面基底；
[0040]
s3、将工件的旋转运动作为主切削运动、结合刀具的联动偏转角度，利用刀尖圆弧半径较小的v形金刚石刀具在曲面基底上加工曲面光栅，从而得到曲面闪耀光栅。
[0041]
本实施例曲面闪耀光栅的加工方法所提到的加工过程均是基于单点金刚石车削技术(single point diamond tool，spdt)，利用超精密机床多轴的同步运动，根据曲面光栅的几何需要精确控制刀具-工件相互作用的位置，可以在曲面基底上灵活制造出曲面闪耀光栅结构。
[0042]
本实施例中，步骤s1中动平衡是指当主轴c转速为500～1500rpm时，径向跳动峰谷
值p-v稳定在2～10nm之间。步骤s1中调节主轴c至动平衡可以根据需要采用可行的调节方式，例如作为一种可选的实施方式，本实施例步骤s1中调节主轴c至动平衡是指更换平衡螺钉的数量调节主轴c至动平衡。而且，调节主轴c是一个闭环的过程，在当主轴c转速为500～1500rpm的条件下，需要一边调节，一边测试径向跳动峰谷值p-v，直至满足径向跳动峰谷值p-v稳定在2～10nm之间的条件，即可判定为达到动平衡动态。
[0043]
本实施例中，步骤s2中刀尖圆弧半径较大的r形金刚石刀具的刀尖圆弧半径为0.2～0.5mm，刀尖夹角为90
°
～110
°
；且在加工曲面基底过程中：如图2所示，刀具角度没有偏转，刀尖跟随曲面轮廓沿着z轴方向进给，与工件在x轴方向上联动，主轴转速500～1500rmp，沿z轴的进给量1～2μm，采用非水基冷却液进行冷却，切削环境温度保持在
±
0.1℃以内，通过x轴、z轴和c轴联动完成曲面基底的加工；其中z轴方向为主轴c的轴线方向。其中，非水基冷却液可采用油雾、酒精、ipa雾等，切削环境温度保持在
±
0.1℃以内为通过空调冷却系统实现。
[0044]
本实施例中，步骤s2包括：
[0045]
s2.1，根据曲面闪耀光栅的曲面方程和刀尖圆弧半径较大的r形金刚石刀具的刀尖圆弧半径，计算刀尖点位置坐标和刀具偏转角度值，根据计算出的刀尖点位置坐标和刀具偏转角度值进行路径规划并生成曲面基底数控加工代码；其中，刀尖点位置坐标和刀具偏转角度值的函数表达式为：
[0046]zn
＝(n-1)*z，
[0047]
xn＝sqrt(r
2-(z
n-zo)2)+xo+r，
[0048]bn
＝0，
[0049]
其中，(zn,xn)为第n个闪耀光栅的刀尖点位置坐标，bn为第n个闪耀光栅的刀具偏转角度值，z为z轴进给量，sqrt为开平方函数，(zo,xo)为曲面基底的曲率半径r对应圆心坐标，r为曲面基底的曲率半径，r为刀尖圆弧半径。
[0050]
s2.2，通过曲面基底数控加工代码控制刀尖圆弧半径较大的r形金刚石刀具在工件上进行粗加工曲面基底，并保留切削余量，且粗加工切削深度5～10μm；
[0051]
s2.3，通过数控加工代码控制刀尖圆弧半径较大的r形金刚石刀具在工件上进行精加工曲面基底，且精加工切削深度1～2μm。
[0052]
本实施例中，步骤s3中刀尖圆弧半径较小的v形金刚石刀具的刀尖圆弧半径为0.1～0.2μm，刀尖夹角为90
°
～110
°
，且在加工曲面光栅过程中：如图3和图4所示，刀具角度始终在沿b轴方向偏转，同时跟随曲面轮廓沿着z轴方向进给，与工件在x轴方向上联动，切削深度是根据光栅方程计算的光栅高度，主轴转速500～1500rmp，沿z轴的进给量根据光栅方程计算的光栅周期，采用非水基冷却液进行冷却，切削环境温度保持在
±
0.1℃以内，通过x轴、z轴、c轴和b轴联动完成曲面光栅的加工。同样地，其中，非水基冷却液可采用油雾、酒精、ipa雾等，切削环境温度保持在
±
0.1℃以内为通过空调冷却系统实现。
[0053]
本实施例中，步骤s3包括：
[0054]
s3.1，根据曲面闪耀光栅的曲面方程和光栅方程计算刀尖点位置坐标和刀具偏转角度值，根据计算出的刀尖点位置坐标和刀具偏转角度值进行路径规划并生成曲面光栅数控加工代码；其中，刀尖点位置坐标和刀具偏转角度值的函数表达式为：
