结构化模具抛光E.Brinksmeier(I),0.Riemer,A.Gessenharter,L.Autschbach精密加工LFM实验室，德国不来梅大学摘要：适用于光学元件复制的高精密模具是由金刚石加工或由精密磨削加工而成，如菲涅耳透镜或棱镜阵列结构。在某些情况下，由于对表面粗糙度及有关高精度的光学应用的需求不断增长，复制组件的表面质量不足以满足这个需求，。因此，随后的结构抛光是必要的。经由新开发的研磨抛光工艺，激光抛光和磨料流加工之后，结构化模具应运而生。本文重点介绍了材料去除机制和可实现表面质量的研磨抛光。并且，将由激光抛光和磨料流加工得到的表面质量与通过研磨抛光得到的表面质量相对比。关键词：抛光，超精密加工，模具造型1引言对于生产玻璃或聚合物制成的光学元件结构，热冲压成型复制和喷射造型法是生产过程链中的中心任务之一[1]。出于这些目的，这对新一代高精度模具结构是一个严格的要求。现有的精密加工工艺，就像金刚石加工和精密磨削工艺，是非常适合制造高精密模具结构的。然而，为满足不断增加的应用光学副本的表面质量的需求，结构是必要的[1]。通过这项工作，由金刚石高精密研磨而成的结构模具在经过几道抛光过程后生成。本文的目的在于介绍几种可行的途径：1）新开发的磨料抛光工艺2）激光抛光3）对表面结构整理的磨料流加工。本文侧重于在结构研磨抛光过程中的材料去除机制磨以及实现的表面粗糙度和精度，这些参数被用来跟激光抛光和磨料流加工所实现的参数相对比。本文所讨论的结构模具的整个加工工艺如图1所示。图1：结构模具的产生和形成过程2结构化模具的形成2.1钢结构磨削如图一所示，该圆柱形盘（直径80毫米）的上面铸有2毫米高的圆柱形V型槽（直径50毫米）。模具的结构通过线性V型槽精密磨削而成，该V型槽使用6微米大小的与金刚石颗粒粘结的树脂颗粒。该V型槽的深度和宽度在0.1毫米-1.5毫米，并且包含了60度，90度，150度三个角度。图二所示的是通过WLI（白光干涉测量学）所测量的150度V型槽的一个侧表面。该表面的粗糙度达到了Ra30nm，高度达到了0.5um。2.2化学镀镍结构的金刚石研磨超精密加工技术，即球头铣削和飞行切割技术的发展，对于模具制造的连续性和光学性能的结构表面是至关重要的[2]。使用带有150度角的尖顶单晶金刚石工具的金刚石飞切割被用在了化学镀镍钢模具的150度V型槽形成过程中。切割速度为600米/分，走刀速度90毫米/分钟。图2：预加工V型槽的侧面（a）钢（b）化学镀镍如图2（b）所示，V型槽的双方粗糙度在12-14纳米，精度峰峰值达到0.5微米。3结构模具的研磨在结构表面抛光中的主要困难是角和边的四舍五入，以及由它们是由工具和工件之间的小得不连续的接触面积而引起的非均匀材料去除。因此，结构表面的研磨技术必须克服这些困难来改善表面粗糙度，保证高精度。研磨抛光，激光抛光和磨料流加工是用于研磨由精密研磨和金刚石研磨生成的结构模具。3.1研磨抛光研磨抛光，被认为是最古老的制造技术之一，是一种常用的工艺，它用于连续的，即非结构化光学元件的研磨[3]。虽然在研磨抛光中的基本材料去除机制尚未被完全开发[4]，但是我们仍可以实现小于1纳米的表面粗糙度和精度。不过，到现在为止，对表面结构的研磨抛光的基本理解还不清楚。正是由于这些，带有V型槽的结构表面的研磨抛光工艺已被开发。研磨抛光的V型槽特别要求成形的抛光工具和不同于传统的连续表面抛光的工艺流程[5]。抛光工具图3所示的是锥形针状和齿轮状的抛光工具应用于V型槽的抛光。这些工具是由相对硬度较高的聚酰胺尼龙制成，以保证磨料强加给它们的模塑稳定性和足够的韧性。此外，由尼龙制成的抛光工具可由金刚石精加工而成。图3：结构化表面的抛光工具工艺技术使用锥形针状和齿轮状的工具抛光V型槽可以通过两个途径实现，要么使用与槽刚好吻合的工具一次性加工槽的两面，要么用较小的锥形角的工具按顺序加工槽的两边。通过早期的实验，第二个途径更适用。这两个过程的结构图如图4所示。锥形工具作用在凹槽上的一个垂直的力Fv,分解为垂直力Fn和径向力Fr。Fn和Fr不受倾斜角度η和锥形角度k的影响，但是仅仅受到V型槽夹角α的影响。此外，在抛光工具和工件之间的摩擦力FR和对应的反作用力FR’是由Fn引起的。d结构深度（V型槽）dp抛光工具的直径Ic工具和工件之间的接触距离np抛光工具的旋转速度vft切向进刀速度vp抛光工具圆周速度vr相对速度w结构宽度（V型槽）Fv垂直抛光力Fn垂直力Fr径向力FR工具和工件之间的摩擦力FR’反作用力α夹角（V型槽）2k抛光工具圆锥角η抛光工具倾斜角度图4：使用锥形针型和轮型的抛光工具做结构表面抛光的工艺尺寸根据