六边形角锥棱镜阵列回复反射器加工方法研究

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回复反射器是一种十分常见的光学元件,它能将一定角度范围内的入射光线平行或近似平行于入射方向返回到光源处。经过数十年的研究与发展,回复反射器已经演化成了性能更高和功能更多的单元阵列结构,这些阵列通常由六边形、三角形等多边形的单个角锥棱镜结构组成,其中六边形角锥棱镜回复反射器,由于其反射率高,应用十分广泛,例如道路安全警示装置、头盔显示系统、光学测量系统、悬浮显示等。随着现代工业技术不断发展,对于六边形角锥棱镜阵列回复反射器的光学性能、生产效率、生产成本的要求不断高,然而传统加工方法拼针电铸法(PBE),具有加工周期长,工序复杂等问题,逐渐难以满足当前的加工需求。本论文研发一种新型的六边形角锥棱镜回复反射器加工方法,以满足日益增长的光学性能以及加工效率的需求。论文针对六边形角锥棱镜阵列开发一种更高效、适用面更广的新型加工方法,并对该方法的切削机理进行分析研究,最后在超精密机床上进行了加工实验验证。本论文主要围绕以下四个部分开展研究工作:(1)出了一种用于六边形角锥棱镜阵列的错位切削加工方法。通过对该方法的切削策略进行分析,高了加工效率。为了实现六边形角锥棱镜阵列的加工,分别研究了采用特定角度斜台夹具的水平方向加工方案和利用机床转台旋转的竖直方向加工方案。针对该切削加工方法的特点设计了特殊的楔形金刚石刀具,以实现角锥微结构的切削加工。(2)研究了六边形角锥棱镜阵列加工路径生成的方法,并对加工时间进行了估算。结合角锥棱镜结构与金刚石刀具的几何特征,针对切削过程中不同工序分别计算生成了相应的加工程序。对错位切削方法的加工时间进行估算,结果表明所出方法的具有更高的加工效率。(3)对金刚石错位切削加工方法的切削机理进行分析,研究切削过程中各个加工阶段在不同切削深度时的切削力变化规律。使用ABAQUS有限元分析软件建立了不同加工阶段的有限元模型,分析计算各个阶段的切削力大小,为后续加工实验工艺参数的优化供了理论指导。(4)开展对六边形角锥棱镜阵列的加工实验研究,并对加工结果进行了分析。在五轴超精密机床(Moore Nanotech 350FG)分别开展了切削力测量实验、竖直方向加工实验、水平方向加工实验。通过测量加工过程不同阶段的实际切削力,验证了前期切削力仿真的正确性;采用竖直方向与水平方向加工方案分别成功加工出了结构单元尺寸为200 m、500 m的六边形角锥棱镜阵列结构,最后对加工出的阵列结构光学反射面进行粗糙度测量,基本满足了回复反射器阵列光学性能的要求,验证了金刚石错位切削方法的可行性。
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