[0055]zn
＝(n-1)d，
[0056]
(z
n-zo)2+(x
n-xo)2＝(r-h)2，
[0057][0058]
其中，(zn,xn)为第n个闪耀光栅的刀尖点位置坐标，bn为第n个闪耀光栅的刀具偏转角度值，d为光栅周期，(zo,xo)为曲面基底的曲率半径r对应圆心坐标，r为曲面基底的曲率半径，h为光栅高度，β为刀尖夹角，(z
n+1
,x
n+1
)为第n+1个闪耀光栅的刀尖点位置坐标，θb为闪耀角。
[0059]
s3.2，通过曲面闪耀光栅的曲面光栅数控加工代码控制刀尖圆弧半径较小的v形金刚石刀具一次成形加工曲面光栅。
[0060]
本实施例中，曲面闪耀光栅的曲面方程可为椭球面方程、球面方程等具有回转对称特征的曲面方程。其中，椭球面方程的函数表达式为：
[0061][0062]
球面方程的函数表达式为：
[0063]
(x-a)2+(y-b)2+(z-c)2＝1
[0064]
其中，(x,y,z)为曲面上的坐标点，a、b、c均为影响曲面形状的相关参数。
[0065]
本实施例中，光栅方程的函数表达式为：
[0066]
d(sinθi+sinθk)＝kλ，
[0067][0068]
上式中，d为光栅周期，θi为入射角，θk为衍射角，k为衍射级次，λ为光栅波长，h为光栅高度，θa为光栅顶角，θb为闪耀角。
[0069]
考虑到步骤s1～s3可能不一定能够加工得到满足要求的曲面闪耀光栅，作为对上述步骤s1～s3的进一步完善，本实施例中还进一步在步骤s3之后还包括检测曲面闪耀光栅上的曲面光栅表面精度，若曲面光栅表面精度不满足要求，则跳转步骤s1)或步骤s2继续加工，否则判定曲面光栅表面精度加工完毕，结束并退出。其中，曲面光栅表面精度可为面形误差、形状精度和表面质量等表面精度指标中的部分或全部。通过迭代，可加工得到满足要求的曲面闪耀光栅。本实施例中，跳转步骤s1的条件为检测曲面光栅的表面精度时为将曲面闪耀光栅从夹具上取下进行非原位检测，跳转步骤s2的条件为检测曲面光栅的表面精度时为将曲面闪耀光栅保持在夹具上进行原位检测。最终，本实施例中得到的曲面光栅局部轮廓图如图5所示，曲面光栅表面质量结果如图6所示，曲面光栅面形结果如图7所示。
[0070]
综上所述，本实施例曲面闪耀光栅的加工方法采用单点金刚石技术，设计专用夹具，利用工件旋转和刀具偏转，依次实现曲面基底和曲面光栅的加工，提高了加工效率，并且加工精度可控，结构均匀性更好，具有加工效率高、尺寸精度高、结构均匀性好的优点，可有效增强光学元件的反射和衍射功能。
[0071]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也
应视为本发明的保护范围。
技术特征：1.一种曲面闪耀光栅的加工方法，其特征在于，包括：s1、将待加工的工件安装在机床的夹具上，该夹具布置于机床的主轴c的侧面，且主轴c布置在机床的x轴溜板上，并调节主轴c至动平衡；s2、将工件的旋转运动作为主切削运动、结合刀具的联动偏转角度，利用刀尖圆弧半径较大的r形金刚石刀具在工件上加工曲面基底；s3、将工件的旋转运动作为主切削运动、结合刀具的联动偏转角度，利用刀尖圆弧半径较小的v形金刚石刀具在曲面基底上加工曲面光栅，从而得到曲面闪耀光栅。2.根据权利要求1所述的曲面闪耀光栅的加工方法，其特征在于，步骤s1中动平衡是指当主轴c转速为500～1500rpm时，径向跳动峰谷值p-v稳定在2～10nm之间。3.根据权利要求1所述的曲面闪耀光栅的加工方法，其特征在于，步骤s1中调节主轴c至动平衡是指更换平衡螺钉的数量调节主轴c至动平衡。4.根据权利要求1所述的曲面闪耀光栅的加工方法，其特征在于，步骤s2中刀尖圆弧半径较大的r形金刚石刀具的刀尖圆弧半径为0.2～0.5mm，刀尖夹角为90
°
～110
°
；且在加工曲面基底过程中：刀具角度没有偏转，刀尖跟随曲面轮廓沿着z轴方向进给，与工件在x轴方向上联动，主轴转速500～1500rmp，沿z轴的进给量1～2μm，采用非水基冷却液进行冷却，切削环境温度保持在
±
0.1℃以内，通过三轴联动完成曲面基底的加工；其中z轴方向为主轴c的轴线方向。5.根据权利要求4所述的曲面闪耀光栅的加工方法，其特征在于，步骤s2包括：s2.1，根据曲面闪耀光栅的曲面方程和刀尖圆弧半径较大的r形金刚石刀具的刀尖圆弧半径，计算刀尖点位置坐标和刀具偏转角度值，根据计算出的刀尖点位置坐标和刀具偏转角度值进行路径规划并生成曲面基底数控加工代码；s2.2，通过曲面基底数控加工代码控制刀尖圆弧半径较大的r形金刚石刀具在工件上进行粗加工曲面基底，并保留切削余量，且粗加工切削深度5～10μm；s2.3，通过数控加工代码控制刀尖圆弧半径较大的r形金刚石刀具在工件上进行精加工曲面基底，且精加工切削深度1～2μm。6.根据权利要求1所述的曲面闪耀光栅的加工方法，其特征在于，步骤s3中刀尖圆弧半径较小的v形金刚石刀具的刀尖圆弧半径为0.1～0.2μm，刀尖夹角为90
°
～110
°
，且在加工曲面光栅过程中：刀具角度始终在沿b轴方向偏转，同时跟随曲面轮廓沿着z轴方向进给，与工件在x轴方向上联动，切削深度是根据光栅方程计算的光栅高度，主轴转速500～1500rmp，沿z轴的进给量根据光栅方程计算的光栅周期，采用非水基冷却液进行冷却，切削环境温度保持在
±
0.1℃以内，通过四轴联动完成曲面光栅的加工。7.根据权利要求6所述的曲面闪耀光栅的加工方法，其特征在于，步骤s3包括：s3.1，根据曲面闪耀光栅的曲面方程和光栅方程计算刀尖点位置坐标和刀具偏转角度值，根据计算出的刀尖点位置坐标和刀具偏转角度值进行路径规划并生成曲面光栅数控加工代码；s3.2，通过曲面闪耀光栅的曲面光栅数控加工代码控制刀尖圆弧半径较小的v形金刚石刀具一次成形加工曲面光栅。8.根据权利要求5或7所述的曲面闪耀光栅的加工方法，其特征在于，所述曲面闪耀光栅的曲面方程为具有回转对称特征的曲面方程，所述光栅方程的函数表达式为：
d(sinθ
i
+sinθ
k
)＝kλ，上式中，d为光栅周期，θ
i
为入射角，θ
k
为衍射角，k为衍射级次，λ为光栅波长，h为光栅高度，θ
a
为光栅顶角，θ
b
为闪耀角。9.根据权利要求1所述的曲面闪耀光栅的加工方法，其特征在于，步骤s3之后还包括检测曲面闪耀光栅上的曲面光栅表面精度，若曲面光栅表面精度不满足要求，则跳转步骤s1)或步骤s2继续加工，否则判定曲面光栅表面精度加工完毕，结束并退出。10.根据权利要求9所述的曲面闪耀光栅的加工方法，其特征在于，所述跳转步骤s1的条件为检测曲面光栅的表面精度时为将曲面闪耀光栅从夹具上取下进行非原位检测，跳转步骤s2的条件为检测曲面光栅的表面精度时为将曲面闪耀光栅保持在夹具上进行原位检测。
技术总结本发明公开了一种曲面闪耀光栅的加工方法，本发明方法包括：将待加工的工件安装在机床的夹具上，该夹具布置于机床的主轴C的侧面，且主轴C布置在机床的X轴溜板上，并调节主轴C至动平衡；将工件的旋转运动作为主切削运动、结合刀具的联动偏转角度，利用刀尖圆弧半径较大的R形金刚石刀具在工件上加工曲面基底；将工件的旋转运动作为主切削运动、结合刀具的联动偏转角度，利用刀尖圆弧半径较小的V形金刚石刀具在曲面基底上加工曲面光栅，从而得到曲面闪耀光栅。本发明具有加工效率高、尺寸精度高、结构均匀性好的优点，可有效增强光学元件的反射和衍射功能。的反射和衍射功能。的反射和衍射功能。
技术研发人员：彭小强 关朝亮 李煌 胡皓 戴一帆
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2022.07.19
技术公布日：2022/11/1
